DE1464181C - Elektrische Hochdruck Dampfentladungs lampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Hochdruck-Dampfentladungslampe mit einem abgeschlossenen, lichtdurchlässigen Lampenkolben, der zwei feste Metallelektroden, eine im Betrieb vollständig verdampfende und im Betrieb einen Dampfdruck zwischen 1 und 15 Atmosphären ergebende Quecksilbermenge und als Zusatz mindestens ein Jodid der Metalle Natrium, Thallium und Indium enthält.

In der Beleuchtungstechnik nimmt die Quecksilberdampflampe wegen ihrer langen Lebensdauer und ihres hohen Wirkungsgrades einen festen Platz ein. Ein beträchtlicher Nachteil der Quecksilberdampflampe besteht jedoch in dem typisch blaugrünen Licht, das sie emittiert. Dieses Licht mißfällt dem menschlichen Auge und stellt auch wegen der schlechten Farbwiedergabe keine so gute Beleuchtung dar wie weißes Licht. Wegen der Emission ultravioletten Lichtes geht außerdem eine beträchtliche Energiemenge verloren, die nicht zur Lieferung sichtbaren Lichtes beiträgt. Diese und .andere Energieverluste begrenzen den Nutzeffekt der derzeit im Handel erhältlichen Quecksilberdampflampen auf ungefähr 55 Lumen pro Watt Bogenleistung.

Aus der tschechoslowakischen Patentschrift 208 846 ist bereits eine elektrische Hochdruck-Dampfentladungslampe mit einem abgeschlossenen lichtdurchlässigen Kolben bekannt, der zwei feste Bogenelektroden und Quecksilber enthält, dessen Dampfdruck im Betrieb bei völlig verdampftem Quecksilbervorrat etwa 1 bis 15 Atmosphären beträgt, und der so bemessen ist, daß sein kältester Teil im Betrieb eine Temperatur von mindestens 600° C annimmt. Durch die relativ hohe Betriebstemperatur des Kolbens sowie ein Zusatz von Thallium, dessen Menge so groß gewählt ist, daß im Betrieb stets überschüssiges Thallium auf der Gefäßwand vorhanden ist, läßt sich eine gewisse Steigerung der Lichtausbeute gegenüber reinen Quecksilberlampen erzielen. Bei dieser bekannten Lampe ist aber die Lichtfarbe unbefriedigend.

Es ist auch schon seit langem bekannt, daß man das Licht einer Quecksilberlampe, das an sich eine für die Praxis unbrauchbare Farbe hat, dadurch farblich verbessern und insbesondere weißes Licht erzeugen kann, wenn man eine Mischung von Jodverbindungen beispielsweise des Natriums, Indiums und Thalliums einführt. Ein Überschuß beispielsweise von Jod kann die erwünschte Wirkung erhöhen. Eine solche Lampe ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 134 732 beschrieben, doch handelt es sich hierbei um eine Bogenlampe mit mindestens einer (flüssigen) Quecksilberelektrode, deren Nachteile weiter unten noch näher erläutert werden.

In der deutschen Patentschrift 1184 008 wurde bereits eine Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe vorgeschlagen, die bei einem Betriebsdruck von vorzugsweise 4 bis 30 Atmosphären eine im Betrieb restlos verdampfende Quecksilbermenge sowie zur Farbverbesserung dienende metallische Zusätze enthält. Bei diesen Zusätzen, die gleichzeitig mit dem Quecksilber zum Leuchten angeregt werden, kann es sich beispielsweise um Natriumiodid oder Thalliumjodid oder auch um andere Halogenverbindungen handeln. Die Menge mindestens einer der Halogenverbindungen, bezogen auf das Quecksilber, soll vorzugsweise 10 bis 50 Gewichtsprozent betragen. Mit der vorgeschlagenen Lampe wird gegenüber den bekannten Quecksilberdampflampen die Lichtausbeute beträchtlich gesteigert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quecksilber und Halogenzusätze enthaltende Hochdruck-DampfentladungsIampe anzugeben, die bei geringen Ultraviolettverlusten eine besonders gute Lichtausbeute in einer gewünschten, angenehmen Farbe liefert. Vorzugsweise soll weißes Licht erzeugt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Lampe der eingangs angegebenen Art die im Kolben enthaltenen Mengen der Jodide so

ίο bemessen sind, daß sich im Betrieb für jedes Jodid ein Partialdruck zwischen 1 und 200 Torr einstellt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß gegenüber bekannten Quecksilberdampflampen die Lichtausbeute wesentlich gesteigert werden kann, in bestimmten Fällen auf über 100 lm/W, und dabei eine wünschenswerte Spektralverteilung gewährleistet ist.

Die Elektroden sollen so im Lampenkolben angeordnet sein, daß dessen kälteste Stelle im Betrieb immer noch heiß genug ist, um zu gewährleisten, daß

ao eine wirksame Menge von Metalljodiden verdampft wird und bleibt. Es können zwei oder mehr Jodide im Kolben vorhanden sein. Vorzugsweise enthält der '·.{ Kolben einen gewissen Überschuß an Jod, damit keine Verarmung der Jodide möglich ist.

as Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in „ ■ '■ '

Fig. 1 eine teilweise weggebrochen dargestellte Seitenansicht einer Entladungslampe nach der Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Erhöhung des Wirkungsgrades durch die Erfindung im Vergleich mit einer üblichen Quecksilberdampflampe nach tausend Betriebsstunden zeigt, und
F i g. 3 ein Diagramm, aus dem die entsprechenden Wirkungsgraderhöhungen anderer typischer Ausführungsformen der Erfindung aufgezeigt werden.

Das in Fig. 1 dargestellte, spezielle Ausführungsbeispiel einer Dampfentladungslampe nach der Erfindung enthält einen ersten, äußeren lichtdurchlässigen Glaskolben 1, in dem sich ein zweiter, innerer lichtdurchlässiger Kolben 2 befindet. Der Kolben 2 enthält zwei einander gegenüberliegend angeordnete, nichtflüssige Bogenelektroden 3, 4 und eine nahe bei der einen Bogenelektrode 3 angeordnete Zündelektrode 5. Im unteren Ende des Kolbens 2 befindet sich eine Ladung 6 aus einer bestimmten Menge Quecksilber mit einer bestimmten Menge Metallhalogenid. Der Kolben 2 ist im Außenkolben 1 durch eine Anordnung 7 aufgehängt, die zwei senkrechte Haltestäbe 8 umfaßt, die durch eine Anzahl von Verbindungsstreifen 9 verbunden sind, die die' dünneren Enden 10 des Kolbens 2 halten. Mit der Bogenelektrode 4 ist ein Einführungsdraht 11 verbunden, der das obere Ende des Kolbens 2 durchsetzt; an der Elektrode 3 ist ein entsprechender Einführungsdraht 12 angeschlossen. Im unteren Ende des Kolbens 2 verläuft außerdem ein dritter Einführungsdraht 13, der zur Zündelektrode 5 führt. Der Einführungsdraht

11 ist über einen Haltestab 8 mit einer Anschlußleitung 14 verbunden; der zweite Einführungsdraht

12 ist an einen Anschlußleiter 15 angeschlossen. Die Zündelektrode 5 ist über die Leitung 13 und einen Vorwiderstand 16 an die Zuführungsleitung 14 angeschlossen. Die Anschlußleiter 14, 15 sind luftdicht in einen Quetschfuß 17 eines nach innen einspringenden Teiles 18 des Außenbolzens 1 eingeschmolzen und elektrisch mit den Anschlußteilen eines Schraubsockels 19 verbunden.

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Der Außenkolben 1 der Lampe kann aus einem Farbe, der Wirkungsgrad läßt sich jedoch bis auf geeigneten Glas bestehen und dient dazu, die eigent- 90 Im/W erhöhen. Außer den genannten Verbindunliche Lampe mit einer Schutzatmosphäre zu umgeben, gen können auch andere Jodide, Bromide und ChIodie eine Oxydation bei den hohen Betriebstemperatu- ride zur Erzeugung von Licht mit einer bestimmten, ren verhindert. Der Innenkolben 2 besteht am zweck- 5 von weiß abweichenden Spektralcharakteristik vermäßigsten aus Quarz oder einem anderen lichtdurch- wendet werden, wenn dies gewünscht wird. Da Fluolässigen Werkstoff, der in der Lage ist, Innenwand- ride, Quarz und andere glasartige Substanzen temperaturen in der Größenordnung von mindestens chemisch sehr stark angreifen, eignen sie sich nicht 600 bis 1200° C auszuhalten. Die Bogenelektroden 3, in Metallhalogeniden zur Ausführung der Erfindung, 4 sind feste Bauteile aus einem hochwarmfesten Me- io besonders wenn Quarzkolben verwendet werden,
tall, das den hohen Temperaturen an den Ansatz- Um den höchsten Wirkungsgrad zu erreichen, werpunkten de» Bogens zu widerstehen vermag. Die den gemäß der Erfindung Metallhalogenide bevorzugt, Elektroden 3, 4 bestehen vorzugsweise aus Wolfram die Metalle enthalten, welche ein starkes Resonanz- und sind durch einen Aktivator, wie metallisches Strahlungsspektrum oder ein starkes Rekombinations-Thorium, aktiviert, um eine möglichst hohe Elektro- 15 Strahlungsspektrum im sichtbaren Bereich besitzen, nenemission zu gewährleisten. Eine geeignete Form Resonanzstrahlung tritt bei einem erlaubten Überbesteht, wie dargestellt, aus einem Wolframstab mit gang von einem angeregten Zustand in den Grundeinem Thoriumsplitter, um den eine Wolframwendel zustand auf. Zur Erzeugung von weißem oder nahezu gewickelt ist Wenn ein Halogenid eines Metalles mit weißem Licht mit höchstem Wirkungsgrad soll mingenügend kleiner Austrittsarbeit im Bogen vorhanden ao destens ein Metall in der Lampe enthalten sein, das ~ ist, können andererseits die Bogenelektroden anfäng- eine Resonanzlinie im gelben oder roten Spektral-V j lieh unaktiviert bleiben. Die Zündelektrode 5 besteht bereich besitzt, um eine Kombination und Kompenzweckmäßigerweise aus Wolfram. Die inneren Halte- sation des Quecksilberspektrums zu bewirken. Eine teile, die die Anordnung 7 bilden, können aus Nickel, Rekombinationsstrahlung tritt auf, wenn ein freies Edelstahl oder anderen gebräuchlichen Werkstoffen as Elektron mit einem Metallion "zu einem neutralen bestehen. Der Innenraum des Innenkolbens 2 kann Atom rekombiniert. Die Rekombinationsstrahlung ist eine ausreichende Menge eines inerten, ionisierbaren ein Kontinuum und hat bei bestimmten Elementen Gases, beispielsweise eines Edelgases, enthalten, so das Aussehen von nahezu weißem Licht,
daß beim Anlegen der Betriebsspannungen an die Es wurde als weiteres Merkmal der Erfindung ge-Bogenelektroden 3, 4 und die Zündelektrode 5 eine 30 funden, daß sich durch die Verwendung eines einzel-Gasentladung auftritt. Eine derartige Füllung ist bei nen Metallhalogenides in Verbindung mit Quecksilber Quecksilberdampflampen üblich, sie kann beispiels- im Vergleich zu einem reinen Quecksilberbogen zwar weise aus Argon unter einem Druck von etwa 15 Torr schon ein erhöhter Wirkungsgrad und eine bessere bestehen. Spektralverteilung des emittierten Lichtes ergeben,

Die Ladung 6 enthält eine ausreichende Menge von 35 daß jedoch eine unerwartet größere Steigerung des Quecksilber, so daß im Betrieb der Lampe, wenn das Wirkungsgrades und eine, verbesserte Farbcharak-Quecksilber vollständig verdampft ist, ein Druck teristik im Vergleich zu Quecksilberdampflampen eroberhalb einer Atmosphäre und normalerweise von halten werden, wenn man bestimmte Jodide in Komoberhalb einer Atmosphäre bis etwa 15 Atmosphären bination verwendet. So ergeben sich beispielsweise des Quecksilberdampfes im Kolben 2 entsteht. Dabei 40 hervorragende Ergebnisse bei Verwendung von Nawird das typische Quecksilberspektrum emittiert. Die triumjodid in Verbindung mit Thallium oder Thallo-_Λ Ladung 6 enthält außerdem eine ausreichende Menge jodid. Bei einer Bogenentladungslampe mit einer ^j eines Metall-Halogen-Salzes, so daß eine wirksame Füllung aus Quecksilber, Natriumiodid und Thallium Menge des Metallhalogenides verdampft und im ließen sich beispielsweise ein Wirkungsgrad von dampfförmigen Zustand bleibt, wenn das Quecksilber 45 100 lm/W und ein praktisch weißes Licht hoher Reinvollständig verdampft ist und die kälteste Stelle der heit erreichen. Ähnliche Emissionsspektra und Wirinnenwand des Kolbens 2 sich auf einer Temperatur kungsgrade von über 100 lm/W wurden gleichfalls oberhalb von etwa 600° C befindet. Die Halogenid- erreicht durch die Verwendung von Quecksilber, Namenge im Dampfzustand, die wirksam ist, ist die- triumjodid und Thalliumjodid. Auch andere Kombijenige Menge, die ausreicht, im Kolben 2 einen 50 nationen können mit Vorteil verwendet werden. So Partialdruck von etwa 10~³ bis 10³ Torr Halogenid- wurden beispielsweise andere Metalljodide in Lamdampf zu erzeugen. Es wurde gefunden, daß ein pen verwendet, die Quecksilber, Thallojodid und Halogeniddampfdruck von etwa 1 bis 200 Torr wün- Natriumjodid enthielten. Diese Zusätze füllen das sehenswert ist, um den maximalen Wirkungsgrad zu Lampenspektrüm aus und verbessern die Farbwiedererreichen. Diese Beträge hängen jedoch vom Dampf- 55 gäbe. Die derzeit besten Ergebnisse bezüglich der druck des verwendeten Halogenides ab. Farbwiedergabe bei Wirkungsgraden bis zu 80 lm/W

Einige Halogenide, die gemäß der Erfindung ver- wurden mit einer Bogenentladungslampe erzielt, die

wendet werden können, sind die Jodide der Elemente als Füllung, zusätzlich zu einem permanenten Zünd-

Lithium, Natrium, Caesium, Calcium, Cadmium, gas, Quecksilber, Natriumjodid, Thallojodid und

Barium, Quecksilber, Gallium, Indium, Thallium, 60 Indiumjodid enthielt.

Germanium, Zinn, Thorium, Selen, Tellur und Zink. . Wie weiter oben bereits erwähnt worden ist, brau-Die wirkungsvollsten Metalle liegen in der Gruppe chen die festen Metallhalogenide nur in einer solchen der Alkalimetalle, der Erdalkalimetalle und der Menge zugesetzt werden, daß sich bei den Betriebs-Gruppe HIb des Periodischen Systems. Alle genann- temperaturen der Lampe ein Partialdruck von 1 bis ten Jodide ergeben als Zusatz ein weißes oder fast 65 200 Torr der verdampften Halogenide im Inneren des weißes Licht und/oder einen hohen Wirkungsgrad. Lampenkolbens ergibt. Dies wird.ganz allgemein da-So ergibt beispielsweise der Zusatz von Thallium- durch erreicht, daß man in den Kolben einen Überjodid zwar keine größere Verbesserung bezüglich der schuß an Halogenid, beispielsweise 50 mg, einbringt,

da die Dampfdrücke der brauchbaren Metallhalogenide so niedrig sind, daß das Problem in der Praxis darin besteht, genug Halogenid im*Dampfzustand zu erhalten, was durch Einstellung der Temperatur der Kolbeninnenwand geschieht. Wenn jedoch zwei oder mehr Halogenide verwendet werden, um eine bestimmte, ausgeglichene Spektralverteilung zu erhalten, müssen die Hologenidmengen, die im festen oder flüssigen Zustand vorhanden sind, entsprechend beniesen werden, wobei die gewünschte Betriebstemperatur und die Dampfdrücke der verschiedenen Kom-. ponenten berücksichtigt werden müssen, daß sich die gewünschten Partialdrücke der einzelnen Komponenten ergeben.

Während normalerweise im allgemeinen das Halogenid mit dem niedrigsten Dampfdruck nicht besonders berücksichtigt werden muß, werden dagegen die Komponenten mit höheren Dampfdrücken'häufig in kleinen Mengen in den Kolben eingebracht, dabei ist beabsichtigt, daß alle diese Bestandteile bei derjenigen Betriebstemperatur verdampfen, die erforderlich ist, um die nötige Menge des Bestandteiles mit dem niedrigsten Dampfdruck in den Dampfzustand überzuführen. Ein Beispiel dieser Abstimmung der einzelnen Bestandteile soll an Hand einer 400-W-Lampe mit einem. Volumen des Innenkolbens von 25 cm³ und einem Elektrodenabstand von .7,5 cm gezeigt werden.

Diese Lampe hatte folgende Füllung:

" 15 Torr Argon,

¹ 80 mg Quecksilber,

5 mg Thallojodid,
40 mg Natriumiodid,
50 Torr Jod.

In dieser Mischung besitzt das Thalliumjodid einen höheren Dampfdruck als das Natriumiodid und soll daher ganz verdampft werden.

Der maximale Wirkungsgrad von etwa 100 lm/W wurde bei dieser Lampe mit einer Temperatur der Außenwand des Innenkolbens von 850⁰C entsprechend einer Innenwändfemperatur von etwa 900° C erreicht. Bei dieser Temperatur war der Partialdruck des Thallojodids etwa 100 Torr und der Partialdruck des Natriumjodids etwa 10 Torr. Der Quecksilberpartialdruck war etwa 4 kp/cm².

Beim Betrieb von Bogenentladungslampen gemäß der Erfindung ist es von größter Wichtigkeit, daß das Quecksilber nur in verhältnismäßig kleiner Menge vorhanden ist, so daß das gesamte Quecksilber im Betrieb verdampft. Es ist nämlich wesentlich, daß die gesamte Kolbeninnenwand und alle im Inneren des Kolbens 2 frei liegenden Flächen der in Fig. 1 dargestellten Lampe eine Temperatur von über 600⁰C, vorzugsweise zwischen 750 und 1200° C, annehmen. Dies ist notwendig, um sicherzustellen, daß die Temperatur des kältesten Teiles der Wand ausreichend hoch ist, um eine genügende Menge des im Kolben vorhandenen Metallhalogenides zu verdampfen, damit die angestrebten Vorteile erreicht werden. Wenn der Kolben zuviel Quecksilber enthält und nicht alles Quecksilber verdampft wird, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn ein flüssiger Quecksilbersumpf als eine Lampenelektrode verwendet wird, steigt die Temperatur mindestens eines Teiles der Kolbenwand, nämlich des Teiles in der Nachbarschaft der Quecksilberelektrode, nicht über den Kochpunkt des Quecksilbers für den Betriebsdruck, wenn nicht untragbar hohe Quecksilberdampfdrücke, die wesentlich oberhalb von 15 kp/cm² liegen, auftreten sollen.

Die maximale Temperatur des Quecksilbersumpfes unter diesen Bedingungen und dementsprechend der benachbarten Wandteile wäre dann die Gleichgewichtstemperatur des Quecksilbers für diesen Druck, sie beträgt bei den Betriebsdrücken der erfindungsgemäßen Lampen nur wenig mehr als 355° C, d. h., wenig mehr als die Siedetemperatur des Quecksilbers unter Atmosphärendruck. Diese Temperaturen sind zu niedrig, um eine für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Lampen gemäß der Erfindung ausreichende

»5 Menge Halogenid zu verdampfen oder in der Dampfphase zu halten. Unter diesen Bedingungen würden Halogenide, die beispielsweise durch Berührung mit dem Bogenbrennfleck verdampft worden sind, nur vorübergehend in der Dampfphase bleiben und dann

ao am kältesten Punkt der Kolbenwand wieder konden-■ sieren, so daß nur der Quecksilberdampf als praktisch einzige dauernd Licht emittierende Quelle verbleibt, während die zur Farbkorrektion bestimmten Komponenten nur einen flackernden Anteil beitragen.

^a5 Obgleich es bereits bekannt ist, bestimmte Metallhalogenide in einer Quecksilberbogenlampe zu verwenden, um dem hauptsächlich im blauen Spektralbereich liegenden Emissionsspektrum des Quecksilberbogens rote Komponenten zuzusetzen und damit weißes Licht zu erzeugen, arbeiten die bekannten Lampen immer mit einer flüssigen Quecksilberelektrode, die bei niedrigen Temperaturen und Drücken betrieben wird, so daß keine dauernde Farbkorrektion möglich ist und, was noch wichtiger ist, keine nennenswerte Wirkungsgradsteigerung durch diese Maßnahmen erreicht werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß durch Zusatz von Metallhalogenide zu Quecksilberdampflampen unter bei den bekannten Lampen vorliegenden Verhältnissen keine dauernde Lichtemission durch das Halogenid oder seine Bestandteile erreicht werden kann; es ergeben sich vielmehr nur kurzzeitige, flackernde Änderungen der Emission des Quecksilberbogens.

Die Farbkorrektion, die mit den bekannten Lampen überhaupt möglich war, konnte auch nur für wenige Stunden erreicht werden. Solange Quecksilber in flüssiger Form vorhanden ist, tritt nämlich eine Aufzehrung der Zusätze auf, indem diese chemisch mit dem Quecksilber reagieren, in diesem gelöst werden oder sich mit ihm mischen und dauernd auf den kalten Wandteilen in der Nähe des Quecksilberdampfes niedergeschlagen werden. Diese Vorgänge werden durch den Bogen selbst weiter beschleunigt, der bevorzugt an einer sauberen Quecksilberfläche ansetzt, wobei sich das Minimum des Energieverbrauches und der Bogenspannung einstellen. Auf der Quecksilberoberfläche schwimmende Zusätze werden außerdem durch die Dampfströmung an einer Berührung mit dem Bogen gehindert, die an der Oberfläche des Quecksilbersumpfes durch das explosiv verdampfende Quecksilber entsteht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Metallhalogenide -jedoch in einer Bogenentladungslampe verwendet, die unter Bedingungen betrieben wird, die eine Verdampfung der Halogenide und ihr Verbleiben im Dampfbad erlauben, so daß sie einen nennenswerten und wichtigen, dauernd Licht emittierenden Bestandteil der Lampe darstellen, der in ho-

hem Maße für die verbesserte Farbe und den erhöh- wichtig, um sicherzustellen, daß eine wirksame Menge

ten Wirkungsgrad verantwortlich ist. Metallhalogenid verdampft und im Dampfzustand

Die Lampen gemäß der Erfindung können als Mit- verbleibt.

teldruck-Bogenentladungslampen bezeichnet werden. Die obere Grenze von 1200° C für die Temperatur Der Quecksilberdampfdruck, d. h. der Hauptpartial- 5 der Kolbeninnenwand stellt keine prinzipielle Grenze druck, wird auf über eine bis etwa 15 Atmosphären für die Arbeitsweise der Lampe dar; bei dieser Tem-Quecksilberdampf dadurch eingestellt, daß im Innen- peratur beginnt jedoch der im allgemeinen für den kolben 2 eine solche Menge Quecksilber vorhanden Kolben 2 benutzte Werkstoff Quarz unzulässig weich ist, daß sich der gewünschte Druck bei den normalen zu werden. «Bei Verwendung eines lichtdurchlässigen, Betriebstemperaturen der Lampe einstellt, wenn das io bei noch höheren Temperaturen beständigen Werk-Quecksilber völlig verdampft ist. Wenn die minimale stoffes für den Kolben, beispielsweise des in jüngerer Temperatur des Kolbens verringert wird, so daß der Zeit entwickelten Aluminiumoxyds hoher Dichte, Quecksilberdruck unter eine Atmosphäre sinkt, reicht kann die obere Grenze der Betriebstemperatur erhöht die Temperatur ebenfalls nicht aus, eine₍ genügende werden.

Menge Metallhalogenid zu verdampfen und im 15 Bei Verwendung von Quarz für den Innenkolben 2 Dampfzustand zu halten. Wenn andererseits der darf die Wandtemperatur im Betrieb jedoch etwa Quecksilberdampfdruck etwa 15 Atmosphären und 1200⁰C nicht überschreiten. Da Jod das am wenigder Halogenidpartialdruck etwa eine Atmosphäre sten reaktionsfähige Halogen ist und da die Möglichübersteigen, nehmen die Temperaturen des Bogens keit eines Angriffes des Quarzes durch Halogen be- und der Kolbenwand Werte an, die zu einer Schädi- ao steht, werden die Jodide als Halogenide im Innengung der Kolbenwand führen. Als nachteilige Effekte kolben 2 bevorzugt, wenn dieser aus Quarz besteht. ' können auftreten: Entglasung, Wolkenbildung und Die Temperatur der Kolbeninnenwand wird da.-Bruch. Bei hohen Drücken tritt außerdem eine Ver- durch gesteuert, daß man die Kolbeninnenwand in breiterung und schließlich eine starke Selbstumkehr einem genügend kleinen Abstand vom Bogen ariordder Resonanzlinien des Linienspektrums der Metall- 15 net, so daß die im Bogen entwickelte Wärme die Kolatome der dissoziierten Halogenide auf, wodurch der benwand auf die gewünschten Temperaturen bringt. Wirkungsgrad entsprechend sinkt. Die Selbstumkehr Außerdem wird die Lampe mit so hohen Spannungen von Linien .ist durch eine Intensitätsabnahme im und Strömen betrieben, daß im Bogen genug Leistung Schwerpunkt der Spektrallinie und durch eine Druck- zur Verfügung steht, um die erforderliche Wandtemverbreiterung der Linie gekennzeichnet. Während eine 30 peratur sicherzustellen. Eine Möglichkeit, diese Armäßige Selbstumkehr der Spektrallinien zugelassen beitsweise zu erreichen, besteht in der Spannungswerden kann, ist die starke Selbstumkehr bei Lampen Versorgung 20, die einen geeigneten Autotransformator dieses Typs unerwünscht, die auftritt, wenn der Par- 21 und eine Wechselspannungsquelle 22 enthalten tialdruck der Halogenide etwa eine Atmosphäre über- kann. 400-W-Lampen wurden auf diese Weise mit steigt. Die intensive Selbstumkehr beruht auf der 35 einem Autotransformator Typ General Electric, Ka-Selbstabsorption der emittierten Resonanzstrahlung talog Nr. 86 G14 betrieben.

durch die Metallatome der dissoziierten Metallhalo- Als zusätzliche Steuerungsmittel können im Außen-

genide, die sich außerhalb der Bogenachse befinden kolben 1 und im Innenkolben 2 Maßnahmen getroffen

und auf einer anschließenden strahlungslosen Energie- sein, um Wärmeverluste von der Wand des Kolbens 2

abgabe der angeregten Atome. Die Umkehr nimmt 40 zu verringern. Hierfür kann der Zwischenraum auf

mit der Dichte der nicht angeregten Metallatome ein Hochvakuum, beispielsweise unter 10~^s Torr,

zwischen dem Bogen und der Kolbenwand zu. evakuiert und mit einem Gas hohen Molekularge-

Die Parameter, von denen die Arbeitsweise der wichtes, wie Xenon, unter einem niedrigen Druck Entladungslampen nach der Erfindung letztlich ab- gefüllt werden, oder der den Kolben 2 umgebende hängt, sind Dampfdichte im Kolben, Bogentempera- 45 Raum kann mit einem Werkstoff gefüllt werden, der tür und Temperatur der Kolbeninnenwand. Der erste selektiv sichtbare Strahlung durchläßt und infrarote dieser Parameter, die totale Dampfdichte, wird auf Strahlung zurückhält, beispielsweise Quarzwolle, einem Wert in der Größenordnung von 10¹⁸ bis 10²⁰ Während eine Packung aus Quarzwolle die Licht-Dampfatome pro cm³ gehalten und ist wichtig, um zu ausgangsleistung etwas verringert, erhöht sich anderergewährleisten, daß die Bogentemperatur innerhalb 50 seits unerwarteterweise der Wirkungsgrad der Lampe des richtigen Bereiches bleibt, daß weiterhin verhin- auf Werte bis zu 120 lm/W.

dort wird, daß ionisierende Elektronen zur Kolben- Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Lam-

wand abdiffundieren und daß im Falle zu hoher penwirkungsgrades besteht darin, um die den Katho-

Dampfdichten die Spektrallinien unerwünscht ver- den benachbarten Endbereiche des Innenkolbens 2

breitert und eine zu starke Selbstumkehr eintritt. 55 wärmereflektierende Schirme anzuordnen, um die an

Der zweite dieser Parameter, die Bogentemperatur, die Kathode angrenzenden Bereiche der Innenwand wird in einem Bereich von etwa 3000 bis 6000° C in heiß zu halten. Normalerweise verringern solche der Mitte der Bogensäule gehalten, so daß gewähr- Schirme bei den üblichen Bogenentladungslampen leistet ist, daß die Elektronen im Bogen genügend die Gesamtlichtausbeute. Ganz unerwarteterweise Endrgie besitzen, um die Metallatome des Halogeni- 60 wird jedoch durch das Hinzufügen solcher Schirme des zur Resonanzstrahlung anregen zu können, wäh- zu Lampen gemäß der Erfindung der Wirkungsgrad rend eine Anregung zu einer unerwünschten, außer- der Lampe derart erhöht, daß das Hinzufügen der halb des sichtbaren Spektrums liegenden Strahlung Schirme die Lichtausgangsleistung im Endeffekt ermöglichst vermieden werden soll, höht. Diese Erhöhung beträgt bis zu 10'/0. Die

Der verbleibende letzte Parameter, die Temperatur 65 Wärmeschirme können aus dünnen, reflektierenden

der Kolbeninnenwand, wird auf einem Wert oberhalb Schichten bestehen, wie sie bei 23 in F i g. 1 nur am

von etwa 600° C und vorzugsweise im Bereich von oberen Ende des Kolbens 2 dargestellt sind, oder, es

etwa 600 bis 1200° C gehalten. Diese Temperatur ist können äußere, reflektierende Schirme verwendet

werden, die diese Bereiche des inneren Kolbens 2 in engem Abstand umschließen.

Das in F i g. 2 dargestellte Diagramm zeigt auf der Ordinate den Wirkungsgrad in Lumen pro Watt Bogenleistung in Abhängigkeit von der auf der Abszisse in Watt aufgetragenen Eingangsleistung des Bogens. Die Kurve A zeigt die Werte für eine gewöhnliche Quecksilberdampflampe, während die Kurve B für eine typische Lampe gemäß der Erfindung gilt, die Quecksilber, Natriumjodid und Thallium enthält. Die Werte wurden aufgenommen, nachdem die Lampen 1000 Stunden gebrannt hatten. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß bei einer Eingangsleistung von etwa 500 Watt die Lampe gemäß der Erfindung entsprechend der Kurve B einen Wirkungsgrad von ungefahr .100 lm/W Bogenleistung zeigt, während die gewöhnliche Quecksilberdampflampe einen Wirkungsgrad von weniger als 60 lm/W besitzt.

Aus dem in F i g. 3 dargestellten Diagramm, dessen Koordinaten F i g. 2 entsprechen, ist ersichtlich, ao daß eine Lampe mit einer Füllung aus Quecksilber, Thalliumjodid und Natriumjodid eine Wirkungsgradkennlinie besitzt, die der Kurve B in F i g. 2 sehr ähnlich ist. Obwohl andere Halogenidzusätze den Wirkungsgrad von 100 lm/W Bogenleistung der Lampe as mit Quecksilber-, Natriumjodid- und Thalliumjodid-Füllung nicht erreichen, ergeben trotzdem Zusätze von Quecksilberjodid, Bariumjodid oder Calciumjodid höhere Wirkungsgrade als Quecksilber allein zuzätzlich zu dem Vorteil, daß alle diese Lampen weißes oder annähernd weißes Licht liefern, während der normale Quecksilberbogen ein grünlichblaues Licht emittiert. Außerdem zeigt F i g. 3, daß eine Lampe mit einer Füllung von Hg, TIJ, NaJ und InJ einen Wirkungsgrad von etwa 80 lm/W besitzt. Diese Lampe emittiert ein noch angenehmeres Licht als eine Lampe mit einer Füllung aus Hg, TIJ und NaJ.

In F i g. 2 und 3 stellen die Kurven jeweils Daten dar, die durch die Prüfung von gleichartigen Lampen, die sich nur durch die Füllung unterscheiden, unter gleichen Bedingungen in der gleichen Integrationskugel gewonnen wurden. Hierdurch ist ein Vergleich der Wirkung der den Bogen bildenden Werkstoffe unabhängig von anderen Einflüssen möglich.

Im Betrieb der Lampen gemäß der Erfindung wird als erstes eine Spannung an die Bogenelektroden 3, 4 und die Zündelektrode 5 angelegt. Infolge ihres geringen Abstandes bildet sich an der Zündelektrode S und der Bogenelektrode 3 sofort eine Glimmentladung, die von dem im Kolben enthaltenden Edelgas getragen wird. Diese Entladung heizt die Elektrode 3 auf und erzeugt eine genügende Anzahl von Edelgasionen, so daß eine Entladung in der Hauptentladungsstrecke zwischen den Bogenelektroden 3, 4 zündet. Die von dem Edelgasbogen entwickelte Hitze bewirkt ein Verdampfen des Quecksilbers der Füllung 6, und nachdem eine genügende Anzahl von Quecksilberionen thermisch im Edelgasbogen gebildet worden sind, beginnt die Lampe mit der für eine Quecksilberentladung typischen blauen Farbe zu glimmen. Es ist bekannt, daß man auch auf andere Weise einen Quecksilberbogen erzeugen kann. Die Quecksilberentladung nimmt dann an intensität zu und heizt die Innenwände des Innenkolbens 2 auf, so daß der Dampfdruck des Metalljodides steigt.

Wenn die Temperatur der Innenwand des Kolbens 2 etwa 600° C erreicht hat, ist eine genügende Menge Halogenid verdampft und verbleibt im Dampfzustand, so daß der erforderliche Halogenid-Betriebspartialdruck im ganzen Kolben 2 vorhanden ist. Ist dies der Fall, so dissoziieren in der hohen Temperatur in der Bogenseele, die etwa 3000° C oder höher ist, eine genügende Anzahl Moleküle des verdampften Halogenides, werden durch den Bogen angeregt und emittieren die charakteristischen Linienspektren, wodurch die Gesamtstrahlung aus dem Bogen in ein angenehmes, annäherndes oder völliges Weiß intensiver Brillanz umschlägt.

Spektroskopische Untersuchungen des von Lampen gemäß der Erfindung emittierten Lichtes zeigen, daß die Strahlung zusätzlich zum typischen Linienspektrum des Quecksilbers die Linienspektren der Metalle des oder der verwendeten Halogenide enthält. Aus diesem Grunde wird angenommen, daß die Metallhalogenidmoleküle in den Lampen gemäß der Erfindung thermisch dissoziiert sind und durch Stöße mit stabilen oder metastabilen Quecksilberatomen oder Ionen angeregt werden, die genügend Energie liefern, so daß die charakteristischen Linienspektren emittiert werden können. Auf dieser Arbeitsweise beruhen die hohen Wirkungsgrade, die bei den Lampen nach der Erfindung erreicht werden können.

In einer Quecksilberbogenlampe liegen folgende Verhältnise vor: Da die niedrigste Anregungsenergie des Quecksilbers etwa 4,5 eV beträgt, muß ein Elektron diese Energie besitzen, um ein Quecksilberatom zur Resonanzstrahlung anregen zu können. Bei der Bogentemperatur, die etwa im Bereich zwischen 3000 und 6000° C liegt, besitzen nur verhältnismäßig wenig Elektronen diese Energie. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Quecksilberbogens begrenzt.

Die Verhältnisse in einem nur von Metallhalogeniden getragenen Bogen liegen dagegen so: Die Anregungsenergie des Metalls des Halogenides beträgt im Falle von Natrium nur 2,1 eV. Wegen der Temperaturbeständigkeit der Metallhalogenide, ist es jedoch bei den mäßigen Temperaturen und Drücken der Halogenide in den Lampen des beschriebenen Typs nicht möglich, dem Bogen genügend Leistung mit tragbaren Spannungen und Strömen zuzuführen, um Licht hoher Intensität zu erzeugen. Dies ist nur zu erreichen, wenn das Metallhalogenid bei sehr hohen Temperaturen und Drücken vorhanden ist.' Diese hohen Halogeniddrücke ergeben eine Selbstumkehr der Resonänzlinien und eine Spektralverschiebung. In manchen Lampen kann dies zwar zugelassen werden, bei Lampen des betrachteten Typs ist es jedoch unerwünscht.' Außerdem werden Metallatome, die durch Dissoziation von Halogeniddampf bei mäßigen Drücken gebildet werden, in einem Halogenidbogen geringer Dichte allein nicht leicht angeregt, die Elektronen, die die Anregung bewirken sollten, wandern dagegen zur Kolbenwand und gehen verloren.

Es seien nun die Verhältnisse in den Lampen nach der Erfindung betrachtet. Das Quecksilber verdampft leicht und wird unter Bildung eines Bogens verdampft, dessen Temperatur ausreichend hoch ist, um einen nennenswerten Teil der verdampften Metalljodidmoleküle zu dissoziieren. Die Metallatome des Halogenides werden dann leicht durch Elektronen, Atome und Ionen im Bogenplasma angeregt. Da Elemente mit einer niedrigen minimalen Anregungsenergie gewählt werden können, wie Natrium (2,1 eV), Thallium (2,4 eV) oder Indium (3,0 eV) ist leicht eine Anregung durch Elektronen möglich, deren Energie zur Anregung von Quecksilberatomen (4,5 eV) nicht

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ausreicht. Außerdem können nur verhältnismäßig wenig der anregenden Elektronen aus dem Bogen zur Kolbenwand entweichen, da sie im Plasma durch elastische Stöße mit den Quecksilberatomen hoher Dichte zurückgehalten werden.

Hieraus ist ersichtlich, daß die Gasdichte infolge der Anwesenheit von Quecksilberdampf im Kolben höher ist, als sie bei derselben Temperatur wäre, wenn nur Jodiddampf in der Lampe vorhanden wäre. Dies macht es möglich, die Strahlung von den angeregten Metallatomen des Halogenides auszunützen, ohne die Temperatur des Kolbens ungebührlich zu erhöhen und ohne den Druck des Halogeniddampfes im Kolben so weit steigern zu müssen, wie es notwendig wäre, um in einem im Metallhalogenid allein brennenden Bogen brauchbare Helligkeit und Wirkungsgrade zu erzielen. Dies ist ein großer Vorteil, da höhere Verluste an Infrarotstrahlung vom Kolben und vom Bogen auftreten würden, die den Wirkungsgrad der Lampe verringern, wenn der Halogenid-

^_n dampf bei Temperaturen betrieben werden müßte, ( J die erforderlich sind, wenn kein Quecksilber vorhan-

" den ist. Zusätzlich wird durch die Arbeitsweise bei der verhältnismäßig geringen Temperatur und bei verhältnismäßig geringer Jodiddichte die Korrosion des Lampenkolbens und der Elektroden verringert, da der chemische Angriff der Halogenide auf die betreffenden Werkstoffe bei niedrigen Temperaturen und Drücken sehr klein ist, während er zerstörende Ausmaße annehmen würde bei Temperaturen und Dichten, die erforderlich sind, um einen Bogen in Metallhalogeniddampf allein aufrechtzuerhalten. Aus Gründen dieser Art übersteigt der Gesamtdruck der Halogenide im Betrieb der Lampe bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Atmosphäre nicht, auch wenn drei oder mehr Halogenide verwendet werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß es wünschenswert ist, die Lampen gemäß der Erfindung mit einer Füllung zu betreiben, die einen Überschuß an Halogendampf enthält. Wenn auch Lampen, die ohne überschüssiges, freies Halogen betrieben werden, in einem vernünftigen Maße frei

von Verfärbungen in der Nähe der Elektroden sind, so hat es sich doch gezeigt, daß die Schwärzung der Kolbenwände in der Nähe der Elektroden noch geringer gehalten werden kann, wenn freier Halogendampf vorhanden ist. Der Grund hierfür liegt anscheinend darin, daß ein Teil des infolge einer Dissoziation des Metallhalogenides vorhandenen Halogens chemisch mit dem Kathodenwerkstoff reagiert, so daß ein Überschuß an Metalldampf vorhanden ist. Dieser Metalldampf kondensiert anscheinend bei Erkalten der Lampe. Wenn ein Überschuß an freiem Halogen vorhanden ist, steht immer genügend Halogen zur Verfügung, um ein Ausfallen oder Niederschlagen freien Metalls auf der Kolbenwand zu verhindern, gleichgültig, ob dieses Metall von der Halogenfüllung oder von der Kathode selbst stammt. In der Praxis ist für diesen Zweck eine Menge freien Halogens derselben Art als das Halogen des Halogenides ideal geeignet, die ausreicht, um bei der Betriebstemperatur einen Partialdruck von 1 bis 100 Torr überschüssigen Halogens über das stöchiometrische Verhältnis des Halogenides zu erzeugen.

In einer gemäß der Erfindung konstruierten Lampe betrug der Innendurchmesser des Kolbens 2 in F i g. 1 etwa 1,5 cm, und die Länge zwischen den Bogenelektroden war 7 cm. Die Spannung zwischen den Elektroden betrug 200Veff bei 2,2 A. Der Kolben war mit 15 Torr Argon gefüllt und enthielt 200 mg Hg, 5 mg TI und 5 mg NaJ. Zusätzlich wurden 5 Torr Partialdruck an gasförmigem Jod im Überschuß über das Jodid zugesetzt. Die Lampe arbeitete während 1300 Stunden mit einem Wirkungsgrad zwischen 70 und 801m/W bei einer Leistungsaufnahme von ungefähr 400W, bevor sie versagte. Der Grund des

ίο Ausfalls bestand darin, daß der Innenkolben in Luft betrieben worden war und nicht in einer Atmosphäre aus einem nichtreaktionsfähigen Gas, wie es wünschenswert ist, so daß die Zuleitung 11 zum Innenkolben korrodierte und brach. Das Innere der Lampe war jedoch noch betriebsfähig.

Ein weiterer Vorteil von Lampen gemäß der Erfindung ist eine Verringerung der Verluste durch Ultraviolettstrahlung. Der Grund hierfür ist anscheinend die Bildung einer dünnen, vielleicht mono-

ao molekularen Schicht aus Metallhalogenid auf der Innenfläche der Wand des Kolbens 2, die die Ultraviolettstrahlung absorbiert. Die auf diese Weise zurückgehaltene Energie trägt zur Aufheizung der Kolbenwand bei. Diese dünne Schicht ist außerdem

»5 für einen anderen nützlichen Effekt verantwortlich. An sich war angenommen worden, daß die Verwendung von Dämpfen von Salzen derartig reaktionsfähiger Metalle wie Natrium nicht zweckmäßig ist, da ein Angriff der Kolbenwand durch die reaktionsfähigen Metalle erwartet wurde. Infolge des Vorhandenseins einer dünnen Halogenidschicht auf der Innenwand des Kolbens wurde kein derartiger Angriff beobachtet.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrische Hochdruck-Dampfentladungslampe mit einem abgeschlossenen, lichtdurchlässigen Lampenkolben, der zwei feste "Metallelektroden, eine im Betrieb vollständig verdampfende und im Betrieb einen Dampfdruck zwischen 1 und 15 Atmosphären ergebende Quecksilbermenge und als Zusatz mindestens ein Jodid der Metalle Natrium, Thallium und Indium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kolben enthaltenen Mengen der Jodide so bemessen sind, daß sich im Betrieb für jedes Jodid ein Partialdruck zwischen 1 und 200 Torr einstellt.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben Jod in einer Menge enthält, die ausreicht, zu verhindern, daß der Jodgehalt der Jodide während der normalen Lebensdauer der Lampe verarmt.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben elementares Thallium enthält.

4. Dampfentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in an sich bekannter Weise ein Edelgas als Zündgas enthält.

5. Dampfentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Druck der Metalljodide im Betrieb der Lampe eine Atmosphäre nicht übersteigt.

6. Dampfentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der

Kolben Natriumiodid und Thalliumjodid enthält.

7. Dampfentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben. Natriumiodid, Thalliumjodid und Indiumjodid enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen