DE2928067A1

DE2928067A1 - Hochdruck-natriumdampfentladungslampe

Info

Publication number: DE2928067A1
Application number: DE19792928067
Authority: DE
Inventors: Ranbir S Bhalla
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1980-01-24
Also published as: FR2431186B1; FR2431186A1; IT1125971B; GB2026766B; BE877590A; US4230964A; GB2026766A; NL7905069A; IT7941597A0; JPS5512694A

Description

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D-4000 DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ9

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Düsseldorf, 11.JuIi 1979

923,597
7949

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V.St.A.

Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe

Die Erfindung betrifft Hochdruck-Natriumdampfentladungslampen. Die Hochdruck-Natriumlampe ist seit vielen Jahren im Handel. Wegen der Farbwiedergabeeigenschaften der Standardnatriumdampflampe ist ihre Verwendung im allgemeinen auf Straßen-, Industrie- und ähnliche Flutlichtbeleuchtungszwekke beschränkt geblieben, bei denen die Farbwiedergabe nicht von besonderer Wichtigkeit ist. Wegen der relativ schlechten Farbwiedergabeeigenschaften der Hochdruck-Natriumlampe hat diese für kommerzielle, Schul-,Handels- oder andere farbempfindliche Zwecke keine Verwendung gefunden. Diese handelsüblichen Hochdruck-Natriumentladungslampen haben einen Farbwiedergabeindex (color rendering index oder CRI), der im allgemeinen zwischen 15 und 25 liegt, sie arbeiten aber mit einer Lichtausbeute zwischen 100 und 110 lm/W.

Wenn Lampen für eine optimale Lichtausbeute ausgelegt werden, ist es bislang erforderlich, bei der Betriebstemperatur den Natriumdruck auf einem Wert in der Größenordnung von etwa 133 mbar (100 torr) zu halten, und die Umkehr der

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Natrium-D-Linie sollte innerhalb eines ziemlich breiten Bereiches zwischen etwa 4 nm und 10 nm liegen, je nach dem Amalgamverhältnis. Die Beziehung zwischen der Lichtausbeute und der Natrium-D-Linienumkehr ist eine bekannte Erscheinung. Es ist außerdem bekannt, daß der Farbwiedergabeindex der Hochdruck-Natriumlampe mit zunehmendem Natriumdruck in der Lampe besser wird, was in der Druckschrift "New High-Pressure Sodium Lamp With Higher Color Rendition" von H. Mizuno u.a., CIE XVII Session, Barcelona, 1971, beschrieben ist. Wenn beispielsweise die gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Lampen überlastet werden, damit sie mit höheren Wattzahlen arbeiten, werden die Farbwiedergabeeigenschaften der Lampe beträchtlich verbessert. Diese Verbesserang wird auf Kosten einer beträchtlich kürzeren Lampenlebensdauer erzielt.

Es ist außerdem bekannt, daß das Erhöhen des Natriumdampfdruckes mittels erhöhter Temperaturen die Lampenfarbe verbessert, aber das Betreiben dieser Lampen bei den erforderlichen Temperaturen hat Probleme durch Dichtungsversagen ergeben und führt _zu einer extrem kurzen Lampenlebensdauer. Es ist außerdem seit vielen Jahren bekannt und in den US-PSen 3 723 784, 3 974 410 und 4 001 634 beschrieben, Metallbänder oder Metallschirme an den Enden des Entladungsrohres zu verwenden, um die Temperatur in dem Bereich des kältesten Teils des Entladungsrohres zu erhöhen.

Das Herstellen einerHochdruck-Natriumdampfentladungslampe mit einem Wert des Farbwiedergabeindex zwischen 65 und 75 ohne einen nennenswerten Verlust an Lichtausbeute der Lampe würde eine Beleuchtungsquelle ergeben, die sowohl die Energie wirksam ausnutzt als auch eine angemessen lange Lebensdauer hat und für Verwendungszwecke, wie Schulen, Büros und Handelsunternehmen, bei denen eine richtige Farbwiedergabe von beträchtlicher Bedeutung ist, geeignet wäre.

Gemäß der Erfindung ist eine Hochdruck-Natriumdampfentla-

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dungslampe mit einem äußeren Kolben, der mit einem Standardsockel dicht verbunden ist, und mit einem Entladungsrohr, das einen rohrförmigen, polykristallinen Aluminiumoxid- oder Saphirkörper hat, der innerhalb des äußeren Kolbens durch einen Halterahmen befestigt und mit dem Sockel elektrisch verbunden ist, gekennzeichnet durch eine an jedem Ende des Entladungsrohrkörpers abgedichtet befestigte Endkappe aus hochschmelzendem Metall, durch einen Siliciummetallüberzug auf der Innenfläche jeder Endkappe, durch eine an jeder Endkappe befestigte, die Entladung aufrechterhaltende Elektrode, wobei die die Entladung aufrechterhaltenden Elektroden einen vorbestimmten Abstand voneinander haben, durch eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung innerhalb des Entladungsrohrkörpers, die hauptsächlich ein Natrium-Quecksilber-Amalgam mit vorbestimmten Verhältnissen enthält, und durch zylindrische Wärmeschutzschirme, die an dem Tragrahmen befestigt sind und die Endkappen sowie einen Teil von jedem Ende des Entladungsrohres umschließen. Die zylindrischen Wärmeschutzschirme sind so angebracht/ daß sie eine ausreichende Temperatur an dem Entladungsrohr-Kaltfleck (cold spot) aufrechterhalten, um gute Farbwiedergabeeigenschaften bei nur geringfügigem Verlust an Lichtausbeute der Lampe zu erzielen.

Das vorbestimmte Natrium-Quecksilber-Amalgam enthält etwa 21 bis 25 Gew.% Natrium und die Endkappen sind mit dem Entladungsrohrkörper durch eine glasartige Dichtungsfriute dicht verbunden, die hauptsächlich Aluminiumoxid und Calciumoxid enthält und zwischen dem Entladungsrohrkörper und dem SiIiciummetallüberzug auf der Innenfläche der Endkappen angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

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Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Vorderseitenansicht einer Hochdruck-Natriumentladungslampe nach der Erfindung;

Fig. 2 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht der Lampe von Fig. 1;

Fig. 3 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht eines Endes des in Fig. 2 dargestellten Entladungsrohres ; und

Fig. 4 schematisch den die Endkappe und die Elektrode tragenden Pumpstengel nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine typische Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe, die gemäß der Erfindung abgewandelt ist. Die Hochdruck-Natriumdampf entladungslampe hat einen äußeren Kolben 12, der mit einem Standard-Goliath-Sockel 14 dicht verbunden ist. Zwei Zuführungsleiter 16 und 18 sind in herkömmlicher Weise mit dem Goliath-Sockel 14 verbunden und erstrekken sich in herkömmlicher Weise durch eine einspringende Quetschung 20 am unteren Ende des Kolbens 12. An dem oberen Ende des Zuführungsleiters 18 ist ein Entladungsrohrtragrahmen 22 befestigt, der dazu dient, sowohl das Entladungsrohr innerhalb des äußeren Kolbens festzuhalten und zu tragen als auch Elektrizität zu der oberen Elektrode des Entladungsrohres zu leiten. Der Entladungsrohrrahmen 22 ist an seinem oberen Ende innerhalb des Kolbens 12 durch zwei elastische Federteile 24 abgestützt, die dazu dienen, den Rahmen 22 in zentraler Lage innerhalb des äußeren Kolbens 12 durch elastische Berührung mit der Innenfläche des äußeren Kolbens festzuhalten.

Das Keramikentladungsrohr hat einen rohrförmigen Keramikkörper 26 aus polykristallinem Aluminiumoxid oder Saphir, der an seinen Enden durch jeweils eine Elektrode tragende Endverschlußteile oder Endkappen 28 aus hochschmelzendem Metall verschlos-

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sen ist. Durch die Endkappen 28 hindurch erstrecken sich Röhrchen oder Stengel 30 aus hochschmelzendem Metall, die an ihren inneren Enden die die Entladung aufrechterhaltenden Elektroden 32 tragen, welche durch Hartlöten an den Stengeln befestigt sind. An dem oberen, von dem Sockel entfernten Ende der Lampe ist der Stengel 30 über Leitungen 34 mit einem Tragbügel 36 elektrisch verbunden, der auf den Schenkeln 22 und 22a des Tragrahmens 22 verschiebbar festgehalten ist, um eine Ausdehnung des Entladungsrohres während des Betriebes der Lampe aufzunehmen. Ein elektrisches Potential wird an der oberen Elektrode 32 über die Leitungen 34 und den verschiebbaren Tragbügel 36 durch einen geflochtenen Zuführungsleiter 38 aufgebaut, der an dem oberen horizontalen Schenkel 22b des Tragrahmens 22 mittig befestigt und mit dem Tragbügel 36 verbunden ist. An dem unteren Ende des Entladungsrohres ist der Stengel 30 direkt mit dem Zuführungsleiter 16 über einen Verbindungsdraht 40 verbunden.

Metallische Wärmeschutzschirme 42 umschließen jedes Ende des Entladungsrohres und die zugeordnete Endkappe und haben einen Lappen 44, der mit dem Tragbügel 36 an dem oberen Ende der Lampe und mit dem Zuführungsleiter 16 an dem unteren Ende der Lampe mittels starrer Träger 46 verbunden ist.

Es ist bekannt, daß es zum Verbessern des Farbwiedergabeindex einer Hochdruck-Natriumentladungslampe erforderlich ist, den Natriumdampfdru'..K zu erhöhen, um eine Natrium-D-Linienumkehr zu erhalten. Es ist außerdem bekannt, daß der logische Weg zum Erreichen dieser Umkehr der Natrium-D-Linie darin besteht, die Temperatur des kalten Fleckes oder Punktes in der Lampe zu erhöhen. Bei bekannten Natriumentladungslampen haben Bemühungen, den Natriumdampfdruck durch erhöhte Temperatur zu steigern, zu einer extrem kurzen Lampenlebensdauer geführt, und zwar wegen des Versagens der Dichtung zwischen dem Entladungsrohrkörper und der Endkappe aus hochschmelzendem Metall. Gemäß der Erfindung sind durch enges Kontrollieren der Betriebsparameter einer Hochdruck-Na-

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triumentladungslampe Lampen mit einem Farbwiedergabeindex von mehr als 65 hergestellt worden, die beleuchteten Objekten eine gute Farbwiedergabe vermitteln. Diese Lampen arbeiten mit 100 V und sind erfolgreich als Lampen mit 150, 200, 250 und 400 V eingesetzt worden, die an einem Standardnatriumentladungslampenballast arbeiten.

Gemäß der Erfindung wird bei den Lampen, die ein Entladungsrohr 26 aus polykristallinem Aluminiumoxid mit Niobendkappen 28 und einem Niobstengel 30 haben, ein die Entladung aufrechterhaltendes Natrium-Quecksilber-Amalgam bei der Entladung benutzt, das von etwa 21 Gew.% bis 25 Gew.% Natrium enthält, wobei der bevorzugte Gehalt ein Amalgam mit 25 Gew.% Natrium ist. Zusätzlich zu dem Natrium-Quecksilber-Amalgam wird Xenon mit 26,7 mbar (20 torr) in der Entladungsrohrfüllung benutzt. Die Wärmeschutzschirme 42 bestehen vorzugsweise aus Nickel und sind in der 150-Watt-Version etwa 12,5 mm breit, bei einem Durchmesser von 10 mm. Die Verwendung von Wärmeschutzschirmen zum Erhöhen der Kaltpunkttemperatur ist bekannt und beispielsweise in den üS-PSen 3 723 784, 3 974 410 und 4 001 634 beschrieben.

Ein Problem bei der Erhöhung des Natriumdruckes durch Erhöhen der Kaltpunkttemperatur besteht darin, daß bei einem bestimmten Amalgamverhältnis und einem bestimmten Entladungsrohrdurchmesser mit steigender Kaltpunkttemperatur sowohl der Natriumdampfdruck als auch der Quecksilberdampfdruck ansteigen, was eine höhere Lampenspannung ergibt. Zum Kompensieren der Erhöhung der Lampenspannung muß die Bogenlänge verkürzt werden. Zum Herstellen von Lampen, die mit Standard-Hochdruck-Natriumdampflampenballasten arbeiten, muß die Lampenspannung auf 100 V gehalten werden. Ein Verfahren zum Kontrollieren der Spannung besteht darin, die Bogenlänge, d.h. den Abstand zwischen den Spitzen der beiden entfernt voneinander angeordneten Elektroden 32 zu verringern. Wenn die Bogenlänge verkürzt wird, nimmt die Lampenwandbe-

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lastung zu und ergibt eine höhere Entladungsrohrwandtemperatur, die zu einer unerwünschten Verdampfung von Aluminiumoxid aus dem Entladungsrohr führen kann. Die Wandtemperatur, d.h. der heißeste Punkt oder Fleck an der Wand sollte 1200 ⁰C nicht überschreiten. Um zu verhindern, daß die Temperatur des heißesten Punktes an der Wand 1200 ⁰C überschrei-

tet, sollte die Lampenwandbelastung 22 W/cm nicht überschreiten. Dieses Problem kann beseitigt werden, indem bei einer 250-Watt-Lampe mit einem Natrium-Quecksilber-Amalgam mit 25 Gew.% Natrium und einem Entladungsrohrinnendurchmesser von 8,0 mm eine Bogenlänge von 52 mm vorgesehen wird. Die 200-Watt-Lampe mit demselben Amalgamverhältnis und einem Entladungsrohrinnendurchmesser von 7,15 mm sollte eine Bogenlänge von 48 mm haben und in einer 150-Watt-Lampe mit einem Entladungsrohr, das einen Innendurchmesser von 5,4 mm hat, sollte eine Bogenlänge von 38 mm aufrechterhalten werden.

Viele der vorstehenden Lampenparameter sind, soweit sie sich auf eine Hochdruck-Natriumentladungslampe beziehen, entweder bekannt oder sind dem Fachmann aufgrund von Experimenten verfügbar. Eine funktionsfähige Hochdruck-Natriumentladungslampe, die entsprechend den vorstehenden Parametern aufgebaut ist, würde jedoch eine extrem kurze Lebensdauer haben und wäre deshalb keine praktische Lampenausführung. Die US-PS 4 103 200 beschreibt das Überziehen der Innenfläche 48 des Mantelteils der Endkappe 28 mit einer Siliciummetallpulveraufschlämmung. Dieser überzug wird in einem Vakuum etwa 20 min bei 1400 ⁰C gebrannt, bevor die Endkappen auf die Enden des Entladungsrohrkörpers 26 aufgesetzt werden, und eine Dichtungs- oder Verschlußfritte, die hauptsächlich Calciumoxid und Aluminiumoxid in etwa eutektischen Verhältnissen enthält, die aber auch kleine Mengen an Siliciumoxid, Magnesiumoxid oder Bariumoxid enthalten kann, wird dort, wo sich die Enden des Mantelteils der Endkappe 28 und der Seitenwände des Entladungsrohrkörpers schneiden, auf den gesamten Umfang des Entladungsrohrkörpers aufgebracht und die

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Anordnung wird dann in einen Ofen eingebracht. Diese Anordnung wird dann gemäß einem herkömmlichen Abdichtungsplan erhitzt, was bewirkt, daß die glasartige Dichtungsfritte durch Kapillarwirkung zu allen Grenzflächenbereichen zwischen der Endkappe 28 und dem Entladungsrohrkörper 26 fließt. Durch Verwendung dieser besonderen Endkappe zur Entladungsrohrkörperabdichtung können die Lampen bei einer viel höheren Kaltpunkttemperatur betrieben werden, die etwa 100 ⁰C höher als bei herkömmlichen Lampen ist, um die bedeutende Verbesserung in den Farbwiedergabeeigenschaften der Natriumdampf entladungslampe zu erreichen.

Zur Veranschaulichung der Wirksamkeit der verbesserten Verbindung zwischen der Niobendkappe und der Dichtungsfritte durch die Verwendung des Siliciummetalluberzugs wurden zwei 150-Watt-Lampen, die gemäß der vorstehenden Beschreibung aufgebaut waren, nebeneinander betrieben, wobei in einer die mit Silicium überzogene Kappe benutzt wurde, während die andere keinen inneren Überzug auf der Endkappe vor dem Abdichten hatte. Die mittlere Lebensdauer der Lampen ohne den Siliciumüberzug betrug nur etwa 350 h und in jedem Fall war der Grund für den Ausfall Dichtungslecken. Im Vergleich dazu war die Lampe mit der mit Silicium überzogenen Kappe nach 7000 Teststunden noch in Betrieb und die Lampe behielt ihren beträchtlich verbesserten Farbwiedergabeindex.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

PATENTANWALT
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Düsseldorf, 11.JuIi 1979

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Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V.St.A.

Patentansprüche :

Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe mit einem äußeren Kolben, der mit einem Standardsockel abgedichtet verbunden ist, und mit einem Entladungsrohr, das einen rohrförmigen, polykristallinen Aluminiumoxid oder Saphirkörper aufweist, der innerhalb des äußeren Kolbens durch einen mit dem Sockel elektrisch verbundenen Tragrahmen gehaltert ist, gekennzeichnet durch eine an jedem Ende des Entladungsrohrkörpers (26) abgedichtet befestigte Endkappe (28) aus hochschmelzendem Metall, durch einen Siliciummetallüberzug auf der Innenfläche (48) jeder Endkappe, durch eine an jeder Endkappe befestigte, die Entladung aufrechterhaltende Elektrode (32), wobei die die Entladung aufrechterhaltenden Elektroden einen vorbestimmten Abstand voneinander haben, durch eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung innerhalb des Entladungsrohrkörpers, die hauptsächlich ein Natrium-Quecksilber-Amalgam mit vorbestimmten Verhältnissen enthält, und durch zylindrische Wärmeschutzschirme (42), die an dem Tragrahmen (22) befestigt sind und die Endkappen sowie einen Teil

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von jedem Ende des Entladungsrohres umschließen.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Natrium-Quecksilber-Amalgam 21-25 Gew.% Natrium enthält.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand zwischen den Elektroden (32) 52 mm beträgt und daß das Entladungsrohr (26) einen Innendurchmesser von 8,0 mm hat.
4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen (28) mit dem Entladungsrohrkorper (26) durch eine glasartige Dichtungsfritte abgedichtet verbunden sind,die hauptsächlich Aluminiumoxid und Calciumoxid enthält und zwischen dem Entladungsrohrkörper und dem Siliciummetallüberzug auf der Innenfläche (48) der Endkappen (28) angeordnet ist.

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