DE19613468A1 - Quecksilber-Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Niederdruckentla­ dungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.

Allgemein werden Quecksilber-Niederdruckentladungslampen bei der Desinfektion von Wasser oder von Luft eingesetzt. Daneben finden sich auch Anwendungen bei der UV-Bestrah­ lung von Oberflächen. Die Quecksilber-Niederdruckent­ ladungslampen erzeugen UV-Strahlung mit einem Linien­ spektrum mit einer intensiven Emissionslinie der Wellen­ länge 253,7 nm und erheblich schwächeren Emissionslinien der Wellenlängen unter 200 nm mit einem Maximum bei etwa 185 nm und 194 nm.

Der kurzwellige Anteil der UV-Strahlung des Wellenlängen­ bereichs von unter 200 nm wird für verschiedene photochemische Prozesse benötigt, etwa die Emissionslinie von ca. 185 nm zur Erzeugung von Ozon aus Sauerstoff sowie zur Härtung von Lacken und Klebern. Auch bei der Aufbereitung von Reinstwasser, welches beispielsweise in der Elektronikindustrie bei der Fertigung und Herstellung von Halbleitern benötigt wird, ermöglicht diese kurz­ wellige Strahlung einen photo-oxidativen Abbau von Schadstoffen.

Bei bekannten Quecksilber-Niederdruckentladungslampen ist allerdings der prozentuale Anteil der kurzwelligen Strah­ lung unterhalb 200 nm relativ gering im Vergleich mit dem Anteil der Strahlung im Bereich von 254 nm und bei üb­ lichen Quecksilber-Niederdruckentladungslampen liegt die­ ser Anteil der kurzwelligen UV-Strahlung von 185 nm - be­ zogen auf den Anteil der 254 nm-Strahlung - nur bei maxi­ mal etwa 10%.

Quecksilber-Niederdruckentladungslampen weisen bei einem bestimmten Quecksilber-Dampfdruck einen optimalen Wir­ kungsgrad auf, bezogen auf die Strahlungsleistung bei 254 nm. Der optimale Dampfdruck wird in Abhängigkeit des Lampenrohrquerschnitts üblicherweise mit Betriebsströmen im Bereich von etwa 0,1 Ampere bis 1 Ampere erreicht.

Um eine höhere Strahlersleistung zu erzielen, ist es schon bekannt, daß man den Betriebsstrom erhöhen kann, wenn man innerhalb des Lampenrohres der Queck­ silber-Niederdruckentladungslampe eine Amalgam bildende Metall­ füllung anordnet. Bei dem Amalgam handelt es sich be­ kanntlich um eine Quecksilberlegierung, die z. B. aus Quecksilber und Indium besteht. Wenn an der Innenseite des Lampenrohres der Quecksilber-Niederdruckentladungs­ lampe zwischen den Elektroden bzw. Glühwendeln im Bereich der Entladungsstrecke eine solche Metallfüllung vorge­ sehen wird, kann die Quecksilber-Niederdruckentladungs­ lampe mit einem größeren Betriebsstrom von etwa 2 bis 3 Ampere betrieben werden.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß sowohl bei der Ver­ wendung der erwähnten Metallfüllung eine Erhöhung der kurzwelligen UV-Strahlung im Bereich unter 200 nm im Ver­ gleich zur UV-Strahlung bei 254 nm nicht erreicht werden kann. Man könnte zwar daran denken, bei Verwendung der Metallfüllung den Betriebsstrom noch weiter zu erhöhen, jedoch hat sich erwiesen, daß auf diesem Weg keine Er­ höhung der Strahlungsleistung zu erzielen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quecksil­ ber-Niederdruckentladungslampe der im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 genannten Art dahingehend zu verbessern, daß trotz der voranstehend beschriebenen Umstände eine wesentliche Erhöhung der kurzwelligen UV-Strahlung im Be­ reich von 170 bis 200 nm und vor allem der Emissionslinie von 185 nm im Vergleich zur UV-Strahlung von 254 nm er­ reicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angege­ benen Merkmale.

Bei der Erfindung wird also die Verwendung der an sich bekannten Amalgam bildenden Metallfüllung vorausgesetzt, in neuartiger Weise wird dabei jedoch vorgesehen, daß die Außenwand des Lampenrohres an der Stelle, an der sich auf der Innenwand des Lampenrohres die Metallfüllung befin­ det, eine mechanische Berührung bzw. ein mechanischer Kontakt mit einem Kühlkörper hergestellt wird.

Durch diese Maßnahme ergibt sich an der betreffenden Stelle eine Kühlung mit der Wirkung, daß die Queck­ silber-Niederdruckentladungslampe mit einem wesentlich höheren Betriebsstrom betrieben werden kann. Als Ergebnis dieses höheren Betriebsstromes ist in angestrebter Weise eine überraschend deutliche Steigerung der kurzwelligen UV-Strahlung im Bereich von 170 bis 200 nm und insbesondere von 185 nm im Vergleich zur UV-Strahlung von 254 nm zu beobachten.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Be­ triebsdampfdruck des Quecksilbers der Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampe von der Wandtemperatur des Lampen­ rohres und von den elektrischen Betriebsparametern ab­ hängt. Deshalb führt bei den bekannten Quecksilber-Nie­ derdruckentladungslampen die weiter oben angesprochene Möglichkeit der Erhöhung des Betriebsstromes auch nicht zu einer Erhöhung der Strahlungsleistung, weil das Lam­ penrohr der Quecksilber-Niederdruckentladungslampe dann zu heiß wird und sich der optimale Betriebsdampfdruck des Quecksilbers nicht einstellt. Durch die bei der Erfindung vorgesehene Kühlung kann demgegenüber die Queck­ silber-Niederdruckentladungslampe sehr wohl mit einem höheren Betriebsstrom betrieben werden, mit der Folge, daß die kurzwellige UV-Strahlung im Bereich von 170 bis 200 nm deutlich ansteigt, weil wegen der Kühlung verhindert wird, daß der Betriebs-Dampfdruck im Lampenrohr ansteigt und über die Sättigung hinausgeht.

Durch Messungen einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Nie­ derdruckentladungslampe konnte in Versuchen bestätigt werden, daß sich der prozentuale Anteil der kurzwelligen UV-Strahlung von ca. 185 nm - bezogen auf den Strahlungs­ anteil von 254 nm - bis auf Werte von 90% erhöhen läßt. Dies ist ein Vielfaches dessen, was bei bisherigen Quecksilber-Niederdruckentladungslampen möglich war. So­ mit kann beispielsweise mit den neuen Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampen eine entscheidend höhere photo­ lytische oder photooxidative Wirkung erzielt werden, was beispielsweise von besonderem Vorteil bei der Behandlung von Reinstwasser ist.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Metallfüllung innerhalb einer oder mehrerer ra­ dial nach außen weisenden Ausbuchtungen des Lampenrohres angeordnet ist bzw. sind, und daß die Ausbuchtungen zu­ mindest teilweise in Kontakt mit einem Kühlkörper stehen.

Bei dieser Weiterbildung der Erfindung werden die Metall­ füllungen nicht mehr wie bisher an der glatten Innenwand des Lampenrohres angeordnet, vielmehr besitzt das Lampen­ rohr radial nach außen gerichtete Ausbuchtungen in Form von Dellen, die Vertiefungen nach Art eines Tiegels bil­ den, und innerhalb dieser Ausbuchtungen befinden sich die Metallfüllungen. Dabei stehen die Ausbuchtungen zumindest teilweise in Kontakt mit einem Kühlkörper, wodurch wie­ derum eine Kühlung bewirkt wird, welche die wesentliche Erhöhung des Betriebsstromes und damit die deutliche Steigerung der kurzwelligen UV-Strahlung im Bereich von 170 bis 200 nm ermöglicht.

Um die bei der Erfindung als wichtige Maßnahme vorgese­ hene Kühlung zu bewirken, ist in einer weiteren zweck­ mäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Metallfüllung in unmittelbarer Nähe der voranstehend er­ wähnten Ausbuchtungen angeordnet ist. Dabei ist entschei­ dend, daß die Metallfüllungen so nahe zu den erwähnten Ausbuchtungen angeordnet sind, daß sie im Wirkungsbereich der Kühlzone liegen und noch eine deutliche Kühlung er­ zielt wird.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Er­ findung ist die Quecksilber-Niederdruckentladungslampe in einem für UV-Strahlung durchlässigen Hüllrohr derart an­ geordnet, daß die Ausbuchtungen des Lampenrohres zumin­ dest teilweise mit dem äußeren Hüllrohr in Kontakt ste­ hen, wobei das Hüllrohr den Kühlkörper bildet.

Diese Ausgestaltung ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die Quecksilber-Niederdruckentladungslampe mit dem äußeren Hüllrohr als Tauchstrahler ausgebildet ist, wobei das Hüllrohr von einem flüssigen Medium umgeben ist. Die­ ses flüssige Medium unterstützt dann in vorteilhafter Weise die Kühlung.

Im Rahmen der Erfindung ist es gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung auch möglich, daß das voranstehend erwähnte Hüllrohr an den Stellen der Metallfüllungen radial nach innen weisende Einbuchtungen aufweist, die in Kontakt mit den genannten Stellen der Metallfüllungen stehen, wobei das Hüllrohr den Kühlkörper bildet. Entscheidend ist dabei, daß die Metallfüllungen jeweils in Berührung und Kontakt mit dem äußeren Hüllrohr stehen, welches zur Kühlung beiträgt.

Zweckmäßig weist das Lampenrohr der Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampe einen Querschnitt von mindestens 0,5 cm² und maximal 12 cm² auf, vorzugsweise etwa 3 cm² auf.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Lam­ penrohr im Bereich seiner Entladungsstrecke einen um min­ destens 30% kleineren Querschnitt als an den beiden äußeren Enden im Bereich der Elektroden. An den beiden äußeren Enden besitzt somit das Lampenrohr Abschnitte mit einem größeren Querschnitt als in der Mitte im eigent­ lichen Entladungsbereich.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die Metallfüllungen bzw. die Ausbuchtungen des Lampenrohres oder auch die erwähnten Einbuchtungen des Hüllrohres im Bereich der Elektroden, also im Bereich der Enden mit den größeren Querschnitten.

Eine andere Variante sieht vor, daß sich die Metall­ füllungen im Bereich der Entladungsstrecke des Lampenroh­ res befinden, also im Bereich mit dem geringeren Quer­ schnitt. Dabei ist vorzugsweise an jeder Seite - benach­ bart zu den Bereichen mit dem größeren Querschnitt - je­ weils eine Metallfüllung angeordnet.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil auch dann anwenden, wenn das Lampenrohr einen von der Kreisform abweichenden flachen länglichen Querschnitt mit zwei breiten Seiten (Strahlungsseiten) und zwei schmalen Seiten aufweist und als an sich bekannter Flachstrahler ausgebildet ist. Die Ausbuchtungen bzw. die Metallfüllungen befinden sich dann an mindestens einer schmalen Seite des Flachstrahlers.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1-9 verschiedene Ausführungsformen einer Quecksilber-Niederdruckentladungs­ lampe, und

Fig. 10 eine graphische Darstellung der An­ teile der Wellenlängen bzw. Emissionslinien bei etwa 185 nm und etwa 254 nm der erzeugten UV-Strah­ lung.

Fig. 1 zeigt eine Quecksilber-Niederdruckentladungslampe 10 mit einem Lampenrohr 12. Das Lampenrohr 12 besitzt eine Innenwand 14 sowie eine Außenwand 28. An den Enden befinden sich jeweils ein Sockel 22 mit elektrischen An­ schlußstiften 24, die in Verbindung mit den im inneren des Lampenrohres vorgesehenen Elektroden 20 (Glühwendeln) stehen.

Auf der Innenwand 14 des Lampenrohres 12 ist im Bereich zwischen den Elektroden 20 eine Metallfüllung 32 fest an­ gebracht, und an der gegenüberliegenden Stelle steht die Außenwand 28 des Lampenrohres 12 in Berührung mit einem Kühlkörper 46, der beispielsweise durch ein Kühlblech ge­ bildet sein kann. Der Kühlkörper 46 bewirkt im Bereich der Metallfüllung 32 eine Kühlung, so daß die Quecksil­ ber-Niederdruckentladungslampe 10 mit einem vergleichs­ weise hohen Betriebsstrom von größer als 2,5 Ampere be­ trieben werden kann. Dadurch ergibt sich eine entschei­ dende Erhöhung der kurzwelligen UV-Strahlung im Bereich von 170 nm bis 200 nm, im Vergleich zur UV-Strahlung von etwa 254 nm.

Die Darstellung in Fig. 2 zeigt eine Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampe 10, bei welcher zwei Metallfüllungen 32 vorgesehen sind. Dabei besitzt das Lampenrohr 12 zwei entsprechende radial nach außen gerichtete Ausbuchtungen 30, in denen sich die Metallfüllungen 32 befinden. An der Außenwand 28 des Lampenrohres 12 stehen diese Ausbuchtun­ gen 30 in Kontakt mit den Kühlkörpern 46.

In Fig. 3 ist ebenfalls eine Variante eines Lampenrohres mit einer Ausbuchtung 30 dargestellt, die außen in Berüh­ rung mit dem Kühlkörper 46 steht, jedoch ist dabei die Metallfüllung 32 nicht in der Ausbuchtung 30 selbst, son­ dern in unmittelbarer Nähe davon angeordnet. Dabei befin­ det sich die Metallfüllung 32 immer noch im Wirkungsbe­ reich des Kühlkörpers 46, so daß auch hier eine Kühlung erfolgen kann.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Quecksilber-Niederdruckentladungslampe 10 als Tauchstrah­ ler ausgebildet, denn das Lampenrohr 12 befindet sich innerhalb eines Hüllrohres 26, welches für UV-Strahlung durchlässig ist. Die Ausbuchtung 30, in der sich die Me­ tallfüllung 32 befindet, steht in Kontakt mit dem Hüll­ rohr 26, welches somit den Kühlkörper bildet. Üblicher­ weise werden Tauchstrahler zur Bestrahlung von Flüssig­ keiten eingesetzt, welche dann das Hüllrohr 26 umgeben, wodurch das Hüllrohr 26 besonders geeignet ist, die Funk­ tion eines Kühlkörpers zu übernehmen.

Auch die Darstellung in Fig. 5 zeigt eine Queck­ silber-Niederdruckentladungslampe 10 mit einem äußeren Hüllrohr 26. Dieses Hüllrohr 26 besitzt eine Einbuchtung 44, die in Kontakt mit der Außenwand 28 des inneren Lampenrohres 12 steht, und zwar an der Stelle, wo auf der Innenwand die Metallfüllung 32 angeordnet ist. Diese befindet sich hier direkt auf der Innenwand 14 des Lampenrohres 12, d. h., anders als in Fig. 4 ist hier keine Ausbuchtung vor­ gesehen; die Ausbuchtung wird praktisch durch die Ein­ buchtung 44 ersetzt.

Fig. 6 zeigt in teilweiser Darstellung ein anderes Aus­ führungsbeispiel, wobei aus Platzgründen nur das eine Ende der Quecksilber-Niederdruckentladungslampe 10 darge­ stellt ist. Dabei besitzt das Lampenrohr 12 an den beiden Enden im Bereich der Elektroden 20 einen größeren Quer­ schnitt als im Bereich der eigentlichen Entladungsstrecke 18, also im mittleren Bereich. Der Querschnitt im mittle­ ren Bereich der Entladungsstrecke 18 ist um mindestens 30 % kleiner als im Bereich der Enden 16 mit dem größeren Querschnitt.

Die mindestens eine Metallfüllung 32 ist im Bereich des einen Endes 16 mit dem größeren Querschnitt auf der Innenwand 14 des Lampenrohres 12 angeordnet und steht wiederum mit einem Kühlkörper 46 in Verbindung, der hier im Bereich der Metallfüllung 32 eine radial nach innen gerichtete Einbuchtung besitzt. Der Kühlkörper 46 könnte also etwa auch durch das in Fig. 5 dargestellte Hüllrohr 26 gebildet sein.

Fig. 7 zeigt ebenfalls eine Quecksilber-Niederdruckentla­ dungslampe 10, bei der die Enden des Lampenrohres 12 einen größeren Querschnitt 16 als die Entladungsstrecke 18 aufweisen. Der Unterschied zu Fig. 6 besteht darin, daß die Metallfüllung 32 in der Ausbuchtung 30 angeordnet ist, und daß der Kühlkörper 46 eben verläuft.

Auch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 zeigt ein Lam­ penrohr 12, bei welchem die Enden 16 einen vergrößerten Querschnitt besitzen. Die Metallfüllung 32 ist jedoch nicht im Bereich des vergrößerten Querschnittes 16, son­ dern im Bereich der Entladungsstrecke 18 in der Ausbuch­ tung 30 angeordnet, die in Berührung mit dem Kühlkörper 46 steht.

Schließlich zeigt Fig. 9 als weiteres Ausführungsbeispiel in einer teilweisen Darstellung einen Flachstrahler 34, bei dem das Lampenrohr zwei breite Seiten 36 und zwei schmale Seiten 38 besitzt. Die Ausbuchtung 30 zur Auf­ nahme einer Metallfüllung befindet sich dabei an einer schmalen Seite 38 des Flachstrahlers 34. Diese Ausbuch­ tung steht - was in Fig. 9 nicht näher dargestellt ist - eben­ falls in Kontakt mit einem Kühlkörper bzw. mit einem Hüllrohr.

Fig. 10 zeigt in einer graphischen Darstellung die Wellenlängen bzw. Emissionslinien der mit einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Niederdruckentladungslampe erzeugten UV-Strahlung. Besonders auffällig sind die Emissionslinien der kurzwelligen UV-Strahlung 40 der Wellenlänge von etwa 185 nm und die Emissionsstrahlung 42 der Wellenlänge von etwa 254 nm.

Wie zu erkennen ist, beträgt der kurzwellige Anteil 40 der Strahlung von 185 nm fast 90% des Anteils der Strah­ lung 42 von 254 nm. Ein solch hoher prozentualer Anteil der kurzwelligen Strahlung 40 von 185 nm im Vergleich zur Strahlung 42 von 254 nm ist völlig überraschend und konnte bisher nicht erzielt werden.

Claims (11)

1. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) mit ei­ nem Lampenrohr (12) und mit mindestens einer darin an der Innenwand (14) befindlichen Amalgam bildenden Metall­ füllung (32), zur Erzeugung von UV-Strahlung im Wellen­ längenbereich von etwa 170 nm bis 280 nm für die Bestrah­ lung flüssiger oder gasförmiger Medien und/oder von Ober­ flächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllung (32) zwischen den Elektroden (20) der Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampe (10) auf der Innenwand (14) des Lam­ penrohres (12) angeordnet ist, und daß die Außenwand (28) des dieser Stelle der Innenwand (14) entsprechenden Be­ reichs des Lampenrohres (12) in Berührung bzw. Kontakt mit einem Kühlkörper (26; 46) steht.

2. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllung (32) innerhalb einer oder mehrerer radial nach außen wei­ senden Ausbuchtungen (30) des Lampenrohres (12) angeord­ net ist, und daß die Ausbuchtungen (30) zumindest teil­ weise in Kontakt mit einem Kühlkörper (26; 46) stehen.

3. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfüllung (32) in unmittelbarer Nähe einer oder mehrerer radial nach außen weisenden Ausbuchtungen (30) des Lampenrohres (12) angeordnet ist, und daß die Ausbuchtungen (30) zu­ mindest teilweise in Kontakt mit einem Kühlkörper (26; 46) stehen.

4. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Quecksilber-Niederdruckent­ ladungslampe (10) in einem für UV-Strahlung durchlässigen Hüllrohr (26) angeordnet ist, daß die Ausbuchtungen (30) des Lampenrohres (12) zumindest teilweise mit dem äußeren Hüllrohr (26) in Kontakt stehen, und daß das Hüllrohr (26) den Kühlkörper bildet.

5. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Queck­ silber-Niederdruckentladungslampe (10) in einem für UV-Strahlung durchlässigen Hüllrohr (26) angeordnet ist, daß das Hüll­ rohr (26) an den Stellen der Metallfüllung (32) radial nach innen weisende Einbuchtungen (44) aufweist, die in Kontakt mit den genannten Stellen der Metallfüllung (32) stehen, wobei das Hüllrohr (26) den Kühlkörper bildet.

6. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Lampenrohr (12) einen Quer­ schnitt von mindestens 0,5 cm² und maximal von 12 cm² be­ sitzt.

7. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Lampenrohr (12) im Bereich seiner Entladungsstrecke (18) einen um mindestens 30% kleineren Querschnitt aufweist als an den beiden äußeren Enden (16) im Bereich der Elektroden (20).

8. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Betriebsstrom durch die Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) größer als 2,5 Ampere ist.

9. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Metallfüllungen (32) bzw. die Ausbuchtungen (30) des Lampenrohres (12) oder die Einbuchtungen (44) des Hüllrohres (26) im Bereich der größeren Lampenrohrquerschnitte (16) angeordnet sind.

10. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach ei­ nem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1-9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Lampenrohr (12) einen von der Kreisform abweichenden flachen länglichen Querschnitt mit zwei breiten Seiten (36) (Strahlungsseiten) und zwei schmalen Seiten (38) aufweist und als an sich bekannter Flachstrahler (34) ausgebildet ist.

11. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe (10) nach An­ spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Metall­ füllungen (32) bzw. die Ausbuchtungen (30) an mindestens einer schmalen Seite (38) des Flachstrahlers (34) befin­ den.