DE1086804B

DE1086804B - Elektrische Quecksilberniederdruckentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe

Info

Publication number: DE1086804B
Application number: DEP20595A
Authority: DE
Inventors: Dr Arved Lompe; Dr Herbert Dziergwa
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1958-04-29
Filing date: 1958-04-29
Publication date: 1960-08-11
Also published as: GB923890A; CH370840A; BE578190A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Quecksilberniederdruckentladungslampen, insbesondere auf Leuchtstofflampen, mit Amalgam.

Amalgame bzw. 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 in diesen Lampen immer einen höheren Dampfdruck als das Quecksilber in der sich auf wesentlich niedrigerer Temperatur befindlichen Entladung, so daß das Quecksilber laufend aus dem Amalgam bis zu dessen eventueller vollständiger Zersetzung verdampft. In den Betriebspausen der Lampe wird das amalgambildende 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 zusätztlichen Erzeugung bzw. Nachlieferung von Quecksilber.

Bekannt ist es auch, ein Amalgam als Adsorbens, z. B. als Ersatz für adsorbierende Kohle, in die Lampe an Stellen einzubringen, die nicht in Ausstrahlurtgsrichtung liegen. Dabei dient der adsorbierende Stoff zur Lokalisierung der an der Entladung teilnehmenden Substanz, z. B. Jod oder Quecksilber, während der Betriebspausen der Lampe, um eine Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften des Kolbens durch einen Niederschlag der an der Entladung beteiligten Substanz, sei es. infolge verringerter Durchlässigkeit durch eine Schicht oder durch chemische Einwirkung auf das Kolbenmaterial, zu vermeiden.

In anderen Fällen ist das Amalgam in Lampen, die mit untersättigtem Quecksilberdampf und ohne zusätzlichen Blind- und Wirkwiderstand betrieben werden sollen, zur Dosierung des Quecksilbers eingebracht. Diese Lampen lassen sich dabei nur mit kleinen Stromstärken betreiben.

In Edelgas-Entladungslampen, die an Hochspannung betrieben werden und bei denen durch Erzeugung eines Hilfsgases die Zündspannung herabgesetzt werden soll, ist Amalgam beispielsweise als Ersatz von mit Hilfsgas beladener Kohle an Stellen, an denen es nicht zersetzt wird, angebracht worden. Das Hilfsgas, z. B. Xenon oder Quecksilber, soll sowohl im Betrieb wie auch während der Ruhepausen der Lampe nachgeliefert werden, da es laufend von den verwendeten Elektroden aufgezehrt wird. Das Amalgam bzw. die Kohle wird hierbei also als ständige Quelle, d. h. zur dauernden Nachlieferung verwendet.

In Quecksilberhochdruckentladungslampen wurden Rubidium, Cadmium bzw. Zink eingebracht, um eine Elektrische

Quecksilberniederdruckentladungslampe,
insbesondere Leuchtstofflampe

Anmelder:

Patent -Treuhand - Gesellschaft

für elektrische Glühlampen m.b.H.,

München 2, Windenmacherstr. 6

Dr. Arved Lompe, Berlin-Zehlendorf,

und Dr. Herbert Dziergwa, Berlin-Nikolassee,

sind als Erfinder genannt worden

Farbverbesserung durch Mitanregung des zugesetzten Elementes zu erreichen.

Die elektrische Quecksilberniederdruckentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, nach der Erfindung, bei der die Brennspannung vornehmlich weniger als zwei Drittel der Versorgungsspannung beträgt und in deren Entladungsgefäß ein Amalgam enthalten ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen elektrischen und thermischen Belastbarkeit der Lampe an solchen Stellen, die keine wesentlich höheren Temperaturen haben als die der Entladung ausgesetzten Teile des Gefäßes, derartig ausgewählte und zusammengesetzte Amalgame angebracht sind, daß bei den in der Lampe herrschenden Temperaturen in kurzer Zeit der Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem ein Quecksilberdampfdruck herrscht, welcher tiefer ist und damit eine höhere Strahlungsausbeute der Quecksilberresonanzstrahlung gewährleistet als der Quecksilberdampfdruck in Lampen mit freiem Quecksilbermetall ohne Amalgam bei gleicher Temperatur.

Die Quecksilberniederdruckentladungslampen enthalten neben Quecksilber 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

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für die Anregung des Leuchtstoffes maßgebend ist. die Zusammensetzung des oder der zu verwendenden Diese Quecksilberresonanzstrahlung hat bei einem be- Amalgame beeinflußt.

stimmten konstanten und verhältnismäßig niedrigen Bei den Lampen mit Amalgam, die mit unter-

Quecksilberdampfdruck einen optimalen Wert. Mi sättigtem Quecksilberdampf betrieben werden, ist eine zunehmender Leistungsaufnahme der Lampe wächst 5 Verwirklichung des Erfindungsgedankens wegen der aber wegen des größeren Leistungsumsatzes in der begrenzten Zahl der Ladungsträger nicht möglich.
Entladung die Temperatur und damit der stark tem- Eine Mitanregung des amalgambildenden Metalls,

peraturabhängige Dampfdruck des Quecksilbers. Da- wie es bei den farbverbesserten Hochdrucklampen der bei nimmt bei den üblichen Quecksilberniederdruck- Fall ist, findet bei den Lampen der vorliegenden Erentladungslampen ohne Amalgam die spezifische Aus- io findung auf keinen Fall statt. Hochdrucklampen arbeibeute an Resonanzstrahlung ab, was ein nicht mehr ten bei um Größenordnungen höheren Drücken und mit der zugeführten Leistung proportionales An- Temperaturen und damit weit außerhalb des für das wachsen des Lichtstromes zur Folge hat. Wegen der Optimum der Strahlung der Wellenlängen 2<2600Ä Verminderung der spezifischen Lichtausbeute von erforderlichen Bereiches, so daß die Verhältnisse in Leuchtstofflampen mit steigender spezifischer Be- 15 diesen Lampen mit denen in Niederdrucklampen nicht lastung und des damit verbundenen schlechteren Wir- vergleichbar sind.

kungsgrades hatte man bisher immer davon abgesehen, Entsprechend dem Erfindungsgedanken erweisen

solche Lampen für höhere Leistungsaufnahmen zu sich nun solche Metalle als besonders geeignet, die bauen. einerseits gut mit dem Quecksilber amalgieren, an-

Erst in letzter Zeit sind Versuche unternommen 20 dererseits in kurzer Zeit den Gleichgewichtszustand worden, den Wirkungsgrad hochbelasteter Leucht- erreichen. Von den meisten Metallen ist bekannt, daß Stofflampen zu verbessern und Lampen ähnlicher Ab- sich der Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur messungen mit z. B. doppelter Leistung wirtschaftlich nur sehr langsam einstellt. Bei geeigneter Auswahl zu betreiben. Das wird beispielsweise durch mehr- und Zusammensetzung des Amalgams läßt sich jedoch faches Eindellen des Lampenkolbens erreicht, wodurch 25 erfindungsgemäß die erforderliche Reaktionsgeschwindie Oberfläche und damit die Wärmeabfuhr vom KoI- digkeit bezüglich Druckänderung auch bei den in ben vergrößert wird. Nachteilig bei dieser Anordnung Niederdruckentladungslampen herrschenden Tempeist die geringere Stabilität und erschwerte Herstellung raturen erreichen. Günstig ist z. B. Cadmium, bei dem des Kolbens. Ein anderes Mittel zur Erreichung bes- der Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur schon serer Lichtausbeuten bei höherer Belastung ist die 30 in einigen Minuten erreicht wird.
Schaffung einer kühleren Zone an den Enden der Ent- I_m allgemeinen ist es in technologischer Hinsicht

Iadungslampe durch Wärmeabschirmung gegen die vorteilhaft, Metalle zu nehmen, bei denen der Aktivi-Elektroden und die Entladung. In dem etwa auf 40° C tätskoeffizient des Quecksilbers im betreffenden Amalgehaltenen Raum kondensiert ein Teil des Queck- gam kleiner als 11st, wie z. B. Thallium, Cadmium, Silbers, und der Dampfdruck in der Entladung er- 35 Indium, Gallium usw., da dann die Menge des zum niedrigt sich. Jedoch enstehen hierbei störende Dunkel- Quecksilber zuzusetzenden Metalls nicht zu groß ist. räume an den Lampenenden. Der Aktivitätskoeffizient, mit dem der Molenbruch

Die Erfindung zeigt nun eine neue Möglichkeit, den multipliziert werden muß, um die Aktivität, d. h. das Wirkungsgrad vonQuecksilberniederdruckentladungs- Verhältnis des Dampfdruckes über die Mischphase lampen bei hohen Belastungen, seien diese thermischer 40 zum Dampfdruck des betreffenden reinen Metalls glei- oder elektrischer Art, zu steigern, indem die Tatsache eher Temperatur zu erhalten, weist durch einen von ausgenutzt wird, daß der Dampfdruck über einer Le- eins abweichenden Wert auf das nicht ideale Verhalten gierung niedriger als über dem reinen Metall ist. einer Lösung oder einer Legierung hin. Es hat sich

Der Vorteil der Wirkungsgraderhöhung und damit nach der Erfindung beispielsweise bei Verwendung die Hochbelastbarkeit konnte bei den bisher bekannten 45 von Cadmium als amalgambildendes Metall ein Ver-Quecksilberniederdruckentladungslampen, die Amal- hältnis der Anzahl wirksamer Cadmiumatome zur garn enthalten, nicht erreicht werden. Bei all den Lam- Anzahl der damit vermischten Quecksilberatome kleipen, in denen das Amalgam oder das amalgambildende ner als 5, vorzugsweise von etwa 0,5 bis 2, als geeignet Metall zur zusätzlichen Erzeugung bzw. Nachliefe- erwiesen.

rung von Quecksilber dient, d. h., wenn das Amalgam 50 Natürlich kann ein Amalgam auch bei Leuchtstoffsich an Stellen befindet, die wesentlich höheren Tem- lampen mit bislher üblicher Leistungsaufnahme angeperaturen als denen der Entladung ausgesetzt sind, wendet werden, die einer hohen Temperaturbelastung kann die dem Erfindungsgedanken zugrunde liegende ausgesetzt sind.

Eigenschaft des Amalgams, den Dampfdruck während Das amalgambildende Metall oder das Amalgam

des Betriebes der Lampe im-Vergleich zu einer Lampe 55 selbst wird in vorteilhafter Weiterbildung des Erfinmit reiner Quecksilberfüllung herabzusetzen, gar nicht dungsgedankens mit möglichst großer Oberfläche in auftreten. Soweit von einer Lokalisierung des Queck- die Lampe eingebracht. Es kann z. B. als feinkörniges Silbers in den bekannten Lampen durch das Amalgam Pulver oder als Film, z. B. auf der Leuchtstoffschicht, die Rede ist, soll dies immer nur im abgeschalteten, oder als durchsichtige Schutzschicht oder in Form kalten Zustand der Lampe geschehen. In diesen Fällen 60 eines Zündstriches oder auf einem Träger, wie schon ist die Anbringung des Amalgams an jeder Stelle erwähnt, an einer geeigneten Stelle vorliegen, wo es möglich und nicht automatisch gewährleistet, daß es nicht wesentlich höheren Temperaturen als denen der an einer im Hinblick auf die Temperatur günstigen Entladung ausgesetzt ist, Dementsprechend ist es ein Stelle im Sinne der vorliegenden Erfindung ange- Merkmal der Erfindung, daß das Amalgam sich nicht bracht ist. . 65 in unmittelbarer Nähe oder auf den Elektroden befin-

Demgegenüber müssen bei den Lampen nach der det. Will man das Amalgam als Pulver einbringen, so Erfindung die Maßnahmen des Amalgams planmäßig empfiehlt es sich, da die Amalgame im allgemeinen und bewußt auf dieses Ziel gerichtet werden. Durch weich sind und beim Zerkleinern schmieren, beim den Anbringungsort wird erfindungsgemäß sogar die Mahlprozeß ein hartes, neutrales Material, z. B. SiO₂, Auswahl des oder der amalgambildenden Metalle und 7° 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 eine seiner Komponenten mit einem niedrigschmelzenden Metall, z. B. Gallium, Weichlot od. dgl., innig zu vermischen oder zu legieren. Die Mischung wird in der fertigen 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 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, was sich feinkörnig verteilt und amalgamiert auf der Leuchstoffschicht 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 und 100 W in der folgenden Tabelle wiedergegeben:

Hg HgCd HgCd₂

80 W

Brennspannung (V) ..
Lampenstrom (A) ...
Lichtausbeute (lm/W)

75,5	84
1,31	1,26
61,3	68
W
68,5	74,5
1,80	1,80
57,4	61,1

90

1,14 65

84

1,53 63,1

40

45

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. Auch ist zu erkennen, daß der Gewinn an Lichtausbeute infolge des Zusatzes des amalgamierenden Metalls um so höher ist, je stärker die Lampe belastet wird. Es gelingt also durch die Verwendung geeigneter Zusammensetzung, Leuchstofflampen bei höherer Temperatur zu betreiben, wobei diese Lampen gegenüber den bisher üblichen Leuchstofflampen mit gleichen äußeren Abmessungen einen besseren Wirkungsgrad aufweisen.

Der Wirkungsgrad der Lampen nach der Erfindung ist gegenüber üblichen, mit doppelter Leistung betriebenen 40-W-Lanipen um 10 bis 15 % erhöht. Der Gewinn an Lichtstrom ist demnach nicht unbeträchtlich. Dadurch wird das Verwendungsgebiet der Leuchtstofflampen unter anderem 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 Bereich der möglichen Temperaturverschiebung weit größer ist, als er durch die bisher bekannten Kühlanordnungen erreicht werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Quecksilberniederdruckentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, bei der die Brennspannung vornehmlich weniger als zwei Drittel der Versorgungsspannung beträgt und in deren Entladungsgefäß ein Amalgam enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer hohen elektrischen und thermischen Belastbarkeit der Lampe an solchen Stellen, die keine wesentlich höheren Temperaturen haben als die der Entladung ausgesetzten Teile des Gefäßes, derartig ausgewählte und zusammengesetzte Amalgame angebracht sind, daß bei den in der Lampe herrschenden Temperaturen in kurzer Zeit der Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem ein Quecksilberdampfdruck herrscht, welcher tiefer ist und damit eine höhere Strahlungsausbeute der Quecksilberresonanzstrahlung gewährleistet als der Quecksilberdampfdruck in Lampen mit freiem Quecksilber ohne Amalgame bei gleicher Temperatur.

2. Quecksilberniederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß solche Metalle verwendet werden, in deren Amalgamen der Aktivitätskoeffizient von Quecksilber kleiner als 1 ist.

3. Quecksilberniederdruckentladungslampe nach den Ansprüchen 1 oder/und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder eines der amalgambildenden Metalle Thallium, Cadmium, Indium oder Gallium ist.

4. Quecksilberniederdruckentladungslampe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Cadmiumamalgam das Verhältnis der Anzahl von Cadmiumatomen zur Anzahl der Quecksilberatome kleiner als 5 ist, vorzugsweise zwischen 0,5 bis 2 liegt.

5. Quecksilberniederdruckentladungslampe nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Amalgam mit möglichst großer Oberfläche z. B. als feinkörniges Pulver, als Film oder in Form eines Zündstriches verwendet ist.

6. Quecksilberniederdruckentladungslampe nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Amalgam oder eine seiner Komponenten mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes legiert oder innig vermischt ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Quecksilberniederdruckentladungslampe nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung oder Mischung in die Lampe eingebracht und durch Erwärmung an gewünschter Stelle zum Haften gebracht wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer Quecksilberniederdruckentladungslampe nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Amalgam ein hartes, neutrales Material, z. B. Si O₂, zugesetzt und die Mischung zerkleinert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 734 790; österreichische Patentschrift Nr. 124 029; Illuminating Engineering, Maiheft 1957, S. 270.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen