DE1104605B

DE1104605B - Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe fuer ueberhoehte Leistung

Info

Publication number: DE1104605B
Application number: DES54016A
Authority: DE
Inventors: Francis Bitter; John Francis Waymouth
Original assignee: Sylvania Electric Products Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1956-06-27
Filing date: 1957-06-25
Publication date: 1961-04-13
Also published as: US2966602A; GB811281A; BE558655A; FR1175545A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampen für überhöhte Leistung.

Niederdruck-Leuchtstofflampen mit hohem Wirkungsgrad, die mit niedriger Stromdichte und niedriger Temperatur, etwa 40° C, betrieben werden, sind bekannt. Die verbreitetste Lampe dieses Typs ist die bekannte 4O'-Watt-Lampe mit einem zylinderförmigen Mantel von 38 mm Durchmesser und 1220 mm Länge. Versuche, beispielsweise diese Lampe mit 200 Watt zu betreiben, verringerten unter gleichen Außenbedingungen den Wirkungsgrad auf 34% seines Höchstwertes. Hierbei stieg die Wandtemperatur des Mantels auf 95° C.

Es ist bekannt, daß die Lampen durch forcierte Kühlung mit höherer Leistungsbelastung betrieben werden können.

Bekannt ist auch, daß bei Ouecksilberdampf-Leuchtstofflampen der Ouecksilberdampfdruck im Entladungsgefäß durch die Temperatur einer kühl gehaltenen Stelle der Kolbenwandung bestimmt ist. Man hat hiervon schon Gebrauch gemacht, um bei einer Lampe, deren Entladungsgefäß zwecks Umwandlung ultravioletten Lichtes in sichtbares Licht von einem Quecksilberdampf enthaltenden Mantel umgeben ist, zur Erzielung höherer Lichtausbeute einen bestimmten Druckunterschied zwischen Entladungsgefäß und Mantel aufrechtzuerhalten.

Bekannt ist es ferner schon geworden, am Mittelbereich des Mantels von Hochdruckleuchtstofflampen Kühlrippen anzuordnen, um in dem Entladungsgefäß enthaltenen Metalldampf dort an einer Stelle, über die der Entladungsvorgang ständig hinweggeht und kondensiertes Metall durch aufprallende Ionen und Elektronen sofort von neuem verdampft wird, und nicht an den Enden der Lampe kondensieren zu lassen, da durch letzteres der Metalldampfdruck abfallen und die Lampe erlöschen könnte.

Wird durch Kühlen herkömmlicher 40-Watt-Lampen die Wandtemperatur des Mantels niedrig, z. B. um 45° C, gehalten, steigt zwar der Wirkungsgrad bei 200 Watt Belastung, erreicht aber nach Forsythe und Adams in »Fluorescent and other Electric Discharge Lamps« (Murray Hill Press, New York City, 1948, S. 84 bis 85) immer noch nur 47% des Höchstwertes. Forsythe und Adams folgern, daß »diese Daten zeigen, daß selbst bei konstantem Quecksilberdruck (konstanter Wandtemperatur) in der Lampe der zusätzliche Strom durch die Röhre einen ausgeprägten Abfall in der Ausbeute der Erzeugung der 2537-Ä-Strahlung bewirkt«. Diese Strahlung regt bekanntlich in erster Linie den lichtemittierenden Leuchtstoffbelag der Leuchtstofflampe an.

Ein anderer Fachmann auf dem Gebiet der Niederdruckquecksilberlampen, L. J. B u 11 ο 1 ρ h, stellt in Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe
für überhöhte Leistung

Anmelder:

Sylvania Electric Products Incorporated,
eine Gesellschaft nach den Gesetzen

des Staates Delaware,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Juni 1956

John Francis Waymouth, Marblehead, Mass.,

und Francis Bitter, Cambridge, Mass. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

einem Aufsatz in »Illuminating Engineering« (S. 326, Bd. 49, Juli 1954) bei der Besprechung von Niederdruckleuchtstofflampen fest, daß »Wirkungsgrad und sehr hohe Ausgangsintensität bei solchen Lampen unvereinbar sind«.

Es wurde somit in der einschlägigen Technik angenommen, daß bei Niederdruckleuchtstofflampen sehr hohe Betriebsleistung und hoher Wirkungsgrad nicht miteinander in Einklang zu bringen seien. Obwohl Leuchtstofflampen seit nun schon mindestens 18 Jahren kommerziell genutzt werden, sind in der Tat bis jetzt keine Lampen mit sehr hoher Betriebsleistung auf den Markt gebracht worden. Zum Beispiel wurde bis jetzt keine 200-Watt-Lampe in dem Kolben von 1220· mm Länge und 38 mm Durchmesser der gewöhnlichen 40-Watt-Lampe verkauft, ja noch nicht einmal in einem Kolben doppelter Länge.

Mit der Erfindung soll eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Leuchtstofflampe mit sehr hoher Betriebsleistung und hohem Wirkungsgrad geschaffen werden. Diese Aufgabe wird mit einer Niederdruck-Ouecksilberdampf-Leuchtstofflampe für überhöhte Leistung mit einem zylinderförmigem Mantel, innerhalb dessen ein inertes Gas und Quecksilber vorgesehen sind und von dem ein kleiner Teil mittels Kühlrippen od. dgl. auf einer Temperatur von etwa 50° C gehalten wird,

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gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß für einen Betrieb der Lampe mit einem Vielfachen der Normalbelastung die mechanischen Mittel zur Kühlung eines kleinen Teils der Oberfläche des Lampenmantels in Kombination mit einer Inertgasfüllung der Lampe vorgesehen sind, die mindestens zum größeren Teil aus Helium und/oder Neon besteht.

Es ist zwar schon bekanntgeworden, Helium als Füllgas für sogenannte Kaltwetterleuchtröhren zu verwenden, um die Lampe auch bei tiefen Temperaturen blaues Ouecksilberlicht ausstrahlen zu lassen, doch wurde nicht erkannt, daß Neon und/oder Helium bei überhöhter Lampenbelastung die Lichtausbeute von Leuchtstofflampen zu steigern vermögen. Bekannt war vielmehr, daß Neon bei herkömmlichen, mit Normalbelastung betriebenen Leuchtstofflampen gegenüber Argon zu einer Verminderung des Wirkungsgrades führt (vgl. beispielsweise »Illuminating Engineering«, Bd. 47, Nr. 7, März 1952, S. 162, Fig. 6).

Darüber hinaus wurde die Anwendung von Krypton empfohlen, weil Krypton eines der schwersten Edelgase ist und die schwerere Masse der Kryptonatome bei der Entladung einen kleineren mittleren Energieverlust der Elektronen beim Zusammenstoß mit den Atomen des Füllgases bewirkt. Ferner ist der Querschnitt der elastischen Streuung der Neon- und Heliumatome größer als für Krypton- oder Argonatome, was zu einer größeren Anzahl von Zusammenstößen pro Längeneinheit und aus diesem Grunde zu erhöhtem Gesamtverlust führt.

Die untenstehende Tabelle gibt die Atomgewichte, die Zahl der Zusammenstöße pro Längeneinheit (mit 1 eV Elektronen) zusammen mit dem Verhältnis der letzteren zu den ersteren für die verschiedenen Gase wieder.

	Atomgewicht A	Zusammen	Verhältnis PcIA
Gas		stöße pro Längen einheit
	4	Pc	4,25
He	20	17	0,250
Ne	40	5	0,075
Ar	83	t ο	0,048
Kr	130	4	0,054
Xe	7

Bisher ging man auf Grund der Betrachtung des in obiger Tabelle angegebenen PcIA-Verhältnisses davon aus, daß Argon, Krypton und Xenon, insbesondere die letzten beiden, die kleinsten Elektronenstreuverluste und damit die höchsten Wirkungsgrade ergeben würden.

Diese Schlüsse wurden tatsächlich für niedrige Eingangsleistungen bestätigt. Daß dagegen die bislang am wenigsten geeignet erscheinenden Gase Neon und Helium die wirksamsten und leistungsfähigsten sind, ist überraschend. Tatsächlich vermindern aber diese Gase den schnellen Abfall des Wirkungsgrades, der bei anderen Edelgasen bei Vergrößerung der Eingangsleistung auftritt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird für einen Betrieb der Lampe mit einer überhöhten Belastung vom 1,75- bis zum 3,75fachen der Normalbelastung, was beispielsweise bei einer 40-Watt-Lampe einer Belastung von 70 bis 150 Watt entspricht, Neon und zum Betrieb der Lampe mit einer weiter gesteigerten Belastung über das 3,75fache der Normalbelastung hinaus bis etwa zum ofachen der Normalbelastung, was beispielsweise bei einer 40-Wait-Lampe einer Belastung von 15O¹ bis 250 Watt entspricht. Helium als Grundgas bei einem Druck von etwa 1 mm Hg verwendet.

Es wurde gefunden, daß hierbei eine Lampe im Kolben einer herkömmlichen 40-Watt-Lampe bei einer Belastung mit 200 Watt einen Wirkungsgrad von 80% des optimalen Wirkungsgrades bei 40 Watt Belastung zu erreichen vermag, ein Wert, der erheblich über den

ίο von Forsythe und Adams für gleiche Eingangsleistung und gleiche Lampengröße erzielten 47% liegt. Vorausgesetzt, daß ein kleiner Bereich des Lampenmantels kühl gehalten wird, kann der Hauptteil der Oberfläche des Lampenmantels ohne Nachteil eine hohe Temperatur, z. B. selbst 95° C, annehmen, wofür Forsythe und Adams nur 34% des optimalen Wirkungsgrades erreichten. Ein- kühl gehaltener Fleck von nur etwa 1,5 mm Durchmesser kann ausreichen; beispielsweise kann mit Ausnahme einer kleinen Zone am Kolbenende der ganze lichtemittierende Teil der Lampe bei hoher Temperatur arbeiten. Die Kühlung kann dadurch erfolgen, daß das Ende der Lampe gegen die Strahlung der Entladung abgeschirmt oder eine metallische Kühlrippe oder ein Satz solcher Rippen in Kontakt mit dem Lampenmantel gebracht wird. Die Kühlrippen können nahe am Lampenkolben, vorzugsweise unter ihm, angebracht sein, da der darüber befindliche Zwischenraum durch die vom Umfang des Kolbens ausgehende Luftströmung erhitzt wird. Es können auch Schlitze in einer Halterung unter der Lampe gewissermaßen als Kühlrippen dienen.

Die Kühlrippen stehen zweckmäßigerweise an einer von den elektrodennahen Gebieten etwas entfernten Stelle mit dem Lampenkolben in Kontakt, da die Strahlung von den Elektroden den Lampenmantel erhitzt und die Kühlung dort erschweren würde.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kühlung über einen Thermobitnetallstreifen erfolgen, der sich zwecks Kühlung an den Lampenmantel anlegt und bei Unterschreiten der gewünschten Temperatur vom Mantel wegbiegt, so daß eine bestimmte Temperatur trotz erheblicher Schwankungen der Außentemperatur aufrechterhalten werden kann.

Durch Verwendung eines einfachen zylinderförmigen, von irgendwelchen Vergrößerungen, Ausbauchungen oder Ansätzen freien Lampenmantels können die Lampen frei rollen und eignen sich für eine maschinelle Massenproduktion.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung sind aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der Beschreibung zu entnehmen. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Längsansicht einer Lampe nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht des Endes der Lampe nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Eingangsleistung für eine Lampe mit herkömmlichem 20-Watt-Kolben bei verschiedenen Gasfüllungen und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des erzeugten Lichtstromes in Abhängigkeit vom Druck des Füllgases.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 weist die Lampe einen Glasmantel 1 mit einem auf seiner Innenfläche vorgesehenen Leuchtstoffbelag 2 auf. Jedes Ende des Mantels 1 ist durch einen mit dem Mantel verschmol-

zenen Fuß 3 abgeschlossen, der mit einem Glasstutzen versehen ist, in den durchlaufende Zuleitungsdrähte 5 und 6 eingeschmolzen sind. Eine Elektrode 7 ist an jedem ihrer Enden mit einem der Zuleitungsdrähte 5,6 verbunden und ist als eine Wolframdrahtwendel ausgebildet, die einen elektronenemittierenden Belag aus Erdalkalioxyd, z. B. Barium-, Strontium- und Kalziumoxyd trägt, der einen kleinen Prozentsatz, etwa 5%, Zirkondioxyd enthalten kann. Anstatt der Wendel kann auch eine bekannte dreifach gewundene Kathode oder irgendeine andere Elektrodenform Anwendung rinden.

An jedem Lampenende ist ein Sockel 8 fest angebracht, der metallene Kontaktstifte 9, 10 aufweist, die ihrerseits mit den Zuleitungsdrähten 5, 6 verbunden sind.

Der abgedichtete Mantel 1 enthält eine Neongasfüllung, vorzugsweise bei einem Druck von ungefähr 1 mm Hg, sowie zwecks Bildung des Ouecksilberdampfes einen Tropfen Quecksilber. Um den Start der Lampe zu erleichtern, erhält das Neongas vorzugsweise einen kleinen Zusatz Argon, z. B. 0,1 Volumprozent.

Metallene Kühlrippen 12, 12 sind an Schellen 13 od. dgl. angebracht, deren Hälften 14,15 mittels Kopfschrauben 16 um den Lampenmantel 1 angezogen werden. Die Schrauben 16 können beispielsweise in die Halbringe 15 eingeschraubt sein. Die Rippen 12 sind mittels Distanzstücken 19 voneinander getrennt. Durch die aufeinandergeschichteten Rippen und Distanzstücke führt eine Schraube 20 hindurch, die von einer Mutter 21 gehalten wird. Obwohl die Rippen 12 parallel zum Mantel 1 gezeigt sind, können sie nach Wunsch quer oder in einem Winkel zu ihm stehen.

Die Lampe nach Fig. 3 entspricht der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten, doch ist jeder Satz von Rippen 12 durch eine einzige größere Rippe 22 ersetzt, die unmittelbar auf den Mantel 1 gekittet oder mit ihm dicht verbunden ist.

Als die Lampe bei 200 Watt Eingangsleistung in ruhiger Luft von 27° C in Betrieb genommen wurde, zeigte sich, daß die Rippen etwa 20 bis 30° C kühler als der übrige Lampenmantel waren. Es zeigte sich ferner, daß das Quecksilber in einer engen Linie auf der Innenfläche des Mantels 1 unmittelbar über der Kontaktlinie jeder Rippe mit dem Mantel kondensiert.

Die Lichtabgabe betrug 81,3 willkürliche lineare Einheiten, während ohne die Rippen die Lichtabgabe nur etwa 60 bis 65 Einheiten der gleichen Skala ausmachte. Durch geringe Vergrößerung der Rippen konnte die Lichtabgabe bis auf einen Maximalwert von 89' Einheiten gebracht werden.

Anstatt der oben beschriebenen Rippen kann auch irgendein Teil der Halterung, in welcher die Lampe verwendet wird, z. B. ein Schlitz oder ein Satz solcher Schlitze, oder eine andere Form einer »Hitzesenke« in wärmeleitenden Kontakt mit dem Lampenmantel gebracht werden. Ferner kann der Kontakt zwischen den Rippen, den Schlitzen oder einer anderen Hitzesenke und dem Mantel 1 durch einen Thermobimetallstreifen hergestellt werden, so daß trotz großer Schwankungen der Außentemperatur eine bestimmte Temperatur aufrechterhalten werden kann. Das Bimetall berührt den Mantel, bis es genügend abgekühlt ist und sich von der Lampe wegbiegt. Wird die Lampe leicht erwärmt, wird das Bimetall ebenfalls wärmer, kommt wieder in Kontakt mit der Lampe und kühlt diese.

In Fig. 4 ist die Wirkung verschiedener Füllgase bei einem Druck von etwa V2 mm Hg gezeigt. Die Kurven gelten für sogenannte 20-Watt-Leuchtstofrlampen, die bei verschiedenen Eingangsleistungen betrieben wurden. Der Lampenmantel hatte einen Durchmesser von 38 mm und eine Länge von 1220 mm.

Die graphische Darstellung zeigt, daß bis zu einer Eingangsleistung von etwa 70¹ Watt Argon den höchsten Wirkungsgrad ergibt, daß zwischen 70 und 150 Watt Neon den höchsten Wirkungsgrad liefert und daß über 150 Watt mit Helium die höchste Lichtausbeute erreicht wird. Bei 100 Watt Eingangsleistung liefert Neon eine um etwa 35% größeren Lichtstrom als Argon.

Die Änderung des abgegebenen Lichtstromes in Abhängigkeit vom Druck ist in Fig. 5 für eine konstante Eingangsleistung von 200 Watt für eine mit Kühlrippen oder Fahnen versehene Lampe der 40'-Watt-Größe gezeigt. Drücke von Vz mm Hg ergeben höchsten Lichtstrom, doch wird die Lebensdauer der Lampe bei solch niedrigen Drücken vermindert, so daß ein Druck von etwa 1 oder 1,5 mm Hg am günstigsten ist, weil er vernünftige Lebensdauer bei geringerer Schwärzung der Enden der Lampe und noch etwas höhere Lichtabgabe als Argon bei Va mm Hg ergibt. Ein solch niedriger Argondruck würde eine sehr kurze Lebensdauer bedingen.

Die Zugabe einer kleinen Menge Argon zu dem Neon erleichtert das Starten der Lampe, so daß dies einen Start bei niedriger Spannung erlaubt, ohne die Lichtausbeute merklich zu vermindern. Zufriedenstellend sind etwa 0,1 Volumprozent Argon, jedoch kann der Betrag zwischen etwa 0,04 und 0,2 °/o variiert werden.

Eine Lampe, wie oben beschrieben, in dem gewöhnlichen zylinderförmigen 40-Watt-Kolben, der 1220mm lang ist und einen Durchmesser von 38 mm hat, an dem eine oder mehrere Kühlrippen oder Fahnen angebracht sind, besitzt bei 200 Watt Eingangsleistung und einer Außentemperatur von 27° C eine Lichtausbeute von etwa 50 Lumen pro Watt und gibt hierbei einen gesamten Lichtstrom von 10' 000 Lumen ab. Das sind etwa 8200 Lumen pro Meter oder umgerechnet 164 Watt pro Meter.

Für Lichtausgangsleistungen von etwa 5600 bis 8800 Lumen pro Meter in einem Kolben mit 38 mm Durchmesser, d. h. für eine Leistungsbelastung von etwa 66 bis 250 Watt pro Meter, ist Neon das leistungsfähigste Füllgas, für höhere Lichtausgangsleistungen ist Helium leistungsfähiger.

Auch Mischungen von Helium und Neon lassen sich anwenden.

Bei einer Lampe nach der Erfindung mit einem Kolben von 38 mm Durchmesser und 1220 mm Länge und einer Eingangsleistung von 200 Watt kann der Wirkungsgrad 60 Lumen pro Watt betragen. Eine solche Lampe gibt bei dem angegebenen hohen Wirkungsgrad etwa zweimal so viel Licht ab wie irgendeine andere der bisher gebräuchlichen 1220 mm langen Leuchtstofflampen.

Claims

Patentansprüche:

1. Niederdruck- Quecksilberdampf -Leuchtstofflampe für überhöhte Leistung mit einem zylinderförmigen Mantel, innerhalb dessen ein inertes Gas und Quecksilber vorgesehen sind und von dem ein kleiner Teil mittels Kühlrippen od. dgl. auf einer Temperatur von etwa 50° C gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Betrieb der Lampe mit einem Vielfachen der Normalbelastung die mechanischen Mittel zur Kühlung eines kleinen Teiles der Oberfläche des Lampenmantels in Korn-

bination mit einer Inertgasfüllung der Lampe vorgesehen sind, die mindestens zum größeren Teil aus Helium und/oder Neon besteht.

2, Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Betrieb der Lampe mit einer überhöhten Belastung vom 1,75- bis zum 3,75fachen der Normalbelastung, was beispielsweise bei einer 40-Watt-Lampe einer Belastung von 70 bis 150 Watt entspricht, Neon und zum Betrieb der Lampe mit einer weiter gesteigerten Belastung über das 3,75fache der Normalbelastung hinaus bis etwa zum ofachen der Normalbelastung, was beispielsweise bei einer 40-Watt-Lampe einer Belastung von 150 bis 250 Watt entspricht, Helium als Grundgas bei einem Druck von etwa 1 mm Hg verwendet ist.

3. Lampe nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung über einen Thermobimetallstreifen erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 519 467, 559 053,
241;

deutsche Patentanmeldung B 120O2 VIIIc/21 f (bekanntgemacht am 22. 11. 1951);

österreichische Patentschrift Nr. 125 878;

schweizerische Patentschrift Nr. 306 500;

USA.-Patentschriften Nr. 2 309 676, 2 433 404;

Forsythe und Adams : »Fluorescent and other Electric Discharge Lamps«, 1948, S. 82 bis 85;

E. Neumann : »Diephysikalischen Grundlagen der Leuchtstofflampen und Leuchtröhren«, 1954, S. 69/70.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen