DE1804545A1

DE1804545A1 - Quecksilber-Niederdrucklampe mit einer Anordnung fuer die Steuerung des Quecksilberdampfdruckes

Info

Publication number: DE1804545A1
Application number: DE19681804545
Authority: DE
Inventors: Chalmers Morehead; Evans George S
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1967-10-27
Filing date: 1968-10-23
Publication date: 1969-05-29
Also published as: US3526804A; GB1171738A; BE722837A; FR1588055A; NL6815202A

Description

Dipl.-Ing. Klaus Neubecker Düsseldorf, 22. Oktober 1968

PateniGinwdt

4 Düss.ciclorf-EHer

Am Straussenlcnüz 53₇ TeMw 212SSi

WE 38,865
6847

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St,A.

Quecksilber-Niederdrueklampe mit einer Anordnung für die Steuerung des Quecksi Iberdampfdruckes

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Quecksilberdampfentladungslampen, insbesondere auf eine verbesserte Leuchtstoffröhre mit einer den Quecksilberdampfdruck steuernden Anordnung, die es ermöglicht, die Lampe bei hoher Belastung mit einem guten Wirkungsgrad und/oder innerhalb eines weiten Umgebungstemperaturbereiches zu betreiben.

Bekanntlich erreichen Lichtausbeute und Wirkungsgrad einer Leuchtstofflampe ein Maxiraum, wenn der Quecksilberdampfdruck in der Lampe innerhalb eines Bereiches von etwa 6-10 Mikron gehalten wird. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß der Betrag an durch die Entladung erzeugter 2537 A-Strahlung bei diesen Dampfdrücken ein Maximum aufweist. Dampfdrücke von etwa 3-14 Mikron ergeben eine Lichtausbeute von etwa 90 % des Höchstwertes und sind somit wirtschaftlich annehmbar. Bei Leuchtstofflampen allgemein üblicher Belastung sind die verschiedenen Konstruktionswerte so aufeinander abgestimmt, daß der erforderliche Quecksilberdampfdruck sich unter normalen Betriebsbedingungen einstellt. Wenn die Lampe jedoch höher belastet (d. h. über die übliche Belastung von etwa 10 W/30 cm Lampenlänge hinaus) oder aber hohen ümge-

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bungstemperaturen ausgesetzt wird, so steigt der Quecksilber dampf druck an, was dann zu einem scharfen Abfall der Lichtausbeute führt.

Es sind Leuchtstojfflampen entwickelt und auf den Markt gebracht worden, bei denen dem vorgenannten Problem durch die Verwendung eines Amalgams aus Indium und Quecksilber abgeholfen wird, welches de» Quecksilberdampfdruck durch seine Zusammensetzung und seine entsprechende Lage in der Lampe über einen weiten Bereich der Betriebstemperaturen der Lampe steuert und innerhalb der richtigen Grenzen hält.

Wenngleich die Lichtausbeute und der Wirkungsgrad einer Leuchtstofflampe durch den Einsatz eines Indium-Quecksilber-Amalgams bei hohen ümgebungsteisperaturen und hoher Belastung eine deutliche Verbesserung erfahren, so sind weitere Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit solcher Lampen doch stets wünschenswert. Außerdem hat sieh in der Praxis gezeigt, daß bei der Herstellung von das Amalgam enthaltenden Drahtgefleehtmansehetten, bei denen Bänder aus reinem Indium verwendet werden, teilweise gewisse Fertigangsprobleme auftreten. Der Grund dafür ist, daß Indium sehr weich und nachgiebig ist, so daß die Indiumbänder dazu neigen, bei der Montage zu reißen.

Es wäre insofern vorteilhaft, über ein Amalgam zu" verfügen", dessen Festigkeit größer als für reines Indium ist and das sich somit auf einfache und wirtschaftliche Weise mit Drahtgeflechtteilen vereinigen läßt, um druckregulierende Elemente auf Massenproduktionsbasis herstellen zu können.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen ist eine Queckseilber-Niederdrucklampe mit einer Anordnung bzw, einem Element für die Steuerung des bei Betrieb der Lampe herrschenden Quecksilberdampf druckes erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

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daß die Anordnung eine vorbestimmte Menge einer Zinn-Indium-Legierung aufweist, die im Inneren der Lampe an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß sie sich mit im wesentlichen dem gesamten Quecksilber verbindet, wenn die Lampe deenergisiert wird, und dabei ein Zinn-Indium-Quecksilberaraalgam bildet, das von 7 - 20 Atomprozent Quecksilber, von 2-9 Atomprozent Zinn und von 71 - 91 Atomprozent Indium enthält.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht

einer Leuchtstofflampe mit dem den Quecksilberdampfdruck regulierenden Amalgam nach der Erfindung;

Fig. 2 als graphische Darstellung die Abhängigkeit des Dampfdruckes der Dreistoffamalgame nach der vorliegenden Erfindung von der Temperatur im Vergleich zu reinem Quecksilber und zu einem zweiphasigen Indium-Quecksilberamalgam; und

Fig. 3 a - d als graphische Darstellungen die Abhängigkeit der Lichtausbeute, der Leistungsaufnahme, der Spannung sowie des Stromes von der Umgebungstemperatur für eine etwa 240 cm (96 inch) lange, hochbelastete Leuchtstofflampe mit einer zweiphasigen Indium-Quecksilberamalgamfüllung im Vergleich zu einer gleichartigen Lampe mit einer zweiphasigen Zinn-IndiumQuecksilber amalgamfül lung nach der Erfindung.

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Fig. 1 zeigt eine hochbelastete Leuchtstofflampe 10 mit einem rohrförmigen Glaskolben 12, dessen Innenseite mit einer Schicht 14 aus einem geeigneten, UV-empfindlichen Leuchtstoffes versehen und „der an seinen beiden Enden jeweils durch einen Glasquetschfuß 16Jhermetisch abgeschlossen ist. Ein Paar dicht durch die beiden Quetschfüße 16 geführte Zuführungsdrähte 18 verbinden Kathoden 20 mit Kontaktstiften 22, die in geeigneten, an den entsprechenden Enden des Kolbens 12 angebrachten Sockelplatten 24 verankert sind. Die Kathoden 20 weisen Wolframdrahtwendeln auf, die mit einem elektronenemittierenden Werkstoff beschichtet und zwischen an den inneren Enden der Zuführungsdrähte 18 befestigten, vergrößerte Abmessungen aufweisenden Metallanoden 26 angeordnet sind.

Das zur Steuerung des Quecksilberdampfdruckes dienende Element 28 weist eine Drahtgittermanschette 29 auf, die eine vorgegebene Menge Amalgam enthält und, von einem Federring 30 gehalten, den Quetschfuß 16 umgibt. Der Kern aus amalgamierendem Werkstoff und die darüberliegenden Streifen aus Drahtgitter werden manschettenartig zusammengesetzt und dann in dieser Form über den Quetschfuß 16 geschoben. Unmittelbar nach ihrer Herstellung enthält die Manschette 29 zunächst nur die primäre amalgamierende Legierung. Diese Legierung vereinigt sich anschließend mit dem in der fertiggestellten Lampe befindlichen Quecksilberdampf, wenn diese das erste Mal gezündet und deenergisiert wird, und bildet dann das Amalgam, das danach den Quecksilberdampfdruck der in Betrieb befindlichen Lampe steuert.

Erfindungsgemäß enthält der primäre amalgamierende Werkstoff eine Legierung aus Indium und Zinn, wobei die Anteile so gewählt sind, daß das Amalgam, das endgültig mit dem innerhalb der fertiggestellten Lampe befindlichen Quecksilber gebildet wird, vorbestimmte Anteile dieser drei Metalle enthält. In ' Verbindung damit wurde festgestellt, daß Zinn dabei nur in

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einer geringen Menge vorhanden sein darf, wenn eine einwandfreie Einstellung erzielt werden soll. Die Bereiche der verschiedenen Bestandteile sind in der nachstehenden Tabelle sowohl in Atom- als auch in Gewichtsprozenten angegeben :

Bestandteil Ätom-% Gew.-%

Zinn 2 bis 9 2 bis 8

Indium 71 bis 91 62 bis 86

Quecksilber 7 bis 20 12 bis 30

Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn das Amalgam sich ^ bei den verschiedenen, beim Betrieb der Lampe auftretenden Temperaturen in einem flüssig-festen oder sogenannten "zweiphasigen"-Zustand befindet. Diese Temperaturen reichen bei sogenannten hochbelasteten Leuchtstofflampen und bei Leuchtstofflampen normaler Leistung von etwa 45 C bis 90 C. Die Erfahrung hat gezeigt, daß sich die beste Kombination für die mechanische Festigkeit der primären Legierung einerseits und die Eigenschaften des Amalgams andererseits erzielen läßt, wenn der Zinngehalt zwischen 2 Atomprozent und 9 Atomprozent liegt.

Die deutliche Verbesserung hinsichtlich der dampfdruckregu- M lierenden Wirkung des Amalgams, wenn der Zinngehalt innerhalb des vorstehend genannten Bereiches gehalten wird, ist aus Fig. 2 ersichtlich. In dieser Figur sind die Dampfdruck/ Temperatur-Kurven verschiedener Amalgame der entsprechenden Kurve für reines Quecksilber gegenübergestellt. Die Kurve 32 gibt die für Quecksilber maßgeblichen Verhältnisse wieder: Bei einer Temperatur von 35° C herrscht ein Dampfdruck von etwas über 4 Mikron, der mit zunehmender Temperatur rasch ansteigt und bei 50° C etwa 12,7 Mikron beträgt. Eine Kurve 33 zeigt demgegenüber, daß ein zweiphasiges Indium-Quecksilberamalgam (in dem Indium einen Anteil von 80 - 95 Atom-% des

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Amalgams hat) einen Quecksilberdampfdruck erzeugt, der von etwas mehr als 1 Mikron bei 50° C auf etwa 2 Mikron bei 60° C und weiter auf etwa 10 Mikron bei 90° C ansteigt. Wie sich daraus ergibt, liefert ein zweiphasiges Indium-Quecksilber amalgam der richtigen Zusammensetzung in dem Bereich höherer Temperaturen, wie sie in einer hochbelasteten Leuchtstofflampe vorherrschen, die gewünschte Quecksilberdampfdruckregulierung, wobei die Wirksamkeit für Betriebstemperaturen von 50 C bis 90° C am größten ist.

Wie mit der Kurve 34 gezeigt, ergibt ein Dreistoffamalgam mit 20 Atom-% Zinn, 65 Atom-% Indium und 15 Atom-% Quecksilber einen Quecksilberdampfdruck, der dem optimalen Bereich von 6-10 Mikron bei einer niedrigeren Arbeitstemperatur näher als das Indium-Quecksilberamalgam (Kurve 33) ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß durch dieses besondere Dreistoffamalgam bei 60 C ein Dampfdruck von etwa 2,3 Mikron und bei etwa 80 C ein Dampfdruck von ca. 10 Mikron hervorgerufen wird. Der Quecksilberdampfdruck in einer Lampe, die ein solches Dreistoffamalgam enthält, wird daher bei Betriebstemperaturen des Amalgams von 60° C bis 80° C höher sein als bei einer gleichartigen Lampe, die ein zweiphasiges Indium-Quecksilberamalgam enthält. Da der Quecksilberdampfdruck für die Kurve 34 näher an dem optimalen Bereich von 6-10 Mikron liegt, hat eine dieses spezielle Dreistoffamalgam enthaltende Lampe in dem vorstehend erwähnten Arbeitsbereich mit Temperaturen von 60° C bis 80° C eine entsprechend höhere Lichtausbeute als eine In-Hg-Amalgamlampe.

Wie in Fig. 2 mit einer Kurve 35 gezeigt, ergibt ein Dreistoff amalgam mit 5 Atom-% Zinn, 75 Atom-% Indium und 20 Atom-9 Quecksilber eine Quecksilberdampfdruckregulierung, die günstiger als die von dem zweiphasigen In-Hg-Amalgam oder dem 20 Sn - 65 In - 15 Hg Amalgam gelieferte Regulierung oder

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Steuerung ist. Wie mit der Kurve 35 dargestellt, steigt der Dampfdruck bei einem Zinngehalt von 5 Atom-% von etwa 2,3 Mikron bei 55° C bis auf etwa 4,5 Mikron bei 62° C zunächst verhältnismäßig rasch und dann wesentlich langsamer bis auf IO Mikron bei etwa 88° C an. Die Kurve 35 hat somit bis zu einer Temperatur von etwa 62%annähernd denselben Anstieg wie die Kurve 33 für das In-Hg-Amalgam. An dieser Stelle tritt jedoch ein ausgeprägter Knick auf, und bei weiterer Erhöhung der Temperatur nimmt die Neigung der Kurve ab. Die Dampfdruck/Temperatur-Kurve dieses speziellen Dreistoffamalgams ist somit nicht nur auf die Anforderungen an hochbelastete Leuchtstofflampen bezüglich der Betriebstemperatur zugeschnitten, sondern ist außerdem auch von Änderungen der Betriebstemperatur weniger abhängig. Quecksilberdampfdruck und Leuchtausbeute einer ein solches Amalgam enthaltenden Lampe werden daher bei Schwankungen der Umgebungs- und Betriebstemperaturen stärker konstant bleiben als das für gleichartige Lampen zutrifft, bei denen der amalgam!erende Werkstoff zu 100 % aus Indium besteht. Oder, anders ausgedrückt, die Lichtausbeute/Umgebungstemperatur-Kurve verläuft, sofern alle übrigen Faktoren gleich sind, bei einer Lampe mit einem zweiphasigen Sn-In-Hg-Amalgam flacher als bei einer zweiphasigen In-Hg-Amalgamlampe,

Die vorstehend erwähnte Verbesserung hinsichtlich einer konstanteren oder stabileren Lichtausbeute bei Temperaturänderungen wird mit den verschiedenen Diagrammen 3a - d der Fig. 3 veranschaulicht, mit denen das Betriebsverhalten einer 240 cm langen, eine hohe Lichtausbeute besitzenden T ^-Leuchtstofflampe mit zweiphasigem In-Hg-Amalgam mit einer ein zweiphasiges Sn-In-Hg-Amalgam mit 4 Atom-% Sn, Atom-% In und 13 Atom-% Hg enthaltenden, sonst identischen Lampe verglichen wird. Wie mit der Kurve 36 des Diagramms 3a gezeigt, liegt die Lichtausbeute der das Sn-In-Hg-Amalgam enthaltenden Lampe in dem Bereich von 50 F Umgebungstempe-

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ratur wesentlich höher als bei der In-Hg-Amalgamlampe (Kurve 37). Der Unterschied nimmt mit steigender Umgebungstemperatur allmählich ab, um dann bei einer Umgebungstemperatur von etwa 95° F, bei der beide Lampentypen jeweils ihre maximale Lichtausbeute erreichen, ganz zu verschwinden. Wie ersichtlich, verläuft die Lichtausbeute/Umgebungstemperatur-Kurve bei der Dreistoffamalgamlampe wesentlich flacher als bei der In-Hg-Amalgamlampe.

Dies wird durch die mit dem Diagramm 3b dargestellten Leistungsaufnahme/Umgebungstemperatur-Kurven der entsprechenden Lampen bestätigt. Diese Kurven zeigen, daß die Leistungsaufnahme für die Dreistoffamalgamlampe (Kurve 38) höher und konstanter als bei der In-Hg-Amalgamlampe (Kurve 39) ist. Die Spannungs/Umgebungstemperatur-Kurven entsprechend Diagramm 3c zeigen, daß die Spannung der Dreistoffamalgamlampe (Kurve 40) bei niedrigeren Umgebungstemperaturen höher und bei höheren Umgebungstemperaturen geringfügig niedriger als die Spannung der In-Hg-Lampe (Kurve 41) ist.

Für die Strom/Umgebungstemperatur-Kurve entsprechend dem Diagramm 3d gilt dann gerade das Gegenteil. Dort zeigt die Kurve 42, daß der Lampenstrom für die Sn-In-Hg-Amalgamlampe bei niedrigeren Temperaturen etwas geringer als der Strom durch die Iη-Hg-Lampe (Kurve 43) ist und dann bei zunehmenden Umgebungstemperaturen auf einen etwas höheren Wert ansteigt. Die änderungen der Lampenspannung und des Lampenstromes sind unter Berücksichtigung des Leistungsfaktors so, daß die Leistung und die Lichtausbeute in dem niedrigeren Bereich der Umgebungstemperaturen für die Sn-Iη-Hg-Lampe höher als bei der Iη-Hg-Lampe sind, so daß sich eine Lampe mit besser stabilisierter Leistung und Lichtausbeute ergibt.

Vergleichsmessungen haben gezeigt, daß Bänder aus Zinn-Indium-Legierungen mit 5-20 Gew.-% Zinn etwa die zweifache

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Zugfestigkeit von Bändern aus reinem Indium aufweisen. Diese Erhöhung der mechanischen Festigkeit gestattet es, Bänder aus den primären Zinn-Indium-Legierungen ohne Schwierigkeiten mit den Drahtgitterstreifen oder dergleichen zu vereinigen und damit gitterartige, das Amalgam haltende Manschetten in wirksamer Weise auch auf Massenproduktionsbasis zu fertigen.

Für eine 1,20 m (48 inch) lange T 12/1500 raA-Leuchtstofflampe geeignetes zweiphasiges Sn-In-Hg-Amalgam erhält man beispielsweise, indem man 115 mg einer primären Sn-Iη-Legierung (5 Gew.-% Sn und 95 Gew.-% In) in die Drahtgittermanschette bringt und dann die Lampe in herkömmlicher Weise mit etwa 50 mg Quecksilber anreichert. Für eine 180 cm (72 inch) lange T 12/1500 mA - Leuchtstofflampe können entsprechend 172 mg der vorstehend erwähnten primären Sn-Iη-Legierung und 75 rag Quecksilber verwendet werden. Die entsprechenden Werte für eine 2,40 m (96 inch) lange T 12/1500 mA - Leuchtstofflampe sind 230 mg Sn-Iη-Legierung und 100 mg Hg.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst und eine Leuchtstofflampe geschaffen werden konnte, die ein aus vorbestimmten Anteilen Zinn, Indium und Quecksilber bestehendes Amal- M gam enthält, durch das nicht nur die Leistungsfähigkeit der Lampe erhöht, sondern auch die Herstellung erleichtert wird. Wenngleich hier im übrigen verschiedene bestimmte Ausführungsbeispiele erläutert wurden, so sind naturgemäß andere Ausführungsformen als die beschriebene möglich, um das Amalgam an der richtigen Stelle zuhalten, ohne daß deshalb der Rahmen der Erfindung verlassen würde. So könnte das Amalgam an der maßgeblichen Stelle in der Lampe auch durch andere Mittel als eine Drahtgitterraanschette gehalten und statt dessen beispielsweise mittels eines geeigneten Halteelements als ein aus dem Amalgam gebildeter Körper an der Lampenwandung,

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den Zuführungsdrähten oder dem Quetschfuß befestigt sein. Jn diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Leuchtstofflampen beschränkt ist, sondern sich auch bei einer Reihe anderer Typen von Quecksilberdampf-Entladungseinrichtungen einsetzen läßt, etwa bei UV-strahlungserzeugenden Lampen, die dann bei richtiger Einstellung des Quecksilberdampfdruckes ebenfalls eine höhere Ausbeute ergeben.

Patentansprüche:

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Claims

Pat en tansprtiche

1. Quecksilber-Niederdrucklampe mit einer Anordnung für die Steuerung des bei Betrieb in der Lampe herrschenden Quecksilberdampfdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine vorbestimmte Menge einer Zinn-Indium-Legierung aufweist, die im Innern der Lampe (10) an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß sie sich mit dem gesamten Quecksilber verbindet, wenn die Lampe (10) deenergisiert wird, und dabei ein Zinn-Indium-Quecksilber amalgam bildet, das von 7 bis 20 Atomprozent Quecksilber, von 2 bis 9 Atomprozent Zinn und von 71 bis 81 Atomprozent Indium enthält.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dae Amalgam zwischen etwa 15 und 20 Atomprozent Quecksilber enthält.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, die als innerhalb eine« vorgegebenen Betriebstemperaturbereiches arbeitende . Leuchtstofflampe ausgebildet 1st, dadurch gekennzeichnet, daß die das Amalgam bildenden Werkstoffe so aufeinander abgestimmt sind, daß sich das Amalgam bei Inbetriebnahme der Lampe innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereiches in einem flüssig-festen Zustand befindet.

4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Amalgam etwa 20 Atomprozent Quecksilber, etwa 5 Atomprozent Zinn und etwa 75 Atomprozent Indium enthält.

5. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Amalgam etwa 13 Atomprozent Quecksilber, etwa 4 Atomprozent Zinn und etwa 83 Atomprozent Indium enthält.

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β. Lampe nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Einrichtung (28) einen innerhalb der Lampe befestigten Körper mit Durchtrittsöffnungen aufweist, der aus einem Werkstoff besteht, der von dem im flüssigen Zustand befindlichen Amalgam befeuchtet wird, so daß das Amalgam an dem Körper haften bleibt.

7. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Durchtrittsöffnungen aufweisende Körper von einem Stück Metalldrahtgewebe gebildet ist.

8. Lampe nach Anspruch 6 oder 7 mit ein Paar im Abstand voneinander angeordneten, jeweils an den gläsernen Quetschfüßen befestigten und in das Innere des abgedichteten, Strahlungsabgebenden Kolbens ragenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Amalgam enthaltender, Durchtr ittsöffnungen aufweisender Körper wenigstens an einem der beiden Quetschfüße (16) angebracht ist.

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