DE1539514C3 - Natrium-Niederdruck-Entladungslampe mit Grundgasfüllung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Natrium-Niederdruck-Entladungslampe, die zur Unterstützung der Entladung während des Anlaufens der Lampe und zur Beeinflussung der elektrischen Daten der Entladung mit einem Grundgas gefüllt ist, das aus Krypton oder Argon oder einer Mischung von Krypton und/oder Argon und/oder Neon mit einem Fülldruck zwischen 2 und 6 Torr besteht.

Ziel der Erfindung ist es, eine Natriumlampe derart zu bemessen, daß eine gute, leichte Zündung, ein sicherer Anlauf und gleichzeitig ein möglichst hoher Lichtstrom und eine möglichst hohe Lichtausbeute erreicht wird. Die Maxima dieser Forderungen sind nicht gleichzeitig zu erreichen und hängen außer von der Leistungsaufnahme unter anderem von der Art des Grundgases und von dessen Fülldruck ab. Außerdem ist es wünschenswert, die Lampen mit einer Versorgungsspannung von etwa 220 V und Brennspannungen von 100 bis 110 V in Drossel-Starter-Schaltung zu betreiben.

Es ist bekannt (DT-PS 10 22 322), daß mit steigendem Neonanteil der Grundgasfüllung sich die Brennspannung der Lampe erhöht. Ein Argon-Zusatz setzt an sich die Anlaufspannung herab. Infolge Aufzehrung des Argons während der Lebensdauer der Lampen steigen die Anlauf- und Brennspannungen wieder an, so daß die Betriebssicherheit einer solchen Lampe stark beeinträchtigt wird. Dieser Brennspannungsanstieg kann mit steigendem Xenon und/oder Kryptonanteil herabgesetzt werden, wobei dann allerdings die Lichtausbeute etwas abnimmt. Bei den bekannten Anwendungen dienen die Zusätze schwerer Edelgase zum Neon als Zünd- und Anlaufhilfe. Es handelt sich um Zusätze von Argon von 0,05 bis 1 Volumprozent der vorhandenen Neonmenge; dabei enthält die Argonmenge bis zu 25

ίο Volumprozent Xenon und/oder Krypton, d. h., die Grundgasfüllung enthält weniger als ¹Ai Volumprozent an Xenon und/oder Krypton. Vorzugsweise beträgt der Argonanteil 0,18 Volumprozent der Neonmenge und der Xenon- und/oder Krypton-Anteil 0,02 Volumpro-

IS zent der Neonmenge. Der Druck soll 10 Torr betragen.

Bekannt ist auch eine natriumdampfenthaltende Entladungslampe (DT-PS 7 29 542), bei der das Natrium durch Lithium, Cäsium, Magnesium, Zink, Thallium mit eventuellem Zusatz von Quecksilber oder Cadmium ersetzt sein kann, mit einer Edelgasfüllung, insbesondere mit Argon oder Krypton, aber auch mit Neon oder Helium, jedoch mit keiner Mischung davon. Der Druck kann einige Torr betragen, soll aber vorzugsweise gleich oder kleiner als 1 Torr sein, da bei höheren Drücken eine Verschlechterung der Ökonomie auftritt. Die Verwendung einer Edelgasgrundfüllung von Argon oder Krypton oder einem Gemisch von wenigen Torr ist aus den ausgelegten Unterlagen D 68 141 VIIIc/21 f, 82-01 bekannt. In der GB-PS 6 21 465 ist die Verwendung einer Edelgasfüllung als Startgas, z. B. Argon, mit einem Druck von 2 bis 5 Torr angegeben.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß durch Gemische aus den Edelgasen Krypton, Argon und Neon, wobei der Anteil der einzelnen Komponenten in der Größenordnung von 10% liegt, die Betriebsdaten der Lampen in weiten Grenzen variiert werden können. Mit Hilfe solcher Gemische kann man Brennspannungsverhalten, Betriebssicherheit und Lichtausbeute einzeln optimieren. Ferner ist bekannt (Philips' Technische Rundschau 1961/62, S. 236 bis 248), daß der Lichtstrom und die Lichtausbeute bei Abnahme des Grundgasfülldruckes zunehmen. Bei Versuchen an Neon-Argon-Gemischen wurde gefunden, daß zwischen etwa 2 und 6 Torr ein Maximum eintritt und bei kleineren Drücken.

wieder eine Abnahme des Lichtstromes und der Lichtausbeute erfolgt. Außerdem verschlechtert sich bei noch kleineren Drücken das Betriebsverhalten der Lampen erheblich. Ein Vorteil der untersuchten Gasgemische besteht darin, daß die vorteilhaften Fülldrücke von etwa 2 bis 6 Torr verwendet werden können, ohne daß Schwierigkeiten mit der Gasaufzehrung im Laufe der Lebensdauer auftreten.

Auf Grund der Ergebnisse dieser umfangreichen Untersuchungen wurde als Kompromiß der Forderungen auf möglichst hohe Werte des Lichtstromes, der Lichtausbeute und der Betriebssicherheit eine Natrium-Niederdruck-Entladungslampe mit einer Grundgasfüllung aus Krypton oder Argon oder einer Mischung von Krypton und/oder Argon und/oder Neon mit einem Fülldruck zwischen 2 und 6 Torr gefunden, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß im Grundgas Krypton und Argon mit einem Anteil größer oder gleich 20 Volumprozent enthalten sind. Vorzugsweise sollen in einem Grundgas aus einer Mischung von Krypton + Argon oder Krypton + Argon + Neon Krypton > 15 Volumprozent, Argon < 85 Volumprozent, Krypton + Argon > 35 Volumprozent enthalten sein. Als günstig hat sich erwiesen, wenn im Grundgas

aus Krypton oder einer Mischung von Krypton + Argon oder Krypton + Argon + Neon gleich oder mehr als 30 Volumprozent Krypton und gleich oder weniger als 70 Volumprozent Argon enthalten sind. Folgende Grundgasmischungen wurden als vorteilhaft erprobt:

a) 40 Volumprozent Krypton + 40 Volumprozent Argon + 20 Volumprozent Neon

b) 30 Volumprozent Krypton + 70 Volumprozent Argon ίο

c) 40 Volumprozent Argon + 60 Volumprozent Neon

Außerdem sind die Lichtausbeute, Brennspannung und Wiederzündspitze unabhängig von der Grundgasfüllung noch durch besondere Formgebungen des Entladungsrohres, insbesondere eines Dellenrohres, zu beeinflussen.

In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Natrium-Niederdruck-Entladungslampe veranschaulicht.

F i g. 2 zeigt die Abhängigkeit der Brennspannung als Funktion der Leistungsaufnahme für verschiedene Grundgasfüllungen;

F i g. 3 veranschaulicht die Abhängigkeit der Wiederzündspitze im Lichtstrommaximum als Funktion der Gaszusammensetzung;

F i g. 4 zeigt die Abhängigkeit des Lichtstromes im Lichtstrommaximum als Funktion des Fülldruckes und

F i g. 5 den Verlauf der Lichtausbeute im Lichtstrommaximum als Funktion des Fülldruckes;

F i g. 6 veranschaulicht die Abhängigkeit der Lichtausbeute im Lichtstrommaximum von verschiedenen Grundgasfüllungen.

Die Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach F i g. 1 besteht aus einem Entladungsbrenner 1 mit der Halterung 6, dem Fuß 7 und dem Außenkolben 2. Das Entladungsbrennerrohr 1 weist quer zur Längsachse Vertiefungen oder Dellen 3 auf, die praktisch gleichmäßig über die ganze Länge, abwechselnd jeweils um 180° versetzt, angeordnet sind. Als Elektroden sind Oxydwendeln 4 vorgesehen. Das Pumprohr 5 dient zum Evakuieren und Füllen des Entladungsbrenners 1 mit Na-Metall sowie mit Grundgas. Die Enden des Entladungsrohres 1 werden durch die Halterung 6 gegen den Außenkolben 2 und den Fuß 7 federnd abgestützt. Gleichzeitig dient die Halterung 6 zur Befestigung der Getterringe 9. Der Fuß 7 weist in bekannter Weise wiederum ein Pumprohr 8 auf, durch das der Außenkolben 2 evakuiert werden kann. Um während des Betriebs der Lampe ein Vakuum von 10~³ bis IO-⁵ aufrechtzuerhalten, ist ein ausreichender Vorrat an Gettermaterialien im Getterring 9 vorgesehen. Mit zunehmendem Druck im Außenkolben 2 verschlechtert sich die Wärmeisolation, wodurch eine Verschiebung des Lichtstrommaximums nach höheren 5$ Leistungsaufnahmen und damit eine Verringerung der Lichtausbeute eintreten kann. Bei einem anfänglichen Druck von etwa 10~³ Torr stellt sich durch die Wirkung des Getters nach etwa 1000 Brennstunden ein Druckgleichgewicht bei etwa IO-⁴ Torr ein. Der Außenkolben 2 weist auf seiner Innenseite eine IR-reflektierende Schicht 10 aus SnCh auf, die bei ti unterbrochen ist, um Elektrolyseerscheinungen am Entladungsrohr mit Sicherheit auszuschließen. An den Enden des Außenkolbens 2 befindet sich eine von SnCh freie Zone, um eine einwandfreie Verschmelzung des Fußes 7 mit dem Außenkolben 2 zu gewährleisten.

Aus den Kurven in Fig.2, in denen die Lage des Lichtstrommaximums durch Punkte gekennzeichnet ist, sind zwei charakteristische Abhängigkeiten zu entnehmen. Einerseits wächst die Brennspannung im Lichtstrommaximum vom Krypton über Argon zum Neon. Bei zweikomponentigen Gemischen besitzt das Gemisch mit den höheren Anteilen an leichterem Edelgas auch die höhere Brennspannung. Allgemein gilt, daß die Brennspannung eines Gemisches zwischen den Brennspannungen der Komponenten liegt. Andererseits lehren die ermittelten Kurven, daß bei Betrieb der Lampe unterhalb des Lichtstrommaximums sich die Brennspannung in jedem Falle erhöht. Das ist damit zu erklären, daß infolge der verringerten Leistungsaufnahme die Temperatur des Entladungsrohres und damit der Na-Dampfdruck sinken. Es wurde gefunden, daß der Brennspannungsanstieg folgende charakteristische Unterschiede aufweist. Bei großem Anteil von Krypton verläuft der Brennspannungsanstieg sehr flach, bei Argon steller und bei großem Neonanteil sehr steil. Der Brennspannungsverlauf bei verringerter Leistungsaufnahme kann also bei Grundgasgemischen durch höhere Krypton-Zusätze abgeflacht werden, wie z. B. aus den Kurven für die Gemische Kr/Ar/Ne (0/100/0), (20/50/30) und (40/0/60) ersichtlich ist. Aus diesen Versuchsergebnissen folgt als Lehre für die praktische Ausführung, daß ein Grundgasgemisch zu wählen ist, bei dessen Verwendung die Brennspannung in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Lampe sich nur wenig ändert.

In Fig.3 ist Uss, das ist die zwischen den Wiederzündspitzen beider Halbwellen gemessene Spannungsdifferenz, für die Gaszusammensetzung von Kr über Kr + Ar-Gemische über reines Ar und schließlich über Ar + Ne-Gemische zum reinen Ne aufgetragen. Die Lampen wurden an angepaßten Drosseln ohne parallelgeschaltete Kapazitäten mit etwa 220 V Versorgungsspannung bei den Krypton enthaltenden Gemischen bzw. mit etwa 380 V bei den übrigen Gemischen im Lichtstrommaximum betrieben. Das bei den Anläufen auftretende Maximum der Wiederzündspitze ist gestrichelt gezeichnet.

Wenn die Lampe mit einem Glimmzünder gestartet werden soll, so ist insbesondere dieses Auflaufmaximum der Wiederzündspitze für die Betriebssicherheit der Lampe bestimmend. Auch aus diesen Versuchsergebnissen folgt, daß sich für diese Betriebsweise nur Gemische mit nennswertem Kryptongehalt eignen. Es sei aber bemerkt, daß der Absolutwert der Wiederzündspitze auch durch die Dellentiefe bestimmt wird, daß der Verlauf der Wiederzündspitze in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung bei gegebener Dellentiefe jedoch erhalten bleibt.

Aus F i g. 4 ist ersichtlich, daß bei den Grundgasgemischen von Kr/Ar/Ne wie (0/1/99), (2,7/7,3/90) und (0/30/70) das Lichtstrommaximum zwischen 2 und 6 Torr liegt.

Aus Fig.5 ist zu entnehmen, daß bei den untersuchten Gasgemischen Kr/Ar/Ne wie (0/30/70) und (0/1/99) das Maximum der Lichtausbeute sich ebenfalls bei Fülldrücken zwischen etwa 2 und 6 Torr ergibt.

Aus F i g. 6 ist zu entnehmen, daß die Lichtausbeute im Lichtstrommaximum bei einer Lampe mit 200 W Leistungsaufnahme mit abnehmendem Krypton-Gehalt zunimmt. In Neon-Argon-Gemischen ist die Lichtausbeute höher als in Krypton-Argon-Gemischen, und bei einem Gemisch von etwa 90% Neo.i + 10% Ar ist ein Maximum erkennbar. Es ist deshalb sinnvoll, nicht mehr

Krypton zuzumischen als aus Gründen der Betriebssicherheit notwendig ist. Die Forderungen auf gute Zündung, sicheren Anlauf, hohen Lichtstrom und hohe Lichtausbeute gebieten also einen Kompromiß bei der Wahl der Grundgasmischung.

Als Ergebnis der aus den Versuchen gefolgerten Erkenntnisse wurde beispielsweise eine vorteilhafte 200-W-Natriumdampflampe entwickelt, deren Entladungsrohr mit einem Durchmesser von 38 mm bei einer Gesamtlänge von 1200 mm vierzig Dellen aufweist und neben der Na-Füllung eine Grundgasmischung von Kr/Ar/Ne wie (40/40/20) besitzt. Diese Lampe benötigt einen Strom von etwa 2,2 Amp. und ergibt bei einer Leistungsaufnahme von 200 W einen Lichtstrom von 29 klm. Wegen ihrer elektrischen Eigenschaften kann sie, wie bereits erwähnt, in einer Drossel-Glimmzünder-Starterschaltung betrieben werden. Durch die Zusammensetzung des Gasgemisches ist gewährleistet, daß die Lampe auch bei Unterspannung in der kritischen Phase des Anlaufs betriebssicher bleibt Wegen der gleichen Längenabmessungen kann sie zusammen mit Leuchtstofflampen von 1200 mm Länge in Mischlichtleuchten verwendet werden.

Die durch die Erfindung für eine Natrium-Niederdruck-Dampfentladungslampe gefundenen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Dampfentladungslampen anwenden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe mit einer Grundgasfüllung aus Krypton oder Argon oder einer Mischung von Krypton und/oder Argon und/oder Neon mit einem Fülldruck zwischen 2 und 6 Torr, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundgas Krypton und Argon mit einem Anteil größer oder gleich 20 Volumprozent enthalten sind.

2. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Grundgas aus einer Mischung von Krypton + Argon oder Krypton + Argon + Neon

Kr > 15 Volumprozent Ar < 85 Volumprozent Kr + Ar > 35 Volumprozent enthalten sind.

3. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Grundgas aus Krypton oder einer Mischung von Krypton + Argon oder Krypton + Argon + Neon

Kr > 30 Volumprozent Ar < 70 Volumprozent enthalten sind.

4. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundgas etwa 40 Volumprozent Krypton + 40 Volumprozent Argon + 20 Volumprozent Neon enthalten sind.

5. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundgas etwa 30 Volumprozent Krypton und 70 Volumprozent Argon enthalten sind.

6. Natrium-Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch .3, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundgas etwa 40 Volumprozent Argon + 60 Volumprozent Neon enthalten sind.