DE1589400C3 - Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe mit einem langgezogenen, ein vorgegebenes Volumen aufweisenden Entladungsgefäß, mit Elektroden, die innerhalb des Entladungsgefäßes nächst dessen Enden angeordnet sind und eine vorgegebene Bogenlänge definieren, mit Zuführungsleitungen, die dicht durch das Entladungsgefäß geführt und mit den Elektroden verbunden sind und mit einer eine Entladung aufrechterhaltenden Füllung des Entladungsgefäßes, die Quecksilber, Thallium, Jod und ein ionisierbares Zünd-Edelgas enthält. Eine derartige Entladungslampe ist aus der britischen Patentschrift 9 94 257 bekannt geworden.

Die Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe ist durch ihr blau-weißes Licht als Straßenbeleuchtung bekannt geworden. Die Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe ist langsam aber stetig zu einer Lampe mit hoh^m Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer entwickelt worden. Ein großer Nachteil der Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe ist jedoch das charakteristische blau-weiße Licht mit seiner extrem armen Farbabstrahlung. Kürzlich ist es gelungen, durch Hinzufügen von einzelnen oder kombinierten Metallhalogeniden zu der Quecksilberdampfentladung zur Erzeugung der spektralen Charakteristiken des Metalls den Wirkungsgrad bis zu 100% zu steigern oder enorme Verbesserungen im Farbtonverhalten bei gleichzeitiger Wirkungsgradsteigerung um 50% zu erreichen. Es sind viele Schwierigkeiten in Bezug auf die Metallzusätze aufgetreten. Obwohl einige Metallzusätze in ihren spektralen Eigenschaften günstig schienen, waren sie dennoch ungeeignet, da sie den Quarzkolben chemisch angreifen oder einen Dampfdruck aufweisen, der bei normalen Arbeitstemperaturen zu niedrig ist. Die meisten erfolgreich eingesetzten kommerziellen Lampen des additiven Typs enthalten Natrium im allgemeinen in der Form von Jodiden in der Füllung zur Aufrechterhaltung der Entladung, da sich eine wesentliche Vergrößerung des Wirkungsgrades durch deren Zusatz ergibt. Von besonderer Bedeutung ist eine Lampe, die Natrium-, Indium- und Thalliumjodide als Zusätze enthält und die einen vergleichsweise weißen Farbton hat und einen Wirkungsgrad von 80 bis 85 lumen pro Watt aufweist.

Die Benutzung von Natriumjodiden in einer Lampe ist nicht ohne Schwierigkeiten und bringt drei spezifische Probleme mit sich. Lampen, die Natriumjodid als Zusatz bei der Entladung haben, tendieren dazu, schwieriger zu zünden. Das Natrium geht im Laufe der Zeit bei der Entladung verloren, daraus resultiert eine Farbverschiebung und ein Spannungsanstieg während der Lebensdauer. Außerdem greifen Bestandteile der Entladungsfüllung einige Lampenteile an und bewirken eine Verdunkelung. Da das Natrium außerdem chemisch sehr aktiv ist, kann das normale Oxyd-Emissionsmaterial nicht in den Elektroden verwendet werden. Bisher hat sich nur Wolfram als Elektrodenmaterial in Lampen, die Natrium enthalten, als genügend geeignet erwiesen, und die Eliminierung des Emissionsmaterials von den Elektroden bewirkt eine Vergrößerung in der Lampenzündspannung. Es ist bekannt, daß ein Thalliumjodidzusatz zu der die Entladung aufrechterhaltenden Füllung den Wirkungsgrad ähnlich wie Natriumjodid verbessert, doch hat das Licht, das von einer solchen Lampe emittiert, im allgemeinen eine grünliche Farbe in Folge des hohen grünen Emissionsanteiles des Thalliums.

Auch das Spektrum einer Entladungslampe gemäß der eingangs zitierten britischen Patentschrift zeigt ein scharfes Maximum im Grünen bei stark unterdrückten Rotlinien. Die Füllung dieser vorbekannten Lampenausführung bestand dabei aus Quecksilber zwischen 0,5 und 5,0 mg/cm Bogenlänge, Thallium zwischen 0,25 und 1,5 mg/cm Bogenlänge, Jod und einem Edelgas mit einem Druck von 10 bis 150 Torr bei Raumtemperaturen, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Quecksilber und Thallium zwischen 1:1 und 5:1 liegen sollte und das Jod zwischen 80% und 150% der Menge sein sollte, die das vorhandene Thallium monovalent bindet.

Aus der deutschen Auslegeschrift 11 53 453 ist es bekannt, bei einer Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe eine dem natürlichen Licht ähnliche Farbverteilung zu erzeugen, indem man dem Edelgas und Quecksilber ein Halogenid eines oder mehrerer Metalle der Seltenen Erden, insbesondere Cer-(Lanthan-)bromid und/oder -chlorid zusetzt. Das Plasma dieser Metalle liefert ein dichtes Linienspektrum vorwiegend im sichtbaren Bereich. Weißes Licht kann gemäß der französischen Patentschrift 14 43 865 auch durch Zugabe von Quecksilberjodid und entweder Thoriumjodid oder einem Jodid mindestens eines Metalles der Seltenen Erden hervorgerufen werden. Einer Tabelle der französischen Patentschrift kann entnommen werden, daß beispielsweise bei einer Lampenausführung mit 34 mg Quecksilber, 13 mg Quecksilberjodid, 5 mg Jodid eines Metalles der Seltenen Erden, Argon als Grundgas und einer Bogenlänge von 8 cm der Rotanteil gegenüber einer »klassischen« Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe um et-

wa 2 bis 4%, bei Dysprosium beispielsweise 3,1%, erhöht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die geschilderten Mangel abzustellen, insbesondere eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe anzugeben, die im sichtbaren Bereich ein kontinuierliches Spektrum mit einer Rotkomponente aussendet, die wenigstens 10% der gesamten Lichtleistung der Lampe beträgt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Entladungslampe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Füllung Quecksilber in einer Menge von etwa 5,8 bis 8,0 mg/cm Bogenlänge, Thalliumjodid in einer Menge von etwa 0,2 bis 3,0 mg/cm Bogenlänge, Quecksilberjodid in einer Menge von etwa 0,8 bis 3,2 mg/cm Bogenlänge und metallisches Dysprosium in einer Menge von etwa 0,2 bis 0,8 mg/cm Bogenlänge enthält.

Eine erfindungsgemäße Entladungslampe hat eine angenehme Farbe (große Anzahl von Linien im sichtbaren Bereich) und ausgezeichnete Farbwiedergabeeigenschaften besonders im roten Bereich des Spektrums bei einem hohen Wirkungsgrad. Die Entwicklung der hier vorgeschlagenen Lampe bewirkte ferner eine unerwartete Erweiterung der früheren Metallhalogenidfamilie, ein nahezu monochromatisches Grün des Thalliumjodids und Gelb-grün des Natrium-Thalliumjodids mit verbesserter Farbe und eine weißere Quelle durch deren Kombination mit Indiumjodid. In der neuen Lampe wird kein Natriumiodid benutzt, da es charakteristische Nachteile beim Lampenbetrieb zeigt. Die neue Lampe hat einen relativ hohen Wirkungsgrad über einen langen Zeitraum und erzeugt eine Farbabstrahlung, die durchaus vergleichbar mit den hellweißen Leuchtstofflampen ist, die gewöhnlich als Büro- und Geschäftsbeleuchtung verwendet werden, und dabei noch eine vergleichsweise bessere Farbwiedergabe hat. Diese merklich verbesserte Lampe ist das Resultat des Zusatzes von bestimmten Mengen Thalliumjodids und einem Halogenid der Seltenen Erden, nämlich Dysprosiumjodid bei der Quecksilberentladung.

Eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich vor allem für die Beleuchtung von Geschäftsräumen, Büros und Einkaufsläden und außerdem für die Beleuchtung von Straßen, Autostraßen und Fabriken.

Die vorgeschlagene Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe verfügt über den weiteren Vorzug, daß ihre die Entladung aufrechterhaltenden Elemente den Quarzkolben nicht angreifen und daß bei ihr keine wesentliche Farbverschiebung oder Betriebs- oder Zündspannungserhöhung während der Lampenlebensdauer auftritt.

Es sei erwähnt, daß im normalen Betrieb einer erfindungsgemäßen Entladungslampe das Quecksilber völlig und das Thalliumjodid und das Dysprosium-Metall nahezu völlig verdampft sind.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine Seitenansicht der Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe, bei der ein Teil des äußeren Kolbens herausgebrochen ist;

Fig. 2 ist eine Reproduktion des Spektrums, das von der Lampe emittiert wird;

Fig. 3 ist ein Diagramm der spektralen Energieverteilung, das die relativen Intensitäten der Emission bei verschiedenen Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums zeigt, wie es die Lampe emittiert.

In Fig. 1 wird die allgemeine Anordnung der Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe gezeigt, in welcher die Zusatzmaterialien eingebracht sind.

Die Lampe, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, enthält einen strahlungsdurchlässigen, dichten äußeren Kolben 12, welcher an dem Standardsockel 14 abgedichtet ist. Innerhalb des äußeren Kolbens 12 ist ein innerer Kolben bzw. ein Entladungsgefäß 16 montiert. Das Entladungsgefäß 16 ist innerhalb des äußeren

ίο Kolbens 12 durch einen konventionellen Rahmen 18 und ein Bügelpaar 20 befestigt. Ein Paar Wolfram-Hauptelektroden 22 und 24 sind in den inneren Kolben bzw. das Entladungsgefäß 16 abgedichtet eingeführt und an seinen entgegengesetzten Enden angebracht.

Die Elektroden 22 und 24 sind mit konventioneller Streifendichtung 26 durch die entgegengesetzten Enden des Entladungsgefäßes 16 geführt. Eine Zündwendel 28 ist mit der Elektrode 24 durch einen Zündschaltermechanismus 30 verbunden, der auch einen durchgeführten Leiter 32 mit der Elektrode 22 verbindet. Die Zündschaltung 30 ist gesondert in der britischen Patentschrift 10 57 524 beschrieben. Ein Paar durchgeführte Leiter 34 und 36 verbinden die Lampe durch eine Glashalterung 38 mit dem Standardsockel 14.

Der durchgeführte Leiter 34 ist durch den Rahmen 18 mit dem Zündschaltermechanismus 30 verbunden, während der durchgeführte Leiter 36 direkt durch einen Leiter 40 mit der Elektrode 24 verbunden ist. Um bei dem normalerweise kältesten Teil des Entladungsgefäßes (d. h. der Teil hinter jeder der Elektroden) eine genügend hohe Temperatur aufrechtzuerhalten, ist ein Wärmeschutzmantel 42, z. B. ein Mantel aus Zirkonoxyd-Siliziumdioxyd, welcher mit Nitrozellulose befestigt ist, an jenem Teil jedes Endes des Entladungsgefäßes, der die Elektrode umgibt, angebracht. Diese Ummantelung 42 bewirkt, daß eine Kalt-Fleck-Temperatur mit nicht weniger als 750⁰C erhalten bleibt.
Wenn die oben beschriebene Lampe in Betrieb ist, so schalten die Bimetall-Schaltermechanismen, die allgemein mit 30 bezeichnet sind, die Heizspule 28 nach 10 bis 20 Sekunden aus und bewirken, daß sich der Bogen normalerweise über den Hauptelektroden ausbildet. Der Lampenstrom fließt immer durch das Bimetall, heizt das Bimetall und hält dadurch den Schalter offen. Die Zünd- oder Heizspule 28 erzeugt zusätzliche Hitze, um die Lampe unter kalten Zündbedingungen zu heizen und als Emitter bei der Zündung der Lampe mitzuhelfen, während das Bimetall und das Glied 31 über den Leiter 33 in Kontakt mit der Spule 28 sind.

Man hat allgemein gefunden, daß der Zusatz von Natriumjodid plus Thalliumjodid zu einer Lampe, die Seltene Erden enthält, deren Strahlungswirkungsgrad beträchtlich vergrößert, aber daß der Beitrag zu dem Spektrum der Seltenen Erden im wesentlichen reduziert ist und die gewünschten Farbwiedergabeeigenschaften der Lampe beträchtlich vermindert werden. Man hat ferner gefunden, daß bei Verwendung von

Thalliumjodid als Entladungszusatz das Übergewicht der grünen Spektralemission im allgemeinen bewirkt, daß die Lampe eine schlechtere Farbwiedergabe, aber hohen Wirkungsgrad zeigt. Gänzlich unerwartet war, daß die erwähnte Reduktion der Rotemission nicht in Erscheinung tritt, wenn das Thallium in Form von Thalliumjodid der Quecksilber-Dysrposiumentladung hinzugefügt wird, sondern daß sogar eine Vergrößerung der Rotemission auftritt. Außerdem kommt die

beträchtliche Reduktion des Wirkungsgrades, die bei einer Quecksilber-Dysprosium-Thallium-Lampe im Gegensatz zu einer einfachen Quecksilber-Thallium-Lampe zu erwarten wäre, nicht zustande.

Quecksilberdampflampen dieses Typs arbeiten im allgemeinen bei 400 Watt. Die Anordnung, die in Fig. 1 gezeigt ist, hat ein Entladungsgefäß mit einem Volumen von 14 ecm und mit einem Elektrodenabstand von 5,2 cm. Dieses konventionelle Entladungsgefäß enthält ein Zündgas, das z. B. Argon bei einem Druck von 20 bis 25 Torr und eine gewisse Menge Quecksilber sein kann, welches in dieser Lampe mit etwa 32 bis 40 mg vorliegt. Bei Betrieb mit Nennleistung und mit einer Kalt-Fleck-Temperatur mit nicht weniger als 750° C ist das Quecksilber vollständig verdampft. Sein Druck erreicht mehrere Atmosphären. Bei diesem Druck ist die Lampenspannung etwa 135 Volt und der Strom etwa 3,2 Ampere. Zu den Grundkomponenten wird etwa 1 bis 15 mg Thalliumjodid (TlJ), etwa 1 bis 4 mg Dysprosiummetall und etwa 4 bis 17 mg Quecksilberjodid hinzugefügt.

Es ist dann zu ersehen, daß die notwendigen Bestandteile für Quecksilberdampf-Entladungslampen anderer Konfigurationen etwa 5,8 bis 8 mg Quecksilber pro cm Bogenlänge, etwa 0,2 bis 0,8 mg Dysprosiummetall pro cm Bogenlänge, etwa 0,2 bis 3 mg Thalliumjodid pro cm Bogenlänge und etwa 0,8 bis 3,2 mg Quecksilberjodid pro cm Bogenlänge sein müssen. Größere als diese geringen Mengen Thalliumjodid oder Dysprosiummetall, die nicht verdampfen, werden das Lampenlicht nur unwesentlich beeinflussen. Es ist jedoch besser, wenn die Mengen den Wert nicht überschreiten, wo sie zum großen Teil verdampfen, um die Möglichkeit der Bildung von Belägen an der Entladungslampe auszuschließen, die die Emission eventuell dämpfen könnten. Eine Lampe, die mit diesen Zusätzen arbeitet, wird bei Betrieb in der Füllung zur Aufrechterhaltung der Entladung Thallium, Dysprosium und Jodide in einem solchen Gramm-Atom-Verhältnis des gesamten Thallium-Dysprosiums zu den gesamten Jodiden aufweisen, daß TlJ und DyJ₃ formiert und ein Spektrum erzeugt wird, wie es im wesentlichen in Fig. 2 gezeigt ist. Das Spektrum hat eine spektrale Energieverteilung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Das Spektrum in Fig. 2 ist mit Verwendung eines RCA 7102-Fotovervielf achers aufgenommen worden, und es kann daraus ersehen werden, daß die Strahlung nahezu gleichförmig über den sichtbaren Bereich des Spektrums erfolgt, ausgenommen eine Spitze bei etwa 535 Millimikron, welche die Strahlung des Thalliumspektrums ist, und weiterhin ausgenommen ein Büschel von Linien von 420 und 600 bis 700 Millimikron des Dysprosiums. Diese vergleichbar gleichförmige sichtbare Spektralverteilung ist das Ergebnis einer exzellenten Farbabstrahlung aller Farben, insbesondere von Rot, Blau und Violett, welche ziemlich mangelhaft in früheren Lampentypen vertreten waren.

Es muß ferner bemerkt werden, daß zum ersten Mal eine Lampe hergestellt wurde, die sowohl eine gute Farbwiedergabe als auch einen ziemlich hohen Wirkungsgrad aufweist und die kein Natriumjodid als Zusatz enthält. Früher sind Lampenfüllungen von Gemischen wie Natrium-Thallium, Natrium-Thallium-Indium, Natrium-Thallium-Thorium und Natrium-Skandium in Halogenidform verwendet worden. In jedem Fall war Natriumjodid erforderlich, um die Ausgangsleistung oder Farbe zu verbessern. Wenn Natriumjodid in einer Lampe dieses Typs vorhanden ist, treten die vorher im Detail beschriebenen Probleme auf. Die Lampe nach vorliegender Erfindung benutzt nur Thallium und Dysprosium oder Thalliumjodid und Dysprosiummetall und zeigt noch in den ersten 100 Stunden einen Wirkungsgrad von 80 lumen pro Watt. Die Eliminierung von Natriumjodid gestattet auch, die Parameter der Entladungslampengrößen zu erweitern, da das Problem des Angreifens der Quarzwände durch das Natrium nicht mehr besteht.

ίο Andere Vorteile der Eliminierung des Natriums sind: Gleichförmigere Farbstabilität dieser Lampen während der Lebensdauer, Vergrößerung der Lebensdauer und größere Gleichförmigkeit und Betriebssicherheit des Produktes durch Eliminierung von hochreaktivem Natriumjodid von dem Entladungslampenkolben.

Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß das Dysprosium bei der Quecksilberdampfentladung hinzugefügt wird, wie es in dem oben ausgeführten Beispiel gemacht wurde. Das Dysprosium kann in Form von Dysprosiumjodid anstatt als Dysprosiummetall hinzugefügt werden; damit entfällt die Forderung nach Quecksilberjodid und die entsprechende Notwendigkeit einer Vergrößerung der Anfangsmenge des Quecksilbers. Eine Lampe dieses Typs kann mit einer Füllung zur Aufrechterhaltung der Entladungsarbeiten, die 6,8 bis 8 mg Quecksilber pro cm Bogenlänge, 0,67 bis 2,68 mg Dysprosiumjodid pro cm Bogenlänge und 0,2 bis 3 mg Thalliumjodid pro cm Bogenlänge enthält, betrieben werden. Die prinzipielle Ursache für die Anfangsfüllung der Lampe mit Dysprosium in Form eines Metalles sind die Schwierigkeiten, die sich bei der Handhabung von hochhygroskopischem Dysprosiumjodid ergeben. Obwohl diese Schwierigkeiten nicht unüberwindlich sind, erfordert die derzeitige Praxis, daß die Dysprosiummetall-Lampe etwa 24 Stunden in Betrieb sein muß, damit sich das Dysprosiummetall und das Quecksilberjodid in Dysprosiumjodid und Quecksilber umwandeln.

Es sind Lampen mit Zusätzen produziert worden; beispielsweise eine Lampe mit Quecksilberjodid und Thorium, die eine maximale spektrale Emission mit etwa 5 % Rotanteil aufweisen. Ausführungsformen der Lampe nach der vorliegenden Erfindung erzeugen eine nahezu vollkommene Rotabstrahlung durch eine Spektralverteilung, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Bei jedem Test einer Lampe ist der Prozentsatz der spektralen Emission im Rotbereich des sichtbaren Spektrums (d. h. über 6100 A) über 10% mit einem Durchschnitt von nahezu 15% und in einigen Beispielen sogar 17 bis 20% gewesen. Wie man aus dem vorher Beschriebenen und aus den Fig. 2 und 3 erkennen kann, erzeugen die Lampen einen wesentlichen Teil ihres Spektrums im sichtbaren Bereich, mit einer bedeutenden Abstrahlung im Rot-Orange-Be-

reich über 6100 A. Solche Farbcharakteristiken dürften eine Erweiterung des Einsatzes von Lampen mit Zusätzen über die Fabrik-, Straßen- und Flutlichtbeleuchtung hinaus auf die kommerzielle Beleuchtungstechnik zur Folge haben. Diese Lichtquelle dürfte dort

einsetzbar sein, wo eine gute Farbwiedergabe wichtig ist. Sie dürfte sich besonders dort besser als andere Lichtquellen eignen, wo es auf eine gute Abstrahlung des roten Lichtes ankommt.

Es versteht sich weiterhin, daß geringe Zusätze von anderen Metallen und Metallhalogeniden der Füllung zur Aufrechterhaltung der Entladung hinzugefügt werden können, um gewünschte geringe Änderungen im Farbton zu bewirken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hochdruck-Quecksilberdampf entladungslampe mit einem langgezogenen, ein vorgegebenes Volumen aufweisenden Entladungsgefäß, mit Elektroden, die innerhalb des Entladungsgefäßes nächst dessen Enden angeordnet sind und eine vorgegebene Bogenlänge definieren, mit Zuführungsleitungen, die dicht durch das Entladungsgefäß geführt und mit den Elektroden verbunden sind und mit einer eine Entladung aufrechterhaltenden Füllung des Entladungsgefäßes, die Quecksilber, Thallium, Jod und ein ionisierbares Zünd-Edelgas enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung Quecksilber in einer Menge von etwa 5,8 bis 8,0 mg/cm Bogenlänge, Thallliumjodid in einer Menge von etwa 0,2 is 3,0 mg/cm Bogenlänge, Quecksilberjodid in einer Menge von etwa 0,8 bis 3,2 mg/cm Bogenlänge und metallisches Dyspro- *° sium in einer Menge von etwa 0,2 bis 0,8 mg/cm Bogenlänge enthält.

2. Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenlänge etwa 5,2 cm beträgt, daß die Menge ^a5 an Quecksilber etwa 30 bis 40 mg beträgt, daß die Menge an metallischem Dysprosium etwa 1 bis 4 mg beträgt, daß die Menge an Thalliumjodid etwa 1 bis 15 mg beträgt und daß die Menge an Quecksilberjodid etwa 4 bis 17 mg beträgt.