DE1589171B1

DE1589171B1 - Natriumdampflampe hoher intensitaet mit quecksilber

Info

Publication number: DE1589171B1
Application number: DE19671589171
Authority: DE
Inventors: Kurt Schmidt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-04-26
Filing date: 1967-04-25
Publication date: 1971-08-26
Also published as: US3384798A; GB1143452A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruck- rend der Lebensdauer bei solchen Lampen fest-Natriumdampflarnpen, deren ionisierbare Gefäß- gestellt.

füllung aus einem Anlaßgas und einer Menge Es ergab sich daher die Aufgabe, Natriumdampf-

Natriumamalgam besteht, die größer ist als die im lampen hoher Intensität mit Quecksilber als Puffer Betrieb der Lampe verdampfte Menge. Die Betriebs- 5 zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweisen und temperatur an der kältesten Stelle des Entladungs- insbesondere die Einhaltung der gewählten Betriebsgefäßes beträgt 600 bis 950° C. daten der Lampe gewährleisten.

In dem Zusatzpatent 85 245 zu der französischen Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch

Patentschrift 1266181 wurde bereits eine Hoch- eine entscheidend verbesserte Natriumdampflampe druck-Natriumdampflampe beschrieben, welche in io hoher Intensität gelöst, deren röhrenförmiges Entihrer Füllung neben einem Anlaßgas Natrium- ladungsgefäß aus einem gegen Natriumdampf bei amalgam enthält. In der Füllung ist eine Menge Na- hohen Temperaturen widerstandsfähigen Material trium enthalten, die größer ist als das beim Betrieb besteht und eine ionisierbare Gefäßfüllung aus einem der Lampe verdampfte Natrium. Das Quecksilbier Anlaßgas sowie Natriumamalgam enthält, das in wird dem Amalgam in einer solchen Menge zugesetzt, 15 einer Menge eingegeben ist, die größer ist als die im daß es beim Betrieb der Lampe vollständig verdampft, Betrieb der Lampe verdampfte Menge, und bei der und dient als Puffergas für das Natrium. die Betriebstemperatur an der kältesten Stelle des

Bei dieser bekannten Anordnung hat die Hoch- Entladungsgefäßes 600 bis 950° C beträgt. Diese druck-Natriumdampflampe als Entladungsgefäß ein Natriumdampflampe ist dadurch gekennzeichnet, daß langgestrecktes Rohr aus einem Material, das den 20 das Entladungsgefäß beim Betrieb gleichzeitig in dem Angriff von Natriumdampf bei hohen Temperaturen überschüssigen, in flüssiger Form vorliegenden Amalaushalten kann. Das Entladungsgefäß kann beispiels- gam ein Atomverhältnis des Natriums im Bereich weise aus einem lichtdurchlässigen polykristallinen von 0,5 bis 0,9, bezogen auf die Gesamtzahl der Aluminiumoxid hoher Dichte bestehen. Das Ent- Atome im Amalgam, aufweist und Natriumdampf ladungsgefäß enthält eine Füllung von Natrium- 25 mit einem Partialdruck von 30 bis 1000 Torr und amalgam und ein inertes Gas, ζ. B. Xenon. Beim Quecksilberdampf mit einem Partialdruck im BeBetrieb der Lampe wird mit einem Natriumdampf- reich von 0,1 bis 5 atm enthält, druck im Bereich von 30 bis 1000 Torr ein großer Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus

Prozentsatz der gesamten Strahlung infolge von der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Selbstabsorption und Selbstumkehr der Spektral- 30 Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Zeichlinien zu beiden Seiten der Resonanzlinien des Na- nung dargestellt ist.

triums ausgestrahlt. Dadurch erhält man nicht das Fig. 1 ist eine in einem Kolben angeordnete

monochromatische gelbe Licht der Niederdruck- Hochdruck-Natriumdampflampe gemäß der Erfin-Natriumdampflampe, sondern ein goldenes Weiß mit dung;

einem verhältnismäßig großen Anteil der Intensität 35 F i g. 2 zeigt die Dampfdruckkurven von Natriumim roten Spektralbereich. Das in der Füllung enthal- Quecksilber-Amalgam bei einer bestimmten Tempetene Quecksilber verdampft vollständig, so daß im ratur.

Betrieb der Lampe die Lampenfüllung neben Na- Die in Fig. 1 dargestellte Hochdruck-Natrium-

triumdampf und Quecksilberdampf in dem unver- dampflampe 1 hat einen äußeren Kolben 2 von längdampften Rest lediglich Natrium enthält. Das voll- 40 licher etwa eiförmiger Gestalt. Der Hals 3 des Kolständig verdampfte Quecksilber liefert höchstens bens ist durch einen umgebördelten Röhrenfuß 4 und einen verschwindenden Anteil an der Strahlung der einen Preßfuß 5 geschlossen, durch den verhältnis-Lampe. Es dient vielmehr als Puffergas und erzeugt mäßig steife Zuleitungsdrähte 6 und 7 hindurchdie richtige Temperaturverteilung in dem Plasma der geführt sind, die an ihren äußeren Enden mit einem Bogenentladung und an den Wänden des Entladungs- 45 Gewindeteil 8 bzw. dem Mittelkontakt 9 eines gefäßes. Dadurch wird der Spannungsgradient des üblichen Schraubsockels verbunden sind. Lichtbogens vergrößert, die Lampe arbeitet mit höhe- Das innere Entladungsgefäß 11, welches die

rer Spannung und kleinerem Strom, und man erhält eigentliche Entladungslampe bildet, besteht aus gein der Praxis einen höheren Wirkungsgrad im Strom- sintertem polykristallinem Aluminiumoxyd hoher bereich von 2,5 bis 5 A. Außerdem ergeben sich Er- 50 Dichte oder aus einem anderen lichtdurchlässigen sparnisse und eine vereinfachte Konstruktion der er- Material, das bei hohen Temperaturen gegen die forderlichen Vorschaltgeräte. Einwirkung des Natriumdampfes beständig ist. Ein

Eine in vielen Punkten ähnliche Hochdruck- hierfür geeignetes Material ist z. B. in der USA.-Natriumdampflampe hoher Intensität wird ebenfalls Patentschrift von Coble, 3 026 210, beschrieben, beschrieben in der Zeitschrift »Illuminating Engi- 55 Die Enden des Entladungsgefäßes 11 sind durch neering«, Dezember 1965, Heft 12, S. 696 bis 702. fingerhutartige Verschlußkappen 12 und 13 aus Niob Auch diese Lampe enthält in ihrer Füllung so viel verschlossen, die mit dem Aluminiumoxyd mittels Natriumamalgam, daß beim Betrieb der Lampe im einer Einschmelzmasse, welche vorwiegend Alu-Entladungsgefäß neben Natriumdampf und Queck- miniumoxyd und Kalziumoxyd enthält, hermetisch silberdampf ein unverdampfter Überschuß an Na- 60 verbunden sind. Das untere Ende des Entladungstrium verbleibt. gefäßes 11 ist in der Zeichnung im Schnitt dargestellt

Es wurde gefunden, daß bei Hochdruck-Natrium- und läßt die Verschlußkappe 12, die Einschmelzdampflampen, die ein keramisches Entladungsgefäß masse 14, die hier zur Veranschaulichung wesentaus' polykristallinem Aluminiumoxid nach dem lieh übertrieben dick gezeichnet ist, erkennen, gegenwärtigen Stand der Entwicklung benutzen, eine 65 Thermionische Elektroden 15 und 15' sind an den allmähliche Aufzehrung des Natriums während der Enden des Entladungsgefäßes 11 angebracht. Jede Lebensdauer der Lampe auftritt. Außerdem wurde Elektrode 15,15' besteht aus einer doppelt gewickeleine Änderung der Betriebsdaten der Lampe wäh- ten Wolframdrahtwendel, deren Zwischenräume mit

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aktivierendem Material in der Form von Erdalkali- Lampenspannung, die Farbwiedergabe und den Wiroxyden, beispielsweise Bariumoxyd, gefüllt sind. Die kungsgrad. Die Änderung der Partialdampfdrücke Wolframwendel ist über einen Wolframstab 16 ge- von Natrium und Quecksilber über dem überschüssiwickelt, der in das Ende eines mit der Verschluß- gen flüssigen Amalgam bei 700° C als Funktion der kappe 12 verbundenen Metallröhrchens 17 einge- 5 Zusammensetzung der Überschußflüssigkeit ist in klemmt ist. Das untere Metallröhrchen 17 ist bei 18 F i g. 2 dargestellt. Man erkennt, daß der Partialdurchstochen bzw. gelocht und dient als Entlüftungs- druck für Atomverhältnisse über 0,5 verhältnismäßig rohr während der Herstellung der Lampe und für die konstant bleibt. Unterhalb dieser Zahl fällt der Na-Einführung des Füllgases und der Natrium-Queck- trium-Partialdruck P_Na schnell ab. Da der Dampfsilber-Amalgamdosis in das Entladungsgefäß 11. Es io druck des Natriums in bezug auf den Wirkungsgrad kann, wie bei 19 angedeutet ist, luftdicht durch Kalt- und die Farbwiedergabe oder die Farbtönung krischweißen mit Quetschverschluß geschlossen werden. tisch ist, ist es erwünscht, Atomverhältnisse von Das obere Metallröhrchen 17' ist innen verschlossen weniger als 0,5 zu vermeiden. Der Partialdruck des und benötigt keinen Quetschverschluß. Quecksilbers steigt verhältnismäßig schnell mit dem

Das Entladungsgefäß ist an dem äußeren Kolben 2 15 Atomverhältnis an. Wenn jedoch das Atomverhältnis mittels eines aus einem Draht geformten Rahmens 21 des Quecksilbers auf weniger als 0,1 reduziert wird gehalten, der sich von dem Zuleitungsdraht 7 an dem (entsprechend einem Atomverhältnis des Natriums Fußende zu der Einbuchtung 22 am oberen Ende von mehr als 0,9), dann fällt der Dampfdruck des entlang des Kolbens 2 erstreckt, wo er mit Hilfe Quecksilbers scharf ab. Da der Quecksilberdampfeiner federnden Klammer 23 befestigt ist. Die Ver- 20 druck der Primärfaktor für die Lampenspannung ist, schlußkappe 13 des Entladungsgefäßes 11 ist an sollten Atomverhältnisse von Quecksilber unterhalb einem Steg oder Streifen 24 des Rahmens 21 ange- von 0,1 vermieden werden. Daraus ergibt sich, daß es schweißt, während die untere Verschlußkappe 12 mit gemäß der Erfindung wünschenswert ist, eine Lamdem Zuleitungsdraht 6 über ein Band 25 und die Ver- penfüllung vorzusehen, bei der die Zusammensetzung bindungsstange 26 verbunden ist. Der Raum zwischen 25 des Amalgam-Überschusses in der Lampe ein Atomdem Entladungsgefäß 11 und dem Kolben 2 wird vor verhältnis von Natrium im Bereich von 0,5 bis 0,9 dem Zuschmelzen zweckmäßigerweise evakuiert, um hat. Die Gewichtsverhältnisse weichen natürlich von Wärme zu konservieren. Ein Getter, z. B. ein in mit den Atomverhältnissen ab, und das Gewicht jeder Kanälen versehene Ringe 27 gedrücktes Barium- Komponente entspricht dem Produkt aus dem Atommetallpuder, wird nach dem Zuschmelzen verdampft, 30 verhältnis und dem Atomgewicht. Infolgedessen entum ein hohes Vakuum zu gewährleisten. spricht ein Atomprozentsatz von 50 °/o Natrium

Viele Faktoren beeinflussen die Geometrie und 10 Gewichtsteilen Natrium und 90 Gewichtsteilen den Arbeitspunkt einer Hochdruck-Natriumdampf- Quecksilber; 90 Atomprozent Natrium entsprechen lampe und müssen bei ihrer Konstruktion berück- 51 Gewichtsteilen Natrium und 49 Gewichtsteilen sichtigt werden. Die Wandtemperatur eines Alu- 35 Quecksilber.

miniumoxyd-Entladungsgefäßes sollte nicht über Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, einen Uber-

1400° C hinausgehen. Oberhalb dieser Temperatur schuß an Amalgam vorzusehen, um den Aufzehreffekt ist die Verdampfungsgeschwindigkeit von Aluminium- an Natrium während der Lebensdauer der Lampe zu oxyd mit anschließender Zersetzung in Aluminium kompensieren. Der Überschuß sammelt sich an der und niedrigere Oxyde des Aluminiums und deren 4° kältesten Stelle des Lampengefäßes. Dies ist im all-Niederschlag auf der Innenseite des äußeren Kolbens, gemeinen die untere Verschlußkappe 12 und das abwo es Schwärzung hervorruft, übermäßig groß. Bei gequetschte Metallröhrchen 17. Dadurch, daß man der in der Zeichnung dargestellten 400-Watt-Lampe das Metallröhrchen 17 verlängert, wird eine Stelle hat das Entladungsgefäß einen inneren Durchmesser innerhalb des Entladungsgefäßes geschaffen, die von etwa 7,4 mm, eine Länge von 9,3 cm und einen 45 wesentlich kalter ist als die Verschlußkappe. Es wurde Abstand zwischen den Elektrodenspitzen von 7 cm. gefunden, daß zur Vermeidung einer übermäßigen Bei Nennleistung erreicht die Wandtemperatur einen Natrium-Reaktionsgeschwindigkeit des Natriums mit ungefährlichen Wert von 1300° C. der Einschmelzmasse übermäßig hohe Temperaturen,

Die Füllung des Entladungsgefäßes enthält das insbesondere solche über 800° C, vermieden werden Anlaßgas und das Natrium-Quecksilber-Amalgam. 50 sollten. Eine Temperatur an der Einschmelzstelle von Um einen günstigen Wirkungsgrad zu erhalten, soll etwa 725° C stellte sich als zufriedenstellend heraus, das Anlaßgas eine niedrige Wärmeleitfähigkeit be- und dabei ergibt sich eine Betriebstemperatur an dem sitzen, und aus diesem Grunde wird Xenon bevor- Metallröhrchen 17, die etwas niedriger, d. h. ungefähr zugt. Bei der abgebildeten Lampe wird Xenon unter 700° C, ist.

einem Druck von 20 Torr benutzt, und das Zünden 55 Unter den angegebenen Bedingungen ergab eine der Lampe erfolgt durch einen der Leerlaufspan- Amalgam-Zusammensetzung von 70 bis 80 Atomnung überlagerten Hochspannungsimpuls (2500 Volt). prozent Natrium, vorzugsweise etwa 75 Atom-Es sei bemerkt, daß »Penning-Mischungen«, z. B. prozent Natrium, die besten Ergebnisse in bezug auf Neon mit 0,1 bis 1% Argon, als Anlaßgas benutzt hohe Wirkungsgrade und eine brauchbare Farbwerden können, um die Zündspannung auf wenige 60 wiedergabe. Bei der Lampe nach F i g. 1 mit einer 100 Volt zu erniedrigen. Jedoch haben Penning- Leistung von 400 Watt mit einem Innendurchmesser Mischungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ver- des Entladungsgefäßes von 7 bis 8 mm, vorzugsweise Ursachen einen nennenswerten Abfall im Wirkungs- etwa 7,4 mm, bestand eine bevorzugte Füllung mit grad von bis zu 10 bis 20 %>. 75 Atomprozent Natrium aus ungefähr 54 mg

Die Zusammensetzung des Natrium-Quecksilber- 65 Amalgam, das 14 mg Natrium und 40 mg Queck-Amalgams bestimmt für eine gegebene Betriebstempe- silber enthielt. Diese Füllung erzeugt einen Natriumratur den Dampfdruck des Natriums und des Queck- Partialdruck P_Na von etwa 80 Torr und einen Quecksilbers und ist somit ein primärer Faktor für die silber-Partialdruck F_Hg von etwa 0,38 atm bei einer

Betriebstemperatur am Metallröhrchen 17 von 700° C. Eine Ausbeute von 110 Lumen pro Watt wurde bei annehmbarer Farbwiedergabe, die einen Rotfaktor von 3 hatte, erreicht. Die Lampe arbeitet bei 4,7 Ampere und einem Spannungsabfall von "5 100 Volt. Der Rotfaktor ist ein willkürliches Maß für den Strahlungsanteil, der im sichtbaren Bereich oberhalb von 6000 A liegt. Zum Vergleich hat eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe einen Rotfaktor von 1, und der .Rotfaktor des Sonnenlichts schwankt zwischen 2 und 3, je nach Zeit, Ort und Wetter.

Durch Erhöhung des Quecksilbergehalts können etwas höhere Wirkungsgrade erhalten werden, aber die Farbwiedergabe verschlechtert sich dann, und der Rotfaktor fällt auf weniger als 3 ab. Wenn ein höherer Prozentsatz von Natrium verwendet wird, erhöht sich der Rotfaktor, Der Wirkungsgrad sinkt jedoch auf weniger als 100 Lumen pro Watt.

Es wurde gefunden, daß unter Verwendung derselben Natrium-Quecksilber-Füllung eine Lampe mit weit besserer Farbwiedergabe bei verhältnismäßig hohem Wirkungsgrad durch Verkleinerung des Innendurchmessers des Entladungsgefäßes auf ungefähr 6 mm erhalten werden kann. Für diese Lampe ist es erwünscht, die Betriebstemperatur des Amalgam-Speichers,-beispielsweise des unteren Metallröhrchens 17, auf 800° C zu erhöhen, wodurch sich Natrium- und Quecksilberdampfdrücke von etwa 205 Torr bzw. 1,55 atm ergeben. Die Lampe arbeitet dann etwa bei einem Strom von 2,5 A mit einem Spannungsabfall von 190 Volt entsprechend einer Eingangsleistung von etwa 400 Watt und besitzt einen Rotfaktor von 5,5 und eine Ausbeute von 100 Lumen pro Watt.

Claims

Patentansprüche: 3S

1. Natriumdampflampe hoher Intensität, deren röhrenförmiges Entladungsgefäß aus einem gegen Natriumdampf bei hohen Temperaturen widerstandsfähigen Material besteht und eine ionisierbare Gefäßfüllung aus einem Anlaßgas sowie Natriumamalgam, das in einer Menge eingegeben ist, die größer ist als die im Betrieb der Lampe verdampfte Menge, enthält und die Betriebstemperatur an der kältesten Stelle des Entladungsgefäßes 600 bis 950° C beträgt, dadurchgekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (11) bei Betrieb gleichzeitig in dem überschüssigen, in flüssiger Form vorliegenden Amalgam ein Atomverhältnis des Natriums im Bereich von 0,5 bis 0,9, bezogen auf die Gesamtzahl der Atome im Amalgam, aufweist und Natriumdampf mit einem Partikaidruck von 30 bis 1000 Torr und .Quecksilberdampf mit einem Partialdruck im Bereich von 0,1 bis 5 atm enthält.

2. Natriumdampflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Atomverhältnis von Natrium in dem Amalgam-Überschuß im Bereich von 0,7 und 0,8 liegt.

3. Natriumdampflampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des Entladungsgefäßes (11) 7 bis 8 mm und das Atomverhältnis von Natrium in dem Amalgam-Überschuß ungefähr 0,75 ist.

4. Natriumdampflampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Gasdruck bestimmende Temperatur an der kältesten Stelle des Entladungsgefäßes (11) etwa 700^p C beträgt und der Partialdruck (P_nJ des Natriums im Betrieb bei 80 Torr und der Partialdruck (P_Hg) des Quecksilbers bei 0,38 atm liegt.

5. Natriumdampflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser des Entladungsgefäßes (11) 6 mm und das Atomverhältnis von Natrium in dem Amalgam-Überschuß 0,75 ist, die Temperatur an der kältesten Stelle des Entladungsgefäßes etwa 800° C beträgt und der Partialdruck (P_nJ des Natriums bei 205 Torr und der (P_Hg) des Quecksilbers bei 1,55 atm liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen