DE911869C

DE911869C - Maximum pressure discharge lamp

Info

Publication number: DE911869C
Application number: DEP3940D
Authority: DE
Inventors: Hermann Papst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1937-06-29
Filing date: 1937-06-29
Publication date: 1954-05-20

Description

Höchstdruckentladungslampe Bei den bisher verwendeten abgeschmolzenen Quarzglas-Höchstdruckentladungslampen sind Druck und Leuchtdichte dadurch begrenzt, daß das Quarzglas nur eine höchste Wandtemperatur von etwa iaoo° C längere Zeit aushält. Diese Temperatur wird bei den Kapillarlämpen mit der hohen Leistungsumsetzung an der Innenwand trotz äußerer Wasserkühlung erreicht. Die geringe Zugfestigkeit des Quarzglases beschränkte den anwendbaren Druck auch bei den größeren ungekühlten Kugellampen mit ihrer verhältnismäßig beträchtlichen Wandstärke.Ultra-high pressure discharge lamp with the previously used melted Quartz glass ultra-high pressure discharge lamps are pressure and luminance limited by that the quartz glass only has a maximum wall temperature of about iaoo ° C for a longer period of time endures. This temperature is the capillary lamp with the high power conversion reached on the inner wall despite external water cooling. The low tensile strength of the quartz glass limited the applicable pressure even with the larger uncooled Ball lamps with their relatively considerable wall thickness.

Es wurde auch schon eine Lampe zur Bestrahlung von Flüssigkeiten vorgeschlagen, bei der diese in einem kesselartigen Behälter unter Druck gesetzt wurden. Ein Quecksilberfaden in dem Entladegefäß stand mit der Flüssigkeit in Druckausgleich, so daß das Gefäß völlig entlastet wurde. Der dabei anwendbare Druck war aber trotzdem geringer als bei den neueren Kapillar-Höchstdrucklampen, weil dem anwendbaren Leistungsumsatz in dem Quarzrohr und dessen Beständigkeit mangels einer starken äußeren Strömungskühlung eine niedrigere Grenze gesetzt ist.A lamp for irradiating liquids has also been proposed, in which these were put under pressure in a kettle-like container. A mercury thread in the discharge vessel was in pressure equalization with the liquid, so that the vessel was completely relieved. The applicable pressure was nevertheless lower than with the newer capillary ultra-high pressure lamps, because of the applicable power consumption in the quartz tube and its durability in the absence of strong external flow cooling a lower limit is set.

Die Erfindung betrifft die Schaffung von Lichtquellen mit höheren als den bis jetzt auf größere Dauer erzielten Leuchtdichten, insbesonders durch höheren anwendbaren Druck. Es wird davon ausgegangen, daß Kristalle infolge ihrer GefÜgeordnung einen um Größenordnungen besseren Wärmedurchgang als Gläser aufweisen. So hat z. B. Quarzkristall je nach der Achsenrichtung achtbis zwölffache Wärmeleitfähigkeit gegenüber Quarzglas, zeigt aber bei Erhitzung leider Gefügeumwandlungen. Der klare Saphir erscheint dagegen für ein Entladegefäß geeignet und ist auch in größeren Stücken preiswert synthetisch herstellbar. Die beste Wärmeleitfähigkeit von allen durchsichtigen Kristallen hat Diamant mit etwa 0,4 von der des Silbers und übertrifft damit Quarzglas um das Zweihundertfache. Er isoliert auch in der Hitze und ist praktisch unschmelzbar, wandelt sich aber unter normalem Druck über i cRoo° C in Graphit um.The invention relates to the creation of light sources with higher than the luminance levels achieved up to now for a longer period, especially through higher applicable pressure. It is assumed, that crystals due to their structure an order of magnitude better heat transfer than Have glasses. So has z. B. quartz crystal eight bis depending on the axis direction Twelve times the thermal conductivity compared to quartz glass, but unfortunately shows when heated Structural transformations. The clear sapphire, on the other hand, appears suitable for a discharge vessel and can also be synthetically produced inexpensively in larger pieces. The best thermal conductivity of all transparent crystals, diamond has about 0.4 of that of silver and thus exceeds quartz glass by two hundred times. He also isolates in the Heat and is practically infusible, but transforms under normal pressure i cRoo ° C in graphite.

Die in Betracht kommenden durchsichtigen Kristalle haben jedoch wie die Gläser die unangenehme Eigenschaft einer sehr geringen Zugfestigkeit, während ihre Druckfestigkeit um Größenordnungen höher liegt. Geringe innere Zugspannungen können datier leicht Risse und Sprünge bewirken, welche bei den Kristallen gewöhnlich in Lagebeziehung zu den Achsen sind.However, the transparent crystals under consideration have like the glasses have the unpleasant property of a very low tensile strength, while their compressive strength is orders of magnitude higher. Low internal tensile stress can easily cause cracks and fissures, which are common in crystals are in positional relation to the axes.

Die Höchstdrucklampe nach der Erfindung weist daher ein durch ein metallenes Außengefäß vom Innendruck entlastetes, abgeschlossenes Entladegefäß auf, welches vom Außengefäß unmittelbar eingeschlossen ist und vorzugsweise aus hochschmelzendem, gut wärmeleitendem Werkstoff, vorzugsweise Kristall, besteht, welcher ein Futter im Außengefäß bildet oder als ein gedrungener, starkwandiger Körper von dem gestellartigen Außengefäß zwischen den mit nach dein Gefäßmittelpunkt zu gerichteten Kräften gedrückten und plastisch v erquetschten Metalldichtungen oder Elektroden unter hoher Druckverspannung eingespannt ist, wobei in dem abgeschlossenen Entladegefäß beliebige leitende, anfänglich feste oder flüssige Stoffe oder -Mischungen derselben angeordnet -sind.The ultra-high pressure lamp according to the invention therefore has a through a metallic outer vessel relieved of internal pressure, closed discharge vessel, which is immediately enclosed by the outer vessel and preferably made of high-melting, A material that conducts heat well, preferably crystal, consists of a lining forms in the outer vessel or as a stocky, thick-walled body of the rack-like Outer vessel between the forces pressed towards the center of the vessel and plastically crushed metal seals or electrodes under high compressive stress is clamped, wherein in the closed discharge vessel any conductive, initially solid or liquid substances or mixtures thereof are arranged.

Die dem Entladegefäß unter hoher Druckspannung anliegenden, plastisch verquetschten Elektroden oder besondere Metalldichtungen sind damit hochdruck- und vakuumdicht. Die Gefäßstücke sind dabei an den abzudichtenden Enden kegelig oder kugelig gestaltet, damit die radial nach innen wirkenden Druckkräfte des Einspanngestelles auch Risse und Spaltungen parallel zur Achse unterdrücken. Die geringe Zugfestigkeit des Gefäßstoffes wird daher durch die hohe Druckvorspannung kompensiert. Das Gefäß besteht vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Kristall, wie z. B. Saphir, Diamant u. a. Infolge der starken Wärmeableitung nach den Dichtungselektroden wird jedoch auch von Quarzglas eine höhere Belastung als bei abgeschmolzenen Lampen vertragen.The plastic that lies against the discharge vessel under high compressive stress Crushed electrodes or special metal seals are thus resistant to high pressure and vacuum tight. The vessel pieces are conical or conical at the ends to be sealed Configured spherically, so that the pressure forces of the clamping frame acting radially inward also suppress cracks and splits parallel to the axis. The low tensile strength the vascular material is therefore compensated for by the high compressive tension. The container is preferably made of a highly thermally conductive crystal, such as. B. sapphire, diamond i.a. However, due to the strong heat dissipation after the sealing electrodes Even quartz glass can tolerate a higher load than melted lamps.

In einer derartigen Lampenanordnung kann somit beispielsweise bei einer Gefäßbohrung von i mm mit einer Druckverspannung voll 3000 h,-/cm= bei einer Wandstärke von 4 mm bereits ein Innendruck von 2,4 000 at kompensiert werden. Der entsprechende Gegendruck längs der Bohrung beträgt dabei erst Zoo kg, wenn die Bohrung gegen die Elektroden nicht erweitert ist. In einem solchen Gefäß können daher fast beliebige Stoffe unter höchstem Druck auf außerordentlich hohe Temperaturen erhitzt werden. Mit der Steigerung des Druckes ist nach den bisherigen Erfahrungen bei Höchstdrucklampen auf eine außerordentliche Erhöhung der Leuchtdichte zu schließen. Mit dem Druck und der Stromdichte wächst ferner der Spannungsgradient, so daß die Entladung sich der Punktform nähert. Die Wärmeableitung aus dem Kristallgefäß erfolgt dann praktisch nach allen Richtungen mit durch die Raumwinkeldivergenz verstärktem Gefälle. Dies ermäßigt die Innenwandtemperatur. Im Falle einer Dampfentladung in einer Mischung von Stoffen ist zu erwarten, daß derjenige Stoff die Hauptentladung trägt, welcher die kleinste Anregungsspannung hat, doch werden die anderen Stoffe thermisch mitstrahlen.In such a lamp assembly can thus full 3000, for example at a pot bore of i mm, with a compressive strain h, - / = cm with a wall thickness of 4 mm already, an internal pressure of 2.4 000 to be compensated at. The corresponding counter pressure along the bore is only zoo kg if the bore is not widened towards the electrodes. In such a vessel, almost any material can be heated to extremely high temperatures under the highest pressure. According to previous experience with ultra-high pressure lamps, the increase in pressure indicates an extraordinary increase in luminance. The voltage gradient also increases with the pressure and the current density, so that the discharge approaches the point shape. The heat dissipation from the crystal vessel then takes place in practically all directions with a gradient reinforced by the solid angle divergence. This lowers the inner wall temperature. In the case of a vapor discharge in a mixture of substances, it is to be expected that the substance with the lowest excitation voltage will carry the main discharge, but the other substances will also radiate thermally.

Man kann ferner in einem derartigen Gefäß fast beliebige Lösungen, Schmelzen oder Gemenge, welche Leitfähigkeit- besitzen, soweit erhitzen, daß Lichtstrahlung auftritt. Die Sicherheitsbegrenzung des dabei entstehenden Druckes wird durch eine im kalten Zustande unvollständige Füllung des Entladungsraumes erzielt. Bei einer Quecksilberdampfentladung kann die Zündung in der engsten Stelle des Gefäßkanals durch Verdampfen des Quecksilberfadens beim Einschalten erfolgen.Furthermore, in such a vessel, almost any solution can be found, Melts or mixtures, which have conductivity, heat to the extent that light radiation occurs. The safety limitation of the resulting pressure is set by a In the cold state, incomplete filling of the discharge space is achieved. At a Mercury vapor discharge can cause ignition in the narrowest part of the vascular canal by evaporation of the mercury thread when switching on.

Die größte Belastbarkeit je Raumeinheit wird in der Verengung des Entladungsraumes mittels eines durchbohrten oder aus Pyramidenstücken zusammengesetzten Diamanten durch dessen sehr starke Wärmeableitung ermöglicht. Der hohe innere Druck schützt dabei den Diamant gegen Umwandlung in Graphit. Man kann natürlich bekannterweise noch eine äußere Wasserkühlung anwenden. Das äußere Gefäß schützt den Diamanten auch gegen Verbrennung.The greatest load capacity per unit of space is in the narrowing of the Discharge space by means of a pierced or composed of pyramid pieces Diamond is made possible by its very strong heat dissipation. The high internal pressure protects the diamond against transformation into graphite. Of course you can still use external water cooling. The outer vessel protects the diamond also against burning.

Vermittels einer sich beiderseits stark erweiternden Bohrung fällt die Stromdichte gegen die Elektroden hin erheblich ab, so daß diese mäßige Temperaturen benötigen und ausreichende Lebensdauer besitzen. Die sich erweiternde Bohrung bringt auch ein Wärmegefälle längs der Entladungsachse, so daß sich die Entladung hierdurch der Punktform nähert. Nachdem bei einer Hg-Entladung mit Zoo at der mit dem Druck wachsende Spannungsgradient schon über 5oo V/em beträgt, wird mit üblichen Netzspannungen schon eine punktförmige Entladung von weniger als i mm Länge erreichbar.It falls by means of a bore that widens sharply on both sides the current density towards the electrodes decreases considerably, so that these moderate temperatures need and have a sufficient lifespan. The widening hole brings also a heat gradient along the discharge axis, so that the discharge is hereby approaches the point shape. After a Hg discharge with Zoo at the one with the pressure The increasing voltage gradient is already over 500 V / em, with the usual mains voltages a punctiform discharge of less than 1 mm in length can be achieved.

Ein kugelförmig geschliffenes Gefäß mit sich erweiternder Bohrung ergibt für den Leuchtpunkt eine polar wirkende, zu einem Ringe geschlossene Zylinderlinse. Das Gefäß kann daher als Sammeloptik für die erzeugte Strahlung dienen. Der größte Teil der Strahlung tritt dann als scheibenförmiges Lichtbündel senkrecht zur Entladungsachse aus. Das Licht der Entladung kann auch in deren Achse durch ein zweckmäßig linsenförmiges Fenster austreten.A spherically ground vessel with a widening bore results in a polar acting cylindrical lens closed to form a ring for the luminous point. The vessel can therefore serve as a collecting lens for the radiation generated. The biggest Part of the radiation then emerges as a disk-shaped light bundle perpendicular to the discharge axis the end. The light of the discharge can also be expediently lenticular in its axis Exit window.

Ein besonderer Vorteil des Kristallgefäßes ist, daß wegen fehlender innerer Korngrenzflächen ein Glühen erst bei viel höheren Temperaturen als sonst erfolgt. Kristallgefäße gestatten auch deshalb eine höhere Temperatur als z. B. Quarzglas und sind gegen Entglasung sicher. Der im Betrieb entstehende sehr hohe Druck wird ferner den Schmelzpunkt der Bohrungswand und damit zusammenhängend Isolationsabfall und Glühbeginn hinaufsetzen.A particular advantage of the crystal vessel is that due to the lack of inner grain interfaces Glow only at much higher temperatures than usual. Crystal vessels therefore also allow a higher temperature as z. B. quartz glass and are safe against devitrification. The one that arises in operation very high pressure is also the melting point of the bore wall and related Put insulation waste and start of glow up.

Unter den für die Entladung in Betracht kommenden Stoffen sind zweckmäßig noch solche zu wählen, welche zu Radikalen mit einem für hohes Wärmegefälle günstigen, möglichst hohen Molekular- oder Atomgewicht dissoziieren oder zersetzt werden, wobei sie die Kristallwände nicht angreifen sollen.Among the substances to be considered for the discharge are expedient still to choose those which lead to radicals with a favorable for a high heat gradient, Dissociate or decompose as high as possible molecular or atomic weight, whereby they should not attack the crystal walls.

Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungen der beschriebenen Höchstdrucklampe in einem Schnitt längs der Entladungsachse.The drawing shows two versions of the high pressure lamp described in a section along the discharge axis.

In Abb. i ist in den Fassungsring i aus zugfestem Stoff (Metall) das Kristallfutter2 eingesetzt, welches aus einem Rohrstück mit beiderseits ausgeschliffenen Erweiterungen besteht. Das hochhitzebeständige Isolierfutter 2 kann auch durch starke Oxydschichten auf Al, Ta oder anderen geeigneten Metallen gebildet werden. Die hohlspiegelartige untere Elektrode 3 und der Elektrodenring 3' schließen mit dem'Fenster 4. den beispielsweise mit Sodalösung bis auf eine Blase gefüllten Entladungsraum 5 ab. Die Randflächen der Elektroden 3, 3' werden dabei durch die Spannplatten 6, 6' mittels der Zugschrauben 7 mit den später im Betrieb entstehenden Dampfdruck übersteigender Kraft gegen die Kristallstücke 2, 4. gepreßt. Dabei werden die Ränder der Elektroden 3, 3' verquetscht, so daß eine absolute Abdichtung stattfindet, welche infolge der Druckbelastung der Flächen besser als bei einer Einschmelzung ist, bei der es zu sehr auf die Ausdehnungsbeiwerte ankommt. Die Spannplatten sind voneinander z. B. durch Glimmerscheiben 8, 8' und Rohre 9 isoliert. Löcher io gestatten notfalls seitlichen Strahlungsaustritt.In Fig. I, the socket ring i made of tensile material (metal) is the Kristallfutter2 used, which is made from a piece of pipe with ground on both sides Extensions exist. The highly heat-resistant insulating lining 2 can also be strong Oxide layers are formed on Al, Ta or other suitable metals. The concave mirror-like The lower electrode 3 and the electrode ring 3 'close with the' window 4, for example discharge space 5 filled with soda solution except for a bubble. The edge surfaces the electrodes 3, 3 'are thereby supported by the clamping plates 6, 6' by means of the tension screws 7 with the force that exceeds the steam pressure generated later in operation against the Crystal pieces 2, 4 pressed. The edges of the electrodes 3, 3 'are squeezed, so that an absolute seal takes place, which as a result of the pressure load of the Areas is better than a meltdown, which has too much of an impact on the expansion coefficients arrives. The clamping plates are mutually z. B. by mica disks 8, 8 'and Tubes 9 insulated. Holes io allow lateral radiation exit if necessary.

Nach Abb. 2 ist in dem Kugelring i aus Quarzglas oder Saphir ein inneres Kristallfutter 2 eingesetzt. Zwischen den Spannringen 6 und 6' tritt die Strahlung allseitig aus. Die Elektroden 3, 3' seien auch als Quetschdichtungen ausgebildet. Das Kugelringgefäß i bewirkt eine Sammlung der erzeugten Strahlung nach der Mittelebene. Höchste Temperaturen werden durch ein inneres Kristallfutter 2 aus Diamant anwendbar, welches vorteilhaft aus mehreren kleinen Pyramidenstücken mit gemeinsam geschliffener Zylinderaußenfläche besteht. Als Flüssigkeit 5 ist z. B. Quecksilber verwendet, das den Entladungsraum völlig oder bis auf einen kleinen freien Raum erfüllt. Nach Einschaltung tritt dann die Entladung durch Verdampfen des eingeengten Quecksilberfadens ein. Mittels der Schrauben 7 und der Isolierteile 8, 9 versetzen die Platten 6 und 6' den Kugelring i unter nach seiner Mitte zu gerichtete hohe Druckvorspannungen, um Risse zu unterdrücken. Dies läßt sich auch mit anderen Gefäßformen erzielen, z. B. einem durchbohrten kurzen Zylinder mit kegeligen Endflächen. Bei Füllung mit anfangs gelösten Strahlerstofffen bleiben diese nach dem Ausfällen aus dem verdampften Wasser infolge des durch hohe Temperatur und den großen Druck geschmolzenen Zustandes leitend. Zufolge des hohen erzielbaren Druckes lassen sich auch feste Körper, wie z. B. WC, W, C, auf über dem gewöhnlichen Schmelzpunkt liegende Temperaturen erhitzen.According to Fig. 2 there is an inner one in the ball ring i made of quartz glass or sapphire Crystal lining 2 inserted. The radiation occurs between the clamping rings 6 and 6 ' on all sides. The electrodes 3, 3 'are also designed as pinch seals. The spherical ring vessel i causes the radiation generated to be collected in the center plane. The highest temperatures can be used thanks to an inner crystal lining 2 made of diamond, which advantageously consists of several small pyramid pieces with jointly ground Cylinder outer surface consists. The liquid 5 is z. B. Mercury used, which completely or except for a small free space fills the discharge space. To When switched on, the discharge occurs through evaporation of the narrowed mercury thread a. By means of the screws 7 and the insulating parts 8, 9 move the plates 6 and 6 'the ball ring i under high compressive stresses directed towards its center, to suppress cracks. This can also be achieved with other vessel shapes, z. B. a pierced short cylinder with tapered end surfaces. When filled with Initially dissolved radiation substances remain after they have precipitated out of the evaporated Water as a result of its molten state due to high temperature and high pressure conductive. As a result of the high pressure that can be achieved, solid bodies such as z. B. WC, W, C, heat to temperatures above the usual melting point.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Extreme pressure discharge lamp with through a metallic one Outer vessel relieved of internal pressure, characterized in that the discharge vessel is closely enclosed by the outer vessel and made of high-melting, A material that conducts heat well, preferably crystal, consists of a lining forms in the outer vessel or as a stocky, thick-walled body of the rack-like Outer vessel between the forces pressed towards the center of the vessel and plastically crushed metal seals or electrodes under high compressive stress is clamped, with any conductive, initially solid or liquid substances or mixtures thereof are arranged.

2. Maximum pressure discharge lamp according to claim i, characterized in that the pressure surfaces the seals or electrodes are hollow-conical or spherical.

3. Extreme pressure discharge lamp according to claims i and 2, characterized by a `after a short constriction Conical widened discharge space in the discharge vessel on both sides. q ..

Extreme pressure discharge lamp according to claims i to 3, characterized by a metal surround of the discharge vessel; which can also be formed by a thick oxide layer, the radiation exits axially through ring electrodes and pressure window and through a concave mirror electrode can still be brought in a single direction.

5. Extreme pressure discharge lamp according to claims i to q., characterized in that the discharge vessel consists of rings is made of different substances, the innermost ring made of highly thermally conductive Crystalline consists, such as. B. Diamond.

6. Extreme pressure discharge lamp according to the previous one Claims, characterized in that the discharge vessel or an electrode window the same serves as a collecting optics for the generated radiation.

7. Extreme pressure discharge lamp according to the preceding claims, characterized in that the liquid or solid filling of the discharge space before ignition connects the electrodes conductively, but a free space can remain which limits the pressure increase occurring during operation to a desired height controlled by the vessel structure . B. ultra-high pressure discharge lamp according to previous claims, characterized by filling the discharge space with powders of metals or other substances finely divided in liquids, the particles of which are held together as a conductive bridge by the electrodynamic effect of the current path when current passes through. Cited publications: German Patent No. 561749; British Patent No. 312 59i.