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Die Erfindung bezieht sich auf Quecksilberniederdruckentladungslampen, insbesondere auf elektrisch oder thermisch höher als bisher üblich belastbare Leuchtstofflampen. Die Lampen enthalten neben Queck- silber zur Zündungseinleitung noch ein Edelgas, meist Argon, von niedrigem Druck. Die Lichtausbeute solcher Lampen ist nicht nur abhängig von der der Lampe zugeführten elektrischen Leistung, sondern auch von der Ausbeute der im Quecksilberdampf angeregten Resonanzstrahlung, die bekanntlich für die Anre- gung des Leuchtstoffes massgebend ist. Diese Quecksilberresonanzstrahlung hat bei einem bestimmten konstanten und verhältnismässig niedrigen Quecksilberdampfdruck einen optimalen Wert.
Mit zunehmen- der Leistungsaufnahme der Lampe wächst aber wegen des grösseren Leistungsumsatzes in der Entladung die
Temperatur und damit der stark temperaturabhängige Dampfdruck des Quecksilbers. Die spezifische Ausbeute an Resonanzstrahlung nimmt 2 b, was ein nicht mehr mit der zugeführten Leistung proportionales Anwachsen des Lichtstromes zur Folge hat. Wegen der Verminderung der spezifischen Lichtausbeute von Leuchtstofflampen mit steigender spezifischer Belastung und des damit verbundenen schlechteren Wirkungsgrades hatte man bisher immer davon abgesehen, solche Lampen für höhere Leistungsaufnahmen zu bauen.
Erst in letzter Zeit sind Versuche unternommen worden, den Wirkungsgrad hochbelasteter Leuchtstofflampen zu verbessern und Lampen ähnlicher Abmessungen mit z. B. doppelter Leistung wirtschaftlich zu betreiben. Das wird beispielsweise durch mehrfaches Eindellen des Lampenkolbens erreicht, wodurch die Oberfläche und damit die Wärmeabfuhr vom Kolben vergrössert. wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die geringere Stabilität und erschwerte Herstellung des Kolbens.
Ein anderes Mittel zur Erreichung besserer Lichtausbeuten bei höherer Belastung ist die Schaffung einer kühleren Zone an den Enden der Entladungslampe durch Wärmeabschirmung gegen die Elektroden und die Entladung. In dem etwa auf 400 C gehaltenen Raum kondensiert ein Teil des Quecksilbers, und der Dampfdruck in der Entladung erniedrigt sich. Jedoch entstehen hiebei störende Dunkelräume an den Lampenenden.
Die Erfindung zeigt eine neue Möglichkeit, den Wirkungsgrad von hochbelastbaren Quecksilbernie- derdruckentladungslampen, insbesonderevon Leuchtstofflampen, zu erhöhen, wobei vornehmlich die Brenn- spannung weniger als 2/3 der Veisorgungsspannung beträgt, indem die Tatsache ausgenutzt wird, dass der Dampfdruck über einer Legierung niedriger als über dem reinen Metall ist.
Die Lampen nach der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass im Entladungsgefäss an wenigstens einer, nicht wesentlich höheren Temperaturen als denen der Entladung ausgesetzten Stelle wenigstens ein Amalgam vorhanden ist, das bei den in der Lampe herrschenden Temperaturen einen Quecksilberdampfdruck erzeugt, der niedriger ist und eine höhere Strahlungsausbeute der Quecksilberresonanzstrahlung gewährleistet als der Quecksilberdampfdruck in Lampen ohne amalgambildende Metalle bei gleicher Temperatur.
Amalgambildende Metalle sind auch schon früher in Entladungslampen verwendet worden. Beispielsweise wurde in Niederdruckentladungslampen das Amalgam auf die Elektroden, zumindest aber in Elektrodennähe angebracht. Das durch die Elektroden hoch erhitzte Amalgam hat aber in diesen Lampen im-
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mer einen höheren Dampfdruck als das Quecksilber in der sich auf wesentlich niedrigerer Temperatur be- findlichen Entladung, so dass das Quecksilber laufend aus dem Amalgam bis zu dessen eventueller voll- ständiger Zersetzung verdampft. In den Betriebspausen der Lampe wird das am. !' 19ambildende Metall zur
Lokalisierung des Quecksilbers auf der Elektrode oder in Elektrodennähe verwendet, damit beim Zünden der Lampe schnell wieder ein hinreichend hoher Dampfdruck in der Lampe vorhanden ist.
Das Amalgam dient in diesen Lampen also zur zusätzlichen Erzeugung bzw. Nachlieferung von Quecksilber und kann die den Erfindungsgedanker zugrundeliegende Eigenschaft, den Dampfdruck während des Betriebs der Lampe im Vergleich zu einer Lampe mit reiner Quecksilberfüllung herabzusetzen, gar nicht haben. Somit kann auch das Optimum der Resonanzstrahlung der Quecksilberniederdruckentladung nicht zu höheren Tempe- raturen verschoben werden.
Auch in all den Fällen, in denen sich Amalgame zur Dosierung des Quecksilbers in Lampen befinden, die mit untersättigtem Quecksilberdampf und ohne zusätzlichen Blind-und Wirkwiderstand betrieben. wer- den sollen, lässt sich der Gegenstand der Erfindung nicht verwirklichen, zumal sich Lampen mit diesen
Merkmalen nur mit kleineren Stromstärken betreiben lassen.
Durch Zusatz von Rubidium, Cadmium und Zinkwurde in Quecksilberhochdrucklampen eine Farbverbesserung durch Mitanregung des zugesetzten Elementes erreicht. Bei den Lampen der vorliegenden Er- findung wird das Cadmium auf keinen Fall zum Leuchten angeregt. Hochdrucklampen arbeiten bei um Grössenordnungen höheren Drucken und Temperaturen und damit weit ausserhalb des für das Optimum der
Strahlung der Wellenlängen X < 260 nm erforderlichen Bereiches, so dass die Verhältnisse in diesen Lampen mit denen in Niederdrucklampen nicht vergleichbar sind.
In der Literatur finden sich nur Angaben über die Eigenschaften der Amalgame im flüssigen Zustand bei höheren Temperaturen. Mit der vorliegenden Erfindung musste daher erst das Vorurteil überwunden werden, dass die Amalgame nur bei höheren Temperaturen die notwendige Reaktionsgeschwindigkeit erreichen. Es ergab sich überraschenderweise nach der Erfindung, dass bei geeigneter Auswahl und Zusammensetzung des Amalgams die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit bezüglich Druckänderung auch bei den in Niederdruckentladungslampen herrschenden Temperaturen erreicht werden kann.
Entsprechend dem Erfindungsgedanken erweisen sich nun solche Metalle als besonders geeignet, die einerseits gut mit dem Quecksilber amalgamieren, anderseits in kurzer Zeit den Gleichgewichtszustand erreichen. Doch ist von den meisten Metallen bekannt, dass sich der Gleichgewichtszustand bei Raumtemperaturen nur sehr langsam einstellt. Für die Erfindung branchbar wurden nun einige Metalle mit kürzeren Einstellzeiten ermittelt. Besonders günstig ist z. B. Cadmium, bei dem der Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur schon in einigen Minuten erreicht wird.
Im allgemeinen ist es in technologischer Hinsicht vorteilhaft, Metalle zu nehmen, bei denen der Aktivitätskoeffizient des Quecksilbers im betreffenden Amalgam kleiner als 1 ist, wie z. B. Thallium, Cadmiurr, Indium, Gallium usw., da dann die Menge des zum Quecksilber zuzusetzenden Metalls nicht zu gross ist. Der Aktivitätskoeffizient, mit dem der Molenbruch multipliziert werden muss, um die Aktivität, d. h. das Verhältnis des Dampfdruckes über der Mischphase zum Dampfdruck des betreffenden reinen Metalls gleicher Temperatur zu erhalten, weist durch einen von eins abweichenden Wert auf das nicht ideale Verhalten einer Lösung oder einer Legierung hin.
Es hat sich nach der Erfindung beispielsweise bei Verwendung von Cadmium als amalgambildendes Metall ein atomares Verhältnis von wirksamem Cadmium zu Quecksilber kleiner als 5, vorzugsweise von etwa 0,5 bis 2, als geeignet erwiesen.
Natürlich kann ein Amalgam auch bei Leuchtstofflampen mit bisher üblicher Leistungsaufnahme angewendet werden, die einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind.
Das amalgambildende Metall oder das Amalgam selbst wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung mit möglichst grosser Oberfläche in die Lampe eingebracht. Es kann z. B. als feinkörniges Pulver oder als Film, z. B. auf der Leuchtstoffschicht, oder als durchsichtige Schutzschicht oder in Form eines Zündstriches oder auf einem Träger, wie schon erwähnt, an einer, eventuell vorbestimmten Stelle vorliegen, wo es nicht wesentlich höheren Temperaturen als denen der Entladung ausgesetzt ist. Dementsprechend ist es ein Merkmal der Erfindung, dass das Amalgam sich nicht in unmittelbarer Nähe oder auf den Elektroden befindet. Will man das Amalgam als Pulver einbringen, so empfiehlt es sich, da die Amalgame im allgemeinen weich sind und oeim Zerkleinern schmieren, beim Mahlprozess ein hartes, neutrales Material, z. B.
SiO, zuzusetzen. Vorteilhaft ist es, das Amalgam in die fertige Lampe einzuführen.
Bringt man es vorher ein, so kann es zweckmässig sein, neben dem Amalgam freies Quecksilber in der Lampe vorzusehen, um nach dem Ausheizvorgang die gewünschte Zusammensetzung des Amalgams zu erhalten. Es können auch mehrere amalgambildende Metalle, z. B. Cadmium und Gold, gleichzeitig in das Entladungsrohr eingebracht werden. Ein weiterer Vorschlag gemäss der Erfindung ist es, das Amalgam oder
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eine seiner Komponenten mit einem niedrig schmelzenden Metall, z. B. Gallium, Weichlot od. dgl. innig zu vermischen oder zu legieren. Die Mischung wird in die fertige Lampe an eine vorbestimmte Stelle gebracht und erwärmt : nach dieser Wärmebehandlung haftet das Amalgam fest auf der Unterlage, so dass auf jeden Fall vermieden wird, dass es in die Nähe der Elektroden gelangen kann.
Bei den Leuchtstofflampen nach der Erfindung wird man vorteilhafterweise den Fülldruck von vornherein etwas niedriger als üblich wählen. Auch kann es günstig sein, statt Argon ein anderes Edelgas, z. B.
Neon, gleichzeitig oder allein als Grundgas einzufüllen.
Als Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung eine an Netzspannung von 220 V..., betriebene Leuchtstofflampe dargestellt. Der Kolben 1, auf dessen Innenwand der Leuchtstoff 2 aufgebracht ist, gleicht mit einem Durchmesser von 38 mm und einer Länge von 1, 2 m in seinen Abmessungen dem einer üblichen 40 W-Lampe. Für die Elektroden 3 finden die bekannten oxydbepasteten Wendeln Verwendung. Das amalgambildende Metall 4 ist beispielsweise Cadmium, das sich feinkörnig verteilt und amalgamiert auf der Leuchtstoffschicht befindet. Als Edelgas wurde 1 Torr Argon eingefüllt. Die elektrischen Daten von solchen Lampen mit Quecksilber allein und mit Cadmium-Amalgam in verschiedenem atomarem Verhältnis sind für eine Leistungsaufnahme von 80 W und 100 W in der folgenden Tabelle wiedergegeben.
80 W
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<tb>
<tb> Hg <SEP> HgCd <SEP> HgCd2
<tb> Brennspannung <SEP> (V) <SEP> 75, <SEP> 5 <SEP> 84 <SEP> 90
<tb> Lampenstrom <SEP> (Amp) <SEP> 1, <SEP> 31 <SEP> 1, <SEP> 26 <SEP> 1, <SEP> 14 <SEP>
<tb> Lichtausbeute <SEP> (Lm/W) <SEP> 61, <SEP> 3 <SEP> 68 <SEP> 65
<tb>
100 W
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<tb>
<tb> Brennspannung <SEP> (V) <SEP> 68, <SEP> 5 <SEP> 74, <SEP> 5 <SEP> 84
<tb> Lampenstrom <SEP> (Amp) <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 53 <SEP>
<tb> Lichtausbeute <SEP> (Lm/W) <SEP> 57, <SEP> 4 <SEP> 61, <SEP> 1 <SEP> 63, <SEP> 1
<tb>
Sämtliche Lampen zeigen die gleichen äusseren Abmessungen.
Der Tabelle ist zu entnehmen, dass bei den mit 100 W Leistungsaufnahme betriebenen Lampen das atomare Verhältnis Cd : Hg von 2 : 1, bei den mit 80 W Leistungsaufnahme betriebenen Lampen das Verhältnis Cd : Hg von 1 : 1 vorteilhafter ist. Es ist zu erkennen, dass bei stärkerer Belastung durch Erhöhung des Zusatzes an amalgambildende m Metall die Lichtausbeute bei dieser Belastung verbessert wird. Es gelingt also, durch die Verwendung von Amalgam geeigneter Zusammensetzung-Leuchtstofflampen bei höherer Temperatur zu betreiben, wobei diese Lampen gegenüber den bisher üblichen Leuchtstofflampen mit gleichen äusseren Abmessungen einen besseren Wirkungsgrad aufweisen.
Der Wirkungsgrad bei Lampen nach der Erfindung ist gegenüber üblichen, mit doppelter Leistung betriebenen 40 W-Lampen um mehr als le erhöht. Der Gewinn an Lichtstrom ist demnach nicht unheträchtlich. Dadurch wird das Verwendungsgebiet der Leuchtstofflampen u. a. in Industrie, Handel und als Strassenbeleuchtung durch die hochbelastbaren Lampen nach der Erfindung erheblich erweitert. Dasselbe gilt auch für Lampen, bei denen die Quecksilberstrahlung unmittelbar, d. h. ohne Leuchtstoff anzuregen, ausgenutzt wird, wie es z. B. bei Entkeimungslampen der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil der Lampen gemäss der Erfindung liegt darin, dass der Temperaturbereich, in dem die Lampen mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden können, weit grösser ist als er durch die bisher bekannten Kühlanordnungen erreicht werden kann.
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The invention relates to low-pressure mercury discharge lamps, in particular to fluorescent lamps that can withstand higher electrical or thermal loads than has been customary up to now. In addition to mercury to initiate ignition, the lamps also contain a noble gas, usually argon, at low pressure. The light yield of such lamps is not only dependent on the electrical power supplied to the lamp, but also on the yield of the resonance radiation excited in the mercury vapor, which is known to be decisive for the excitation of the phosphor. This mercury resonance radiation has an optimal value at a certain constant and relatively low mercury vapor pressure.
With increasing power consumption of the lamp, however, the greater power consumption in the discharge increases
Temperature and thus the strongly temperature-dependent vapor pressure of the mercury. The specific yield of resonance radiation takes 2 b, which results in an increase in the luminous flux that is no longer proportional to the power supplied. Because of the reduction in the specific luminous efficacy of fluorescent lamps with increasing specific load and the associated poorer efficiency, it has hitherto always been refrained from building such lamps for higher power consumption.
Only recently have attempts been made to improve the efficiency of highly stressed fluorescent lamps and lamps of similar dimensions with z. B. to operate twice the power economically. This is achieved, for example, by indenting the lamp bulb several times, which increases the surface area and thus the heat dissipation from the bulb. becomes. The disadvantage of this arrangement is the lower stability and difficult production of the piston.
Another means of achieving better light output at higher loads is to create a cooler zone at the ends of the discharge lamp by means of heat shielding against the electrodes and the discharge. Some of the mercury condenses in the room, which is kept at around 400 C, and the vapor pressure in the discharge is reduced. However, this creates annoying dark rooms at the lamp ends.
The invention shows a new possibility of increasing the efficiency of heavy-duty low-pressure mercury discharge lamps, in particular fluorescent lamps, the operating voltage being primarily less than 2/3 of the supply voltage by utilizing the fact that the vapor pressure over an alloy is lower than is above the pure metal.
The lamps according to the invention are characterized in that at least one amalgam is present in the discharge vessel at at least one, not significantly higher temperature than those exposed to the discharge, which at the temperatures prevailing in the lamp generates a lower mercury vapor pressure and a higher radiation yield of the mercury resonance radiation is guaranteed than the mercury vapor pressure in lamps without amalgam-forming metals at the same temperature.
Amalgam-forming metals have also been used earlier in discharge lamps. For example, in low-pressure discharge lamps, the amalgam was attached to the electrodes, but at least in the vicinity of the electrodes. The amalgam, which is highly heated by the electrodes, has in these lamps
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There is always a higher vapor pressure than the mercury in the discharge, which is at a much lower temperature, so that the mercury continuously evaporates from the amalgam until it is possibly completely decomposed. When the lamp is not in use, this will be on.! ' 19am forming metal for
Localization of the mercury on the electrode or in the vicinity of the electrode is used so that a sufficiently high vapor pressure is quickly available again in the lamp when the lamp is ignited.
The amalgam is used in these lamps for the additional generation or replenishment of mercury and cannot have the property on which the idea of the invention is based of reducing the vapor pressure during operation of the lamp compared to a lamp with a pure mercury filling. This means that the optimum of the resonance radiation of the low-pressure mercury discharge cannot be shifted to higher temperatures.
Also in all those cases in which amalgams for dosing the mercury are in lamps that operate with undersaturated mercury vapor and without additional reactive and active resistance. are to be, the subject of the invention can not be realized, especially since lamps with these
Allow features to operate only with lower currents.
By adding rubidium, cadmium and zinc, a color improvement was achieved in high-pressure mercury lamps by stimulating the added element. In the case of the lamps of the present invention, the cadmium is by no means excited to glow. High-pressure lamps work at pressures and temperatures that are orders of magnitude higher and thus far beyond what is required for the optimum
Radiation of the wavelengths X <260 nm required range, so that the conditions in these lamps cannot be compared with those in low-pressure lamps.
The literature only contains information on the properties of amalgams in the liquid state at higher temperatures. The present invention therefore had to overcome the prejudice that the amalgams only achieve the necessary reaction rate at higher temperatures. It was surprisingly found according to the invention that with a suitable selection and composition of the amalgam, the required reaction speed with regard to pressure change can also be achieved at the temperatures prevailing in low-pressure discharge lamps.
In accordance with the idea of the invention, those metals now prove to be particularly suitable which on the one hand amalgamate well with the mercury and on the other hand reach the state of equilibrium in a short time. However, it is known of most metals that the equilibrium state is only established very slowly at room temperatures. For the invention branchable, some metals with shorter response times have now been determined. Is particularly favorable z. B. Cadmium, in which the equilibrium state at room temperature is reached in a few minutes.
In general, it is technologically advantageous to use metals in which the activity coefficient of the mercury in the amalgam in question is less than 1, such as. B. thallium, cadmium, indium, gallium, etc., since then the amount of metal to be added to the mercury is not too large. The activity coefficient by which the mole fraction must be multiplied to obtain the activity, i.e. H. Obtaining the ratio of the vapor pressure over the mixed phase to the vapor pressure of the pure metal in question at the same temperature indicates the non-ideal behavior of a solution or an alloy by a value deviating from one.
According to the invention, for example, when using cadmium as the amalgam-forming metal, an atomic ratio of effective cadmium to mercury of less than 5, preferably from about 0.5 to 2, has proven to be suitable.
Of course, an amalgam can also be used in fluorescent lamps with the usual power consumption that are exposed to high temperatures.
According to a further proposal of the invention, the amalgam-forming metal or the amalgam itself is introduced into the lamp with the largest possible surface area. It can e.g. B. as a fine-grain powder or as a film, e.g. B. on the phosphor layer, or as a transparent protective layer or in the form of an ignition mark or on a carrier, as already mentioned, in a possibly predetermined location where it is not exposed to significantly higher temperatures than those of the discharge. Accordingly, it is a feature of the invention that the amalgam is not in the immediate vicinity or on the electrodes. If the amalgam is to be introduced as a powder, it is advisable, since the amalgams are generally soft and oeim smear when crushing, a hard, neutral material, e.g. B.
SiO, add. It is advantageous to introduce the amalgam into the finished lamp.
If it is introduced beforehand, it can be useful to provide free mercury in addition to the amalgam in the lamp in order to obtain the desired composition of the amalgam after the heating process. There can also be several amalgam-forming metals, e.g. B. cadmium and gold, are simultaneously introduced into the discharge tube. Another proposal according to the invention is the amalgam or
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one of its components with a low melting point metal, e.g. B. gallium, soft solder or the like. To mix or alloy intimately. The mixture is placed in the finished lamp at a predetermined point and heated: after this heat treatment, the amalgam adheres firmly to the base, so that it is definitely avoided that it can get near the electrodes.
In the case of the fluorescent lamps according to the invention, the filling pressure will advantageously be selected from the outset to be somewhat lower than usual. It can also be advantageous to use another noble gas, e.g. B.
Neon, to be filled in at the same time or alone as base gas.
As an embodiment according to the invention, a fluorescent lamp operated on a mains voltage of 220 V ... is shown in the accompanying drawing. The bulb 1, on the inner wall of which the phosphor 2 is applied, has a diameter of 38 mm and a length of 1.2 m in terms of its dimensions to those of a conventional 40 W lamp. The known oxide-pasted coils are used for the electrodes 3. The amalgam-forming metal 4 is, for example, cadmium, which is finely distributed and amalgamated on the phosphor layer. 1 Torr of argon was filled in as the noble gas. The electrical data of such lamps with mercury alone and with cadmium amalgam in different atomic ratios are given in the following table for a power consumption of 80 W and 100 W.
80 W
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<tb>
<tb> Hg <SEP> HgCd <SEP> HgCd2
<tb> Burning voltage <SEP> (V) <SEP> 75, <SEP> 5 <SEP> 84 <SEP> 90
<tb> Lamp current <SEP> (Amp) <SEP> 1, <SEP> 31 <SEP> 1, <SEP> 26 <SEP> 1, <SEP> 14 <SEP>
<tb> Luminous efficiency <SEP> (Lm / W) <SEP> 61, <SEP> 3 <SEP> 68 <SEP> 65
<tb>
100 W
EMI3.2
<tb>
<tb> Burning voltage <SEP> (V) <SEP> 68, <SEP> 5 <SEP> 74, <SEP> 5 <SEP> 84
<tb> Lamp current <SEP> (Amp) <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 53 <SEP>
<tb> Luminous efficiency <SEP> (Lm / W) <SEP> 57, <SEP> 4 <SEP> 61, <SEP> 1 <SEP> 63, <SEP> 1
<tb>
All lamps have the same external dimensions.
The table shows that the Cd: Hg atomic ratio of 2: 1 for lamps operated with 100 W power consumption, and the Cd: Hg ratio of 1: 1 for lamps operated with 80 W power consumption. It can be seen that with greater exposure by increasing the addition of amalgam-forming metal, the light yield is improved with this exposure. By using amalgam of suitable composition, it is thus possible to operate fluorescent lamps at a higher temperature, these lamps having a better degree of efficiency compared to the previously customary fluorescent lamps with the same external dimensions.
The efficiency of lamps according to the invention is increased by more than 1% compared to conventional 40 W lamps operated at twice the power. The gain in luminous flux is therefore not insignificant. As a result, the field of use of fluorescent lamps is u. a. in industry, trade and street lighting by the heavy-duty lamps according to the invention. The same applies to lamps in which the mercury radiation is immediate, i.e. H. without stimulating fluorescent, is exploited, as it is z. B. is the case with germicidal lamps.
Another advantage of the lamps according to the invention is that the temperature range in which the lamps can be operated with good efficiency is far greater than can be achieved with the cooling arrangements known to date.
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