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Elektrische Quecksilberniederdruck-Entladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe
Die Erfindung betrifft eine Quecksilberniederdruck-Entladungslampe, bei der an solchen
Stellen, die keine wesentlich höheren Temperaturen haben als die der Entladung ausgesetzten
Teile des Gefäßes, Amalgame angebracht sind, so daß im Betrieb der Lampe ein Quecksilberdampfdruck
herrscht, welcher tiefer ist als der Quecksilberdampfdruck in Lampen mit freiem
Quecksilber ohne Amalgam bei gleicher Temperatur. Die Leuchstofflampen mit freiem
Quecksilber ohne Amalgam sind so dimensioniert, daß die maximale Strahlungsausbeute
an Resonanzstrahlung bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25°C auftritt. Ist die
Umgebungstemperatur wesentlich höher, was z. B. in Leuchten für Innenräume der Fall
ist, so ist zur Vermeidung einer zu geringen Lichtausbeute der Einsatz einer Amalgamleuchtstofflampe
vorzuziehen. Es ist so z. B. ohne weiteres möglich, eine solche Zusammensetzung
des Amalgams zu wählen, daß das Lichtstrommaximum bei etwa 50° C Umgebungstemperatur
erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des an verhältnismäßig kühler Stelle des Lampeninneren
angebrachten Amalgams ist der, daß hierdurch die Konstruktion von hochbelasteten
Leuchtstofflampen ermöglicht wird. Diese Lampen haben bei gleicher Länge eine wesentlich
höhere Nennleistung als die mit freiem Quecksilber ohne Amalgam gefüllten Lampen,
ohne daß der in der Lampe beim Betrieb sich einstellende Quecksilberdampfdruck überhöht
und damit die Ausbeute an Resonanzstrahlung vermindert ist. Ein wesentlicher Vorteil
der Hochleistungslampen mit Amalgam ist neben der größeren Ausbeute der Resonanzstrahlung
die durch den optimalen Quecksilberdampfdruck bedingte höhere Leistungsaufnahme
gegenüber den Lampen ohne Quecksilberdampfregulierung, die gemeinsam mit der höheren
Lichtausbeute den Lichtstrom der Lampen erhöht.
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Ein Nachteil der bisher bekannten Amalgamleuchtstofflampen (deutsche
Patentschrift 1086 804) besteht darin, daß ihre Anlaufzeit, d. h. die Zeit,
die nach dem Einschalten der Lampe notwendig ist, um 90'% des endgültigen Lichtstromes
zu erreichen, bedeutend länger sein kann als bei den Lampen mit reiner Quecksilberfüllung.
Es hat sich herausgestellt, daß die Anlaufzeit bei Amalgamleuchtstofflampen je nach
Bauart der Leuchte bis zu 30 Minuten beträgt. Neben den Abmessungen der Leuchte
bestimmt aber auch die Amalgamzusammensetzung die Anlaufzeit. Dies hat dazu geführt,
daß mit Rücksicht auf die Anlaufzeit die optimale Temperatur bisher nicht der Betriebstemperatur
der Leuchten entsprechend gewählt werden und dadurch nicht der voll erreichbare
Lichtstrom ausgenutzt werden konnte.
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Das Hauptziel der Erfindung ist die Verringerung der Anlaufzeit bei
einer Amalgamleuchtstofflampe. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung
einer Amalgamleuchtstofflampe, bei der die Zusammensetzung des an kühler Stelle
in der Lampe angebrachten Amalgams ohne Verlängerung der Anlaufzeit der Lampe je
nach der im Betrieb erreichten Temperatur, d. h. entsprechend der Lampenleistung
pro Längeneinheit und entsprechend der in der Leuchte herrschenden Temperatur gewählt
werden kann.
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Eine elektrische Quecksilberniederdruck-Entladungslampe mit an solchen
Stellen, die keine wesentlich höheren Temperaturen haben als die der Entladung ausgesetzten
Teile des Gefäßes, angebrachten Amalgamen, die den Quecksilberdampfdruck während
des Betriebes der Lampe einstellen (Hauptamalgam), ist gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß sich innerhalb des Lampengefäßes ein zweites Amalgam an einer
solchen Stelle befindet, die sich nach dem Zünden der Lampe viel schneller erwärmt
als diejenige Stelle, an der sich das Hauptamalgam befindet, und daß das zweite
Amalgam so gewählt ist, daß es nach der Zündung der Lampe den in der Lampe notwendigen
Quecksilberdampfdruck erzeugt und so lange aufrechterhält, bis das Hauptamalgam
die notwendige Temperatur erreicht hat, jedoch einerseits in der Menge so gering
ist, daß nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes der optimale Quecksilberdampfdruck
durch das Hauptamalgam bestimmt ist, andererseits in der Menge so groß ist, daß
über einen langen Zeitraum noch geringe Quecksilbermengen nachdiffundieren.
Es
ist bereits eine Quecksilberleuchtröhre bekannt, die mit einer nahe der kalten Elektrode
angebrachten amalgambildenden Metallschicht versehen ist. Im kalten Zustand nimmt
das amalgambildende Metall von dem im überschuß vorhandenen freien Quecksilber so
viel auf, daß der über dem so mit Quecksilber angereicherten Amalgam herrschende
Quecksilberdampfdruck dem Dampfdruck des in der Röhre vorhandenen freien Quecksilbers
angeglichen ist. Nach der Zündung gibt das quecksilberreiche Amalgam rasch Quecksilber
ab, und die Röhre zeigt auch bei tiefen Umgebungstemperaturen rasch eine Quecksilberentladung.
Im Betrieb wird der Quecksilberdampfdruck jedoch bei dieser bekannten Röhre nicht
durch ein Amalgam eingestellt, sondern er entspricht dem Sättigungsdampfdruck über
freiem Quecksilber bei der Temperatur der kühlsten Stelle innerhalb der Röhre. Ebenfalls
zum Speichern und Nachliefern von Quecksilber dient das Amalgam in den Lampen gemäß
der deutschen Patentschrift ,&84 934, doch ist das Amalgam bei diesen Lampen
in einem durch ein Ventil vom Entladungsgefäß zunächst getrennten Vorratsbehälter
untergebracht. Die Lampe wird wie eine übliche Quecksilberlampe mit einer bestimmten
Quecksilbermenge gezündet und betrieben, bis die Entladung in eine Bogenentladung
im Quecksilberdampf übergeht; dabei findet keine Nachlieferung von Quecksilber zum
schnelleren Anlauf der Lampe statt. Da die Lampe nach der genannten Patentschrift
bei hohem Quecksilberdampfdruck arbeiten soll, würde die im Entladungsraum vorhandene
Quecksilbermenge nicht ausreichend sein. Durch Erwärmung des Vorratsgefäßes durch
die Entladung oder von außen wird der aus dem im Vorratsgefäß befindlichen Amalgam
frei werdende Quecksilberdampf dann zusätzlich in das Entladungsgefäß gebracht.
Der schnellere Anlauf der Lampe wird bei dieser Anordnung dadurch bewirkt, daß das
Volumen des Vorratsgefäßes zunächst vom Entladungsraum abgetrennt ist und der Dampfdruck
durch die Temperatur des Entladungsraumes und nicht durch die Temperatur des Vorratsgefäßes,
die ständig einige hundert Grad niedriger als die des Entladungsgefäßes sein soll,
bestimmt wird.
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Es war für den Fachmann nicht ohne weiteres zu erkennen, daß die Anbringung
eines zweiten Amalgams in einer Amalgamleuchtstofflampe ohne Störung der durch das
Hauptamalgam zu bewirkenden Einstellung des Quecksilberdampfdruckes im Betrieb möglich
ist. Da bekannt war, daß für ein befriedigendes Funktionieren der. Amalgamleuchtstofflampe
alles nicht verdampfte Quecksilber in der Lampe in Form des Amalgams vorliegen muß
und daß dieses Amalgam einen bestimmten Quecksilbergehalt besitzen muß, war vielmehr
zu befürchten, daß eine zweite Amalgammenge wegen ihrer ganz anderen Aufgabe, auch
bei anderer Zusammensetzung, schon im Ruhestand den Quecksilberhaushalt stört und
im Betrieb zu einem unkontrollierten Anwachsen des Quecksilberdampfdruckes, zu einer
unkontrollierten Veränderung der Zusammensetzung des Hauptamalgams und damit zu
einer verminderten Lichtausbeute führt.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die vorliegende Aufgabe tatsächlich
durch die angegebene Maßnahme gelöst werden kann. Um das durch das Hauptamalgam
bewirkte Gleichgewicht zwischen der Temperatur des Amalgams und dem Quecksilberdampfdruck
während des Betriebes nicht zu stören, ist es notwendig, daß das zweite zur Beschleunigung
des Anlaufes vorgesehene Amalgam die folgenden Bedingungen erfüllt: 1. Das Amalgam
muß sich an einer Stelle in der Lampe befinden, wo in möglichst kurzer Zeit die
Temperaturen einen ausreichend hohen Wert erreichen. Dieser Endwert darf jedoch
nicht so hoch sein, daß das Amalgam bzw. das amalgambildende Metall verdampft und
die Leuchtstoffschicht schwärzt.
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2. Das amalgambildende Metall muß so ausgewählt werden, daß es im
kalten Zustand (vor der Zündung der Lampe) mindestens so viel Quecksilber aufnimmt,
wie notwendig ist, um den optimalen Quecksilberdampfdruck von etwa 5 - 10-3 Torr
in der Lampe für etwa 10 bis 15 Minuten nach dem Einschalten zu erzeugen. Andererseits
soll während des Betriebes der Lampe dem Hauptamalgam nur so wenig Quecksilber entzogen
werden, daß sich die optimale Temperatur dieses Amalgams nicht verändert.
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3. Die Konsistenz und der Ort der Anbringung des zweiten Amalgams
muß so beschaffen sein, daß das Aufbringen leicht vorzunehmen ist und ein Abfallen
des Amalgams während des Brennens der Lampe nicht erfolgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wendelelektrode der Leuchtstofflampe
von einer Anodenkappe umgeben, bzw. in der Nähe der Wendelelektrode ist ein Schirm
angeordnet. Diese Kappe bzw. dieser Schirm trägt eine kleine Menge eines amalgambildenden
Metalls bzw. einer solchen Legierung, vorzugsweise in Form einer dünnen Schicht.
Als amalgambildendes Metall hierfür eignet sich Indium bzw. eine Zinn-Indium-Legierung.
Die bisher besten Ergebnisse lieferte jedoch eine Legierung, die aus Indium, Zinn
und Blei im Gewichtsverhältnis 2 : 6 : 2 besteht. Das amalgambildende Metall, dessen
Temperatur bei kalter Lampe etwa der Umgebungstemperatur entspricht, amalgamiert
und nimmt aus der Umgebung der Elektrode so viel Quecksilber auf, daß sich ein Gleichgewicht
zwischen dem Dampfdruck über dem Hauptamalgam und dem über dem zweiten Amalgam einstellt.
Auf eine genaue Beachtung der Quecksilberaffinität bei der Auswahl des zweiten Amalgams
kann verzichtet werden, wenn die Menge des Metalls so gewählt wird, daß sie klein
gegenüber der Quecksilbermenge in der Lampe ist und damit die Aufnahmefähigkeit
für Quecksilber durch die Menge des Metalls begrenzt wird. Vorzugsweise besitzt
das zweite Amalgam etwa ein Zehntel des Gewichtes des Hauptamalgams. Nach dem Zünden
der Lampe wird die Elektrodenkappe in etwa 1 Minute auf eine Temperatur über 100°
C erhitzt. Über dem zweiten Amalgam entsteht daher in kurzer Zeit ein erhöhter Quecksilberdampfdruck,
der so lange erhalten bleibt, bis das Hauptamalgam nach etwa 10 bis 20 Minuten die
Einstellung des Quecksilberdampfdruckes übernimmt und das zweite Amalgam an Quecksilber
verarmt ist. Es zeigt sich, daß diese Bedingung erfüllt werden kann, da die Diffusionszeit
für das Quecksilber von der Elektrode bis zum Hauptamalgam etwa 5 Minuten beträgt.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren erläutert: F i g. 1 zeigt ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i g. 2 zeigt das Anlaufverhalten von 65-W-Leuchtstofflampen.
In
das langgestreckte Gefäß 1 der Leuchtstofflampe sind oxydbepastete Wendelelektroden
2 eingeschmolzen. Die Gefäßwandung ist innen mit einem Leuchtstoffbelag 3 versehen.
Das Hauptamalgam kann aus einer gepreßten oder geschmolzenen Pille 4 aus Quecksilber
mit Kadmium und/oder Indium, z. B. aus 55 Gewichtsteilen Quecksilber und 45 Gewichtsteilen
Kadmium, bestehen, die entweder direkt an der dort vom Leuchtstoff befreiten Kolbenwand
klebt oder über ein auf beiden Seiten mit einem Kunststoffkleber versehenes Metallplättchen
mit der Kolbenwand verbunden ist. Das Hauptamalgam kann aber auch in Form eines
ringförmigen Belages auf der Innenseite des Kolbens angebracht sein. Die Lampe enthält
eine Edelgasgrundfüllung von etwa 2,5 Torr, und die Brennspannung beträgt weniger
als zwei Drittel der Versorgungsspannung.
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Die Elektroden 2 sind von einer ring- oder tunnelförmigen Metallkappe
5 aus Eisenblech umgeben. Diese trägt einen Streifen 6 aus einer amalgambildenden
Legierung, vorzugsweise aus Zinn, Indium und Blei. Die Gesamtmenge der amalgambildenden
Metalle im streifenförmigen Belag 6 beträgt etwa 5 bis 10 mg, während das Gewicht
der das Hauptamalgam bildenden Metalle ohne das Quecksilber etwa 50 bis
150 mg beträgt.
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Der Lichtstrom der Lampen mit einem zweiten Amalgam entspricht im
Temperaturgleichgewicht innerhalb der Meßgenauigkeit dem der gewöhnlichen Amalgamlampen.
Innerhalb der Meßgenauigkeit konnte eine Verschiebung der optimalen Temperatur bei
Lampen gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten Amalgamlampen nicht gefunden
werden.
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Die F i g. 2 zeigt in der Kurve 1 das Anlaufverhalten einer 65-W-Leuchtstofflampe
mit einem Hauptamalgam und einem zweiten Amalgam nach der Erfindung in einer handelsüblichen
Leuchte. Die Kurve 2 zeigt zum Vergleich das Anlaufverhalten einer bekannten 65-W-Amalgamleuchtstofflampe
ohne zweites Amalgam. Die Kurve 3 zeigt das Anlaufverhalten einer gewöhnlichen 65-W-Leuchtstofflampe
mit reiner Quecksilberfüllung ohne Amalgam. Es ist jeweils der Lichtstrom 05 in
relativen Einheiten in Abhängigkeit von der nach dem Zünden der Lampe vergangenen
Zeit t in Minuten aufgetragen. Es zeigt sich, daß der Anlauf des Lichtstromes durch
Verwendung des zweiten Amalgams wesentlich verkürzt wird. Die Zeit bis zum Erreichen
des 90 o/oigen Lichtstromes bei einer Lampe ohne Amalgam beträgt etwa 1 Minute und
ist nicht von den Leuchtenabmessungen und der Lampenleistung abhängig. Ein ähnliches
Verhalten zeigt auch eine Amalgamlampe nach der Erfindung, so daß der bei den bekannten
Amalgamlampen auftretende Nachteil durch die Erfindung völlig behoben ist.