DE2160960B2 - Hochdruck-Metalldampfentladungslampe - Google Patents

Description

Als Puffergas sind vorteilhaft Quecksilber und/oder Cadmium und als Edelgas Xenon vorgesehen.

Damit der für den Betrieb der Lampe erforderliche Vorschaltwiderstand die Wirtschaftlichkeit des Lampenbetriebs nicht in Frage stell*, ist die Arbeitsspannung der Lampe vorzugsweise geringer als ein kritischer Wert. Dieser kritische Wert liegt insbesondere bei 0,6 Vs, wobei Vs die Leitungsspannung der Energieversorgung in Volt ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Be-Schreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer MetalldampfentJadimgslampe;

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Funktion des mittleren Potentialgradienten in dem Lampenkolben von deren Innendurchmesser;

F i g. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und dem Lampenwirkungsgrad; _ao

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit der Gasstrecke zwischen den Elektroden und dem Lampenwirkungsgrad einer Metalldampf entladungslampe; _a5

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und der Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes einer Metalldampfentladungslampe; und

Fig. 6 zeigt eine graphische Darstelung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und der Länge der Gasstrecke zwischen den Elektroden bei einer Metalldampfentladungslampe, wobei der schraffierte Bereich das Gebiet geeigneter Lampenausführungen zeigt.

Es wurden eine Reihe von Tests mit Entladungslampen unter Verwendung von Natrium als lichterzeugendem Medium, d. h. bei einer Hochdruck-Natriumlampe, durchgeführt. Durch Veränderung von Innendurchmesser und Länge des Lampenkolbens wurden verschiedene Lampeneigenschaften untersucht, wobei jedoch die Mengen an Natrium, Quecksilber und Edelgas in dem Kolben konstant blieben. Als Ergebnis wurden allgemeine Tendenzen gefunden, welche im folgenden beschrieben sind.

(1) Bei konstanter Farbtemperatur steigt der Lampenwirkungsgrad mit abnehmendem Lampeninnendurchmesser an. Der Lampenwirkungsgrad nimmt darüber hinaus auch mit zunehmender Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Lampenkolbens zu.

(2) Eine über einem bestimmten Grenzwert lie gende Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit be einträchtigt die Lampenlebensdauer nachteilig. Di Lampenspannung steigt nämlich an, was von eine relativ starken Abnahme des Lichtstromes währen« der Lebensdauer begleitet wird. In einigen extremei Fällen tritt eine Schwärzung des Kolbens und eini Farbverschiebung des ausgesandten Lichtes infolgi Natriumverlust in dem Kolben ein.

(3) Bei konstanter Farbtemperatur steigt der mitt lere Potentialgradient der Lampe, der den Dampf druck in dem Kolben indirekt darstellt, mit abneh mendem Lampendurchmesser an, was zu einer niedrigen Lebensdauer der Lampe führt.

Die Betrachtung dieser durch wiederholte Versuch« erzielten Ergebnisse, haben zu dem Schluß geführt daß durch angemessene Wahl der Beziehung der Lam penleistung (in Watt) zum Elektrodenabstand und de; Lampeninnendurchmessers ein vorteilhafter Lampenaufbau erzielbar ist, welcher hinsichtlich der obenerwähnten Tendenzen gut ausgeglichen ist. Dies wird dann erreicht, wenn die Werte für den mittleren Potentialgradienten £ (Volt/cm), für den Elektrodenabstand L (mm), für den Innendurchmesser des Lampenkolbens d (mm) und für die Lampenleistung M> (Watt) folgenden Beziehungen genügen:

E> 37,5- 2,05 d

L>

10 W

L<

16rf-58
IQW
13,3d-76,4

F i g. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Lampe. In die Enden eines keramischen Rohres 1 aus polykristallinem Alummiumoxyd, welches als Kolben dient, sind zur hermetischen Abdichtung keramische Endkappen 2 eingesetzt. Niobrohre 3. welche als Elektrodenzuführungen verwendet sind, durchdringen zentrale öffnungen der Kappen 2 an den Enden der Lampe. An den inneren Enden dei Niobrohre 3 sind Elektroden 4 angelötet.

Es wurden Messungen verschiedener Lampeneigenschaften durchgeführt unter Annahme etlicher Kombinationen von Werten für den Innendurchmesser a des Kolbens, für den Elektrodenabstand L und fm die Mengen an Natrium sowie als Puffergas Quecksilber oder Cadmium, wobei diese Werte der folgenden Tabelle zu entnehmen sind. In allen Fällen isi Xenon als Zündedelgas in dem Kolben enthalten.

d (mm)

L (mm)

Menge Natrium (mg) ...
Menge Quecksilber (mg)
Menge Cadmium (mg) ..

Die F i g. 2 bis 6 zeigen graphische Darstellungen der verschiedenen Parameter von Lampen, die für Probemessungen auf der Basis der obenerwähnten, möglichen Kombinationen konstruiert wurden. Eine gründliche und synthetische Betrachtung dieser Kenn- ^6s werte führt zu den folgenden Ergebnissen:

(A) Der mittlere Potentialgradient E des Lampenlichtbogens, d. h., die Lampenspannung dividiert

6,3	7,0	7,6	9,7	11,5
40		60		82
15
3	7,5	30	40	50
10	20	30	40	60

13,5

60
80

durch den Elektrodenabstand, sinkt mit ansteigendem Kolbeninnendurchmesser d, wenn die Farbneigung auf dem gleichen Pegel gehalten wird. Um eine Farbeignung größer als 1,0 zu erhalten, muß folgende Beziehung zwischen dem mittleren Potentialgradienten E und dem Kolbeninnendurchmesser d vorliegen:

E > 37,7 - 2,05 d.

5 6

Dies ist in F i g. 2 dargestellt und mit der obigen Lampe und einem Anstieg der Lampenspannung Beziehung (I) identisch, die durch sorgfältige Ver- während der Lebensdauer begleitet, was auf eine besuche erhalten wurde. schleunigte Reaktion zwischen dem Natrium und dem

Die Formel (I) bedeutet, daß sich bei einer Lampe Aluminiumkolben zurückzuführen ist. Als Ergebnis mit größerem Innendurchmesser des Kolbens, d. h. 5 einer Reihe durchgeführter Lebensdauertests wird mit einem geringeren Anstieg des Natriumdampf- ein solcher, hier als W$ bezeichneter Grenzwert für druckes in dem Kolben, bei niedrigerer Lampenspan- Lampen mit unterschiedlichen Lampendurchmessern nung eine gute Farbwiedergabe erzielen läßt. Eine durch die Beziehung:
Vergrößerung des Kolbeninnendurchmessers ermöglicht es andererseits, die Wiederzündspannung der io W$ — 16d— 58 (V)
Lampe und daher die Offenspannung des Vorschalt-

widerstandes herabzusetzen, mit welchem die Lampe annähernd wiedergegeben, wobei W$ in Watt je cm betrieben wird. Demzufolge kann durch Verwendung (Watt/cm) ausgedrückt ist, was der Kurve b in F i g. 5 eines Kolbens mit einem gegenüber einer herkömm- entspricht. Der Grenzwert W$ entspricht jenen Lamlichen Hochdruck-Natriumlampe größeren Innen- 15 penleistungen je Längeneinheit, welche über etwa durchmesser die Lebensdauer der Lampe verbessert 6000 Stunden eine Aufrechterhaltung des Lichtwerden und diese darüber hinaus wie herkömmliche stromes von mehl als 70% sicherstellen und das Hochdruck-Entladungslampen mit einem wirtschaft- Ansteigen der Lampenspannung innerhalb von 15% liehen Vorschaltwiderstand betrieben werden. des anfänglichen Wertes halten.

Zum besseren Verständnis sei der hier gebrauchte ao Durch eine harmonische Kombination der oben

Ausdruck »Farbeignung« kurz erklärt. Die Färb- beschriebenen Ergebnisse (A) bis (D) kann eine elek-

stärken von mittels einer Testquelle wiedergegebenen irische Entladungslampe mit den gewünschten Eigen-

Farben von 8 CIE-Test-Proben werden auf der Färb- schäften geschaffen werden. Nachstehend werden die

stärken-(U⁺, V⁺)-Ebene unter Bildung eines Acht- wesentlichen Bedingungen für eine solche Lampe ab-

ecks, dessen Fläche mit St bezeichnet wird, durch as geleitet.

Liniensegmente miteinander verbunden. In gleicher Für eine gute Farbwiedergabe soll gemäß Be-

Weise wird durch die Bezugslichtquelle mit angege- Ziehung (I)

bener Farbtemperatur ein anderes, gleiches Achteck £ > 37 7 — 2 05 d

gebildet, dessen Fläche mit Sr bezeichnet wird. Die ~ ' '

Farbeignung wird definiert als das Verhältnis von 30 gelten.

St zu Sr, d. h. StISr. Eine Farbeignung größer als 1,0 Hinsichtlich der Lampenleistung (in Watt) müssen

bedeutet, daß die Testlampe ein Licht mit stärker ge- der Lampenwirkungsgrad und die Lampenlebensdauer

sättigtem Spektrum erzeugt als die Bezugslichtquclle. berücksichtigt werden, so daß die obigen Beziehungen

(B) Für Lampen, die eine Farbtemperatur von (IV) und (V) eingehalten sein müssen.
2500^J K geben und einen konstanten Elektroden- 35

abstand und eine konstante Lampeneingangsleistung Aus der Beziehung (V) folgt, daß

von 400 Watt besitzen, ist die Beziehung zwischen

dem dem Lampeninnendurchmesser und dem Lam- W = W* ■ — < (16 d — 58Ί · —

penwirkungsgrad (Lichtausbeute) in F i g. 3 gezeigt, ^P 10 — 10

d. h., der Lampenwirkungsgrad steigt mit einer Ab- 40 ,

nähme des Kolbeninnendurchmessers. ^er

(C) Für Lampen, die eine Farbtemperatur von ^ -> IQFP .

2500-K geben und die einen konstanten Kolben- ~~ 16 d — 58 '
innendurchmesser besitzen, ist die Beziehung zwischen Lampenwirkungsgrad und Lampenleistung (in 45 was mit der vorher erwähnten Beziehung (II) iden-Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes tisch ist. Darüber hinaus folgt aus der Beziehung (d. h. Lampenleistung in Watt dividiert durch den (IV), daß

Elektrodenabstand) in F i g. 4 veranschaulicht. In

diesem Falle ist die Lampenleistung in Watt so be- _w _ ^ -> π tj j _7ä« L
messen, daß sie konstant gehalten wird. Wie aus 50 ~ "»' ^ — U³>³" ~ 76,4)· ——
F i g. 4 ersichtlich ist, vergrößert sich der Lampenwirkungsgrad mit abnehmendem Elektrodenabstand, °"^er

d.h. mit zunehmender Lampenleistung in Watt je 10W
Längeneinheit Eine genaue Prüfung einer Kurven- — ^ 2,d— 76 4
schar in Fig. 4 für Lampen mit gleicher Farbtempe- 55 ' '
ratur von 2500° K, aber unterschiedlichem Kolbendurchmesser ergab, daß die Lampenleistungen je ist was mit der vorher erwähnten Beziehung (ΠΙ) Längeneinheit W_e (Watt/cm), mit denen ein Lampen- übereinstimmt

wirkungsgrad von mehr als 60 Lumen je Watt erzielt I'm eine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe

wird, annähernd durch nachstehenden Ausdruck ge- 60 mit einem hohen Lampenwirkungsgrad, einer guten

geben sind: Lebensdauer und einer Farbeignung größer als 1,0

W >133d —76 4 (TV) ⁷^ ^veTV"^I^^<^^ie!!^ sollte die Lampe, die vorstehend

« — ' ' ^v beschrieben, so gebaut sein, daß sie den oben ge-

Dies entspricht der Kurve α in Fig. 5. gebenen Beziehungen (I), (Π) und (ΠΙ) gleichzeitig

(D) Andererseits ist das Obersteigen eines be- 65 gerecht wird.

stimmten Grenzwertes durch die Lampenleistung (in Eine Bedingung, welche sicherstellt, daß die Lampe

Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes von mit einem wirtschaftlichen Vorschaltwiderstand mit

einer relativ starken Lichtstromverringerung der relativ geringer Offenspannung betrieben werden

kann, kann durch Modifizierung der Beziehung (I) erzielt werden. Es folgt nämlich, daß

L<

1OF

i.«

37,7 -2,05 d

(VI)

L<

6Vs

37,7 - 2,05 d

(VII)

ist, wobei V_Lo der Wert einer kritischen Lampenspannung in Volt ist, unterhalb welcher ein wirtschaftlicher Vorschaltwiderstand möglich ist.

Der wirtschaftlichste Vorschaltwiderstand ist eine einzige Drosselspule, die gewöhnlich für bekannte Hochdruck-Dampfentladungslampen verwendet wird.

Bei Nutzung einer Drosselspule als Vorschaltwiderstand für die beschriebene Lampe sollte Vi₀ etwa 60% der Versorgungsspannung Vs betragen. Die Formel (VI) kann dann wie folgt modifiziert werden: ao Führt die Energieversorgungsleitung die Spannung von 230 oder 240 Volt, dann ist:

L < (VII')

- 37,7- 2,05 d

Wenn die Leitungsspannung der Energieversorgung 220 Volt beträgt, so ist:

_L < (VII")

- 37,7- 2,05 d

Wenn ferner die Leitungsspannung der Energieversorgung einen der Werte 220, 230 und 240 Vol· annimmt, so kann für Vs in der Formel (VII) dei Minimalwert von 220 gesetzt werden.

_L < (VII")

~ 37,7- 2,05 d

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Kolben innendurchmesser d und der Länge L des Elektroden abstandes, hergeleitet aus den Gleichungen (II), (III) (VII') und (VII") für Lampen, die mit einer Lampen· leistung einer konstanten Höhe von 400 Watt betrieben werden. Der schraffierte Bezirk dieser Figur gib geeignete Kombinationen von d und L wieder.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

wird. Eine herkömmliche Hochdruck-Natriumdamp Patentansprüche: entladungslampe, die mit einem Dampfdruck vo 100 bis 200 Torr arbeitet, besitzt eine Farbtempi

1. Hochdruck-Metalldampf entladungslampe mit ratur von etwa 2100⁰K und einen allgemeine einem lichtdurchlässigen Rohr aus Aluminium- S Farbwiedergabeindex von etwa 30. Um eine Lamp oxyd als Lampenkolben, in dem Natrium, ein höherer Farbwiedergabe zu erhalten, wird der Na Puffergas und ein Zündedelgas enthalten sind, triumdampfdruck üblicherweise erhöht Beispiel· dadurchgekennzeichnet, daß der Innen- weise erzielt eine Natriumdampfentladungslampe m durchmesser d in mm des Lampenkolbens, der einem Natriumdampfdruck von mehr als 300 Toi mittlere Potentialgradient E in Volt je cm, d. h. io Farbtemperaturen von 2300 bis 3500° K und allge der Quotient aus der Lampenspannung V_L und meine Farbwiedergabeindizes von etwa 70 bis 9( dem Elektrodenabstand L, die Lampenleistung W Darüber hinaus wird auch beobachtet, daß die Färb in Watt und der Elektrodenabstand L in mm den eignung derartiger Entladungslampen mit höheren Bedingungen Natriumdampfdruck über 1,0 liegt Diese herkömm

E > 37 7 — 2 05 d ¹⁵ ^^che Tedutfk ist jedoch im Hinblick auf die Lebens

~ ' ' dauer der Lampe nachteilig. Beispielsweise nimm

diejenige Menge an Natrium, die durch eine Reaktioi

10 W 1OW mit dem Aluminiumoxyd des Keramikrohrs entzogei

— ^ ^L ^s —-TTT wird, mit einer Zunahme des Natriumdampfdruck;

ds ΐό,ό a /0,4 _{ao ebenfaUs stark} Zu₅ mit der Folge, daß eine zuneh

genügen. mende Lichtschwächung eintritt und die Lampen

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- spannung gesteigert werden muß, was einen unwirtzeichnet, daß als Puffergas Quecksilber und/oder schaftlichen Vorschaltwiderstand zum Betrieb de Cadmium und als Edelgas Xenon vorgesehen ist. Lampe erfordert.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch »5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekennzeichnet, daß die Arbeitsspannung der Lampe der eingangs genannten Art zu schaffen, dl Lampe zur Sicherstellung eines wirtschaftlichen sich durch ausgezeichnete Farbwiedergabe, hob Vorschaltwiderstandes geringer als ein kritischer Lebensdauer und wirtschaftlichen Betrieb auszeichnet Lampenarbeitsspannungswert V_Lo ist, so daß der Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine| Elektrodenabstand L und der Innendurchmesser 30 Lampe mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merk des Lampenkolbens der Bedingung malen gelöst.

10F_t0 Die erste der angegebenen Beziehungen gewähr-

^L ^ ,₇ _ _ « _n , leistet in erster Linie eine Erzeugung von Licht füi

^ä '>·* ^ζ'^{υ a} eine hohe Farbwiedergabe und lehrt, daß der Dampf-

genügen. 35 druck, der indirekt durch den Wert des Potential

4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekenn- gradienten wiedergegeben wird, hinreichend niedrig zeichnet, daß der kritische Wert V_L „der Lampen- gehalten werden kann, indem der Durchmesser des arbeitsspannung 0,6 Fj beträgt, wobei Vs die Lampenkolbens größer gewählt wird, als es aus dem Leitungsspannung der Energieversorgung in Volt Stand der Technik bekaunt ist. Daneben gewährist. 40 leistet die zweite angegebene Beziehung einerseits eine

hinreichende Aufrechterhaltung des Lichtstromes der Lampe über eine lange Betriebszeit, wobei zugleich

das Ansteigen der Lampenspannung stark eingeschränkt wird.
45 Untersuchungen haben ergeben, daß das Licht, das

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck- während der Entladung in hochgespanntem Natrium-Metalldampfentladungslampe mit einem lichtdurch- dampf vom Zentrum des Bogens ausgesendet wird, lässigen Rohr aus Aluminiumoxyd als Lampenkolben, beim Pa \ π der an die Kolbenwand angrenzenden hi dem Natrium, ein Puffergas und ein Zündedelgas DunVeiz. e v.o die Nariummoleküle dichter verteilt enthalten sind. 50 sind, ::■».· ·.■■■·<:■< wird und eine Verbreiterung seiner

Hochdruck-Metalldampfentladungslampen mit spektral« 1 „teilung erfährt. Ein größerer Wert des einem Keramikrohr aus polykristallinem Aluminium- Innendurchmessers führt dazu, daß die Dunkelzone oxyd als Lampenkolben sind weit verbreitet, da der- dicker und die spektrale Verteilung des Lichts verartige Keramikrohre dem Metalldampfangriff bei breiten werden. Da andererseits der Lampenwir-Lohen Temperaturen und Drücken gut widerstehen 55 kungsgrad mit zunehmendem Innendurchmesser in-(US-PS 3 248 590, Illuminating Engineering, Bd. 64, folge von Selbstabsorption verringert wird, wird der 1969, Nr. 3, S. 162 bis 166). Innendurchmesser nach dem Stand der Technik ge-

Die Hochdruck-Natriumdampfentladungslampen wohnlich kleiner gehalten und liegt bei einer Lampe erzeugen eine gelblichweiße Strahlungsemis^on, von beispielsweise 400 Watt bei 7 bis 8 mm. Demwelche aus einem kontinuierlichen Spektrum besteht, ^s° gegenüber wird der Innendurchmesser des Lampendas den gesamten sichtbaren Bereich überdeckt. Sie kolbens im Falle einer erfindungsgemäßen Lampe übertreffen daher vom Standpunkt der Farbwiedergabe größer gewählt. Die Selbstabsorption bringt zwar eine Niederdruck-Natriumdampflampen, die hauptsäch- gewisse Verringerung des Lampenwirkungsgrades, die lieh gelbes Licht ausstrahlen. Die spektrale Verteilung erzielte Verbreiterung der spektralen Verteilung des der Strahlungsemission von Natriumdampfentladungs- 65 ausgesandten Lichts sowie der relativ niedrige Dampflampen breitet sich mit steigendem Natriumdampf- druck gewährleisten jedoch das angestrebte Farbdruck allmählich über den gesamten sichtbaren wiedergabevermögen sowie die hohe Lebensdauer Bereich aus, so daß die Farbwiedergabe verbessert der Lampe.