DE959297C - Entladungslampe fuer groessere Stromstaerken mit hohem Betriebsdampf- druck und festen heissen, vorzugsweise aktivierten Elektroden - Google Patents

Description

Bei Entladungslampen mit hohen Drücken, also solchen von etwa Vs bis einigen Atmosphären, und festen, glühenden, vorzugsweise aktivierten Elektroden sind die Stromstärken, mit denen man sie belasten kann, relativ begrenzt und betragen kaum mehr als 10 bis 15 Amp. Bei den gleichen Lampen mit noch höheren Betriebsdampfdrücken, also Lampen, die Drücke von mehr als 8 bis 10 Atm. und mehr im Betrieb aufweisen, ist die Möglichkeit der Strombelastung sogar noch geringer. Praktisch ist es nicht möglich, ohne weiteres mehr als 8 bis 10 Amp. durch eine solche Röhre zu schicken, ohne daß die Elektroden schnell zerstäuben und die Lampe sich schwärzt. Jedenfalls ist die Lebensdauer solcher Lampen sehr beschränkt im Gegensatz z. B. zu der von Hochdiruckquecksilberlampen' von nur 1 Atm. und nur einigen Ampere Betriebsstrom. Es ist nun an sich wünschenswert, Hochdrucklampen, insbesondere Hochdruokquecksilberdampflampen, der oben augegebenen Merkmale auch mit großen Stromstärken ohne die geschilderten Nachteile betreiben zu können, um den Bedarf an großen Lampentypen für viele Großbeleuchtungszwecke zu decken. Ferner haben solche Lampen ein mehr panchromatisches Licht, und ihre Ökonomie ist besser als die der kleineren Typen mit geringeren Stromstärken. Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, ist man

den Weg gegangen, die Drücke sehr hoch zu steigern, nämlich auf 60 bis 100 und selbst mehrere 100 Atm. unter Anwendung kleinerer Stromstärken von meist nur V2 bis 1 Amp. Aber auch diese Lösung versagt gegenüber vielen Zwecken, insbesondere dann, wenn es sich darum handelt, nicht eine fadenförmige, sondern eine kompakte Entladung großer Dickendimension und gleichzeitig großer Flächenhelligkeit zu erzielen,' z. B. für Scheinwerfer und Projektorenzwecke.

Der Grund, warum der Betrieb mit großen Stromstärken die Lampen, insbesondere die Kathoden schnell zerstört, konnte nun darin gefunden werden, daß nicht nur der Anoden- und Kathodenfall zunimmt, sondern außerdem um die Stirnflächen der Elektroden herum sich eine die ganzen Kopfflächen der Elektroden einhüllende, überhitzte Dampfwolke ausbildet, die die Wärmeabfuhr vom eigentlichen Brennfleck verhindert und die Elektroden zerstäubt bzw. verdampft und die Lampe schnell schwärzt. Nach der Erfindung ist es nun möglich, einfach konstruierte und" einfach herzustellende Hochdruck- und Höchstdrucklampen mit vergrößerter Lebensdauer auch für große Stromstärken zu bauen, wobei man weiterhin den Vorteil hat, von üblichen Folien- oder Drahteinschmelzungen Gebrauch machen zu können.

Die Erfindung gibt nun eine Lösung der obigen Schwierigkeiten und bezieht sich insbesondere auf die Ausgestaltung der in solchen Röhren zu verwendenden Elektroden sowie der Hilfsmittel für ihren Aufbau und Betrieb. Hierbei wird der eigentliche Elektrodenkörper, an dem der Bogen ansetzt, durch hinten angelagerte Metallmassen gekühlt, die besonders und zweckmäßig ausgestaltet sind und sich vollständig innerhalb der Entladungsröhre befinden. Der eigentliche Elektrodenkörper ist hierbei relativ klein, flach oder dünn gehalten, und der angelagerte Körper ist hierbei bezüglich seiner wärmeableitenden Dimensionen und/oder seines Wärmeableitvermögens ungleich viel stärker ausgebildet. Die Stromzuführung erfolgt demgegenüber zweckmäßig mittels gesonderter einfacher Folien- oder Drahteinschmelzungen, die selber jedenfalls praktisch keine weitere Ableitung der Wärme bewirken.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnung Bezug genommen. In dieser stellt 1 das aus Quarz oder hoch erweichenden Gläsern bestehende Entladungsgefäß dar. Dasselbe kann in der Mitte, wo der eigentliche Entladungsraum sich befindet, etwas ausgebaucht sein, um die Wände von dem überaus intensiven und dicken Lichtbogen entfernt zu halten. Die Erfindung gestattet es jedoch, auch bei Lampen mit großen Betriebsstromstärken mit einer einfachen geraden Rohre auszukommen, da der Lichtbogenansatz und der Lichtbogenraum intensiv durch innere Mittel gekühlt werden. In den in der Mitte befindlichen Entladungsraum ragen nun hinein die beiden eigentlichen Elektrodenkörper 2 und 3, zwischen denen der Lichtbogen gezündet und betrieben wird. Sie bestehen aus je einer Platte, Kappe oder einem Block aus Wolfram oder ähnlichen hochtemperaturbeständigen Metallen. Sie sind konisch oder schneidena.rtig zugespitzt. Ihre Dicke beträgt zweckmäßigerweise, je nach ihrer inneren Wärmeleitfähigkeit und je nach der Größe der Strombelastung, 0,6 bis 1,8 mm. (Je weniger leitfähig und je größer die Stromstärke, je dünner.) Die eigentlichen Elektrodenkörper können auch aus aktivierenden Materialien, eingefüllt und zusammengesintert mit Wolframdrähten oder Wolframpulver, bestehen. Gerade die Verwendung aktivierender Stoffe ist bei großen Stromstärken zur Verminderung des Katüiodenfalles sehr wünschenswert. Umgekehrt sind jedoch die aktivierenden Stoffe, insbesondere Bariumoxyd, wegen Zerstäubung und Verdampfung infolge großer Hitze sehr empfindlich. Hier gestattet es nun die Erfindung trotz der großen Stromstärke, hohem Druck und hohen Temperaturen durch die hiernach ermöglichte intensive Kühlung des Bogenansatzes trotzdem aktivierende· Stoffe als Überzug oder Zumischung zu einem Aufsatzkörper zu verwenden, Die Elektrodenkörper 2 und 3 sitzen nun je auf einer vollen stabförmigen Metallmasse aus Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän, Wolfram, ihren Legierungen oder ähnlichen Metallen, die ebenfalls erst ziemlich hoch schmelzen. Besser noch jedoch werden die eigentlichen Elektrodenkörper auf einer Hülse 4 bzw. S ^aus den genannten Metallen angebracht. Diese Hülsen sind im Verhältnis zum eigentlichen Elektrodenkörper außerordentlich groß gehalten, zweckmäßigerweise rohrförmig und geschlossen. Bezugnehmend auf die obere Elektrode ist innerhalb der Hülse 4 eine Kupfermasse oder ein Kupferstab 6 untergebracht. Er liegt dem hinteren, auswärtigen Teil der Hülse fest an. Nach dem Entladungsraum zu ist jedoch zweckmäßigerweise zwischen ihm und der Hülse ein ringförmiger Zwischenraum 7 gelassen. Vorn an der Kopf- und Stirnfläche der Hülse, in der Nähe des eigentlichen Elektrodenkörpers also, liegt die Kupfermasse der Innenwand der Hülse jedoch wieder fest an. Kupfer ist ein noch außerordentlich viel besserer Wärmeleiter als Wolfram, Molybdän, Tantal, Nickel, Eisen u. dgl. Metalle, die es darin um das drei- bis vierfache übertrifft. Durch die konstruktive Verbindung mit der Hülse vermeidet man jedoch den Nachteil des Kupfers, der in seiner Angreifbarkeit für Quecksilberdampf, in seinem niedrigen Erweichungs- und Schmelzpunkt und schlechter Entgasbarkeit liegt.

Die Hülse 4 ist ihrerseits bündig eingesetzt in das Rohr 1 bzw. den stutzenförmigen oberen bzw. unteren Ansatz der Röhre. Die wärmeableitende Masse füllt also, wie auch aus der Abbildung ersichtlich, die abseits vom eigentlichen mittleren Entladungsraum liegenden Stutzen oder Enden der Röhre praktisch weitgehend aus, überträgt auf sie die überschüssige und schädliche Wärme des igentlidhen Entladungsraumes und heizt auch sie genügend auf.

Wie schon angeführt, bildet bei großen Stromstärken nicht nur der von dem Lichtbogen durch-

setzte, durch die punktierte Linie 8 bezeichnete •Raum, sondern ein viel größerer Raum, etwa die durch die punktierte Linie 9 bezeichnete Dampfmasse, eine außerordentlich überhitzte Dampfwolke. Es vollzieht sich folgendes Phänomen, daß bei größeren Stromstärken, also insbesondere Stromstärken von mehr als 10 bis 15 Amp., Überhitzung den ganzen umgebenden Raum erfaßt, so daß schließlich ein großer Teil des Entladungsraumes, wenn nicht sogar der ganze Entladungsraum, mit einer mehrere iooo⁰ heißen, überhitzten Dampfmasse erfüllt ist. Es wird nun nicht nur der Bogenansatzpunkt durch den Lichtbogen selber in ungleich stärkerem Maße erhitzt, sondern es umspülen die überhitzten Dampfmassen die Elektroden weit über den Bogenansatzpunkt hinaus. Es nutzt also nichts mehr, daß man von dem an sich eng umschriebenen Brennfleck die Wärme an den Rest des Elektrodenkörpers ableitet, also bei bekannten Elektroden an eine Masse, die -in ihren wärmeableitenden Dimensionen nicht viel mehr als den in der Abbildung dargestellten Elektrodenkörpern 2 und 3 entspricht.

Bei der Elektrode wird nun auch bei großen Stromstärken und/oder hohen Drücken eine genügend "mächtige Wärmeableitung durch bezüglich ihrer wärmeableitenden Dimensionen oder ihrer Masse oder ihrer Wärmeleitfähigkeit ungleich viel wirkungsvoller ausgebildete, an die relativ kleinen oder flachen eigentlichen Elektrodenkörper angelagerten Metallmassen, insbesondere die iri der Abbildung'dargestellten Kupfermassen bewirkt. Sie grenzen einesteils unmittelbar an den Entladungskörper an, andernteils reichen sie so weit weg, daß sie mittels ihrer großen Flächen, besonders der an den Rohrenden oder Stutzen liegenden Flächen genügend Wärme abstrahlen bzw. an benachbarte Körper, etwa die Gefäßwandung:, abgeben. Dazu ist nun zweckmäßigerweise noch dafür gesorgt, daß die bei 10 relativ stark gekühlte Kupfermasse infolge der Anordnung des ringförmigen Spaltes 7 nicht vorzeitig erhitzt wird, sondern als eine relativ kühle Wärmeleitungsbahn unmittelbar bis zum Elektrodenkopf, d. h. bis an die Aufsatzkörper 2 und 3 bzw. den Bogenansatzpunkt heranreicht. Es findet also eine selektive Kühlung des Elektrodenkopfes und der unter gefährlichen Temperaturen den Elektrodenkopf umspülenden Dampfmasse statt, während das sonstige, in der Röhre liegende Dampfvolumen durch den ringförmigen Spalt nicht unnütz gekühlt wird bzw. daran verhindert wird, Wärme auf die Kupferbahn, bevor dieselbe den Elektrodenkopf erreicht, abzugeben.

Bei der unten dargestellten Elektrode besteht der ableitende Körper 11 aus Kupfer und hat begrenztere Ausdehnung. Nach einer kurzen Strecke, auf der er ebenfalls gegen unnötige Erhitzung von der Seite her durch einen Spalt 7 zweckmäßigerweise geschützt ist, geht er über bzw. ist eingelassen in die größere Masse 12 aus Invar-Stahl oder einer anderen Legierung von geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Diese Masse 12 ist nun sehr bündig und im engsten wärmeaustauschenden Kontakt mit der Quarzwand in diese eingelassen. Zumindest der Kupferkeil 11 ist ebenfalls wieder in eine Hülse 5 eingelassen.

Nach auswärts schließen sich an die Stäbe oder Hülsen Stromleitungsdrähte 14 und 15 an, an diese je eine zweckmäßigerweise mehrfach genommene vakuumdichte Folieneinschmelzung 16 und 17 und an diese wieder je ein aus der Röhre herausgeführter .Leitungsdraht 18 und 19.

Zusätzlich, kann äußere Kühlung angewendet werden, etwa dadurch, daß wärmeabstrahlende und leitende Kühlrippen auf die Enden bzw. Ansatzstutzen des Entladungsgefäßes außen aufgesetzt sind oder etwa ein Luftstrom dagegen geblasen wird oder sie gar etwa durch außen angrenzende, sich selbst bewegende oder künstlich bewegte Flüssigkeit gekühlt werden, ebenso etwa durch über die Röhre im Ganzen oder jedenfalls über ihre Enden übergeschobene wasserführende Mantel.

Unter Anwendung der oben beschriebenen Erfindung gelingt es, erhebliche Ströme selbst bei mittelhohen oder höchsten Drücken durch die Röhre zu schicken. Die Elektrodenabstände betragen hierbei je nach ,der Lampengröße 0,5 bis 1 bis 2 cm, die Strombelastungen selbst 10 bis 100 Amp. Hierdurch können, besonders für Scheinwerfer- und Projektorenzwecke sehr wichtig, Lichtbogen von entsprechend 3 bis 10 mm Dicke erzeugt werden. Selbst bei erheblichen Strombelastungen gelingt es, die Lampe bei Drücken von 15 bis 60 Atm. und noch mehr zu betreiben. Eine derartige Lampe kann Abmessungen haben, die bei großen Typen 2 bis 3i ja sogar bis zu 5 cm Durchmesser betragen. Die Elektroden können hierbei Durchmesser von ι bis 3 cm und Längen von 4 bis 15 cm und mehr besitzen. Man erreicht bei Drücken von 25 bis 30 Atm. durch Anwendung von Stromstärken von 25 bis 45 Amp. Leuchtdichten von 70 bis über 100 000 Stilb. Bei Drücken von 40 bis 45 Atm. erreicht man unter Anwendung von Stromstärken von 15 bis 30 Amp. dieselben hohen Leuchtdichten. Es ist also möglich, große Lampentypen zu bauen, indem man die Wandstärke auf 2 bis 4 mm begrenzt, wodurch noch eine gute und schnelle Wärmeleitung nach außen erzielt wird.

In der Lampe kann Quecksilber verwendet werden, und zwar in' dosierter Menge, dergestalt, daß es bereits unterhalb der Betriebstemperatur völlig verdampft ist. Infolge der großen wärmeträgen Elektrodenmassen, die eine erhebliche Wärmekapazität besitzen und in ihrer Ausdehnung sich von dem Entladungsraum genügend weit weg erstrecken, wie nach vorliegender Erfindung, ist es jedoch auch möglich, mit einem Überschuß an Quecksilber zu arbeiten und seine Menge so zu bemessen, daß es bei Betrieb den spaltartigen Zwischenraum zwischen den geschilderten Hülsen 4 und der Wandung des Entladungsgefäßes, zweckmäßigerweise auch den Raum hinter den Elektroden, ausfüllt. Dadurch wird die Wärmeableitung weiter verbessert. Ferner wird erreicht, daß sich die Wärmeübertragung vom Entladungsraum und dementsprecihend Netzspannungsschwankungen nur

unbedeutend auswirken. Es kann auch als Füllung Quecksilber mit einem Zusatz von Cadmium öder Rubidium verwendet werden. Als Zündgas dient hierbei Neon, Argon oder das bekannte zündfähige Gemisch beider von einigen cm Druck. Die Röhre kann auch als Füllung permanente Edelgase unter einem Druck von mehreren Atmosphären aufweisen. Die Zündung erfolgt bei solchen Lampen durch Hochspannungsstoß oder durch anfänglichen to Kontakt der dazu gegebenenfalls besonders ausgebildeten Elektroden.

Claims (18)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Elektrische Hochdruckdampflampe für große Stromstärken und hohen Druck mit festen glühenden, gegebenenfalls aktivierten Elektroden, insbesondere für Scheinwerfer und Projektoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung einer beständigen Lichtbogenentladung großer Querdimensionen und gleichzeitiger Flächenhelligkeit die Betriebsstromstärke auf mehr als 8 Amp., der Betriebsdruck auf etwa 8 bis 45 Atm. eingestellt ist und die Elektroden einen aus hochschmelzenden und/oder gut wärmeleitenden Metallen bestehenden Körper relativ großer wärmeableitender Dimensionen und/oder großen Wärmeleit-Vermögens, vorzugsweise von Stabform, aufweisen, der an den eigentlichen, relativ kleinen oder flachen, etwa einen gut anliegenden Aufsatz bildenden Elektrodenkörper in Richtung vom Entladungsraum hinweg angelagert ist und sich nach auswärts zu erstreckt, daß der ableitende Körper sich völlig innerhalb des Entladungsgefäßes oder besonderer Ansätze befindet und die Durchführung durch die Wandung des Gefäßes zweckmäßig mittels Ein-Schmelzungen von vergleichsweise unerheblichem Wärmeleitvermögen· erfolgt, insbesondere mittels üblicher Folien- oder Drahteinschmelzungen.
2. 2. Elektrische Hochdruckdampflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des wärmeableitenden Stabes größer ist als der des eigentlichen Elektrödenaufsatzes oder Bogenansatzes.
3. 3. Elektrische Hochdruckdampflampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem kugel- oder eiförmig aufgebauchten Mittelteil und zwei beiderseitig daran sitzenden zylindrischen Rohrstutzen besteht und daß die wärmeableitende Metallmasse vorzugsweise in diesen Stutzen untergebracht ist, sich entlang ihrer Längsausdehnung erstreckt, sie im wesentlichen ausfüllt oder deren Wandung anliegt.
4. 4. Elektrische Hochdruckdampflampe nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine den einheitlichen ableitenden Metallkörper ersetzende, vollständig innerhalb des Entladungsgefäßes liegende Hülse aus Nickel, Eisen, Molybdän, Wolfram und ähnlichen höherschmelzenden und für die Lampenfüllung unangreifbaren Metallen, die einesteils in den eigentlichen Entladungsraum hineinragt, anderenteils zu von der Entladung abseits liegenden Räumen wegführt, auf ihrer Stirnfläche den eigentlichen Elektrodenkörper trägt bzw. Bogenansatz bildet und mit einem sehr gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer, gefüllt ist.
5. 5. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferfüllung am Kopfende dicht anliegt und ebenso an den dem Entladungsraum abgekehrten oder von ihm abliegenden Teilen, während auf einer dazwischenliegenden Strecke die Kupfermasse durch einen zylindrischen Spalt von der Hülse getrennt ist.
6. 6. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ableitende Metallkörper oder die Hülse ihrerseits an der Innenwand der Rohrenden oder besonderer, an das Gefäß beiderseitig angesetzter Stutzen des vorzugsweise rohrförmigen Entladungsgefäßes anliegt bzw. sie praktisch ausfüllt.
7. 7. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper so lang und vom Bogenansatz so weit weg geführt ist, dergestalt, daß er vermöge genügend großer Flächen, insbesondere, wenn diese den Rohrenden oder Stutzen anliegen, die aufgenommene Wärme genügend abstrahlen oder abgeben kann.
8. 8. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Körper einen Durchmesser von 1 bis 3 cm und eine Länge von 4 bis 15 cm und mehr aufweist.
9. 9. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeableitende Körper mit einer gegebenenfalls mehrfach ausgebildeten Folien- oder Drähteinschmel'zung von vergleichsweise unbedeutendem, wärmeableitendem Querschnitt verbunden ist.
10. 10. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeableitende Metallmasse eingelassen ist oder sich fortsetzt in einen weiteren anschließenden Körper mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere Invar-Legierung, und letztere in das Lumen der Röhre oder des Ansatzstutzens fest eingepaßt ist.
11. 11. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eigentlicher Bogenansatz ein nur etwa 0,6 bis 1,8 mm

    dicker Aufsatz, insbesondere eine Kappe, dient, wobei die wärmeableitende Metallmasse entsprechend verjüngt in ihr Inneres tritt und ihr von innen anliegt.
12. 12. Elektrische Hochdruckdampf lampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bogenansatz ausschließlich aus hochtemperaturbeständigen Metallen, wie Wolfram, oder aus solchen Metallen in Verbindung mit aktivierenden Stoffen besteht.
13. 13. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliehe Elektrodenkörper die Form einer Auflage, insbesondere aus Wolfram in Pulverform oder Drahtform versintert und verpreßt mit aktivierenden Materialien besitzt.
14. 14. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei Betrieb nicht verdampfender Überschuß an Quecksilber vorhanden ist und die Ouecksilbermenge einerseits, die Wärmeverteilung andereres seits so bemessen sind, dergestalt, daß das Quecksilber die spaltförmigen Zwischenräume zwischen den ableitenden Körpern und der Röhrenwand sowie zweckmäßigerweise auch die etwaigen Räume hinter ihnen ausfüllt.
15. 15. Elektrische Hochdruckdampflampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß hierbei die Dimensionen und die Ausdehnung, mit der sich die wärmeableitenden Körper vom Entladungsraum hinweg erstrecken, so bemessen sind, dergestalt, daß sich die Wärmeübertragung vom Entladungsraum und dementsprechend Netzspannungsschwankungen nur unbedeutend auswirken.
16. 16. Elektrische Hochdruckdampflampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspräche, insbesondere Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusätzliche äußere Kühlung der Röhrenenden oder Stutzen die Auswirkungen von Wärmeschwankungen weiter vermindert werden.
17. 17. Elektrische Hochdruckdampf lampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre mit Quecksilberdampf, mit einem Gemisch von Quecksilber- und Cadmiumdampf oder mit Edelgasen mit Überdruck gefüllt ist.
18. 18. Elektrische Hochdruckdampf lampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Elektrodenkörper, insbesondere die aufgesetzte Kappe und/oder das vordere Ende des angrenzenden, wärmeableitenden Stabes konisch oder schneideförmig verjüngt sind.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen