Elektrische Entladungsröhre. Die Erfindung betrifft eine verbesserte, insbesondere zum Aussenden von Strahlen dienende elektrische Ilochdruckquecksilber- da.mpfentladungsröhre, die mit Erfolg für Beleuchtungszwecke, zum Beispiel das Be leuchten von<I>Wegen,</I> Plätzen, Werkstätten, Läden, Lagerplätzen, Wohnräumen usw., ver wendet werden kann.
Es sind bereits Hoch- druckquecksilberdampfentladungsröhren für Beleuchtungs- und Bestrahlungszwecke be kannt geworden, die mit festen Glühelektro den und einer Edelgasfüllung ausgestattet sind. Der Betriebsquecksilberdampfdruelc dieser Röhren beträgt etwa 1 Atm.; nur in einzelnen Fällen ist man mit diesem Druck bis auf einige Atmosphären hinaufgegangen. Die Röhren haben einen Wirkungsgrad (Lichtausbeute), der den Wirkungsgrad von Glühlampen wesentlich übertrifft.
Diese grossen Lichtausbeuten werden jedoch nur mit grösseren Einheiten erreicht, so,dass ,diese Lampenart praktisch nur in Einheiten von <B>250</B> Watt und mehr hergestellt werden. Bei kleiner werdenden Leistungen nimmt die Lichtausbeute rasch ab.
Gemäss der Erfindung sind die zwischen 15 und 135 W/em. liegende spezifische Be lastung (das heisst,die Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn), das Wärmeabgabevermögen und .die Röhrenform einander derart angepasst, .dass der Betriebs quecksilberdampfdruck grösser als 10 Atm. ist. Der innere Durchmesser der aus hoch schmelzendem Material, zweckmässig -Quarz, bestehenden Röhre ist dabei kleiner als 7 mm gewählt.
Gegenüber andern Lichtquellen gleicher Leistung haben diese Entladungsröhren sehr kleine Abmessungen, ein kleines Volumen und ein geringes Gewicht, überdies sind auch die Herstellungskosten niedrig. Eine 100 Watt-Lampe wiegt zum Beispiel nur un gefähr 3 g. Ein wesentlicher Vorteil der er findungsgemässen Röhre besteht darin, dass sie nicht nur eine grosse Lichtausbeute zeigt, wenn es sich um grössere Einheiten handelt, sondern, dass sie auch.bei kleineren Leistun gen, zum Beispiel 40 und 75 Watt, einen hohen Wirkungsgrad hat.
Glühlampen und Hochdruckquecksilberdampflampen .mit un gefähr 1 Atm. Betriebsdampfdruck haben dagegen bei kleinen Leistungen einen ungün stigen Wirkungsgrad.
Die hohen Quecksilberdampfdrücke haben den Vorteil, dass das Spektrum des von der Entladungsröhre ausgesandten Lichtes für Beleuchtungszwecke besser ,geeignet ist als das .der jetzt zu diesen Zwecken verwendeten Quecksilberdampfentladungsröhren, in denen der Quecksilberdampfdruck beim Betriebe etwa 1 Atm. ist.
Bei den hohen Quecksilber dampfdrücken, die in der erfindungsgemässen Röhre auftreten, zeigt das ausgesandte Licht ein stärkeres kontinuierliches Spektrum, das viel Rot enthält, so dass das Licht ausser blauen und grünen Strahlen auch starke rote Strahlen enthält. Die Farbe des Lichtes wird besser, je höher der Quecksilberdampfdruck ist, so dass man unter Umständen Drüeke über zum Beispiel 12, 15 oder 20 Atm. wäh len wird.
Bei den über 10 Atm. liegenden Queck silberdampfdrücken werden mit der erfin dungsgemässen Entladungsröhre sehr hohe Wirkungsgrade erreicht, während noch eine besondere Erscheinung auftritt, die mit Hilfe der Fig. 1 der Zeichnung verdeutlicht wird.
In dieser Figur ist der Wirkungsgrad einer erfindungsgemässen Entladungsröhre mit geringem innerem Durchmesser, das heisst .die Anzahl Lumen sichtbaren Lichtes pro Einheit (Watt) der von der Röhre auf genommenen Energie, als Funktion des Quecksilberdampfdruckes in Atmosphären dargestellt bei konstanter Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn, das heisst bei konstanter spezifischer Be- lastung der Röhre.
Aus dieser Figur geht hervor, dass der Wirkungsgrad bei Drücken über 10 Atm. nur wenig zunimmt, bei Drücken unter 10 Atm. jedoch schnell sinkt.
Die spezifische Belastung ,der erfindungs gemässen Röhren ist kleiner als 135 Watt/cm gewählt und an das wärmeabgebende Ver- mögen der Röhre angepasst. Bei dieser spezi fischen Belastung braucht die Röhre nicht durch Wasser oder in ähnlicher erzwungener Weise gekühlt zu werden. Je grösser .die spe zifische Belastung einer bestimmten Röhre gewählt wird, desto höher wird der Queck silberdampfdruck sein.
Die Grösse der spezi fischen Belastung wird im allgemeinen die Lebensdauer der Röhre beeinflussen, und zwar wird die Lebensdauer umso kleiner sein, je grösser die spezifische Belastung ge wählt wird. Die erwähnte obere Grenze der spezifischen Belastung soll daher nicht als die grösste spezifische Belastung betrachtet werden, die in jedem praktischen Falle zuge- la#ssen werden kann.
Für jeden Fall wird man auf Grund der au die Röhre gestellten Anfor derungen und der Abmessungen der Röhre leicht mittels einiger Versuche feststellen können, wie weit man mit der spezifischen Belastung unter dieser Grenze bleiben muss, um eine den gestellten Anforderungen ge nügende Entladungsröhre zu erhalten, ,die ohne Flüssigkeits- oder ähnliche forcierte Kühlung, also in einfacher Weise, benutzt werden kann.
Um eine längere Lebensdauer zu erreichen, kann man die spezifische Be lastung zum Beispiel kleiner als 120 oder 100 Watt pro Zentimeter halten.
Obwohl man erwarten würde, dass die spezifische Belastung bei .den grösseren der in Betracht kommenden, innern Durchmessern grösser gewählt werden könnte, als bei .den kleineren Durchmessern, so stellt es sich her aus, @dass die maximal zulässige spezifische Belastung nur wenig von :dem innern Durch messer abhängig ist.
Bei einer bestimmten Belastung der Ent ladungsröhre hängt der Quecksilberdampf- druck auch von der Form der Röhre ab, weil dieser Druck in erster Linie von ,der Tempe ratur der kältesten Stelle des Entladungs raumes bestimmt wird. Die'a"e niedrigste Tem peratur wird wieder von der Form und dem Wärmeabgabevermögen der Entladungsröhre beeinflusst.
Weil der innere Durchmesser der Ent ladungsröhre kleiner als 7 mm ist, wird eine kleine, kompakte Lichtquelle mit einem klei nen Volumen erhalten. Dieser geringe Durch messer macht es auch praktisch möglich, die hohen Quecksilberdampfdrücke anzuwenden, während infolge des kleinen Volumens die Folgen einer eventuellen Explosion der Ent ladungsröhre innerhalb unschädlicher Gren zen gehalten werden. Der kleine innere Durchmesser der Röhre fördert in Zusam menwirkung mit den festen Glühelektroden das ruhige Brennen der Entladungsröhre.
Die Entladung, die nicht ,den ganzen Quer schnitt der Röhre füllt, sondern eingeschnürt ist, ist umso ruhiger, das heisst bewegt sich weniger durch die Röhre hin und her, je klei ner der innere Durchmesser gewählt wird. Erhöhung des Quecksilberdampfdruckes hat einen entgegengesetzten Erfolg und macht die Entladung unruhiger. Dies ist einer der Gründe, weshalb man bei höheren Queck silberdampfdrücken vorzugsweise kleinere innere Durchmesser .der Röhren wählt.
Vorteilhafterweise wird man den innern Durchmesser kleiner als 5 oder 4 mm wäh len können, wodurch höhere Drücke als bei einem grösseren Durchmesser angewandt wer den können, was eine V erbes-serung .der Farbe des ausgesandten Lichtes zur Folge hat und auch eine ruhigere Entladung herbeiführt.
Wie schon oben bemerkt wurde, ist die ,spezifische Belastung grösser als 15 Watticm. Bei niedrigeren Werten wird es nicht nur praktisch sehr schwierig, einen Quecksilber dampfdruck über 10 Atm. zu erreichen, son dern wird überdies der Wirkungsgrad ge ringer. Der Wirkungsgrad ist eine Funktion der spezifischen Belastung und bei Queck silberdampfdrücken über 10 Atm. nur wenig von dem Quecksilberdampfdruck und dem innern Durchmesser der Röhre abhängig.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt zum Beispiel den Verlauf dieser Funktion (Lumen pro Watt in Abhängigkeit von Watt pro Zentimeter) für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel einer Entladungsröhre gemäss der Erfindung. Diese Kurve gibt die mittleren Werte des Wirkungsgrades wieder. Die an verschiede nen Röhren gemessenen Wertre können in Ab- hängigkeit des Quecksilberdampfdruckes und des innern Durchmessers ein wenig unter oder über der eingezeichneten Kurve liegen. Einer der Vorteile der erfindungsgemässen Röhre besteht darin, da.ss auch bei kleineren Leistungen sehr gute Wirkungsgrade erhal ten werden.
Je höher man die spezifische Belastung wählt, zum Beispiel grösser als 20, 25, 35 oder 50 Watt/cm, .desto höher wird der erreichte Wirkungsgrad.
Die in der Röhre auftretenden Queck- silberdampfdrücke können in einfacherWeise mit Hilfe des spezifischen Spannungsabfalles in der Entladungsbahn, das heisst des Span- nungsabfalleG pro Längeneinheit dieser Bahn bestimmt werden. Dieser spezifische Span nungsabfall ist unter anderem eine Funktion des Quecksilberdampfdruckes.
Fig. 3 stellt in logarithmischem Massstabe den Verlauf des spezifischen Spannungs abfalles in Volt/cm als Funktion des Queck silberdampfdruckes in Atm. für -die Strom stärken 0,1, 0;2 bezw. 0,4 Amp.-Gleichstrom dar, und zwar für eine Entladungsröhre mit einem innern Durchmesser von 1 mm.
Der spezifische Spannungsabfall kann aus der Brennspannung der Entladung berechnet werden, indem man diese Brennspannung um die Summe .des Kathoden- und Anodenfalles der Elektroden (bei Oxydelektroden ungefähr 15 Volt) verringert und diese Restspannung durch die Länge der Entladungsbahn teilt.
Die Fig. 4, 5 und 6 geben dieselben Funk tionen wieder für Entladungsröhren mit einem innern Durchmesser von 2. 3 bezw. 5 mm.
Im allgemeinen wird man die Ent ladungsröhre vorzugsweise in senkrechter oder annähernd senkrechter Stellung verwen den, da -man in diesem Falle höhere Drücke und grössere spezifische Belastungen als bei horizontaler Stellung der Röhre verwenden kann, weil bei letzterwähnter Stellung die Gefahr besteht, dass die Entladung sich wölbt und sich der Oberseite der Röhren wand zu sehr nähern würde, welche Gefahr umso grösser ist, je höher der Quecksilber- dampfdruek ist.
Um eine gleichmässige Tem- pera.turverteilung über die Entladungsröhre zu fördern, wird man bei senkrechter Lage den Abstand zwischen der obern Elektrode und dem obern Ende des Entladungsraumes mit Vorteil grösser wählen als den Abstand zwischen der untern Elektrode und dem un tern Ende des Entladungsraumes.
Die 8tromzuführungsdrähte der Elektro den werden in der Regel nicht unmittelbar in die aus Quarz oder derartigem Material bestehende Wand eingeschmolzen werden können. Um die Entladungsröhren gegen den hohen Druck und die hohe Temperatur, denen sie beim Betrieb ausgesetzt sind, sehr wider standsfähig zu machen und die Länge der Röhre klein zu halten, ist es empfehlenswert,
zwischen den 'Stromzuführungsdrähten und dem Wandmaterial nur ein einziges Über gangsmaterial zu verwenden. Hierzu ist zum Beispiel-ein aluminiumoxydhaltiges Borosili- katglas folgender Zusammensetzung sehr ge eignet:
88,3 ,% Si02 8,4 % B203 2,9 % A1203 0,4 % Ca0 Dieses Glas kann einerseits an Quarz an geschmolzen werden, während anderseits die Wolframdrähte luftdicht in dieses Glas ein geschmolzen werden können.
Mit Hinsicht auf die hohe Temperatur der Entladungsröhre ist es in vielen Fällen erwünscht, die über die Röhre nach aussen hervorragenden Teile der Stromzuführungs- drähte der Elektroden über eine verhältnis mässig .grosse Länge (grösser als 1 cm) mit einem feuerfesten Material, zum Beispiel Magnesiumoxyd oder Alundum, zu um geben. Vorzugsweise befestigt man die Ent- jadungsröhre auch an einem Sockel, der aus feuerfestem Material, zum Beispiel Porzellan, besteht.
In vielen Fällen ist es empfehlenswert, die Entladungsröhre mit einer Glashülle zu umgeben, die bei eventuellem Bruch der Ent ladungsröhre einen Schutz gibt. Die mecha nische Stärke dieser Hülle kann durch ge eignete Formgebung und grosse Wandstärke erhöht werden. Man kann die EntlaJungs- röhre gegebenenfalls auch mit einem metal lenen Netzwerk oder einem schraubenförmig gewundenen Draht, zum Beispiel aus Nickel chrom, umgeben. Dieses Netzwerk (oder die ser Draht) kann gegebenenfalls mit einer der Elektroden verbunden werden, wodurch die Zündung erleichtert wird.
Die Glashülle kann auch dazu benutzt werden, um unge wünschte Strahlen, zum Beispiel ultraviolette Strahlen, zu absetbieren.
Um die Wärmeabgabe der Enden der Röhre zu verringern, können an diesen En den auf der Aussenseite der Röhrenwand spiegelnde Metallschichten. zum Beispiel aus Platin, angebracht werden. Diese Schichten können dazu benutzt werden, um bei einer bestimmten gewünschten Energieaufnahme der Röhre eine gewünschte Spannung, mit ,der ein bestimmter Quecksilberdampfdruck zusammenhängt, einzustellen.
Dabei wird von einer Entladungsröhre ausgegangen, in der .die niedrigste Temperatur hinter den Elektroden auftritt und diese niedrigste Tem peratur so gering ist, dass bei Belastung der Röhre mit der gewiinschten Energie die Spannung kleiner ist als die verlangte Span nung. Die Röhrenspannung kann nun da- ,durch erhöhet werden, .d@ass ein Teil der Röh renenden mit einer spiegelnden Metallschicht bedeckt wird.
Diese Schicht wird nun so lange vergrössert, bis man bei konstant gehal tener Belastung zwischen den Elektroden die gewünschte Spannung misst, welche dem ver langten Quecksilberdampfdruck emtsprieht.
In den Fig. 7 bis 11 sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Die in Fig. 7 dargestellte Entladungs röhre 1 besteht in der Hauptsache aus einem zylindrischen Quarzröhrchen mit einem in nern Durchmesser von :2,7 mm und einem äussern Durchmesser von 6,5 mm.
Die Ent ladungsröhre ist mit zwei Elektroden 2 ver sehen, die je aus einem hakenförmig geboge nen Wolframdraht bestehen, auf den ein dün nerer Wolframdraht schraubenförmig gewun den ist, während dieses Drahtgebilde mit einer stark elektronenemittierenden.Subs.tanz, zum Beispiel Erdalkalioxyd, überzogen ist. Der Abstand zwischen den Elektroden be trägt 10 mm.
Die Glühelektroden 2 werden nicht von einem gesonderten Heizstrom, son dern von dem Entladungsstrom selbst erhitzt und auf die für die Elektronenemission er forderliche Temperatur ,gebracht.
Die Stromzuführungsdrähte 3 der Glüh- elektroden bestehen gleichfalls aus Wolfram drähten, die zum Beispiel 0,6 mm dick sind und unter Zwischenfügung eines praktisch allzalifreien Glases der oben beschriebenen Zu sammensetzung durch die Quarzwand hin durchgeführt sind. Der Ausdehnungskoeffi zient dieses alkalifreien Glases ist so gering, dass es mit Erfolg unmittelbar an Quarz an geschmolzen werden kann, während trotzdem eine gute Verbindung mit Wolframdrähten erhalten wird.
Zwischen den Wolframein- sebmelzdrä,hten und dem Quarz befindet sich deshalb nur ein Verbindungsmaterial mit hohem Erweichungspunkt, was mit Rück sicht auf die in der Entladungsröhre auftre tende Temperatur und dem Druck von gro ssem Vorteil ist.
Die Verbindung zwischen dem Wolframdraht und dem Quarzzylinder kann zustandegebracht werden, indem zuerst auf dem Draht eine Schicht,des obenerwähn- ten alkalifreien Glases aufgeschmolzen und an das Ende des Quarzzylinders eine halb kugelförmige Kappe aus demselben Glase angesehmolzen wird.
In dieser Kappe wird eine Öffnung angebracht, durch die der Wol- framdraht mit der darauf angebrachten Glas schicht gesteckt wird, worauf die Kappe mit dieser Glasschicht verschmolzen wird.
Man kann den Elektrodenraum hinter den Elektroden auch eng machen und spitz endi gen lassen. Durch geeignete Bemessung ,des hinter den Elektroden liegenden Teils des Elektrodenraumes kann man den Dampf druck beeinflussen.
In der Entladungsröhre 1 befindet sich eine Menge Edelgas, zum Beispiel Argon, unter einem Druck (bei Zimmertemperatur) von 10 mm, während die Röhre auch eine Menge Quecksilber enthält, das beim Betrieb den Quecksilberdampf liefert und im Über schuss vorhanden sein kann.
Obwohl man die Menge Quecksilber derart beschränken kann, dass beim normalen Betrieb die ganze Menge verdampft und der Quecksilberdampf unge- sättigt ist, ist diese Beschränkung der Queck silbermenge nicht nötig, was die Fabrikation der Entladungsröhre erleichtert.
Die Entladungsröhre wird mit Wechsel strom betrieben; durch geeignete Wahl der Vorschaltimpedanz und der Speisespannung wird die Belastung der Entladungsröhre der art an das Wärmeabgabevermögen und die Abmessungen der Röhre angepasst, dass der Quecksilberdampfdrück mehr als 10 Atm. beträgt. Die Belastung der abgebildeten und frei in der Luft aufgestellten Entladungs röhre kann zum Beispiel 70 Watt betragen bei einer .Stromstärke von 0,4 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 240 Volt.
Der Quecksilberdampfdruck beträgt dann etwa 75 Atm.
In einem andern Falle betrug der innere Durchmesser 2,3 mm, der äussere Durch messer 4 mm und,der Abstand zwischen den Elektroden 20 mm, während die Belastung 80 Watt war bei einer -Stromstärke von 0,3,9 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 250 Volt, was einem Queck silberdampfdruck von ungefähr 85 Atm. ent spricht.
Eine Entladungsröhre mit einem innern bezw. äussern Durchmesser von 4 bezw. 7 mm und einem Elektrodenabstand von 10 mm zeigte eine Belastung von 55 Watt bei einer Stromstärke von 0,34 Amp. und einer Brenn spannung von 200 Volt, wobei der Queck silberdampfdruck ungefähr 80 Atm. betrug.
Fürspezielle Anwendungen kann man die Entladungsbahn auch grösser als einige cm machen. In einer für die Beleuchtung von Flugplätzen gebrauchten Entladungsröhre war der Abstand zwischen den Elektroden zum Beispiel 200 mm und der innere bezw. äussere Durchmesser 2,3 bezw. 6 mm. Die Belastung dieser Röhre war 1000 Watt bei einer :Stromstärke von 0,5 Amp., einer Span nung zwischen den Elektroden von 2500 Volt und einem Quecksilberdampfdruck van etwa 30 Aim.
Fig. 8 zeigt eine geeignete Aufstellung der Entladungsröhre gemäss Fig. 7. Die aus der Entladungsröhre hervorstehenden Teile 4 der :Stromzuführungsdrähte der Entladungs röhre 1 .sind mit isolierenden Röhrchen 5 aus hochschmelzendem Material, zum Beispiel Magnesiumogyd, umgeben und mit metalle nen Kappen @6, die um die Enden der Röhr chen 5 herumgreifen, verbunden.
Eine :dieser Kontaktkappen 6 ruht in :der Kontaktbüchse 7, während die andere Kontaktkappe in :der Kontaktbüchse 8 ruht, in. ,der sich die Spiral feder 9 befindet. Die Büchsen 7 und 8 sind mittels der 8täbchen 10 und 11 an dem Sockel 12 befestigt, der aus isolierendem Ma terial, zum Beispiel Porzellan, besteht und zwei Kontaktstücke 13 aufweist. Die Feder 9 drückt die Entladungsröhre aufwärts, wo durch diese festgeklemmt wird.
Um die Ent ladungsröhre herauszunehmen, bewegt man sie entgegen der Wirkung (der Feder 9 ab wärts, bis die obere Kontaktkappe 6 von der Büchse 7 frei ist.
Die Entladungsröhre wird von dem -Glas- zylinder 14 aus Hartglas von 3 mm Wand- stärke umgeben, welcher Zylinder von dem kupfernen Ring 15 getragen wird, der mit Hilfe der Schraube 16 an den :Sockel 1:2 be festigt ist. Der Zylinder 14 kann aus einem Glas hergestellt sein, das kein ultraviolettes Licht durchlässt. Will man ausser den sicht baren auch :
die ultravioletten Strahlen aus nutzen, so kann. man den Zylinder 14 aus einem Glase herstellen, das ultraviolette Strahlen durchlässt. In dem Glaszylinder können zum Beispiel am unter und obern Ende Öffnungen angebracht werden, durch die die innerhalb des Zylinders vorhandene Luft nach aussen treten kann.
Gemäss Fig. 9 ist die Entladungsröhre 1 fest mit dem Sockel 17 verbunden. An die sem Sockel ist mit Hilfe der Schraube 18 eine metallene Kappe 19 befestigt, die als Reflektor benutzt werden kann und,die Glas glocke 20 trägt. Auch in,der Kappe 19 und der Glocke 20 können eine oder mehrere 0ff- nungen ausgespart werden.
In der Konstruktion nach Fig. 10 ist. die Entladungsröhre 1 auf der Quetschstelle 21 der Glasglocke 22 befestigt, die mit Öffnun gen 23 versehen ist. Diese Glocke kann ge gebenenfalls auch ,geschlossen ausgeführt und dann evakuiert oder mit einem geeigneten Gase, z. B. Stickstoff, .gefüllt werden, wo durch die bisweilen bestehende Gefahr, dass Wasserstoff durch die Quarzwand in die Entladungsröhre hineindiffundiert, vermie den werden kann.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, kann die Entladungsröhre 24 auch U-förmig gebogen sein. Diese Röhre ist an dem zum Beispiel aus Porzellan bestehenden rohrförmigen Sok- kel 25 befestigt, an den auch .die Glasglocke 26 mit Hilfe des an die Glocke gekitteten Metallringes 27 und der Schraube 2#8 be festigt ist.
Electric discharge tube. The invention relates to an improved, in particular for emitting radiation, electric Ilochdruckmercksilber- da.mpfentladungsröhre, which can be used successfully for lighting purposes, for example lighting <I> paths, </I> squares, workshops, shops, storage areas, living rooms, etc. ., can be used.
There are already high-pressure mercury vapor discharge tubes for lighting and irradiation purposes become known that are equipped with solid glow electrodes and a noble gas filling. The operating mercury vapor pressure of these tubes is about 1 atm .; only in individual cases has this pressure been reached to a few atmospheres. The tubes have an efficiency (luminous efficiency) that significantly exceeds the efficiency of incandescent lamps.
These high luminous efficacies can only be achieved with larger units, so that this type of lamp is practically only manufactured in units of <B> 250 </B> watts and more. With decreasing powers, the light yield decreases rapidly.
According to the invention, these are between 15 and 135 W / em. Lying specific loading (i.e. the energy absorption per centimeter of length of the discharge path), the heat dissipation capacity and .the tube shape are adapted to each other in such a way that the operating mercury vapor pressure is greater than 10 atm. is. The inner diameter of the tube made of high-melting material, expediently quartz, is selected to be less than 7 mm.
Compared to other light sources of the same power, these discharge tubes have very small dimensions, a small volume and a low weight, and the production costs are also low. For example, a 100 watt lamp weighs only around 3 g. A major advantage of the tube according to the invention is that it not only shows a high light output when it comes to larger units, but that it also has a high degree of efficiency with smaller powers, for example 40 and 75 watts.
Incandescent lamps and high pressure mercury vapor lamps with approximately 1 atm. Operating steam pressure, however, have an unfavorable degree of efficiency at low powers.
The high mercury vapor pressures have the advantage that the spectrum of the light emitted by the discharge tube is better suited for lighting purposes than that of the mercury vapor discharge tubes now used for these purposes, in which the mercury vapor pressure during operation is around 1 atm. is.
At the high mercury vapor pressures that occur in the tube according to the invention, the emitted light shows a stronger continuous spectrum that contains a lot of red, so that the light also contains strong red rays in addition to blue and green rays. The color of the light gets better, the higher the mercury vapor pressure is, so that under certain circumstances the pressure may exceed 12, 15 or 20 atm. will choose.
For those over 10 Atm. lying mercury vapor pressures are achieved with the discharge tube according to the invention very high efficiencies, while a special phenomenon occurs, which is illustrated with the help of FIG. 1 of the drawing.
This figure shows the efficiency of a discharge tube according to the invention with a small internal diameter, i.e. the number of lumens of visible light per unit (watt) of the energy absorbed by the tube, as a function of the mercury vapor pressure in the atmosphere with constant energy consumption per centimeter of length of the discharge path , that means with a constant specific loading of the tube.
From this figure it can be seen that the efficiency at pressures above 10 Atm. increases only slightly, at pressures below 10 atm. however, it sinks rapidly.
The specific load of the tubes according to the invention is selected to be less than 135 watts / cm and adapted to the heat-emitting capacity of the tube. With this specific load, the tube does not need to be cooled by water or in a similar forced manner. The greater the specific load chosen for a particular tube, the higher the mercury vapor pressure will be.
The size of the specific load will generally affect the service life of the tube, and the service life will be shorter the greater the specific load is selected. The mentioned upper limit of the specific load should therefore not be regarded as the greatest specific load that can be permitted in every practical case.
In each case, based on the requirements placed on the tube and the dimensions of the tube, it will be easy to determine by means of a few tests how far one has to stay below this limit with the specific load in order to obtain a discharge tube that meets the requirements. , which can be used in a simple manner without liquid or similar forced cooling.
In order to achieve a longer service life, the specific load can be kept below 120 or 100 watts per centimeter, for example.
Although one would expect that the specific load could be chosen to be larger for the larger of the inner diameters in question than for the smaller diameters, it turns out that the maximum permissible specific load is only slightly of: depends on the inner diameter.
With a certain load on the discharge tube, the mercury vapor pressure also depends on the shape of the tube, because this pressure is primarily determined by the temperature of the coldest point in the discharge space. The lowest temperature is again influenced by the shape and the heat dissipation capacity of the discharge tube.
Because the inner diameter of the discharge tube is smaller than 7 mm, a small, compact light source with a small volume is obtained. This small diameter also makes it practically possible to use the high mercury vapor pressures, while the consequences of a possible explosion of the discharge tube are kept within harmless limits due to the small volume. The small inner diameter of the tube, in cooperation with the fixed glow electrodes, promotes the smooth burning of the discharge tube.
The discharge, which does not fill the entire cross-section of the tube, but is constricted, is quieter, that is, it moves less back and forth through the tube, the smaller the selected inner diameter. Increasing the mercury vapor pressure has the opposite effect and makes the discharge more restless. This is one of the reasons why, with higher mercury vapor pressures, a smaller inner diameter of the tubes is preferred.
Advantageously, the inner diameter can be chosen to be smaller than 5 or 4 mm, so that higher pressures can be used than with a larger diameter, which results in an improvement in the color of the emitted light and also brings about a quieter discharge .
As noted above, the specific load is greater than 15 watts. At lower values it is not only practically very difficult to maintain a mercury vapor pressure above 10 atm. to achieve, but also the efficiency is lower. The efficiency is a function of the specific load and at mercury vapor pressures above 10 atm. only slightly dependent on the mercury vapor pressure and the inner diameter of the tube.
FIG. 2 of the drawing shows, for example, the course of this function (lumens per watt as a function of watts per centimeter) for a specific embodiment of a discharge tube according to the invention. This curve shows the mean values of the efficiency. Depending on the mercury vapor pressure and the internal diameter, the values measured on various tubes can be a little below or above the curve shown. One of the advantages of the tube according to the invention is that very good efficiencies are obtained even with lower powers.
The higher you choose the specific load, for example greater than 20, 25, 35 or 50 watts / cm, the higher the efficiency achieved.
The mercury vapor pressures occurring in the tube can be determined in a simple manner with the aid of the specific voltage drop in the discharge path, i.e. the voltage drop G per unit length of this path. This specific voltage drop is, among other things, a function of the mercury vapor pressure.
Fig. 3 shows on a logarithmic scale the course of the specific voltage drop in volts / cm as a function of the mercury vapor pressure in atm. for -the current strength 0.1, 0; 2 resp. 0.4 Amp. Direct current for a discharge tube with an inner diameter of 1 mm.
The specific voltage drop can be calculated from the burning voltage of the discharge by reducing this burning voltage by the sum of the cathode and anode drop of the electrodes (about 15 volts for oxide electrodes) and dividing this residual voltage by the length of the discharge path.
4, 5 and 6 give the same functions again for discharge tubes with an inner diameter of 2. 3 respectively. 5 mm.
In general, the discharge tube is preferably used in a vertical or approximately vertical position, since in this case higher pressures and greater specific loads can be used than when the tube is in a horizontal position, because in the last-mentioned position there is a risk that the discharge will occur bulges and would come too close to the top of the tube wall, the higher the mercury vapor pressure, the greater the danger.
In order to promote a uniform temperature distribution over the discharge tube, the distance between the upper electrode and the upper end of the discharge space will advantageously be chosen larger than the distance between the lower electrode and the lower end of the discharge space.
The 8tromzuführungsdrraht the electric can usually not be melted directly into the wall made of quartz or such a material. In order to make the discharge tubes very resistant to the high pressure and the high temperature to which they are exposed during operation and to keep the length of the tube small, it is recommended that
to use only a single transition material between the 'power supply wires and the wall material. For example, a borosilicate glass containing aluminum oxide with the following composition is very suitable:
88.3% Si02 8.4% B203 2.9% A1203 0.4% Ca0 On the one hand, this glass can be fused to quartz, while on the other hand the tungsten wires can be fused airtight into this glass.
In view of the high temperature of the discharge tube, in many cases it is desirable to cover the parts of the power supply wires of the electrodes protruding outward over the tube over a relatively large length (greater than 1 cm) with a refractory material, for example magnesium oxide or alundum, to give. The discharge tube is preferably also attached to a base made of a refractory material, for example porcelain.
In many cases, it is advisable to enclose the discharge tube with a glass cover that provides protection in the event of the discharge tube breaking. The mechanical strength of this shell can be increased by appropriate shaping and large wall thickness. If necessary, the discharge tube can also be surrounded by a metal network or a helically wound wire, for example made of nickel chromium. This network (or this wire) can optionally be connected to one of the electrodes, thereby facilitating ignition.
The glass envelope can also be used to set off undesired rays, for example ultraviolet rays.
In order to reduce the heat dissipation of the ends of the tube, reflective metal layers can be applied to these ends on the outside of the tube wall. made of platinum, for example. These layers can be used to set a desired voltage, with which a certain mercury vapor pressure is connected, for a certain desired energy consumption of the tube.
This is based on a discharge tube in which the lowest temperature occurs behind the electrodes and this lowest temperature is so low that when the tube is loaded with the desired energy, the voltage is lower than the required voltage. The tube voltage can now be increased by covering part of the tube ends with a reflective metal layer.
This layer is now enlarged until the desired voltage is measured between the electrodes with the load kept constant, which emtspricht the required mercury vapor pressure.
7 to 11 some Ausfüh approximately examples of the subject invention are shown schematically.
The discharge tube 1 shown in Fig. 7 consists mainly of a cylindrical quartz tube with an internal diameter of: 2.7 mm and an outer diameter of 6.5 mm.
The discharge tube is provided with two electrodes 2, each consisting of a hook-shaped bent tungsten wire onto which a thin tungsten wire is screwed, while this wire structure is coated with a strongly electron-emitting substance, for example alkaline earth oxide . The distance between the electrodes is 10 mm.
The glow electrodes 2 are not heated by a separate heating current, son countries by the discharge current itself and brought to the temperature required for electron emission.
The power supply wires 3 of the glow electrodes also consist of tungsten wires which are, for example, 0.6 mm thick and are passed through the quartz wall with the interposition of a virtually all-inclusive-free glass of the composition described above. The expansion coefficient of this alkali-free glass is so low that it can be successfully melted directly onto quartz, while a good connection with tungsten wires is still obtained.
Therefore, there is only one connection material with a high softening point between the tungsten fuse wires and the quartz, which is of great advantage in view of the temperature and pressure occurring in the discharge tube.
The connection between the tungsten wire and the quartz cylinder can be brought about by first melting a layer of the above-mentioned alkali-free glass on the wire and bolting a hemispherical cap made of the same glass to the end of the quartz cylinder.
An opening is made in this cap through which the tungsten wire with the glass layer attached is inserted, whereupon the cap is fused with this glass layer.
You can also make the electrode space behind the electrodes narrow and have a pointed end. The vapor pressure can be influenced by suitable dimensioning of the part of the electrode space behind the electrodes.
In the discharge tube 1 there is a lot of noble gas, for example argon, under a pressure (at room temperature) of 10 mm, while the tube also contains a lot of mercury, which supplies the mercury vapor during operation and can be present in excess.
Although the amount of mercury can be limited in such a way that the entire amount evaporates during normal operation and the mercury vapor is unsaturated, this limitation of the amount of mercury is not necessary, which simplifies the manufacture of the discharge tube.
The discharge tube is operated with alternating current; By suitable selection of the series impedance and the supply voltage, the load on the discharge tube is adapted to the heat dissipation capacity and the dimensions of the tube so that the mercury vapor pressure is more than 10 atm. amounts. The load on the discharge tube shown and set up freely in the air can be, for example, 70 watts at a current of 0.4 amps and a voltage between the electrodes of 240 volts.
The mercury vapor pressure is then about 75 atm.
In another case the inner diameter was 2.3 mm, the outer diameter 4 mm and the distance between the electrodes 20 mm, while the load was 80 watts at a current of 0.3.9 amps and a voltage between the electrodes of 250 volts, giving a mercury vapor pressure of about 85 atm. corresponds.
A discharge tube with an inner BEZW. outer diameter of 4 respectively. 7 mm and an electrode spacing of 10 mm showed a load of 55 watts at a current strength of 0.34 Amp. And a burning voltage of 200 volts, the mercury vapor pressure about 80 atm. scam.
For special applications, the discharge path can also be made larger than a few cm. In a discharge tube used for lighting airfields, the distance between the electrodes was, for example, 200 mm and the inner or outer diameter 2.3 respectively. 6 mm. The load on this tube was 1000 watts with an amperage of 0.5 Amp., A voltage between the electrodes of 2500 volts and a mercury vapor pressure of about 30 Aim.
Fig. 8 shows a suitable arrangement of the discharge tube according to Fig. 7. The parts 4 of the discharge tube protruding from the discharge tube 1 .are surrounded by insulating tubes 5 made of high-melting material, for example magnesium oxide, and with metal caps @ 6 that reach around the ends of the Röhr chen 5 connected.
One: these contact caps 6 rests in: the contact socket 7, while the other contact cap rests in: the contact socket 8, in. Which the spiral spring 9 is located. The sockets 7 and 8 are fastened by means of the 8 tabs 10 and 11 to the base 12, which is made of insulating material, for example porcelain, and has two contact pieces 13. The spring 9 pushes the discharge tube upwards, where it is clamped by it.
To take out the discharge tube, you move them against the action (the spring 9 downwards until the upper contact cap 6 of the sleeve 7 is free.
The discharge tube is surrounded by the glass cylinder 14 made of hard glass with a wall thickness of 3 mm, which cylinder is supported by the copper ring 15 which is fastened to the base 1: 2 with the aid of the screw 16. The cylinder 14 can be made of a glass that does not transmit ultraviolet light. In addition to the visible ones, you also want:
take advantage of the ultraviolet rays from so can. the cylinder 14 is made of a glass that transmits ultraviolet rays. In the glass cylinder, for example, openings can be made at the lower and upper ends through which the air present inside the cylinder can pass to the outside.
According to FIG. 9, the discharge tube 1 is firmly connected to the base 17. A metal cap 19 is attached to the SEM base with the help of the screw 18, which can be used as a reflector and the bell 20 carries. One or more openings can also be cut out in the cap 19 and the bell 20.
In the construction of Fig. 10 is. the discharge tube 1 is attached to the pinch point 21 of the bell jar 22 which is provided with openings 23. This bell can ge, if necessary, executed closed and then evacuated or with a suitable gas, eg. B. nitrogen, are filled, where by the sometimes existing risk that hydrogen diffuses through the quartz wall into the discharge tube, can be avoided.
As shown in FIG. 11, the discharge tube 24 can also be bent into a U-shape. This tube is attached to the tubular base 25, which is made of porcelain, for example, and to which the bell jar 26 is also attached with the aid of the metal ring 27 cemented to the bell and the screw 2 # 8.