1Vletalldampfbogenlampe für Wechselstrombetrieb. Die Erfindung bezieht sich auf Metall- de.mpfbogenlampen für Wechselstrombetrizb mit Stromdurchgang in beiden Richtungen.
Es sind elektrische Entladungsgefässe be kanntgeworden, in denen ein Wechselstrom bogen zwischen besonders ausgebildeten Oxydglühkathoden dauernd in Betrieb gehal ten werden kann. Diese Entladungsgefässe enthalten entweder permanente Gase oder Dämpfe, zum Beispiel von Quecksilber oder ein Gemisch von Gasen und Dämpfen. Wie die Erfahrung zeigt, sind derartige Lampen den .Anforderungen des Betriebes mit niedri gem Druck, elektrisch charakterisiert durch niedrige Bogenspannung, bei unter Umstän den recht beträchtlichem Bogenstrom gut ge wachsen.
Der Bogen erfüllt den ganzen Rohrquerschnitt, und da der Spannungsab fall pro cm klein ist, so werden auch recht ausgedehnte Oxydkathoden gleich mässig als Fusspunkte des Bogens ausgenutzt. Wesentlich anders liegen die Verhält nisse jedoch bei Hochdruckbetrieb. Unter Hochdruckbetrieb bezw. unter Hochdruck bogen sollen nicht nur solche Bogen verstan den werden, bei welchen der manometrisch gemessene Druck in der Grössenordnung einer Atmosphäre ist.
Es konnte experimen tell gezeigt werden, dass ein Bogen in Cad mium- oder Zinkdämpfen schon bei einem Druck von 5 bis 10 cm Hg-Säule die glei chen elektrischen Eigenschaften, das gleiche Aussehen und eine ähnliche Lichtintensität besitzt, wie ein Quecksilberbogen bei zirka einer Atmosphäre. Es ist also richtiger, un ter Hochdruckbogen einen solchen Bogen zu verstehen, bei welchem der Spannungsabfall pro cm des Bogens zirka 5 V überschreitet.
Beim Hochdruckbetrieb schnürt sich der Bogen auf einen Faden von einigen Quadrat millimetern Querschnitt zusammen, und der Spannungsabfall pro cm Bogenlänge er reicht 5 bis 10 V und darüber. Wegen dieses Umstandes hat auch der Fusspunkt des Bogens Neigung, sich auf kleine Teile der Glühkathode zu konzentrieren, die .sich in folgedessen stärker erhitzen; dadurch werden Elektronen emittiert, was die Konzentration noch weiter steigert.
Gemäss der Erfindung werden bei einer Metalldampfbogenlampe für Wechselstrom betrieb mit Stromdurchgang in beiden Rich tungen zwei massive Elektroden aus Metall mit hoher Schmelztemperatur verwendet, die erst bei einem Druck zu Kathoden werden, der höher ist als der Druck in der Lampe bei Inbetriebnahme.
Unter Metallen mit hoher Schmelztempe- ratur sollen im nachfolgenden als "Hart- metalle" bezeichnete Metalle verstanden wer den, deren Schmelzpunkt höher als 1700 liegt.
Ein Brenner, der nur zwei Massivelek- troden der beschriebenen Art enthält, ist zum dauernden Brennen bei Wechselstrom fähig. Da aber ein Hochdruckbrenner nach der Zündung alle Phasen vom Niederdruck bis zum Hochdruck durchläuft, kann die äusserst starke Zerstäubung nicht verhindert werden, die bei Niederdruck auftritt, und die die an die Massivelektroden angrenzenden Teile des Leuchtgefässes in Minuten vollkom men schwärzt.
Anderseits ist aber eine Mas- sivelektrode der beschriebenen Bauart gerade dem Hochdruckbetrieb sehr gewachsen, denn gerade die grosse Konzentration der Strom dichte in Hochdruckbogen erzeugt im Bogen fusspunkt die hohen Temperaturen, die bei dem Hartmetall einer starken Elektronen emission entsprechen.
Diese hohen Tempe raturen werden bei Wechselstrombogen durch Elektronenbombardement in der Anoden phase erzeugt, führen also nicht zur Zerstäu- bung. Der Kathodenfall wird aber durch die hohe Elektrodentemperatur entsprechend einer starken Elektronenemission soweit her abgedrückt, dass keine schnellen Ionen auf treten, die eine starke Zerstäubung verur sachen können.
Die bei hohen Temperaturen auftretende Verdampfung kann in entspre- chend geringen Grenzen gehalten werden denn gerade bei Hochdruck ist ja. auch die Verdampfungsgeschwindigkeit klein. Bei Wolfram sind die günstigsten Temperatur grenzen für die Massivelektroden etwa 2000 bis 2800 .
Die Metalldampfbogenlampe gemäss der Erfindung kann beispielsweise Elektroden besitzen, die aus einer Glühelektrode an sich bekannter Bauart, beispielsweise einer Oxyd kathode oder einer einfachen Glühwendel, etwa aus Wolframdraht und einer damit in elektrisch gut leitender Verbindung stehen den Massivelektrode der beschriebenen Art gebildet werden. Diese teilen sich in ihren Aufgaben in der Weise, dass bei Niederdruck die Glühelektrode, bei Hochdruck dagegen die Massivelektrode die Rolle der Bogen kathode übernimmt.
Dieses Überwechseln des Bogens kann durch äussere Schaltmassnahmen, beispiels weise durch Ausschalten der Glühelektroden in einer gewissen Druckphase, also bei einer gewissen Bogenspannung erfolgen.
Es kann aber auch selbsttätig auf die Weise bewirkt werden, dass die Glühelektroden sieh um ein bestimmtes Mass weiter voneinander entfernt befinden als die Massivelektroden. Das Über wechseln wird dann erfolgen, wenn zwei Be dingungen erfüllt sind: Erstens muss die Er hitzung der Massivelektrode durch den Anodenfall,- der sich bei höherem Druck in immer steigendem Mass auf dieser konzentriert und auch an sich anwächst, ein gewisses sass erreicht haben.
Diese Bedingung hat man durch die Bemessung des Abstandes Glüh- elektrode-Massivelektrode, sowie durch die Grösse der Massivelektrode in der Hand. Um aber ein noch schärferes Mass des Druckes zur willkürlichen Bestimmung des Über springens zu besitzen, kann der Spannungs abfall im Bogen zu Hilfe genommen werden. Man schaltet die Massivelektrode so mit der Glühelektrode zusammen, dass auch im Hoch druckbetrieb mindestens ein Teil des Bogen stromes diese durchfliesst. In der Glühelek- trode wird daher ein Spannungsabfall ent- stehen.
Das Überwechseln wird dann erfol gen, wenn der Spannungsabfall im Licht bogensäulenstück zwischen äusserem Glüh- kathodenende und Massivelektrode grösser geworden ist als der genannte Spannungsab fall in der Glühkathode, denn dann ergibt sich für den Bogen zwischen den Massivelek- tToden eine stabilere Brennlage. Der Wech- selstrombogen springt also bei Erreichen eines bestimmten Druckes automatisch von den Glühelektroden auf die Massivelektroden über.
Das Überwechseln erfolgt bei um so höherem Druck, je kleiner der Abstand Massivelektrode-äusseres Glühkathodenende, und um so früher, je grösser der Widerstand der Glühelektrode ist. Durch passende Be inessung dieser beiden Bestimmungsstücke kann der Augenblick des Überspringens zu dem beliebigen Druck verschoben werden, und hierdurch hat man die Verminderung der Zerstäubung der Massivelektroden in weitgehendem Masse in der Hand.
An Stelle des Druckes, der schwer zu messen ist, kann der Spannungsabfall in der positiven Säule des Lichtbogens, das heisst die Klemmen spannung am Brenner als Mass des Druckes genommen werden. Bei je höherem Druck, das. heisst bei je höherer Klemmenspannung das Überwechseln erfolgt, desto mehr werden die Massivelektroden geschont.
Die beigefügte Fig. 1 zeigt ein Ausfüh- rungsbeiüiel einer Metalldampfbogenlampe gemäss, der Erfindung. 1 ist das Leuchtgefäss, zweckmässig aus. Quarz oder hochschmelzen den Gläsern. 2, 3 und 3' sind die Glühelek- troden, in Form von Glühwendeln darge stellt. 4 und 5 sind die Massivelektro.den, in Form von Kugeln aus Hartmetall dargestellt, die an den Hartmetallstielen 6, 7 von ver ringertem Querschnitt sitzen.
Die Glühwen- del 2, 3 und 3'_ sind mit den Einführungen 8, 9, 10 und 11 verbunden. Um die Glüh- elektroden herum befinden sich Hülsen 12 und 1'3 aus Metall mit hoher Schmelztempe ratur, welche flächenförmige Elektroden darstellen, auf denen das. verdampfbare Me tall sich niederschlägt bezw. auf die bei der Fabrikation das verdampfbare Metall auf-
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gebracht <SEP> ist <SEP> und <SEP> die <SEP> gut <SEP> an <SEP> der <SEP> Gefässwand
<tb> anliegen.
<SEP> Die <SEP> in <SEP> der <SEP> linken <SEP> Hälfte <SEP> der <SEP> Figur
<tb> dargestellte <SEP> Ausführung <SEP> entspricht <SEP> vorzugs weise <SEP> der <SEP> Verwendung <SEP> von <SEP> schwer <SEP> verdampf baren. <SEP> bei <SEP> Zimmertemperatur <SEP> festen <SEP> hTetal len, <SEP> beispielsweise <SEP> Cadmium <SEP> oder <SEP> Zink, <SEP> wäh rend <SEP> die <SEP> rechte <SEP> Hälfte <SEP> der <SEP> Figur <SEP> eine <SEP> Aus führung <SEP> etwa <SEP> für <SEP> Quecksilber <SEP> darstellt. <SEP> Es
<tb> kann <SEP> aber <SEP> auch <SEP> beispielsweise <SEP> Quecksilber
<tb> in <SEP> einem <SEP> Brenner <SEP> verwendet <SEP> werden, <SEP> dessen
<tb> beide <SEP> Hälften <SEP> gemäss <SEP> der <SEP> linken <SEP> Hälfte <SEP> der
<tb> Abbildung <SEP> ausgeführt <SEP> sind.
<SEP> Der <SEP> die <SEP> Glüh elektroden <SEP> 2, <SEP> 3 <SEP> umschliessende <SEP> Teil <SEP> des <SEP> Bren ners <SEP> ist <SEP> mit <SEP> der <SEP> Wärmeisolation <SEP> 14 <SEP> versehen.
<tb> Diese <SEP> besteht <SEP> zweckmässig <SEP> aus <SEP> einer <SEP> Isolier schicht <SEP> 15, <SEP> umgeben <SEP> von <SEP> einer <SEP> Metallschelle
<tb> 16. <SEP> In <SEP> der <SEP> rechten <SEP> Hälfte <SEP> der <SEP> Fig. <SEP> 1 <SEP> ist <SEP> das
<tb> vorzugsweise <SEP> flüssige <SEP> Metall <SEP> 17 <SEP> in <SEP> einem
<tb> ringförmigen <SEP> Wulst <SEP> 18 <SEP> zweckmässig <SEP> mit
<tb> einer <SEP> verengten <SEP> Öffnung <SEP> nach <SEP> der <SEP> Seite <SEP> des
<tb> Leuchtgefässes <SEP> untergebracht..
<SEP> Der <SEP> Stiel <SEP> 6
<tb> trägt <SEP> an <SEP> dem <SEP> Querträger <SEP> 20, <SEP> an <SEP> -welchem <SEP> die
<tb> innern <SEP> Enden <SEP> der <SEP> Glühwendel <SEP> ? <SEP> und <SEP> 3 <SEP> be festigt <SEP> sind, <SEP> ein <SEP> metallisches <SEP> Verbindungs stück, <SEP> beispielsweise <SEP> einen <SEP> federnden <SEP> Draht.
<tb> 2.1, <SEP> welcher <SEP> die <SEP> leitende <SEP> Verbindung <SEP> der <SEP> -,Has sivelektrode <SEP> mit <SEP> der <SEP> Metallhülse <SEP> 12 <SEP> herstellt.
<tb> Die <SEP> Wirkungsweise <SEP> der <SEP> dargestellten
<tb> Lampe <SEP> ist <SEP> wie <SEP> folgt:
<tb> Die <SEP> Zündung <SEP> kann <SEP> erfolgen <SEP> durch <SEP> Selbst zündung, <SEP> Induktionszündung <SEP> oder <SEP> anziehende
<tb> Spiralen. <SEP> Selbstzündung <SEP> erfolgt <SEP> vorzugs weise <SEP> dadurch, <SEP> dass <SEP> die <SEP> Metallhülse <SEP> 12 <SEP> mit
<tb> dem <SEP> darauf <SEP> aufgedampften <SEP> Beschlag <SEP> des
<tb> dampfbildenden <SEP> Metalles <SEP> 2@3 <SEP> zum <SEP> Träger
<tb> einer <SEP> Glimmentladung <SEP> beim <SEP> Anlegen <SEP> der <SEP> be triebsmässigen <SEP> oder <SEP> einer <SEP> etwas <SEP> erhöhten
<tb> Spannung <SEP> wird. <SEP> Diese <SEP> Glimmentladung
<tb> schlägt <SEP> bei <SEP> passender <SEP> Bemessung <SEP> der <SEP> Gasfül lung, <SEP> beispielsweise <SEP> Edelgasfülliing. <SEP> sofort
<tb> in <SEP> einen <SEP> Bogen <SEP> über.
<SEP> Der <SEP> Bogenstrom <SEP> durch fliesst <SEP> hierbei <SEP> die <SEP> Glühwendel <SEP> \? <SEP> und/oder <SEP> 3.
<tb> wodurch <SEP> diese <SEP> ins <SEP> Glühen <SEP> geraten <SEP> und <SEP> selber
<tb> zu <SEP> Glühkathoden <SEP> werden. <SEP> Hiermit <SEP> ist <SEP> die
<tb> Zündung <SEP> beendigt. <SEP> In <SEP> der <SEP> gleichen <SEP> Weise
<tb> erfolgt <SEP> die <SEP> Zündung <SEP> mittelst <SEP> Induktion, <SEP> das
<tb> heisst <SEP> Anlegen <SEP> vorzugsweise <SEP> hochfrequenter Spannungen von aussen. Die dritte Art der Zündung besteht zum Beispiel in folgendem: Die Glübelektroden werden zunächst durch einen Heizstrom auf hohe Temperatur ge bracht.
Dies kann erfolgen in an sich be kannter Weise durch einen Heiztransfor- mator oder aber gemäss der Darstellung in Fig. 1 auf die Weise, dass die Glühwendel 2, 3 und 3' in Serie geschaltet und durch den Netzstrom angeheizt werden. Der beispiels weise bei 24 eintretende Netzstrom fliesst über den Vorschaltwiderstand 26 oder ein sonstiges Mittel zur Strombegrenzung über die Einschmelzung 8, das Glühwendel 3, das Glühwendel 2, die Einschmelzung 9, den Schalter 27, die Einschmelzung 10, das Glühwendel 3', die Einschmelzung 11 zu dem Punkt 2,5.
Der Widerstand der Glühwendel kann so bemessen werden, dass bei Durchfliessen des hierbei auftretenden Stromes zwischen den Enden 28 und 29 bezw. 30 und 31 der Glüh wendel ein so hoher Spannungsabfall ent steht, dass er zur Erzeugung einer hafselb- ständigen Entladung mit Innenbildung zwi schen den genannten Punkten ausreicht. Wie Versuche zeigen, tritt hierbei eine so starke Innenbildung auf, dass nach Öffnen des Schalters 27 augenscheinlich ein Bogen zwi schen den beiden Glühwendeln 2, 3 und 3' einsetzt.
Diese Art der Zündung ist die vor teilhafteste, denn während des Anheizens der Glühelektroden liegt nirgends am Entla dungsgefäss eine hohe Spannung, die zur Er zeugung schneller Ionen mit grosser Zerstäu- bungsfähigkeit ausreichen könnte, während nach Anlegen der betriebsmässigen Spannung durch Öffnen des Schalters 2.7 die Innenbil dung schon so stark geworden ist, dass der Bogen augenblicklich einsetzt und die Klem menspannung zusammenbricht, so dass wäh rend der Zündung, die nur Bruchteile einer Sekunde dauert, schnelle Ionen nur in ver schwindender Zahl die Glühelektroden tref fen können,
wodurch deren Zerstäubung auf ein Minimum reduziert wird.
Nach der Zündung brennt die Lampe zu nächst in einer Weise, die wir die zweite Be- triebsphase nennen wollen. Hierbei dienen die Glühelektroden als Kathoden, während der Druck des dampfbildenden Metalles in der Röhre zunächst klein ist. Der Dampf be sitzt demzufolge noch eine hohe Leitfähig keit, und der Strom verteilt sich auf der Anodenseite auf alle Teile der Elektrode, vorzugsweise aber auf die äussersten Enden 31 und 28 bezw. 29. Bei der in der Abbil dung links dargestellten Ausführung werden die beiden Durchführungen,8 und 9 mitein ander verbunden, etwa durch einen Schalter 32.
Nun erhitzt sich der Brenner immer mehr, wodurch der Druck und infolgedessen der Spannungsabfall im Dampf immer weiter steigt. Der iSpannungsabfall im Dampf, bei spielsweise zwischen den Punkten 5 und 31 wird bald so gross, dass der Strom den Weg in der Anodenphase ausschliesslich über 5 nimmt, während er in der Kathodenphase vorzugsweise vom Ende 31 ausgeht. Durch diesen Umstand und durch den bei höherem Druck immer steigenden Anodenabfall werden die Massivelektroden 4 und 5 immer heisser, und schliesslich so heiss, da,ss sie auch in der Kathodenphase zum Teil als Glühkathode dienen können.
In einem bestimmten Zeit punkt reisst nun der Teil des Bogens. in der Kathodenphase, der von den Enden 28, 29 und 31 ausgeht, ab, und der Bogen springt vollständig auf die Massivelektroden 4 und 5 über, die von diesem Augenblick an sowohl als Kathoden wie als Anoden oder, wie wir uns kurz ausdrücken, als Bo.genfusspunkte dienen. Hierbei wird auf der rechten Seite das Glühwendel 3' vom Betriebsstrom durch flossen, während auf der linken Seite die bei den Glühwendel 2 und 3 parallelgeschaltet sind und je von der Hälfte des Bogenstromes durchflossen werden.
Infolgedessen sind die beiden Ausführungen 8 und 9 je nur mit der Hälfte des: Bogenstromes belastet, wodurch eine Verminderung ihres Querschnittes zu lässig wird. In dieser dritten Brennphase dienen also die Glühwendel als Teil des Vor schaltwiderstandes, die zum Anheizen der diese enthaltenden Gefässteile verwendet wer den. Hierdurch werden diese Teile des Bren- ners auf höherer Temperatur gehalten, als sie durch die Bogenheizung allein kommen wür den.
Durch passende Bemessung des Wider standes der Glühelektroden in Verbindung mit der Wärmeisolation 15 kann dann er reicht werden, dass, das Metall, das sich in diesen Teilen aufhält, auf eine zur Er reichung des betriebsmässigen Druckes erfor derliche Temperatur gebracht wird.
Durch den geschilderten Umstand, dass ein Teil des Vorschaltwiderstandes im Be triebszustand im Brenner selbst enthalten ist, wird zweierlei erreicht: Erstens eine kurze Anlaufdauer und zweitens eine thermische Stabilisierung und Regulierung des Be triebszustandes. Während der Anlaufphase werden nämlich die Endräume des Gefässes, in welchem sich die Glühkathoden befinden, während der zweiten Phase zunächst durch den Bogen, der diese Räume noch durch fliesst, und in der dritten Phase durch den zunächst noch hohen Bogenstrom stark be heizt, wodurch eine schnelle Steigerung der Temperatur und des Druckes eintritt.
Bei steigendem Druck und infolgedessen steigen der Spannung verringert sich aber der Bogenstrom und hiermit die entwickelte Wärmemenge im Verhältnis des Quadrates des Bogenstromes oder noch stärker, so dass einer :Überhöhung des Druckes und der Spannung hiermit eine Grenze gesetzt wird.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Hochdruckmetalldampfbogenlampe ge mäss. der Erfindung dargestellt. In dieser ist 33 das geradlinige zylindrische Leuchtrohr. Mit diesem in einer Achse sind die Massiv elektroden 34 und 35, sowie die Stiele .3 ;
6 und 3,7 in den Füssen 3 & und 3,9 angeordnet. Die Stiele '38, 3,7 tragen in einem bestimmten Abstand von der Massivelektrode Querträger 40 und 41, an welchen Glühelektroden in Form von Glühwendeln 42, 43 und 44, 45 befestigt sind, die mit ihren äussern Enden zu den Einschmelzungen 46, 47 und 48, 49 führen. Um die Glühelektroden herum be finden sich metallische Hülsen 50, 51, die an der Wandung aus Glas oder Quarz gut an- liegen.
Diese Räume, sowie Teile der Füsse sind mit Wärmeisolation versehen, bestehend aus einer Wärmeisolierschicht, beispielsweise ausi Asbest 52 und 53, gehalten durch Metall schellen 54 und 55. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist gleich der im Vorhergehenden beschriebenen.