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Mischlichtlampe Die Erfindung behandelt eine Misahlichtlampe zur Erzeugung
von tageslichtähnlichem Licht aus Quecksi'dberdimpfbogenlicht und Temperaturstrahlerlicht
mit inerter Gasgrundfü.llung.
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In den letzten Jahren erfolgten zahlreiche Vorschläge zur Nutzung
der lichttechnischen und wirtschaftlichen Vorteile des Quecksiaberdampf-, bogenlichtes.
Die anfangs nur zu Reklamezwecken verwendete Nieäerdruckleuchtröhre wurde zur Hochdruckröhre
weiterentwickelt. Mit dem Übergang von Hartglas auf Quarz entstand die sogenannte
überhochdrucklampe. Man bemühte sich um weitere Drucksteigerung, weil sich herausstellte,
daB sich die Lichtemission mit zunehmendem Druck immer mehr auf das ganze Gebiet
der sichtbaren Strahlung (q.ooo bis 7000 Ä.) ausbreitet. Mit hoher Strombelastung
und zusätzlicher mechanischer Kühlung gelang mit sehr hohen Drücken und Bogenkonzentrationen
in Volt pro Millimeter Bogenlänge der Betrieb von Brennern, die rieben einer hohen
Lichtausbeute auch eine vorzügliche Lichtfarbe lieferte. Die zusätzliche Kühlung
und die damit verbundene Brennergefäßeinengung verhindertem. jedoch, die allgemeine
Anwendung dieser Lichtquelle in der Lichttechnik.
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Auch mit Rücksicht auf die natürliche Farbwiedergabe lassen sich solche
Lichtquellen nicht für jeden Zweck verwenden. Der Rotgehalt ihres
Lichtes
beträgt im günstigsten Fall 70% gegenüber i5 % im Tageslicht oder etwa :25"/o beim
Glühlampenlicht.
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Zur Erzeugung eines dem Tageslicht möglichst nahekommenden Lichtes
hat man verschiedenfarbiges Licht ausstrahlende Lichtquellen zu Mischlichtlampen
vereinigt. Dabei kombinierteman zwei an sich bekannte Leuchtelemente zu einer einzigen
Lampe. Vorzugsweise bediente man sich der Kombination von Hochdruckbrenner und Glüh:
licht. Der sehr geringe Gehalt an Rotstrahlen des Hg-Hochdrucklichtes solcher im
Handel erhältlichen Lampen bedingte aber die Beimischung eines kräftigen rotstrahlenreichen
Glühlichtes. Solches Mischlicht gibt aber auch im Verein mit kräftigem Glühlicht
die natürlichen Farben nur ungenügend wieder, weil die scharfen charakteristischen
Linien im Spektrum des Hg-Dampflichtes bei Drücken unter io Atm. der Wellenlängen
577o bis 5791, 5460, 4358, 4047 A als Folge hoher Lichtintensitäten das Licht
unvermeidlich verfärben.
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Neben diesen lichttechnischen Schwierigkeiten waren bei der Allzwecklampe
aber auch betriebstechnische Schwierigkeiten zu überwinden.
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Die an sich bekannten, aber gegensätzlichen Betriebsbedingungen der
beiden Leuchtelemente Hg-Lichtbogen mit negativer Stromspannungscharakteristik und
Temperaturstrahler mit Ohmscher Belastung brachten zahlreiche Schaltungsvorschläge,
die auch dem mangelnden Rotgehalt des H--Bogenlichtes abhelfen und das Mischlicht
soweit wie möglich dem Tageslicht angleichen soll. Bei der Inbetriebsetzung des
Hg-Lichtbogens bestehen zwischen dem Zeitpunkt des Einschaltens (Ruhestromzustand)
bis zum stationären Betriebszustand drei voneinander stark verschiedene Betriebszustände:
erstens der Ruhestromzustand, zweitens der Einbrennzustand und drittens der stationäre
Betriebszustand.
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Im Ruhestromzustand ist der Widerstand zwischen beiden Elektroden
des Brenners hoch, wird nach der erfolgten Zündung sehr klein und wächst dann mit
zunehmendem Dampfdruck wieder stark an.
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Allzwecklampen müssen außerdem eine lange Lebensdauer haben. Grundsätzlich
haben Glühwendeln eine kürzere Brenndauer als Brenner. Deshalb muß man deren Lebensdauer
verlängern.
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Kriterien der Lichtfarbe des Mischlichtes sind weiter noch die Bogentemperaturen
des Brenners und die Körpertemperatur der Glühwendel. Die zur richtigen Farbenerkennung
notwendige hohe Bogentemperatur wurde bisher nur mit hoher Strombelastung (A - mm-2)
und zusätzlicher Gefäßwandkühlung mit Wasser oder Luft erreicht. -Bei Mischlichtlampen
heizt die Glühwendel den Brenner zusätzlich auf.
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Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß
in einem geschlossenen Lampenkolben als äußerem Hüllgefäß neben. einem Hoch- oder
Höchstdruckbrenner eine inerte Grundgasfüllung, eine Glühwendel und ein bei der
Inbetriebsetzung der Lampe unter der Wärme des Glühlichtes . verdampfenden und im
verdampften Zustand kühlender Bodenkörper aus Metall vorgesehen ist, wobei die eine
Elektrode des Brenners und das eine Ende der Glühwendel an einen gemeinsamen Stromzuführungsleiter
und die andere Elektrode des Brenners unter Zwischenschaltung eines Strombegrenzers
und das andere Ende der Glühwendel an getrennte Stromzuführungsleiter angeschlossen
sind, so daß das Glühlicht allein durch die vom Brenner getrennt betriebene und
den Bodenkörper aus Metall verdampfende Glühwendel gesteuert wird.
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Der Elektrodenabstand im Brennergefäß ist kleiner als der größte Innendurchmesser
der Entladungsbahn. Das Brennergefäß hat Herzform und seinen größten Durchmesser
etwa in der durch die Spitze der oberen Elektrode gelegten Querebene und ist bezüglich
der Elektrodenachse, rotationssymmetrisch. Die inerte Gasgrundfüllung besteht aus
Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon oder einer Mischung dieser Edelgase. Der verdampfbare
Bodenkörper besteht aus Quecksilber, Natrium, Barium oder einem sich unter den Betriebsbedingungen
der Lampe entsprechend verhaltenden Metall.
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Die Gasmischung im äußeren Lampenkolben kühlt nicht nur einseitig
den Brenner, sondern setzt auch die Körpertemperatur der Glühwendel herab. Dadurch
wird die im Anlauf auftretende Temperaturüberhöhung beseitigt. Die aus denkbar schwersten
Gasen zusammengesetzte Mischung kann im Überdruck des stationären Betriebes den
Materialabbau der Glühwendel aufheben.
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Da die Bogentemperatur und damit die Lichtfarbe in einem bestimmten
Verhältnis zur Bogenkonzentration (Volt pro Millimeter Bogenlänge) steht, muß bei
der Verwendung der Normalspannung von 22o Volt die Entladungsstrecke so kurz wie
möglich sein. Der Lichtbogen kann mit einer einfachen Drosselspule hintereinanderge
schaltet in Betrieb gesetzt und stabilisiert werden. Dazu soll im Brenner der Elektrodenabstand
geringer als die größte lichte Weite, der Entladungsbahn sein. Die Aufheizung durch
die Glühwendel und die Kühlung durch die hohe Sättigung des Gas-Metalldampf-Mantels
im äußeren Lampenkolben führen zu einer geringen spezifischen Strombelastung des
Brenners in A - mm-2.
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Als Bodenkörper empfiehlt sich Quecksilber wegen seiner Indifferenz,
seines hohen Atomgewichts und seiner guten Wärmeleitfähigkeit (25. io-s cal r-='
sec--' Grad-' bei 76o mm Hg-Säule). Dieser oder ähnliche, leichtverdampfbare Stoffe
dienen auch zum guten Temperaturausgleich zwischen dem Quecksilberhochdruckgefäß
und. dem äußeren Lampenkolben mit der Glühwendel, da sie im Betrieb eine Atmosphäre
hoher Sättigung und guter Wärmeleitfähigkeit schafften. Da das Quecksilberhochdruckentladungsgefäß
sowieso aus quecksilberbeständigem Material gefertigt werden muß, und da dieses
Gefäß vorzugsweise mit dem äußeren Lampenkolben G1 zu einem Stück verschmolzen wird,
wird als Bodenkörper des Hüllgefäßes
ebenfalls Hg bevorzugt. Außer
dem Quecksilber als Bodenkörper kann in dem äußeren Lampenkolben auch ein gut wärmeleitendes,
aber gegenüber der Glühwendel indifferentes Gas, wie Ar, Kr, N2, H2 oder eine Mischung
aus solchen Gasen, eingeschleust werden. Zur Erhöhung der raschen Sättigung kann
der Außenkolben. nach dem Eindestillieren des Bodenkörpers und vor dem Einschleusen
der Gase ausgefroren werden.
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Bei Höchstdruckbrennern sollen die Elektroden möglichst verschleißfest
sein. Ihr Abbau schwärzt sonst die Gefäßwand des Brenners, so daß dgs Licht stark
absorbiert wird. Auch hier gibt es dieselben Schwierigkeiten wie beim Betrieb der
Glühwendel. Dazu verhält sich die Stromstärke des Brenners gegenläufig, sie beansprucht
also im Einbrennstadium die Elektroden maximal und dann im stationären Betriebszustand
am geringsten. Sofern nicht ein hoher Anlaufstrom notwendig ist, um den Brenner
auf Druck zu bringen, kann man diese Stoßbeanspruchung durch Vorschalten einer strombegrenzenden
Impedanz abfangen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Mischlichtlampe in größtem
Umfang möglich, weil die Brenneraufheizung über die Glühwendel und bei dem niederen
Gasdruck im Anlaufstadium den Druck und Bogenspannungsan.stieg des Brenners ohne
Bogenstromüberhöhung sicherstellt. Da eine Herabsetzung der spezifischen Strombelastung
des Brenners in ihrer Wirkung mit einer Gefäßvergrößerung gleichbedeutend ist, sind
noch andere Vorteile damit verbunden, z. B. die prozentuale Herabsetzung der Schwärzung.
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Die größte Lichtausbeute und beste Lichtfarbe erhält man mit der erfindungsgemäßen
Lampe, wenn Form, Größe und Beschaffenheit des Brennergefäßes in seinem Innern im
Betrieb zu einem thermischen Gleichgewicht führen. Versuche haben ergebe., daß sich
das thermische Gleichgewicht einstellt, wenn der Brenner sehr weit ist und etwa
herzförmig ist. Auch die Anordnung der Glühwendel spielt eine Rolle. Das Beispiel
nach Abb. 2 zeigt eine Ausführung, bei der eine Kühlung der heißesten Zone des Brenners
mit einem breiten, mit dem Lampenkolben ein Stück bildenden Steg erzielt ist. Die
obere, im Betrieb. sehr gefährdete Schulterzone hat feste Verbindung über den Quetschfuß
zum äußeren Lampenkolben. Auch der äußere Lampenkolben ist in Form und Größe den
Betriebsverhältnissen anzupassen, soweit nicht lichttechnische Anforderungen die
Form bestimmen.
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Die Strombelastung im stationären Betrieb soll in der größten Querebene
zur Elektrodenachse im Brennergefäß nicht größer als 2,5 mA - mm --2 sein. Außerdem
soll der Lamponsockel so ausgebildet sein, z. B. als Stiftsockel, daß er die Mischlichtlumpe
beim Anschluß in einer vertikalen Lage fixiert.
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An. Hand der Ausführungsbeispiele in den Fis. i bis q. soll die Erfindung
näher erläutert werden. Fig. i zeigt teilweise im Schnitt und schematisch eine elektrische
Mischlichtlampe mit einem Entladungsgefäß für den Betrieb einer Quecksilberdampf-Höchstdruckentladungsstrecke
und einer Wendeldrahtglühlampe. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Entladungsgefäß
mit einem Steg (Fuß mit Stromdurchführung zur Elektrode) mit dem Außenkolben fest
verbunden. Dabei ist E die Entladungsbann des Hochdrucklichtbogens; Gi der äußere
Lampenkolben; G2 das Entladungsgefäß des Hochdruckbogens; W, die Wendel der Glühlampe;
St der Verbindungssteg zwischen Lampenkolben, Lampenfuß und Entladu.ngsgefäßträger;
dieser Steg St ist absichtlich gegenüber der Kolbenwandstärke geschwächt, damit
eine Explosion sich gegen die Sockelseite der Lampe. auswirkt; Hg ein Quecksilberkondensat;
MB ein destillierter Bodenkörper, z. B. Quecksilber, Natrium, Barium od.
dgl. im äußeren Lampenkolben G1; L Kaminöffnungen. zur Lüftung der Zuführungsleitungen
und des Lampensockels S, aber auch zur raschen Entspannung der Hochdruckatmosphäre
der Lampe für den Fall, daß infolge zu hohen Druckes der Steg St bricht; S ein normaler
Edison7-Schraubsockel, an seiner Stelle läßt sich natürlich auch ein Stiftsockel
benutzen.
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Fig. 2 zeigt eine zweite Mischlichtlampe, zum Teil im Schnitt. Diese
Ausführung unterscheide" sich von der Fig. i durch eine andere Form des Entladungsgefäßes
des Hg-Dampf-Höchstdruckbrenners G2; der obere Schulterrand des Gefäßes ist organisch
mit dem Quetschfuß der Zuführungsleiter und dieser wiederum organisch mit dem äußeren
Lampenkolben G1 verbunden. Außerdem sind die Lüftungslöcher L weggelassen.
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Fi;g.3 zeigt eine elektrische Mischlich:tlampe vorzugsweise für Projektionszwecke
und stehenden Betrieb, zum Teil im Schnitt. Die Glühwendel W2 ist in einer Ebene
ausgespannt; damit der Höchstdrucklichtbo.gen und das Wendellicht mit einer Linse
gesammelt werden kann. Das Gefäß des Hg-Brenners bildet bei dieser Art von Lampen
nicht unbedingt die Achse des Hauptgefäßes.
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Fig. q. zeigt teilweise im Schnitt eine elektrische Mischlampe mit
Höchstdruckbrenner, bei welcher der Zwischensteg weggelassen ist, d. h. der Ab schluß
der Lampe erfolgt, wie dies bei Glühlampen und Dampflampen üblich ist, oben an dem
mit Schraubensockel verdeckten Teil.
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Während die Fig. i und 2 mehr den Lampentyp für die Allgemeinbeleuchtung
veranschaulichen, wo zum leichten Anzünden des Lichtbogens eine leicht erregbäre
Gasgrundfüllung geringen Druckes eingeschleust ist, damit sich andere Hilfsmittel
erübrigen, bringt die Fig.3 ein Hilfsmittel zur Zündung des Lichtbogens, wenn erschwerende
Umstände, wie z. B. eine Gasgrundfüllung hohen Druckes, Hilfseinrichtungen bedingen.
In der Nähe der auf der Sockelseite der Lampe zugekehrten Elektrode ist ein sogen.annter
Zündstift mit eingeschmolzen, der über einen hochohmigen Widerstand W3 mit dem höchsten
Potential der Speisequelle verbunden ist.
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Alle vier Ausführungsbeispiele geben die hauptsächlichsten Elemente
der Erfindung wieder: Den Bodenkörper aus Metall MB als Kondensat im äußeren
Lampenkolben G1 ; den Höchstdruckbrenner,
dessen Gefäß mit G2 bezeichnet
ist und der als Bodenkörper Quecksilber (Hg) enthält, sowie zwei Elektroden, deren.
Abstand K zur Erstellung eines Lichtbogens hoher Konzentration, geri iger ist als
der größte Innendurchmesser der Entladungsbahn; die Glühwendel W1 bzw. W2, den Steg
St, der im Verhältnis zur Kolbenwand merklich dünner gehalten ist, und den
dreipoligen Anschluß über drei, Zuleitungen. Das Hauptmerkmal der Erfindung liegt
in der Kühlung des Höchstdruckbrenners, der wartungsfrei arbeitet und keine -zusätzlichen
Einrichtungei , wieUmlaufpumpen, Ventilatoren u. dgl., verlangt Durch diese einfache-Kühlung
erleichtert die Erfindung besonders den Bau von Projektionslampen. Wird es dadurch
doch möglich, die beiden Leuchtelemente einander zu nähern und die Intensitäten
zu steigern.
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Lichtausbeute und Farbe des Lichtbogens stehen mit der Bogentemperatur
in engem Zusammenhang. Diese wiederum hängt vom Dampfdruck, Konzentration und Weglänge
des Temperaturgefälles ab. Deshalb kann man die Bogentemperatur steigern, wenn es
gelingt, die Konvektionsweglänge zu vergrößern. Im vorliegenden. Fall ist die Känvektionsweglänge
die zwischen dem eingeschnürten Lichtbogenkern und der Brennerinnenwand im Betrieb
auftretende Distanz. Die Reduktion der spezifischen Strombelastung, bezogen auf
den Brennerquerschnitt in mA - mm-2, ist somit gleichbedeutend mit der Erhöhung
der Konvektionsweglänge. Mit der Vergrößerung der Konvektionsweglänge bzw. mit der
Ausweitung des Brennergefäßes nimmt die Kühlfläche des Gefäßes zu, was die Kühlwirkung
steigert.
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Besteht durch Überdruck in der Lampe Explosionsgefahr, dann wirkt
der Zwischensteg St in doppelter Hinsicht als Sicherung, einmal durch seine stark
verminderte Wandstärke, dann aber auch, weil er bei der Fertigung der Lampe an den
äußeren Lampenkolben ungeschmolzen wird, so, daß sich eventuell auftretende Glasspannungen
in erster Linie auf diesen Steg konzentrieren. Der Steg (Einschmelzteller) soll
deshalb so geformt sein, daß er eine verminderte Festigkeit hat. Die Quetschfüße
nach Fig. i und z unterscheiden .sich erheblieh von demjenigen nach Fig. 3. Der
Quetschfuß wirkt hier nicht als Versteifung.
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Vorzugsweise ist die neue Mischlichtlampe zu einem einzigen. Stück
zusammengeschmolzen. Benutzt man den Quetschfuß der Stromzuführungsleiter als Träger
von Brenner und Zwischensteg St, so erreicht man drei Vorzüge auf einmal, Gewinn
an Aufbauhöhe, weil der Lampenquetschfuß auch als Dichtungsstelle der einen Brenner-Elektroden-Durchführung
dient; Transportfestigkeit und beträchtlichen Zeitgewinn bei der Herstellung. Neu
ist auch die Lage des Verschlusses. Der Einschmelzteller (Steg ST) verschließt die
Lampe nicht oben am Kolbenhals, wie bei den bekannten Lampen, sondern unmittelbar
am eigentlichen Kolbenformende, damit der - Abstand zwischen den- Heizelementen
und der Kolbenwand allseitig etwa gleich groß ist, so da.ß auch über der Oberfläche
dieses Gefäßes G1 mindestens annähernd ein thermisches Gleichgewicht erzielt ist.
Dies ist für stationäre Verhältnisse wichtig. Zugleich sinkt der Bedarf an Edelgas.
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Eine große Schwierigkeit beim Bau bisheriger Mischlichtlampen war
die Festlegung der Belastungsgrenzen, weil die wirklich auftretenden Spannungs-
und Frequenzschwankungen oft @ die zulässigen Werte um das Doppelte überschreiten.
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!I Deshalb konnte man Hochdruckbrenner aus Hartglas nicht bis zur
thermisch möglichen Grenze belasten. Die Deformationsgefahr bei Überspannung und,
sofern die Entladung mittels eines induktiven Widerstandes stabilisiert wurde, bei
geringfügiger Überspannung und Unterfrequenz würde sonst zu groß. Deshalb wurden
die veröffentlichten Lichtausbeuten im praktischen Betrieb nur selten erreicht.
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Obschon die Lichtausbeute der Höchstdru&-Quecksilberdampflampen
6o Lm/W überschreiten und das Spektrum dieses Lichtes einen kenrtinuierlichen Untergrund
bestätigt, gelang es bisher nicht, die Lampen in größerem Umfang für all; gemeine
Beleuchtungszwecke anzuwenden, weil die Lichtausbeute nach wenigen Stunden Brennlauer
stark abfällt. Die starke Gefäßschwärzung ist die Folge falsch bemessener Elektroden
als Kompromiß zwischen dem erhöhten Bogenstrom beim Anlauf bei geringstem Druck
und denn abgesenkten Betriebsstrom und hohem Betriebsdruck. Es genügt deshalb nicht,
einfach den Höchstdruckbrenner zu kühlen; man muß vielmehr die bedeutenden Unterschiede
zwischen dem Zeitabschnitt des Zündens und des stationären Betriebes beseitigen
oder mindestens ihre Wirkung bis zur Belanglosigkeit einengen.
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Bei jedem Einschalten der Lampe läuft folgender Vorgang ab: Nach dem
Einschalten der kalten Lampe zündet der Lichtbogen über das Zündgas, worauf sich
das Einbrennstadium einstellt, dem ein Spannungsabfall über den Bogen von ein paar
Volt und einem Strom des etwa i, 2fachen Wertes des Nennstromes zugrunde liegt.
Die Glühwendel, die als Stromkreis für sich an freier Spannung brennt, arbeitet
in diesem Zeitabschnitt, bedingt durch die geringe Gassättigung der Grundfüllung
des Lampenhauptgefäßes mit überhöhter Temperatur, womit eine kräftigere Brenneraufheizung
und erhöhte Lichtemission hervorgerufen wird; die Wärme sammelnde Wirkung des in
dieser wieder verdichteten Gasatmosphäre -arbeitenden Brenners und das Zusammenwirken
der Bogenaufheizung von innen und der Glühlichtaufheizung von außen sorgen für einen
rasch wachsenden Spannungs- und Dampfdruckanstieg im Brenner. Durch die überhÖhte
Wärmeausstrahlung der Glühwendel und die ständig wachsendeLeistungsaufnahme des
Brenners wird auch der Bodenkörper im äußeren Lampenkolben verdampft, so da.ß sich.
auch in diesem Gefäß eine hohe Sättigung ausbreitet, die d'i'e Temperatur der Glühwendel
auf stationäre Betriebsbelastung senkt und das Brennergefäß durch die augenfällige
Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit abkühlt und vor
Deformation bewahrt.-
Dadurch wird die Lichtausbeute erhöht und die Lebensdauer der Lampe beträchtlich
verlängert.
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Durch die Abstimmung von Aufheizung, Wärmesammlung, gegenseitige Konstanthaltung
und Kühlung wird bei derartigen Lampen ein günstiger Wärmehaushalt erzielt und das
Verhältnis Wärme zu Licht zugunsten des Lichtes gesteuert.