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Elektrische Uberdruckentladungslampe mit festen Glühelektroden Die
Erfindung bezieht sich auf elektrische, Beleuchtungs- oder Bestrahlungszwecken u.
dgl. dienende überdruckentladungslampen, die feste Glühelektroden aufweisen, eine
Edelgasfüllung sowie Quecksilber enthalten und meist mit sehr hohen Betriebsdrücken
von 5 bis roo Atm. und darüber brennen. Die bisher in die Praxis eingeführten Lampen
dieser Art arbeiten bekanntlich durchweg mit dosiertem, im Betrieb der Lampe vollkommen
verdampftem Quecksilber, weil die verschiedenen bereits vorgeschlagenen Bauarten
mit Quecksilberüberschuß im Betrieb unzulässig hohe und nicht von vornherein genau
bestimmbare Schwankungen des Füllungsdruckes und der Lampenbrennspannung zeigen.
Die dosierten Lampen befriedigen zwar in den meisten Anwendungsfällen in bezug auf
das Verhalten der Lampenbrennspannung, weisen aber den vielfach äußerst störenden
Nachteil auf, daß sie beim Ausschalten und sofortigen Wiedereinschalten nach geraumer
Zeit erst erneut zur Zündung zu bringen sind, nämlich erst dann, wenn sich die Lampe
beträchtlich abgekühlt hat und der Füllungsdruck dementsprechend gesunken ist. Zur
Beschleunigung der Wiederzündung hat
man. u. aschon empfohlen, das
heiße Lampengefäß durch einen kräftigen Luftstrom oder durch von außen herangeführte
wärmeableitende Kühlkörper zur schnellen Abkühlung zu bringen.
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Bei der TJberdrucklampe nach der Erfindung wird eine beschleunigte
Abkühlung der Lampenfüllung nicht durch ein äußeres Kühlmittel, sondern durch -ein
im Innern des Entladungsgefäßes vorgesehenes Hilfsmittel herbeigeführt und gleichzeitig
damit neben anderen Vorteilen eine besonders günstige Stromspannungscharakteristik
erreicht.
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Bei der neuen überdruckentladungslampe, die feste Glühelektroden und
eine Edelgasfüllung enthält und in einer Ansatzkapillare einen Quecksilberüberschuß
aufweist, ist nach der Erfindung eine Ansatzkapillare mit federnd nachgiebiger Wandung
oder mit gasgefülltem Endteil vorgesehen und die Quecksilbermenge derart bemessen,
daß beim Betriebsdruck der Lampe das gesamte flüssige Quecksilber mehr oder weniger
weit in die die kälteste Stelle des Entladungsgefäßes darstellende Ansatzkapillare
zurückgedrängt ist und sich bei Änderungen der Strombelastung bzw. bei Druckänderungen
in dem überhitzten, von flüssigem Quecksilber freien Entladungsraum eine Längsverschiebung
des Quecksilbermeniskus im Innern der Ansatzkapillare einstellt. Beim Ausschalten
einer derart ausgebildeten überdruckentladungslampe und beginnendem Druckabfall
durch Äbkühlung wandert das Quecksilber der Kapillare infolge der Federwirkung ihrer
nachgiebigen. Wandung bzw. des noch hohen Gasdruckes in ihrem Endteil in zunehmendem
Maße in Richtung der heißeren Kapillarmündung vor und gegebenenfalls sogar teilweise
in den Entladungsraum hinein und bewirkt dadurch eine schnelle Quecksilberdampfkondensation
und Absenkung des Füllungsdruckes.
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Abgesehen von der beschleunigten Wiederzündung der neuen IJberdruckentladungslampe
ergibt sich der wichtige Vorteil, daß trotz des Quecksilberüberschusses nach Belieben
sowohl der gleiche Verlauf der Stromspannungskennlinie wie bei einer dosierten Lampe
als auch Kennlinien mit wesentlich steilerem oder auch flacherem Verlauf erreicht
werden können. Die beiden extremen Fälle sind folgende: Wird einerseits der Rauminhalt
des gasgefüllten Endteils der Kapillare verschwindend klein gewählt, so kann bei
einer Erhöhung der Lichtbogenstromstärke der Quecksilberpfropfen praktisch kaum
zurückweichen, und die Kennlinie verläuft etwa so steil wie bei bekannten Lampen
mit Quecksilberüberschuß. Wird andererseits der Rauminhalt des gasgefüllten Endteils
der Kapillare überaus groß bemessen, so bewirkt schon die geringste Druckerhöhung
im Entladungsraum ein weites Z'urückverschieben des Quecksilberpfropfens, ohne daß
im gasgefüllten Käpillarendteil der Druck merklich ansteigt, der stets ebenso groß
ist wie im Entladungsraum. Es wird also in diesem Fall auch bei sehr großer Erhöhung
der Strombelastung der Lampe nunmehr infolge entsprechender Verschiebung des Quecksilberpfropfens
der Druck im Entladungsrauen praktisch konstant bleiben und demgemäß die S-tromspannungskennlinie
sehr flach verlaufen. Diese beiden extremen Fälle veranschaulichen, daß man durch
geeignete Bemessung des Rauminhalts des gasgefüllten Kapillarendteils nach Belieben
festlegen kann, um welche Strecke bei einer bestimmten Druckerhöhung im Entladungsraum
der Meniskus des Quecksilberpfropfens in die nach rückwärts selbstverständlich kältere
Kapillare zurückverschoben wird, welche Temperatur also der die kälteste Stelle
des Entladungsraumes darstellende und damit den Dampfdruck bestimmende Meniskus
des Quecksilberpfropfens annimmt. Meist wird es sich empfehlen, die Kapillare in
Nähe der Mündung so dünn wie möglich auszuführen und dem gasgefüllten Endteil einen
größeren Durchmesser zu geben. Die Empfindlichkeit der Druckregelung hängt davon
ab, wie groß der Temperaturabfall längs der Kapillare ist und wie groß der Inhalt
des gasgefüllten Kapillärendteils gewählt wird im Verhältnis zum Durchmesser der
Kapillare an den Stellen; an denen sich im Betrieb der Quecksilbermeniskus verschiebt.
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Gegenüber plötzlichen Netzspannungsschwankungen verhält sich die neue
Lampe ebenso wie eine dosierte Lampe, weil ihre Dampffüllung im Entladungsraum beträchtlich
überhitzt ist und weil sich eine kurzzeitige Veränderung der Lichtbogenstromstärke
wegen des geringen Kapillardurchmessers nicht sofort auf den Quecksilbermeniskus
auswirken kann.
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Ist die den Betriebsdruck der Lampenfüllung regelnde Kapillare am
Bodenteil des Entladungsgefäßes angeschlossen, ergeben sich vorteilhafte Möglichkeiten
zur Zündung und fofortigen Wiederzündung der Lampe auch bei sehr hohen Edelgasdrücken.
Zu diesem Zweck wird die Kapillare so ausgebildet und die Quecksilbermenge so bemessen,
daß der Quecksilberspiegel bereits bei kalterLampe die Glühelektroden derselben
überbrückt. Es wird dann zur Zündung ein die Edelgasfüllung des Entladungsgefäßes
erwärmender Heizkörper eingeschaltet, der das Quecksilber unter Ziehung des Lichtbogens
nach abwärts in die Kapillare hineindrückt. Es kann aber auch die Lampe so gebaut
sein, daß im kalten Zustand der Quecksilberspiegel die Elektroden noch nicht überbrückt.
In diesem Fall wird ein die Gasfüllung des Kapillarendteils erwärmender Heizkörper
eingeschaltet, der das Quecksilber bis zur Überbrückung der Glühelektroden im Entladungsraum
.hochdrückt, das nach der Abschaltung des Heizkörpers unter Ziehung des Lichtbogens
wieder in die Kapillare zurücksinkt.
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Bei Vorsehung einer solchen, bei modernen flberdruckentladungslampen
mit festen Glühelektroden und überhitzter Entladungsraumfüllung neuartigen Abreißzündung
durch flüssiges Quecksilber können hohe Edelgasdrücke von beispielsweise zo Atm.
und weit darüber und nur aus schwerverdampfenden Stoffen bestehende, also keine
leichtverdampfenden Aktivierungsstoffe enthaltende Glühelektroden verwendet sein.
Bei Vermeidung solcher Stoffe, wie
etwa Erdall.:alimetalloxyde,
und -Wegfall einer Zündung bei niedrigen Füllungsdrücken ist eine Zerstäubung der
Glühelektroden und eine vorzeitige Wandschwärzung weniger leicht zu befürchten,
so daß eine erheblich längere Lampenlebensdauer als mit den bisher üblichen Lampentypen
erreicht werden kann.
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In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiele drei nach der Erfindung
ausgebildete Überdruckentladungslampen mit ihren Schaltungen dargestellt.
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Die Lampe nach Fig. i zeigt ein röhrenförmiges Ouarzglasg efäß i,
das entladungsgeheizte, aktivierte Glühelektroden :2 und eine Edelgasfüllung von
verhältnismäßig niedrigem Druck enthält und daher in kaltem Zustand beim Schließen
des Schalters 3 von selbst zündet. Die bei der Herstellung als Pumpstutzen dienende
Ansatzkapillare q. enthält in dem nach oben abgewinkelten oder, wie punktiert angedeutet,
waagerecht geführten Endteil eine Gasfüllung, deren Druck ebenso groß ist wie der
Edelgasdruck im Entladungsraum und die von diesem durch den Quecksilberpfropfen
5 getrennt ist, der bei kalter Lampe die gezeichnete Stellung einnimmt und mit dem
Anwachsen des Druckes im Entladungsraum je nach der Größe des Inhalts des gasgefüllten
Kapillarendteils mehr oder weniger weit von der Mündung weg in die Kapillare zurückgedrückt
wird. Beim Betrieb der Lampe ergibt sich auf diesem Wege eine durch die Abmessungen
der Kapillare v orbestimmbare Stromspannungskennlinie. Beim Ausschalten der heißen
Lampe wird durch Vorwandern des Quecksilbers in die Nähe des heißen Mündungsteils
der Kapillare diese abgekühlt und die Kondensation des Quecksilberdampfes und damit
die Wiederzündung der Lampe beschleunigt.
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Bei der Lampe nach Fig. 2 ist die übliche Vorschaltdrosselspule 6
der Fig. i durch eine Heiz-bzw. Leuchtkörperwendel7 ersetzt, die in dem Ansatzstutzen
8 des kugelförmigen Entladungsgefäßes g untergebracht ist, der mit dem Entladungsraum
über eine Bohrung des Elektrodenkörpers io in Verbindung steht und wie diese eine
Edelgasfüllung von hohem Druck enthält. Den gleichen Druck weist die Gasfüllung
in dem nach oben abgewinkelten erweiterten Endteil i i der Ansatzkapillare 12 auf,
deren Mündung am tiefsten Punkt des Entladungsgefäßes liegt. Die Quecksilbermenge
ist hier so bemessen, daß in der gezeichneten Ausgangsstellung die beiden nur aus
hochschmelzenden Metallen bestehenden Glühelektroden io, 13 stromleitend überbrückt
werden. Beim Schließen des Schalters 14. heizt der entstehende starke Anfangsstrom
die Wendel ? rasch auf, und die sich ausdehnende Edelgasfüllung drückt das Quecksilber
unter Ziehung des Lichtbogens sofort in die etwa o,2 mm weite Kapillare 12, bis
unter Mitwirkung des entstehenden Dampfdruckes im - Betriebszustand der Meniskus
im Innern der Kapillare 12 eine mehr oder weniger weit von der Mündung entfernte
Stellung einnimmt. Beim Ausschalten der Lampe bewirkt das in den heißen Entladungsraum
eindringende, erheblich weniger erwärmte Quecksilber eine rasche Abkühlung und Kondensation
des Quecksilberdampfes unter Wiederüberbrückung der Glühelektroden, so daß die Lampe
schnell zur erneuten Zündung bereitsteht.
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In der Fig. 3 ist eine Ausführung angegeben, bei der in der Ausgangsstellung
das Quecksilber die Glühelektroden 15 noch nicht überbrückt. In diesem Fall wird
zur Zündung der Lampe eine auf den gasgefüllten Endteil 16 der Kapillare 17 einwirkende,
von der Niederspannungsquelle 18 gespeiste Heizwicklung ig mittels eines der parallel
zueinander angeordneten Tastschalter 2o eingeschaltet, worauf die sich ausdehnende
Gasfüllung im Endteil 16 den Quecksilberspiegel zur Berührung mit den Glühelektroden
15 bringt. Wird jetzt die Heizwicklung ig von Hand oder mittels des auf über Betriebsstromstärke
eingestellten Überstromschalters 21 abgeschaltet, so zieht der absinkende Quecksilberspiegel
den Lichtbogen zwischen den Glühelektroden 15, worauf das Quecksilber infolge der
Dampfdruckentwicklung aus dem Entladungsraum heraus in die Kapillare 17 gedrückt
wird, aus der es beim Ausschalten der Lampe wieder schnell in die gezeichnete Ausgangsstellung
gelangt.
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Bei entsprechender Ausbildung der Lampe gelingt aber nicht nur die
Einschaltung, sondern auch die Abschaltung des Lichtbogens einfach durch Betätigung
eines beliebigen der Tastschalter 2o. Man kann die Lampe nämlich leicht so ausbilden,
daß die Einschaltung der Heizwicklung ig bei brennender Lampe das Quecksilber so
weit zur Mündung hin oder sogar in den Entladungsraum hineindrückt, daß durch Mehrverdampfung
ein den Lichtbogen auslöschender Überdruck im Entladungsraum entsteht. Eine solche
Lampe kann also von beliebigen, jeweils nur mit zwei Schwachstromdrähten angeschlossenen
Stellen aus betrieben werden.
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Ausführungen nach den Fig. 2 und 3 können auch an niedrigen Spannungen
von etwa 24 V gezündet und betrieben werden, beispielsweise als Scheinwerferlampen
für Fahrzeuge dienen.
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Bei nach der Erfindung ausgebildeten Lampen läßt sich ferner noch
nach ihrem Zuschmelzen der im Betrieb später auftretende Füllungsdruck und damit
die Leistungsaufnahme nachregeln bzw. in weiten Grenzen verändern, z. B. durch nachträgliche
Deformation der Kapillare bzw. ihres Endteils oder durch Veränderung der Wärmeableitungsverhältnisse
der Kapillare, etwa durch Aufsetzen oder Verschieben von Wärmeableitkörpern oder
Wärmeisolierungen.
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Der gasgefüllte Endteil der Kapillare kann ebenfalls als Entladungsgefäß
ausgebildet sein; es können also zwei Gberdruckentladungslampen durch eine Quecksilber
enthaltende Kapillare miteinander verbunden sein und abwechselnd in Betrieb gesetzt
werden.
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Der Endteil der Kapillare kann statt einer reinen Gasfüllung auch
ein Gasdampfgemisch oder nur Dämpfe und gegebenenfalls auch Stoffe enthalten,
die
in Abhängigkeit von der Temperatur Gase oder Dämpfe binden und wieder abgeben.
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Geeignet dünne Kapillaren lassen sich beispielsweise durch Miteinschmelzen
und nachträgliches Herausziehen oder Herausätzen von geeigneten Drähten erreichen
oder durch Einschmelzen eines dünnen Metallröhrchens mit kapillarer Bohrung. Eine
Kapillare mit nachgiebiger Wandung läßt sich etwa durch Anschmelzen eines Metallröhrchens
mit gewellter, gegebenenfalls unter dem Druck einer äußeren Gegenfeder stehender
Wandung verwirklichen.
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Da bei Lampen mit Abreißzündung keine Zündüberspannung erforderlich
ist, kann der Edelgasdruck bereits so hoch gewählt werden, daß er vielfach größer
ist als der später dazukommende Dampfdruck, so daß die Lampe bereits beim Zünden
eine weitgehend der Netzspannung angenäherte Brennspannung zeigt und demgemäß beim
Einbrennvorgang keine oder nur eine geringe Überlastung. eines etwa vorgesehenen
VorschaltleuchtkÖrpers auftreten kann.
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Die Vorsehung der neuartigen Kapillare und die Bildung des Lichtbogens
durch Abziehen flüssigen Quecksilbers von den beiden aus hochschmelzenden Metallen
bestehenden Glühelektroden erweist sich nicht nur bei iQuecksilberdampflampen mit
extremen, viele hundert Atmosphären erreichenden Betriebsdrücken unter Verwendung
winziger und daher druckfester Quarzglasgefäße mit gegebenenfalls nur zwei vakuumdicht
eingeschmolzenen und gleichzeitig als Glühelektroden dienenden Wolframdrähten als
vorteilhaft, sondern kann auch zur Zündung -von Edelgaslampen hohen Druckes angewendet
werden. In diesem Fall wird dafür gesorgt, daß der Quecksilbermeniskus derart weit
in die Kapillare zurückgedrängt wird, daß im späteren Betrieb nur ein verschwindend
geringer, die Lichtausstrahlung praktisch nicht beeinflussender Dampfdruck entsteht.
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Ist die Kapillare über ihre ganze Länge hinweg sehr dünn ausgeführt,
kann die Lampe 'ohne Nachteil in beliebigen Stellungen betrieben werden.
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Bei Ausführungsformen mit Abreißzündung kann es zweckmäßig sein, statt
die Glühelektroden selbst, Ansatzkörper derselben durch das Quecksilber stromleitend
zu überbrücken, z. B. zwei an die Glühelektroden oder ihre Stromzuführungen angeschlossene
Wolframdrähte derart in die Nähe der Kapillarmündung zu führen, daß der an ihnen
zuerst entstehende Lichtbogen dann auf die Glühelektroden überspringt.