DE1041595B - High pressure discharge lamp - Google Patents
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Description
Lichtquellen, wie mit Wolframfäden ausgestattete Glühlampen, geben fast sofort die volle Leudhtstärke, da die Zeit, die erforderlich ist, um den Faden auf seine volle Helligkeit aufzuheizen, weniger als 1 Sekunde beträgt. Leuchtstofflampen des Handels, die mit Quecksilberdampf bei sehr geringen Drücken, z. B. 0,015 mm, arbeiten, brauchen weniger als 1Ii Minute, um i'hre volle Helligkeit zu erreichen. Bei Hochdruck- und Höchstdrucklampen des Handels jedoch, bei welchen ein Quecksilberdampfdruck von etwa 300 bis 60 000 mm erreicht werden muß, was von der Lampenart abhängt, kann ein Zeitraum von mehreren Minuten bis zu etwa einer halben Stunde erforderlich sein, um die volle Lidhtausbeute zu erreichen. Zu derartigen Lampen werden Metalle, wie Quecksilber, Cadmium, Natrium, Caesium u. dgl. verwendet, um die Metalldämpfe zu erzeugen, in denen während des Betriebes die elektrische Entladung erfolgt. Bei Raumtemperatur (25° C) sind diese Metalle größtenteils flüssig oder fest und haben Dampfdrücke von weniger als etwa 0,002 mm Hg. Deshalb ist bei Inbetriebnahme dieser Lampen ein sehr beträchtlicher Zeitraum erforderlich, um die Metalle zu verdampfen und einen hohen Druck zu erzeugen. Zu Beginn dieses Zeitraumes ergeben diese Lampen eine sehr wenig brauchbare Beleuchtung.Light sources, such as incandescent lamps equipped with tungsten filaments, give their full brightness almost immediately, since the time required to heat the filament to its full brightness is less than 1 second. Commercial fluorescent lamps that operate with mercury vapor at very low pressures, e.g. B. 0.015 mm, need less than 1 minute to reach their full brightness. However, in commercial high-pressure and ultra-high pressure lamps, in which a mercury vapor pressure of about 300 to 60,000 mm must be achieved, depending on the type of lamp, a period of several minutes to about half an hour may be required to achieve the full lid yield reach. Metals such as mercury, cadmium, sodium, cesium and the like are used for such lamps in order to generate the metal vapors in which the electrical discharge occurs during operation. At room temperature (25 ° C) these metals are largely liquid or solid and have vapor pressures less than about 0.002 mm Hg. Therefore, it takes a very considerable amount of time for the metals to vaporize and generate high pressure when operating these lamps. At the beginning of this period, these lamps provide very little usable lighting.
Metalldampflampen arbeiten mit einem Wirkungsgrad, der mit Glühfädenlampen nicht erreicht werden kann, und haben eine Leuchtdichte, die diejenige anderer Lichtquellen weit übersteigt. Sie sind infolgedessen für sehr viele Anwendungszwecke zu bevorzugen. Ihre lange Anlaufzeit hat jedoch ihre Verwendung begrenzt. So könnten diese Lampen ausgezeichnet zur Beleuchtung von Start- und Landebahnen auf Flughafen verwendet werden, aber tatsächlich sind sie für diesen Verwendungszweck höchst ungeeignet, weil man nach Einschalten der Lampe mehrere Minuten warten muß, bis eine brauchbare Helligkeit erzeugt wird.Metal halide lamps work with an efficiency that cannot be achieved with filament lamps can, and have a luminance that far exceeds that of other light sources. You are as a result to be preferred for many purposes. However, their long lead time has its uses limited. So these lamps could be excellent for lighting runways be used at airports, but in fact they are supreme for that purpose unsuitable because you have to wait several minutes after switching on the lamp before a usable one Brightness is generated.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Hochdruck- und auch Höchstdruck-Metalldampfentladungslampe, die unmittelbar nach dem Einschalten ein helles Licht erzeugt, eine verhältnismäßig kurze Anwärmzeit hat und für viele Beleuchtungszwecke geeignet ist, für welche die bisher bekannten Hochdruck-Dampfentladungslampen nicht brauchbar sind. Dieses Ziel wird durch die Kombination einer bestimmten Lampenkonstruktion mit bestimmten Gasen und bestimmten Drücken erreicht.The purpose of the invention is to create a high-pressure and also a high-pressure metal vapor discharge lamp, which produces a bright light immediately after switching on, a relatively has a short warm-up time and is suitable for many lighting purposes, for which the previously known High pressure vapor discharge lamps are not useful. This goal is achieved by combining a achieved certain lamp construction with certain gases and certain pressures.
Die Hochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung gehört zu der an sich bekannten Art von Lampen mit einem im wesentlichen kugelförmigen Entladungsgefäß aus lichtdurchlässigem Glas von hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Quarz, deren Elek-Hodidruckentladungslampe The high pressure discharge lamp according to the invention belongs to the type of lamp known per se with an essentially spherical discharge vessel made of translucent glass of high temperature resistance, in particular quartz, its elec- tronic pressure discharge lamp
Anmelder:Applicant:
Engelhard Industries, Inc.,
Newark, N.J. (V.St.A.)Engelhard Industries, Inc.,
Newark, NJ (V.St.A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6Representative: Dr.-Ing. W. Abitz, patent attorney,
Munich 27, Gaußstr. 6th
Dr. William T. Anderson, Maplewood, N. J. (V. St. A.), ist als 'Erfinder genannt wordenDr. William T. Anderson, Maplewood, N.J. (V. St. A.) has been named as the inventor
troden im festen Abstand von etwa einem Fünftel des Innendurchmessers senkrecht zur Richtung des Bogens und weniger als 1 cm voneinander entfernt angeordnet sind und deren Füllung aus Quecksilber und Xenon besteht. Ihr kennzeichnendes Merkmal besteht darin, daß der Druck des Xenons im Entladungsgefäß bei 25° C im Bereich von 2000 bis 11 000 mm (2,63 bis 14,5 Atm.) liegt und das Quecksilber zwecks Erreichung eines im Betrieb den Partialdruck des Xenons übersteigenden Partialdruckes im Entladungsgefäß in einer Menge von 0,0143 bis 0,100 g/cm3 Lampenraum enthalten ist.Trodes are arranged at a fixed distance of about a fifth of the inner diameter perpendicular to the direction of the arc and less than 1 cm apart and the filling consists of mercury and xenon. Their distinguishing feature is that the pressure of the xenon in the discharge vessel at 25 ° C. is in the range from 2000 to 11,000 mm (2.63 to 14.5 atm.) And the mercury to achieve a partial pressure of the xenon during operation is higher Partial pressure in the discharge vessel is contained in an amount of 0.0143 to 0.100 g / cm 3 lamp space.
Die Verwendung von Quecksilber und Edelgasen, wie Xenon, in der gleichen Lampe ist an sich bekannt. Bei Lampen dieser Art, bei denen der Druck des Edelgases niedrig ist (etwa bis 150 mm), dient die Edelgasfüllung nur dazu, die Lampe in Betrieb zu setzen und die anfängliche Verdampfung des Quecksilbers zu bewirken. In diesen Lampen kann der Beitrag des Edelgases zur Lichtausbeute vernachlässigt werden. Während der ersten Minuten Betriebszeit liefern derartige Lampen weniger als etwa 1% ihrer bei vollem Betrieb erreichten durchschnittlichen Helligkeit.The use of mercury and noble gases such as xenon in the same lamp is known per se. In lamps of this type, in which the pressure of the noble gas is low (up to about 150 mm), the Inert gas filling only to put the lamp into operation and the initial evaporation of the mercury to effect. In these lamps, the contribution of the noble gas to the light yield can be neglected will. During the first few minutes of operation, such lamps deliver less than about 1% their average brightness achieved with full operation.
Es sind ferner mit Xenon und Quecksilber gefüllte Lampen bekannt, bei denen der Xenondruck vorzugsweise etwa 600 mm und der Druck des Metalldampfes mindestens 1 bis 10 mm beträgt. Bei diesen Lampen liegt der Druck des Ouecksilberdampfes so weit unter dem Druck des Xenons, daß die von der Lampe emittierte Lichtmenge in beträchtlichem Ausmaße von dem Xenon herrührt. Außerdem besitzen diese Lampen im Verhältnis zu ihrer Wattzahl einen verhältnismäßig großen Inhalt und eine Bogenlänge von 15 mm.There are also known lamps filled with xenon and mercury, in which the xenon pressure is preferred about 600 mm and the pressure of the metal vapor is at least 1 to 10 mm. With these lamps the pressure of the mercury vapor is so far below the pressure of the xenon that that of the lamp emitted light amount to a considerable extent originates from the xenon. They also own these lamps in relation to their wattage a relatively large content and an arc length of 15 mm.
809 65Ϊ/19Ϊ809 65Ϊ / 19Ϊ
Alle diese Umstände tragen dazu bei, daß diese bekannten Lampen für \Tiele Anwendungszwecke keine ausreichende Helligkeit liefern.All these circumstances contribute that these known lamps for \ T M any applications do not provide sufficient brightness.
Weiterhin ist es bekannt, Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit solchen Mengen Quecksilber zu beschicken, daß der Betriebsdruck bei 20 bis 30 Atm. liegt, wobei auch kleine Mengen von Edelgas als Zündgas zugesetzt werden können. Es wurde in diesem Zusammenhang auch bereits als zweckmäßig erwähnt, derartige Metalldampflampen mit Edelgasen von mehreren Atmosphären Druck zu füllen, um dadurch die Anlaufzeit beträchtlich zu verkürzen. Jedoch war es auch in diesem Falle, ebenso wie bei den obenerwähnten bekannten Xenon-Quecksilberdampflampen, allgemein üblich, den Druck des Quecksilbers niedriger einzustellen als denjenigen des Edelgases.It is also known to supply metal vapor high-pressure discharge lamps with such quantities of mercury charge that the operating pressure is 20 to 30 atm. is also small amounts of noble gas as Ignition gas can be added. It has already been mentioned in this context as useful, to fill such metal halide lamps with noble gases of several atmospheres pressure in order to thereby to shorten the start-up time considerably. However, it was in this case as well, as in the above-mentioned known xenon mercury vapor lamps, common practice, lower the pressure of the mercury set as that of the noble gas.
Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß der Anfangsdruck des Xenons und die Ouecksilbermenge so bemessen, daß beim Betrieb der Lampe nicht nur das gesamte Quecksilber in den Dampfzustand übergeht, sondern daß der Quecksilberdruck außerdem den Druck des Xenons erheblich übersteigt. Hierdurch wird gegenüber den bekannten Lampen nicht nur eine hohe Bogenstabilität und eine sehr deutliche Verbesserung der Lichterzeugung unmittelbar nach dem Einschalten bei etwa 25° C Umgebungstemperatur, sondern auch eine viel schnellere Erwärmung der Lampe auf den optimalen Ouecksilberdruck erreicht. Sobald dieser Druck erreicht ist, hat der Bogen die rolle Helligkeit.In contrast, according to the invention, the initial pressure of the xenon and the amount of mercury are like this dimensioned so that not only does all of the mercury change into the vapor state when the lamp is operated, but that the mercury pressure also considerably exceeds the pressure of the xenon. Through this Compared to the known lamps, there is not only a high arc stability and a very significant improvement the light generation immediately after switching on at an ambient temperature of around 25 ° C, but also a much faster heating of the lamp to the optimal mercury pressure is achieved. As soon as this pressure is reached, the sheet has the correct brightness.
Schließlich sind bereits Quecksilberdampflampen mit einer unter hohem Druck stehenden Edelgasfüllung bekannt, die nach dem Abreiß- oder Kontaktprinzip arbeiten, bei denen also die eine Elektrode gegenüber der anderen beweglich angeordnet ist. Bei diesen Lampen, die für einen Betriebsdruck von 40 bis 70 Atm. bemessen sind, wurde aber die Füllung mit einer bestimmten Ouecksilbermenge in Kombination mit einer Gasfüllung von verhältnismäßig hohem Druck nur deswegen für durchführbar gehalten, weil im Gegensatz zu den Ouecksilberhöchstdrucklampen mit feststehenden Elektroden hier auf die Zündspannung keine Rücksicht genommen zu werden braucht.After all, there are already mercury vapor lamps with a noble gas filling under high pressure known that work according to the tear-off or contact principle, in which so the one electrode opposite the other is movably arranged. These lamps, which are designed for an operating pressure of 40 up to 70 atm. measured, but the filling was combined with a certain amount of mercury with a gas filling of relatively high pressure only considered feasible because in contrast to the super-high pressure mercury lamps With fixed electrodes, no consideration should be given to the ignition voltage needs.
Die erfindungsgemäße Lampe steht vom Augenblick 4-5 des Einschaltens an stets unter Hochdruck. Im Rahmen der Erfindung können natürlich auch mehr als ein Paar Elektroden und bzw. oder Hilfselektroden verwendet werden.The lamp according to the invention is always under high pressure from the moment 4-5 of switching on. in the Within the scope of the invention, of course, more than one pair of electrodes and / or auxiliary electrodes can also be used be used.
Der Xenonbogen erzeugt sofort ein helles Licht und erwärmt die Lampe schnell, so daß das Quecksilber verdampft und auf Hochdruck gebracht wird; da Xenon eine Ionisierungsspannung von 12,08 V und Quecksilber eine solche von 10,30 V hat, wird das Quecksilber schneller als das Xenon ionisiert.The xenon arc immediately produces a bright light and quickly heats the lamp, removing the mercury is vaporized and brought to high pressure; since xenon has an ionization voltage of 12.08 V and If mercury has a voltage of 10.30 V, the mercury is ionized faster than the xenon.
Hierdurch ändern sich bei Verdampfen des Queck-Silbers die Eigenschaften der Lampe. Das weiße Licht des Xenonbogens wird mehr bläulich, der Bogen wird stärker eingeschnürt und erlangt eine höhere Leuchtdichte, und der Wirkungsgrad der Lampe wird verbessert. This changes when the mercury evaporates the characteristics of the lamp. The white light of the xenon arc becomes more bluish, the arc becomes is more constricted and has a higher luminance, and the efficiency of the lamp is improved.
Um die hohen Xenon- und Ouecksilberdrücke zu erzielen, die bei der Lampe gemäß der Erfindung erforderlich sind, wird der Fassungsraum des Entladungsgefäßes geschätzt, z. B. in cm3. Für jeden cms Rauminhalt müssen eine bestimmte Anzahl von Xenonmolekülen, nämlich etwa 5,4 · 1019 bis 30 · 1019 Moleküle, und genügend Quecksilber vorgesehen werden, um in der Dampfphase vorzugsweise eine etwa gleich große Anzahl von Ouecksilbermolekülen zu erhalten, z. B. etwa 4,3 · 1019 bis 30 · 1019 Moleküle je cm3.In order to achieve the high xenon and mercury pressures required in the lamp according to the invention, the capacity of the discharge vessel is estimated, e.g. B. in cm 3 . For each cm s volume, a certain number of xenon molecules, namely about 5.4 · 10 19 to 30 · 10 19 molecules, and sufficient mercury must be provided in order to obtain preferably an approximately equal number of mercury molecules in the vapor phase, e.g. B. about 4.3 x 10 19 to 30 x 10 19 molecules per cm 3 .
Xenon und Quecksilber sind einatomige Gase und gehorchen den Boyleschen Gasgesetzen, so daß der Gesamtdruck in dem Entladungsgefäß gleich der Summe der Partialdrücke von Xenon und Quecksilber ist.Xenon and mercury are monatomic gases and obey Boyle's gas laws, so that the Total pressure in the discharge vessel is equal to the sum of the partial pressures of xenon and mercury is.
In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Lampe gemäß der Erfindung dargestellt. Die gedrungen gebaute Lampe besteht aus einem im wesentlichen kugelförmigen oder elliptischen Entladungsgefäß 1, um die erforderliche Festigkeit zu erzielen. Dieses ist aus geschmolzenem Quarz oder einem Glas von hoher Temperaturbeständigkeit gefertigt, da es Betriebstemperaturen in der Größen-Ordnung von 1200° K aushalten muß. Das Entladungsgefäß 1 ist mit rohrförmigen Ansätzen, z. B. den sich nach außen erstreckenden, vorzugsweise gegenüberliegenden Rohren 2 und 2, versehen, welche zwei Elektroden 4 und 5 haltern, die vorzugsweise aus Wolfram in fester oder Wendelform bestehen und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Die anderen Aufbauteile, wie die Reflektoren 6 und 7, die vakuumdichten Verschlüsse 8 und 9 und die Endstücke 9 und 10 dienen lediglich zur Veranschaulichung, um eine Lampenart zu zeigen, auf welche die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können.In the drawing, a preferred embodiment of a lamp according to the invention is shown. The compactly built lamp consists of an essentially spherical or elliptical discharge vessel 1 in order to achieve the required strength. This is made of fused quartz or a glass of high temperature resistance, since it has to withstand operating temperatures in the order of 1200 ° K. The discharge vessel 1 is provided with tubular approaches such. B. the outwardly extending, preferably opposite tubes 2 and 2, which hold two electrodes 4 and 5, which are preferably made of tungsten in solid or helical form and are arranged at a distance from one another. The other structural parts, such as the reflectors 6 and 7, the vacuum-tight closures 8 and 9 and the end pieces 9 and 10 are merely illustrative in order to show one type of lamp to which the principles of the invention can be applied.
Der Abstand der Elektroden 4 und 5, welche dem zwischen ihnen gebildeten Gasbogen Strom zuführen, liegt in der Größenordnung von weniger als 1 cm. Wie dargestellt, bestehen die Elektroden aus Wolfram in Wendelform und haben im wesentlichen die gleiche Größe oder Maße, da die Lampe für Wechselstrombetrieb bestimmt ist. Anderenfalls muß die Anode etwa fünf Drittel der Maße der Kathode haben, um dem intensiven Aufprallen der negativ geladenen Ionen standzuhalten. Eine dritte, nicht dargestellte Elektrode kann, wenn gewünscht, vorgesehen werden, um die Einleitung der Entladung zwischen den Hauptelektroden zu unterstützen.The distance between electrodes 4 and 5, which supply current to the gas arc formed between them, is on the order of less than 1 cm. As shown, the electrodes are made of tungsten in filament form and are essentially the same size or dimensions as the lamp for AC operation is determined. Otherwise, the anode must be about five thirds the size of the cathode to withstand the intense impact of the negatively charged ions. A third, not shown Electrode can, if desired, be provided to initiate the discharge between the main electrodes to support.
Der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes, senkrecht zum Bogen gesehen, beträgt etwa das Fünffache der Entfernung der Hauptelektroden 4 und 5 voneinander (Bogenlänge), da diese Bemessung für den Hochdruck-Xenonbogen die größte Stabilität ergibt.The inside diameter of the discharge vessel, seen perpendicular to the arch, is approximately that Five times the distance of the main electrodes 4 and 5 from each other (arc length), since this dimensioning results in the greatest stability for the high-pressure xenon arc.
So beträgt z. B. bei einer Lampe gemäß der Erfindung die Bogenlänge 0,6 cm und der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes, senkrecht zum Bogen gesehen, etwa 3,0 cm. Das Entladungsgefäß mit den eingebauten Elektroden wird entgast und evakuiert. Es erhält dann eine Füllung von 352 mg Xenon, was 13,5 · 1019 Molekülen Xenon je cm3 entspricht, und 300 mg Quecksilber, was 8,2 · ΙΟ19 Molekülen Quecksilber je cm3 entspricht (das Fassungsvermögen des Entladungsgefäßes beträgt 12 cm3). Bei einer mittleren Temperatur der Umgebung von 25° C hat das Xenon einen Druck von etwa 4000 mm, also etwas über 5 Atm. Das Quecksilber hat bei dieser Temperatur einen Dampfdruck von nur 0,0013 mm und befindet sich größtenteils an den Wänden des Entladungsgefäßes in Form winziger Tröpfchen.So z. B. in a lamp according to the invention, the arc length 0.6 cm and the inner diameter of the discharge vessel, seen perpendicular to the arc, about 3.0 cm. The discharge vessel with the built-in electrodes is degassed and evacuated. It then receives a filling of 352 mg xenon, which corresponds to 13.5 · 10 19 molecules of xenon per cm 3 , and 300 mg of mercury, which corresponds to 8.2 · 19 molecules of mercury per cm 3 (the capacity of the discharge vessel is 12 cm 3 ). At an average ambient temperature of 25 ° C, the xenon has a pressure of around 4000 mm, i.e. a little over 5 atm. At this temperature, the mercury has a vapor pressure of only 0.0013 mm and is mostly located on the walls of the discharge vessel in the form of tiny droplets.
Die Lampe wird mit 110 V Wechselspannung und unter Einschaltung eines Widerstandes betrieben, der den Strom auf etwa 24 A beschränkt. Die Entladung kann durch einen Hochspannungsstoß eingeleitet werden, um das Gas zu ionisieren, was gegebenenfalls durch Radiumemanationen unterstützt werden kann. Im Augenblick des Einschaltens bildet sich in demThe lamp runs on 110 V AC and operated with the switching on of a resistor, which limits the current to about 24 A. The discharge can be initiated by a high voltage surge to ionize the gas, which may be can be supported by radium emanations. The moment it is switched on, the
Xenon ein sehr konzentrierter Bogen. Die Konzentrierung ist am größten, wenn die Lampe so gehalten wird, daß sich der Bogen größtenteils in vertikaler Lage befindet; der Xenongasdruck ist dann etwa 3 Sekunden nach dem Einschalten von 4000 mm (5,25 Atm.) auf etwa 16000 mm (21 Atm.) gestiegen, was einer mittleren Gastemperatur von etwa 1200° K entspricht. In diesem Augenblick beträgt die durchschnittliche Leuchtdichte desBogens etwa 26000Lambert = 8268 Stilb. ίοXenon is a very concentrated arc. The concentration is greatest when the lamp is held this way it becomes that the sheet is mostly in a vertical position; the xenon gas pressure is then about 3 seconds after switching on, increased from 4000 mm (5.25 atm.) To about 16000 mm (21 atm.), which corresponds to an average gas temperature of about 1200 ° K. At this moment the average is Luminance of the arc about 26000Lambert = 8268 stilb. ίο
Eine solche Lampe gemäß der Erfindung ist 3 Sekunden nach dem Einschalten heller als alle bekannten Wolf ramf aden-Proj ektionslampen.Eine 1000-W-Wolframfaden-Projektionslampe mit 26 Lumen/W hat eine durchschnittliche Leuchtdichte von 7500 Lambert = 2385 Stilb.Such a lamp according to the invention is brighter than all known ones 3 seconds after switching on Wolf ramf aden projection lamps. A 1000 W tungsten filament projection lamp with 26 lumens / W has an average luminance of 7500 Lambert = 2385 Stilb.
Vorstehend ist eine Lampe mit einer Leistungsaufnahme von 1 kW beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in gleicher Weise auf Lampen anderer Leistungsaufnahme angewendet werden. So wurden z. B. Lampen von 150, 500 und 700 W hergestellt. Es wurden Xenondrücke bis 11000 mm (14,5 Atm.) bei 25° C wie auch Druck von etwa 3000 mm (3,95 Atm.) verwendet. Die Lampen wurden ferner mit Gesamtdrücken von über 100 Atm. betrieben. In jedem Falle ergaben die Lampen schon im Anfang eine brauchbare Helligkeit.A lamp with a power consumption of 1 kW is described above. The invention can however, they can be applied in the same way to lamps with a different power consumption. So were z. B. lamps of 150, 500 and 700 W produced. Xenon pressures up to 11000 mm (14.5 atm.) at 25 ° C as well as pressure of about 3000 mm (3.95 atm.) was used. The lamps were also with total pressures of over 100 atm. operated. In any case, the lamps surrendered right from the start a usable brightness.
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