DE3221084C2 - Elektrische Entladungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen. Es sind in einem ionisierbaren Medium an Gleich- oder Wechselspannung anschließbare Entladungselektroden vorgesehen. Um in der elektrischen Entladung die Elektronendichte und die Zahl geladener Teilchen zu erhöhen zur Verbesserung der Lichtausbeute, werden im Bereich wenigstens einer Entladungselektrode die Entladungsstrecke verkürzende, getrennte, monopolare Säulen aus geladenen Teilchen gebildet. Die Entladungselektroden sind dabei derart in einem Dielektrikum angeordnet, daß wenigstens über einer Entladungselektrode ein Raum zum Aufbau der Säulen verbleibt. Hierdurch entsteht ein Plasmakondensator, bei dem anstelle der Metallplatten üblicher Kondensatoren Plasma wenigstens eine der Kondensatorplatten bildet. Die Entladung findet zwischen den Säulen und benachbarten Säulen bzw. zwischen einander benachbarten Säulen und Metallelektroden statt. Die Entladung im Plasmakondensator weist eine größere Elektronendichte auf, wodurch beim Einsatz der Erfindung in Leuchtstofflampen ein um 50 bis 33% besserer Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Lampen erreichbar ist.

Description

Die elektrische Entladung in der Vorrichtung ist stabil und verlangt keine Vorschaltgeräte wie die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die Starter, Drossel usw. verwenden. Wolfram-Elektroden sind ebenfalls nicht mehr notwendig, wodurch dieses wichtige und teure Material eingespart werden kann. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung ist die Lampen-Nutzbrenndauer größer als bei den bekannten Leuchtstofflampen. Ohne die bisher notwendigen Vorschaltgeräte besitzt die Entladung nach der vorliegenden Erfindung nur Ohm'schen Widerstand, und deshalb ist der Netzleistungsfaktor der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes stes 1.

Die Herstellungskosten einer Entladungslampe, die die vorliegende Erfindung nutzt, sind wesentlich geringer als bisher, da die Kosten für die Vorschaltgeräte eingespart und preiswertere Materialien verwendet werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung im Schnitt (Parallelschaltung von vier Plasmakondensatoren);

F i g. 2 die Vorrichtung nach F i g. 1 im Querschnitt;
Fig. 3 im Schnitt die Vorrichtung in einer anderen Ausführungsform;

F i g. 4 im Schnitt eine weitere Ausführungsform;

F i g. 5 Bauteile der Ausführungsform nach F i g. 4;

F i g. 6 weitere Bauteile der Ausführungsform nach F i g. 4;

F i g. 7 eine besondere Aüsführungsforrri der Verrichtung;
F i g. 8 in Seitenansicht eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung;

F i g. 9 teilweise in Schnitt und Ansicht die Ausführungsform gemäß F i g. 4 in Anordnung in einem birnenförmigen Glaskolben;

Fig. 10 teilweise in Schnitt und Ansicht eine rohrförmige elektrische Lampe mit der eingebauten Vorrichtung und

Fig. 11 im Schnitt eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung zur Verwendung für die chemische Synthese.

Gemäß F i g. 1 besteht die Vorrichtung im Prinzip aus einem oder mehreren gleichen Kondensatoranordnungen 2, nachfolgend auch Plasmakondensator 2 genannt. Der PIa-: itiakondensator 2 weist einen Dielektrikumskörper 4 mit Wänden 6 auf. die Spalten 8 und 10 begrenzen. Im Spalt 8 ist eine erste Entladungselektrode 12 und im Spalt 10 eine zweite Entladungselektrode 14 angeordnet. Die erste Entladungselektrode kann nadel- oder zahnförmig und die zweite Entladungselektrode in Form einer Metallplatte ausgebildet sein. Die erste Entladungselektrode 12 ragt dabei nur wenig über den Boden des Spaltes 8 hinaus und füllt damit nur einen Teil des Spaltes 8 aus. Die zweite Entladungselektrode 14 kann mit der Höhe der Wand 6 abschließen oder, wie in F i g. 1 links bspw. dargestellt, darüber mi: einer Spitze 16 hinausragen. An der dem Spaltboden abgewandten Seite j5 kann die Entladungselektrode 14 glatt, nadel- oder zahnförmig ausgebildet sein.

Die Fig. 1 zeigt eine elektrische Parallelschaltung der Entladungselektroden 12 und 14, was gleichzeitig bedeutet, daß auch die einzelnen Plasmakondensatoren 2 elektrisch parallel geschaltet sind. Die elektrische Entladung mit 18 bezeichnet, erfolgt zwischen den Entladungselektroden 12,14 bzw. 12,16. Die Entladungselektroden sind an elektrische Anschlüsse 19,21 gelegt.

In F i g. 2 aind das physikalische Prinzip des Plasmakondensators 2 und die elektrische Entladung 18 genauer verdeutlicht. Im Spalt 8 zwischen den Wänden 6 erfolgt eine Trennung der positiv und negativ geladenen Teilchen. Zwischen den Entladungselektroden 12,14 und der Wand 6 besteht ein elektrischer Potentialgradient. Das diesem Potentialgradienten entsprechende elektrische Feld trennt die negativen und die positiven Teilchen 20, 22 nach deren Polarität, wobei sich die negativen an den Wänden 6 und die positiven Teilchen in der Mitte zwischen den Wänden 6 sammeln.

Die positiven Teilchen 22 stapeln sich an der Entladungselektrode 12 übereinander, und zwar über die ganze Länge bzw. Höhe des Spaltes 8. Die getrennten, elektrisch geladenen Teilchen verkürzen die Entladungsstrecke zwischen den Entladungselektroden 12,14. Für die elektrische Entladung sind dabei zwei Entladungsstrecken 24 und 26 maßgebend. Die erste Entladungsstrecke 24 (F i g. 2) verläuft von der negativen Entladungselektrode 12 und den positiven Teilchen 22 zur positiven Entladungselektrode 14. Die zweite Entladungsstrecke 26 verläuft von der positiven Elektrode 14 und den an der Wand 6 sitzenden negativen Teilchen 20 zur negativen Elektrode 12. Die negativ geladenen Teilchen 20 repräsentieren sozusagen die eine Plasmakondensatorplatte. Dies ist natürlich nur dann möglich, wenn die positiven Teilchen 22 in der Mitte des Spaltes 8 eine ähnliche »Platte« bilden. Die zweite Kondensatorplatte wird durch die Entladungselektrode 14 bzw. 16 gebildet, die vorzugsweise eine Metallplatte ist und im Spalt 10 dicht an die Wände 6 anschließend angeordnet ist. Ein derart ausgebildeter Plasmakondensator sei »Semiplasmakondensator« genannt, bei dem eine »Platte« durch ein Plasma und die zweite durch eine Metallplatte gebildet wird.

Ein sogenannter Vollplasmakondensator 28 mit Entladungselektroden 30, 32 ist in F i g. 3 dargestellt. Die Entladungselektroden 30, 32 ragen hierbei nur wenig über den Boden der Spalte 8 hinaus bzw. füllen beide nur so einen Teil der Spalte aus. Die Polarität der elektrischen Anschlüsse 19,21 zeigt die Polarität der Entladungselektroden 30,32. Die Verteilung der geladenen Teilchen im Spalt 8 und an den Dielektrikumswänden 6 ist mit plus 34 und minus 36 bezeichnet. Es bilden sich Entladungsstrecken 38,40 aus, die durch gestrichelte Pfeile dargestellt sind. Aus F i g. 3 ist erkennbar, wie sich die negativen Teilchen 36 mit den positiven Teilchen 34 entladen und wie die positiven und negativen Teilchen die Entladungstrecke zwischen den Entladungselektroden 30,32 verkürzen. ei Die F i g. 3 zeigt außerdem, daß beide Kondensatorplatten aus Plasma, nämlich den negativ und positiv geladenen Teilchen 34, 36. gebildet sind. Aus physikalischer Sicht wird ein ambipolares Plasma (zwei gemischte Polaritäten) in der Vorrichtung nach Fig. 3 in ein monopolares Plasma (getrennte Polaritäten) umgewandelt. Die elektrische Emladung durch das monopolare Plasma bringt den Beweis für die Kollisionen zwischen den

geladenen Teilchen. Solche Kollisionen verändern die Oberfläche, die die geladenen leuchen einnehmen, bei dieser Oberflächenveränderung wird ein sogenannter monopoliser elektrischer Impuls er/engt.

Eine andere mögliche technische Ausführungsform unter Ausnutzung dieses Enlladungsprin/ips ist in den F i g.4 bis 6 dargestellt. Hierbei besteht die Vorrichtung aus einem walzenförmigen bzw. zylindrischen Kntladungselemen¹.50, wobei die wirksamen Plasmakondensatorplatten parallel entlang der Achse dieses Riiiludiings- > clcmentes 50 angeordnet sind, das aus den elektrisch parallel geschalteten Entladungsclcktroden 12,14 und den parallel angeordneten Plasma- und Metallkondcnsatorplatten 20, 14 gebildet ist. Das Dielektrikum besteht aus scheibenförmigen Platten 52, und die Entladungselektroden sind Metallplatten und gemäß F i g. 5 etwa ringförmig ausgebildet.

Die Entladungselektroden bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und sind am Außenumfang glatt oder to messerartig ausgebildet oder mit Zähnen 54 oder Nadeln versehen.

In die Spalten 8,10 sind die Entladungselektroden 12,14 sandwichartig eingepreßt. Die F i g. 4 zeigt, daß die gesamte Anordnung bspw. mit Hilfe von Gewindestangen 56, 58 und Muttern 60, 62 zusammengeschraubt ist. Am Ende des Entladungselementes 50 sind entsprechende Endstücke 64, 66 vorgesehen. Das Endstück 64 besteht aus elektrisch isolierendem Material und ist so geformt, daß es in den Metallsockel einer elektrischen Lampe paßt. Das Endstück 66 besteht ebenfalls aus einem elektrischen Isolator. Die Gewindestangen 56, 58 dienen gleichzeitig als elektrische Leiter für die Entladungselektrode 12 bzw. die Entladungselektrode 14. Die Endstücke 64,66 sind so ausgebildet, daß eine elektrische Entladung zwischen den Stangen 56 und 58 verhindert wird.

F i g. 5A zeigt die Dielektrikumsscheibe 52 in Ansicht. Die Scheibe 52 ist mit beabstandeten Bohrungen 68,70 für den Durchgriff der Metallstangen 56, 58 versehen. F i g. 5B zeigt in Ansicht die ringförmige, mit einer Bohrung 72 versehene Entladungselektrode 14. Die Entladungselektrode kann am Außenumfang glatt 74 oder mit Zähnen 76 versehen sein. Fig.5C zeigt die ringförmige Entladungselektrode 12 ebenfalls in Ansicht; sie weist ebenfalls eine Bohrung 78 auf.

In montiertem Zustand erstreckt sich die Gewindestange 56 durch die Bohrungen 68, 72 der Dielektrikumsscheibe 52 und der Entladungselektroden 14 sowie durch den Ringraum 80 der Entladungselektrode 12. Die Gewindestange 58 verläuft durch die Bohrungen 70,78 der Dielektrikumsscheibe 52 und der Entladungselektrode 12 sowie durch den Ringraum 82 der Entladungselektrode 14.

F i g. 6A zeigt die Dielektrikumsscheibe 52 von der Seite im Schnitt mit Öffnungen 68,70 für die Gewindestangen 56,58.

In F i g. 6B sind die Gewindestangen 56,58 mit den zugehörigen Muttern 60,62 dargestellt.

Eine besondere Bedeutung kommt der inneren elektrischen Isolierung im Entladungselement 50 (F i g. 4) zu. Die Dielektrikumsscheibe 52 (F i g. 6A) weist daher einen Ansatz 84 auf, der in den ausgestanzten Ringraum der Entladungselektrode 12 bzw. 14 (F i g. 5B, C) hineinragt und diesen vorzugsweise ausfüllt. Eine zusätzliche Verklebung der Teile könnte ebenfalls vorgenommen werden. Eine bessere Fixierung der Teile relativ zueinander ist durch identische Abflachungen 86 bzw. 88 und 90 erreichbar (vgl. F i g. 5).

Die Entladung ist in F i g. 4 mit 18 bezeichnet, erfolgt zwischen den Entladungselektroden 12,14 und weist eine um ein Vielfaches größere Etektronendichte auf als die klassische elektrische Entladung bei vorbekannten Vorrichtungen.

Das Entladungselement 50 nach F i g. 4 stellt eine einfach herstellbare Ausführungsform dar, die ohne weiteres zur Herstellung von elektrischen Entladungslampen eingesetzt werden kann.

F i g. 7 zeigt im Querschnitt eine andere Ausführungsform eines Entladungselementes 92 der Vorrichtung. Die Entladungselektroden sind hierbei in Form von Metallstreifen 94, 96 ausgebildet und die Dielektrikumwände sind ebenfalls Streifen 98. Die Metallstreifen bzw. Metallplatten und Dielektrikumsstreifen bzw. Dielektrikumwände sind im Schnitt vorteilhaft konisch ausgebildet.

Die Entladungselektrode 94 hat etwa die Form eines Sägeblattes, d. h. sie ist mit Entladungszäunen versehen. Die Entladungselektrode % kann, wie schon erwähnt, ein einfacher Metallstreifen sein, der auch mit Entladungszähnen versehen sein kann.

Die Entladungselektroden und Dielektrikumwände sind im Schnitt gesehen strahlenförmig um einen zentralen röhren- oder walzenförmigen Kern 100 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Die mechanische Befestigung der Entladungselektroden und der Dielektrikumstreifen kann in bekannter Weise erfolgen, z. B. mit Hilfe von Zwischenbefestigungsringen aus elektrisch isolierendem Material oder 'lurch eine spezielle Befestigung von Endkappen oder auch durch Zusammenkleben der Teile des Entladungselementes. Der technische Vorteil dieses »axialen« Entladungselementes liegt darin, daß die elektrischen Anschlüsse der Entladungselektroden am Ende des Entladungselementes erfolgen können. Weitere innere Anschlüsse wie bei der Ausführungsform nach F i g. 4 über die Gewindestangen sind nicht notwendig.

F i g. 8 zeigt ein technisch einfaches Ausführungsbeispiel eines Entladungselementes 110 in Seitenansicht. Das Entladungselement besteht hierbei aus einer Walze bzw. einem Rohr 111 aus Dielektrikumsmaterial, wie bspw. Keramik und ist an der Oberfläche mit einer schraubenlinienförmig verlaufenden Nut 112 versehen. Parallel zur Nut 112 verläuft eine zweite Nut 114. In diese Nuten 112,114 ist ein dünner Draht 116, 118 vorzusweise aus rostfreiem Stahl gelegt der fest auf dem Boden der Nuten aufliegt. Der elektrische Anschluß erfolgt an einem Ende des Rohres, wie in F i g. 8 verdeutlicht, kann aber auch an beiden Enden vorgesehen werden. Unter der Voraussetzung, daß das Rohr 111 eine große Dielektrizitätskonstante hat, garantiert diese sehr einfache Ausführungsform der Vorrichtung eine sehr gute Funktion.

Eine Entladungslampe, in die die oben beschriebenen Vorrichtungen einsetzbar sind, kann die Form einer b5 klassischen elektrischen Birne oder die einer klassischen rohrförmigen Leuchtstofflampe haben. Bei der in F i g. 9 gezeigten Ausführungsform befindet sich das Entladungselement 130 in Form gemäß F i g. 4 in einer birnenförmigen Lampe 122 und sitzt in deren Metallsockel 120. Die Entladungselektroden 12,14 sind mit dem Sockel in

bekannter Weise elektrisch verbunden. Der Glaskolben 132 wird in bekannter Weise hergestellt und Leuchtstoffmaterial 134 ist ebenfalls in bekannter Weise auf der Innenseite des Gl.rskolbens angebracht. Die elektrische Entladung 18 findet bspw. in Quecksilberdampf mit zusätzlichem Edelgas wie Argon o. a. statt. Diese Form der elektrischen Entladungslampe ist bis zu einem Lichtstrom von 4000 Lm ohne weiteres und ohne besondere technische Probleme herstellbar.

Wird für eine Lampe bzw. einen Leuchtkörper ein größerer Wert als 4000 Lm Lichtstrom gefordert, so ist dafür ein röhrenförmiger Hüllkörper geeigneter. F i g. 10 zeigt einen solchen rohrförmigen Glaskolben 128, der auf der Innmseite mit Leuchtstoffmaterial 134 versehen ist. Mit Hilfe der Kontakte 124,126 wird die rohrförmige Lampe ίι\ entsprechenden Fassungen eingesetzt. Die Kontakte bilden gleichzeitig Halterungen für das

ίο Entladungselement 136.

Die Beispiele nach den Fig.9, 10 zeigen, daß die heutige Technik zur Herstellung von elektrischen Entladungslampen durch Benutzung der oben beschriebenen Entladungselemente kaum geändert zu werden braucht. Lediglich die Herstellung des Entladungselementes ist neu und somit auch die Verbindung zwischen dem Entlaclungsclement und dem Glaskolben bzw. der Glasröhre. Alle anderen Herstellungsstufen bleiben unverän-

Nachfolgend sei die Funktionsweise der Vorrichtung beschrieben. Durch die elektrische Entladung bei den vorgehend beschriebenen Entladungselementen werden sogenannte monopolare elektrostatische Impulse erzeugt. Die Frequenz (in Hz) der elektrostatischen Impulse sowie die Energie (eV) der Impulse sind einstellbar. Dies bedeutet, daß das Entladungselement selbst in neuartiger Weise ein Hochfrequenzgenerator ist.

Auf der ansteigenden Flanke "des elektrischen Impulses findet eine zusätzliche Oszillation statt. Mit anderen Worten, die elektrostatischen Impulse sind nicht gewöhnliche und bei der elektrischen Entladung bekannte Impulse. Die zusätzliche Oszillation bedeutet auch eine zusätzliche Energie der Impulse und hat einen direkten Einfluß auf die Anregung des Quecksilberdampfes der elektrischen Entladungspumpe. Durch die Oszillation wird im UV-Spektrum (Quecksilberdampf) ein viel größerer Lichtstrom erzeugt als ohne Oszillation, wodurch die Anregung des Leuchtstoffmaierials größer wird, was wiederum eine größere Lichtabgabe des Leuchtstoffes im sichtbaren Spektrum zur Folge hat.

Die monopolaren Impulse werden an der Oberfläche der Wand 6 erzeugt. Die Kollision (unelastische und elastische) zwischen Elektronen einerseits und geladenen Teilchen (Ionen und metastabilen Ionen) andererseits sind die Ursache der Impulserzeugung. Wenn diese Kollisionen stattfinden, sammeln sich die geladenen Teilchen an der Oberfläche des Dielektrikums an, wobei sich die Fläche verändert, auf der sie sich befinden. Diese Fläche ist vor der Kollision größer als danach.

Dies bedeutet, daß sich die Kondensatorfläche verkleinert. Bei dieser Flächenveränderung des Kondensators verändert sich auch die elektrische Spannung Vder monopolaren Impulse Pnach der folgenden Gleichung:

V_A £-,

Vp — die elektrische Spannung des Impulses P,

V_A — das elektrische Potential im Plasmakondensator,

Q — die Kapazität des Kondensators vor dem Ansammeln der geladenen Teilchen (Ionen) und Ci — die Kapazität des Kondensators nach dem Ansammeln der geladenen Teilchen an der Oberfläche des Elektrikums bedeuten.

Ci und Ci sind in Einheiten in der Größenordnung von 10~⁷ picofarad berechenbar.

Die Energie der Impulse ist so niedrig, daß die Hochfrequenzstrahlung eine vernachlässigbare Reichweite besitzt und weit unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzen bleibt und damit andere elektrische Verbraucher nicht stört. Schließlich ist die Energie der Impulse beliebig einstellbar, was nachfolgend noch beschrieben wird.

Für die Herstellung des Dielektrikums ist Keramik, Porzellan oder Glas geeignet Geeigneter Kunststoff ist für spezielle Anwendungen ebenfalls verwendbar. Für die Scheiben 52 (F i g. 4, 5 und 6) oder die Streifen (F i g. 7) oder das Rohr 111 (F i g. 8) ist Keramik, bspw. basierend auf Titanoxide, Bariumoxide. Strontiumoxide, Calciumoxide, Magnesiumoxide oder Bleioxide, am besten geeignet.

Porzellan, speziell mit Zirkoniumoxyden (Ζ1Ό2) angereichert, ist auch ein gutes Dielektrikum für die vorliegenden Entladungselemente.

Die Endstücke 64, 66 nach F i g. 4 können aus einfacher Keramik bestehen, beispielsweise aus gesintertem Aluminiumoxyd (AI2O3).

Das Material für die Anfertigung der Elektroden 12,30,94,14,16,32,96 ist vorzugsweise rostfreier Stahl mit folgendem Prozentsatz der nachstehend aufgeführten Elemente.

Mangan (Mn) —ca. 2%

Chrom (Cr) -ca. 16-20%

Nickel (Ni) -ca. 10-15%

Molybdän (Mo) —ca. 2—14%

Für die Gewindestangen 56,58(Fi g. 4,6) genügt rostfreier Stahl mit niedrigem Gehalt der oben aufgeführten Elemente.

Die Dicke der Scheibe 52 (F i g. 4,5,6) bestimmt die Größe der Dielektrizitätskonstanten. Wenn die Dielektrizitätskonstante niedrig sein soll, dann muß die Scheibe 52 dünn sein. Zum Beispiel trägt die Dicke der Scheibe 52 2—4 mm bei einer Dielektrizitätskonstanten von 3. Bei einer Dielektrizitätskonstanten von 80 kann die Dicke der Scheibe 52 zwischen 2 und 40 mm betragen. Der Durchmesser der Scheibe 52 wird durch den Zweck und Anwendung bestimmt. Dieser Durchmesser kann nach Belieben einige Millimeter bis Hunderte von Millimetern betragen.

Die wichtigsten technischen und physikalischen Parameter beim vorliegenden Entladungselement sind die Breite und die Höhe des Spaltes 8, also des Spaltes zwischen den Wänden 6 und die Breite und die Höhe der Nuten 113, 114 bei der Ausführungsform nach Fig.8. Die Dimensionen des Spaltes 8 beeinflussen folgende physikalische Parameter:

a) die Entladungsspannung zwischen den Entladungselektroden 12,14 bzw. 12,16;

b) die Frequenz (Hz) der monopolaren elektrostatischen Impulse;

c) die Energie (eV) der elektrostatischen monopolaren Impulse;

d) den Wirkungsgrad der elektrischen Entladungslampe.

Das Verhältnis von Breite und Höhe des Spaltes 8 wird mit bestimmten physikalischen Gesetzen definiert. Technisch stehen diese Parameter, Breite und Höhe des Spaltes in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Dieses Verhältnis variiert zwischen 1 : 7 bis 1 :60.

Die Dicke der Entladungselektrode 12 bestimmt die Breite des Spukes S. Wenn die Dicke der Eiiüaduiigseiek- in trode 0,2 nur» beträgt (F i g. 4), dann ist auch der Spalt 8 etwa 0,2 mm breit. Die Höhe des Spaltes 8 wird durch den Durchmesser der Wand 6 und dem Durchmesser der Entladungselektrode 12 bestimmt. Die effektive Höhe des Spaltes 8 wird im wesentlichen bestimmt durch die Höhenunterschiede zwischen der Dielektrikumswand 6 und der Entladungselektrode 12.

Die Entladungsspannung zwischen den Entladungselektroden 12,14 ist durch die Abmessungen des Spaltes 8 einstellbar. Wenn der Spalt 8 eng und die Höhe größer sein sollen, muß die Entladungsspannung groß sein und umgekehrt. Natürlich beeinflußt auch der Gasdruck die Entladungsspannung. Wenn der Gasdruck bspw. 1 mbar beträgt, kann die Entladungsspannung über die Abmessungen des Spaltes 8 zwischen 40 Volt/cm bis 900 Volt/ cm für die Entladungsstrecke eingestellt werden.

Beträgt der Gasdruck 1 bar, so ist die Entladungsspannung zwischen 9 KV/cm und 60 KV/cm einstellbar, jo Diese Maßgabe gibt bspw. dem Hersteller von Entladungslampen die Möglichkeit, bei einem bestimmten Entladungsgasdruck die Abmessungen des Entladungselementes und den Netzspannungsanschluß einander anzupassen.

Die Frequenz (Hz) der monopolaren Impulse ist ebenfalls mit den Abmessungen des Spaltes 8 einstellbar. Ein größeres Volumen des Spaltes 8 ergibt höhere Frequenzen und umgekehrt.

Die Energie (eV) der Impulse ist ebenfalls mit dem Volumen dieses Spaltes 8 einstellbar; die Energie ist zum Volumen proportional.

Der Wirkungsgrad einer solchen elektrischen Entladungslampe ist direkt proportional zur Frequenz (Hz) und der Energie (eV) der monopolaren Impulse. Allerding ist hier ein Kompromiß notwendig. Die Energie (eV) der Impulse darf nur so hoch sein, daß die gesetzlichen Bestimmungen eingehalten werdet.. Die Tabelle zeigt zwei 4ü Beispiele einer Anwendung des Entladungselementes für Leuchtstofflampen.

Das in der F i g. 4 dargestellte radiale Entladungselement wurde in einer Leuchtstofflampe mit einer Nennleistung von 40 Watt getestet. Zwei Leuchtstofflampentypen, weiß und Warmton, wurden bei verschiedenem Argon-Gasdruck getestet. Die Tabelle zeigt den Gasdruck in den oberen Zeilen, und zwar in den Einhr i'en Millibar. Die Lichtausbeute ist in der Zeile K. für die Lampe »Weiß« zwischen 154 Lm/W und 247 Lm/W bei verschiedenem Gasdruck angegeben. Die Lampennennleistung in W/3200 Lm, gemäß Zeile L zeigt, daß im Gegensatz zu 40 Watt Eingangsenergie, wie bisher, nur zwischen 20,7 Watt und 12,9 Watt Eingangsenergie benötigt wird. Die Zeile M zeigt die Lichtausbeute der Warmtonlampe und die Zeile N wieder die Lampennennleistung in W/3200 Lm.

Die Werte in der Tabelle lassen erkennen, daß der Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen unter Verwendung der oben beschriebenen Entladungselemente zwei- bis dreimal größer ist als bei den besten bis heute bekannten Leuchtstofflampen. Für die Werte in der Tabelle wurde der Lichtstrom bis 3200 Lm bei 500 nm und 650 nm des sichtbaren Lichtes gemessen.

Das Energieäquivjlent (Wirkungsgrad 1) bei 555 nm Lichtfrequenz ist 673 Lumen/Watt.

Das in den F i g. 4, 7 und 8 dargestellte Entladungselement ist für die chemische Synthese in elektrischer Entladung direkt einsetzbar, z. B. für die Ammoniumsynthese (N H3) oder für die Herstellung von Ozon (O3).

In der Fig. Il ist ein Entladungselement 150 in ein Entladungsrohr 152 eingesetzt, um Ozon herzustellen. An den Enden des Entladungsrohres 152 sind Abschlußscheiben 154, 156 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Durch eine öffnung 158 strömt z. B. Sauerstoff (O2) in Richtung des Pfeiles 160 in das Entladungsrohr 152 ein. Durch die elektrische Entladung, die an der Oberfläche des Entladungselementes 150 stattfindet, to wird Ozon (O₃) erzeugt. Das erzeugte Ozon strömt durch eine Öffnung 162 in Richtung des Pfeiles 164 aus dem Entladungsrohr 152 heraus.

Gasdruck (mbar) 0,66 133 2,66 3,99 533 7,99 10,66 1333 1539 18,66 Lichtfarbe

K Lichtausbeute (LnVW) 154 165 183 195 212 227 235 240 245 247 V .„

L Lampennennleistung 20,7 193 17,4 16,4 15,0 14.0 13,6 133 13,0 123 J ^W (W/3200 Im)

M Lichtausbeute (Lm/W) 158 171 195 208 220 236 244 245 248 246 \

N Lampennennleistung 20,2 18,7 16,4 153 144 133 13,1 13,0 123 13,0 J ^warmton (W/3200 Lm)

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrische Entladungsvorrichtung zur Erzeugung von Licht oder für die chemische Synthese, bestehend aus an Gleich- oder Wechselstrom angelegten, in einem mit ionisierbarem Medium gefüllten Raum angeordnet,durch Dielektrikum voneinander getrennten Entladungselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung in sich monopolarer Schichten (20,34) und Säulen (22,36) elektrisch geladener Teilchen eine der Elektroden (12, 30) in mindestens einem am anderen Ende offenen, von einem dielektrischen Elektrodenträger (4) begrenzten, die Entladungsstrecke verkürzenden Spalt (8) angeordnet ist und daß die anderen, untereinander gleichpoligen, aber zur erstgenannten Elektrode (12, 30) gegenpoligen Elektroden

ίο (14,16; 32) ebenfalls am dielektrischen Elektrodenträger (4) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der in den Spalt ragenden Teile der Entladungselektroden kleiner als die Spalttiefe ist oder die Höhe der in den Spalt ragenden Teile aufeinanderfolgender Entladungselektroden abwechselnd kleiner und gleich der Spalttiefe ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Entladungselektroden unterschiedlicher Polarität trennenden Dielektrikumtdle als Dielektrikumscheiben (52) und die Entladungselektroden (12,14) als Metallringscheiben ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektriumscheiben (52) und Entladungsringelektroden (12,14) auf mindestens zwei Stangen (56,58) angeordnet sind, von denen die eine die Entladungselektroden der einen Polarität und die andere die Entladungselektroden der anderen Polarität mitein&tsler verbindet

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen. (56, 58) als elektrische Anschlüsse für die Versorgungsspannung ausgebildet sind

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stangen (56, 58) als Gewindestangen ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ί bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungselektroden wenigstens einer Polarität mit Entladungsspitzen versehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Entladungselektrode wenigstens einer Polarität auf ihrem Umfang glatt oder schneidenartig ausgebildet oder mit zähnen- oder nadelartigen Spitzen versehen ist.

3b

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumscheiben

(52) mim!ostens auf einer Seite einen zur Ringöffnung (80,82) der ringförmigen Entladungselektroden (12,14) komplementär ausgebildeten Ansatz (84) aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch!), dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze (84) und die Ringöffnungen (80,82) einander zugeordnete Abflachungen (86,88,90) aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Elektrodenträger als Dielektrikum (100) in Form eines Zylinders ausgebildet ist, auf dem sich in axialer Richtung erstreckende Dielektrika (98) und Entladungselektroden (94,96) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika und Entladungselektroden als axial verlaufende Streifen oder Platten ausgebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika und Entladungselektroden gleichmäßig über den Umfang des Zylinders verteilt angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika und Entladungselektroden bzw. Streifen oder Platten den Zylinder strahlenförmig umgeben und im Schnitt sich nach außen keilförmig erweiternd ausgebildet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen oder Plattten im Schnitt Kreisringsegmente bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Elektrodenträger in Form eines Zylinders (111) ausgebildet und mit zwei beabstandet zueinander parallelen, schraubenlinienförmig verlaufenden Nuten (112, 114) versehen ist, in denen jeweils ein eine Entladungselektrode bildendes, elektrisch leitendes Material angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material als Draht ausgebildet ist, von dem der eine an die eine und Jer andere an die andere Polarität der elektrischen Versorgungsspannung (116,118) angeschlossen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungselemente endseitig mit dielektrischen Endstücken (64,66) versehen sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungselement (130) mit einem Ende im Sockelbereich eines Lampen-Glaskolbens (132) befestigt ist und daß die Entladungselektroden (12, 14) mit den Kontaktteilen des Metallsockels (120) elektrisch verbunden sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungselement en (136) beidseitig Anschlüsse (124, 126) für die Entladungselektroden aufweist und mit den Enden einer Lampenröhre (128) mechanisch fest verbunden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungselement mechanisch und elektrisch mit im Mantel der Lampenröhre angeordneten elektrischen Kontakten verbunden ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1,2,20 oder 21 zur chemischen Synthese, dadurch gekennzeichnet, daß dus tr» Kntliulimgselemeni (150) in einer mit 1-liii- und Ausströmöffnungen (158, 162) versehenen Röhre (152) angeordnet ist.

2 J. Voriiihliinn Milch einem der Ansprüche I bis 22,dadurch gekennzeichnet, d.ill die Breite und I lohe des Spukes (8) für ilie ilen Spalt nur teilweise ausfüllenden l-niliidiiMgselektmilcn (12, .10, 12) im Verhältnis I : 7

bis 1 :60 zueinander bemessen sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß für einen vorgegebenen Gasdruck des ionisierbaren Mediums die Enlladungsspannung durch Änderung der Abmessungen des Spaltes (S) einstellbar ist.

Die Erfindung betrifft eine elektrische Entladungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Derartige Vorrichtungen sind nach der GB-PS 13 94 125 bzw. nach der DE-OS 27 23 498 bekannt.

Beim Gegenstand der GB-PS handelt es sich um einen Generator zur Erzeugung elektrischer Oszillationen hoher Frequenzen, mit denen bei elektrischer Entladung sogenannte monopolare elektrostatische Impulse erzeugt werden.

Zur Erzeugung von Licht mit hohem Wirkungsgrad und ausreichender Stärke ist die Vorrichtung nach der GB-PS weder bestimmt noch geeignet Die mit der DE-OS 27 23 498 gegebene Lehre erschöpft sich im wesentlichen darin, die normalerweise gegebene, relativ große Länge der Entladungsstrecke zwischen zwei Elektroden auf engeren Raum zusammenzudrängen.

Abgesehen von diesem Stand der Technik hat bis heute für die Herstellung von Leuchtstofflampen niemand eine andere Entladung als die klassische elektrische Entladung benutzt, d. h. die einfachste Gasentladung, die in einem Entladungskanal zwischen zwei Elektroden stattfindet. Die benutzten Elektroden können dabei kalt oder beheizt sein.

Die meisten Hersteiier von Leuchtstofflampen benutzen für die elektrische Entladung Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 40 und 60 Hz. In den sechziger Jahren experimentierte man auch mit höheren Frequenzen als 60Hz.

Der Veröffentlichung der Firma Osram GmbH: »Elektronisches HF-Startsystem, Quicktronic und LumiluxL-Lampen« (Februar 1982) ist entnehmbar, daß bei einer Frequenz d?s Entladungsstromes von etwa 35 KHz eine Lichtausbeute von 104 Lumen pro Watt (Lm/W) erreicht wird. Unter der Voraussetzung der Richtigkeit dieses Wertes von 104 Lm/W stellt dieser Wert wohl den größten Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen her, der bis heute erreicht werden kann. Zur Erzeugung des 35 KHz-Stromes ist allerdings ein Hochfrequenzgenerator als Zusatzgerät erforderlich.

Dieser Hochfrequenzgenerator ist mit einer Filterdrossel, einem Entstörungsfilter und einer Gleichrichtungssiebung versehen. Solche Vorschalt- und Zusatzgeräte erhöhen die Herstellungskosten und den Raumbedarf für die Installation.

Fast alle elektrischen Entladungslampen benötigen also zusätzliche Vorschaltgeräte zur Stabilisierung der klassischen Entladung und ohne diese Vorschaltgeräte ist die Funktion solcher Lampen fast unmöglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischen Entladungen, insbesondere für elektrische Entladungslampen, anzugeben, wodurch eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielbar ist mit der Maßgabe der Vermeidung der vorerwähnten Zusatz- bzw. Vorschaltgeräte.

Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch das im Kennzeichen des Hauptanspruches Erfaßte gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Diese erfindungsgemäße Lösung führt zu einer elektrischen Entladung, durch die eine wesentliche höhere Elektronendichte im Entladungsgas erreicht wird als bei herkömmlichen elektrischen Entladungen und wodurch ein wesentlich höherer Lichtstrom erzeugbar ist.

Die elektrische Entladung gemäß vorliegender Erfindung findet sozusagen in einem Plasmakondensator statt, was nachfolgend erläutert werden soll:

Diese Stöße erzeugen monopolare elektrostatische Impulse ähnlicher Art, wie sie bspw. in der einleitend erwähnten GB-PS 13 94 125 beschrieben sind, der im übrigen auch die Grundlagen für die Berechnung der Frequenz und der Energie der Impulse entnehmbar sind, wobei dort jedoch die Impulse anders erzeugt werden, als im vorliegenden Fall. Die Frequenz dieser elektrostatischen Impulse hat ein sehr breites Spektrum und liegt zwischen einigen Kilohertz (KHz) und mehreren hundert Megahertz (MHz). Damit stellt die erfindungsgemäße elektrische Entladung sozusagen einen Hochfrequenzgenerator dar, der monopolare elektrostatische Impulse mit geringer Energie erzeugt.

Die elektrische Entladung im erfindungsgemäßen »P!asm,akondensator« ist bis heute in der Literatur nicht bekannt. Es werden, wie erwähnt, monopolare e'.ektrostatische Hochfrequenzimpulse erzeugt, weiche eine größere Elektronendichte verursachen als dies durch die klassische elektrische Entladung erreichbar ist. Durch die größere Dichte der Elektronen im Entladungsgas vergrößert sich die Kollisionszahl zwischen den Elektronen einerseits und den Metalldampfatomeu und Gasatomen andererseits, wodurch sich der Lichtstrom auch proportional vergrößert. Eine solche erfindungsgemäße elektrische Entladung kann mit großem Vorteil für die Lichterzeugung in elektrischen Entladungslampen benutzt werden, da die Lichtausbeute (in Lumen pro Watt, Lm/W) zwei- bis dreimal größer ist als bei bekannten Leuchtstofflampen. Durch die Anwendung der elektrischen Entladung gemäß vorliegender Erfindung ist keine Veränderung des technischen Prinzips der Leuchtstofflampen oder anderer Entladungslampen notwendig.

Die einzige Änderung liegt lediglich im physikalischen Prinzip und in der Vorrichtung zur Erzeugung der elektrischen Entladung. Der Wirkungsgrad der Leuchtstofflampen, mit denen die Erfindung bevorzugt ausgenutzt wird, ist zwei- b's dreimal größer als der der bekannten Leuchtstofflampen. Durch den besseren Wirkungsgrad sind nur 50 bis 33^y/o der elektrischen Energie erforderlich, um die gleiche Lichtstrommenge zu erzeugen.