DE2160960C3 - Hochdruck-Metalldampfentladungslampe - Google Patents

Description

45 Untersuchungen haben ergeben, daß das Licht, das

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck- während der Entladung in hochgespanntem Natrium-Metalldampfentladungslampe mit einem lichtdurch- dampf vom Zentrum des Bogens ausgesendet wird, lässigen Rohr aus Aluminiumoxyd als Lampenkolben, beim Passieren der an die Kolbenwand angrenzenden in dem Natrium, ein Puffergas und ein Zündedelgas Dunkelzone, wo die Nariummoleküle dichter verteil! enthalten sind. 50 sind, moduliert wird und eine Verbreiterung seinei Hochdruck-Metalldampfentladungslampen mit spektralen Verteilung erfährt. Ein größerer Wert des einem Keramikrohr aus polykristallinem Aluminium- Innendurchmessers führt dazu, daß die Dunkelzone Oxyd als Lampenkolben sind weit verbreitet, da der- dicker und die spektrale Verteilung des Lichts verartige Keramikrohre dem Metalldampf angriff bei breitert werden. Da andererseits der Lampenwirhohen Temperaturen und Drücken gut widerstehen 55 kungsgrad mit zunehmendem Innendurchmesser in-(US-PS 3 248 590, illuminating Engineering, Bd. 64, folge von Selbstabsorption verringert wird, wird dei 1969, Nr. 3, S. 162 bis 166). Innendurchmesser nach dem Stand der Technik ge-Die Hochdruck-Natriumdampfentladungslainpen wohnlich kleiner gehalten und liegt bei einer Lampe erzeugen eine gelblichweiße Strahlungsemission, von beispielsweise 400 Watt bei 7 bis 8 mm. Dem welche aus einem kontinuierlichem Spektrum besteht, 6° gegenüber wird der Innendurchmesser des Lampendas den gesamten sichtbaren Bereich überdeck!. Sie koibens im Falle einer erfindungsgemäßen Lampe übertreffen daher vom Standpunkt der Farbwiedergabe größer gewählt. Die Selbstabsorption bringt zwar eine Niederdruck-Natriumdampflampen, die hauptsäch- gewisse Verringerung des Lampenwirkungsgrades, die lieh gelbes Licht ausstrahlen. Die spektrale Verteiluni erzielte Verbreiterung der spektralen Verteilung de: der Strahlungsemission von Natriumdampfentladungs- ^5 ausgesandten Lichts sowie der relativ niedrige Dampf lampen breitet sich mit steigendem Natriumdampf- druck gewährleisten jedoch das angestrebte Färb druck allmählich über den gesamten sichtbaren wiedergabevermögen sowie die hohe Lebensdauei Bereich aus, so daß die Farbwiedergabe verbessert der Lampe.

Als Puffergas sind vorteilhaft Quecksilber und/oder Cadmium und als Edelgas Xenon vorgesehen.

Damit der für den Betrieb der Lampe erforderliche Vorschaltwiderstand die Wirtschaftlichkeit des Lampenbetriebs nicht in Frage stellt, ist die Arbeitsspannung der Lampe vorzugsweise geringer als ein kritischer Wert. Dieser kritische Wert hegt insbesondere bei 0,ö Vs, wobei Vs die Leitungsspannung der Energieversorgung in Volt ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Be-Schreibung von Ausführungsbeispieien unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Metalldampf entladungslampe;

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung der Funktion des mittleren Potentialgradieuten in dem Lampenkolben von deren Innendurchmesser;

F i g. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und dem Lampenwirkungsgrad; »o

F i g. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit der Gasstrecke zwischen den Elektroden und dem Lampenwirkungsgrad einer Metalldampfentladungslampc; »5

F i g. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und der Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des F.lektrodenabstandes einer Mctalldampientladungslampe; und

F i g. 6 zeigt eine graphische Darstelung der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser des Lampenkolbens und der Länge der Gasstrecke zwischen den Elektroden bei einer Metalldampfentladungslampe, wobei der schraffierte Bereich das Gebiet geeigneter Lampciiausführungcn zeigt.

Es wurden eine Reihe von Tests mit Entladungslampen unter Verwendung von Natrium als lichterzeugenäem Medium, d. h. bei einer Hochdruck-Natriumlampe, durchgeführt. Durch Veränderung von Innendurchmesser und Länge des Lampcnkolbens wurden verschiedene Lampeneigenschaften untersucht, wobei jedoch die Mengen an Natrium, Quecksilber und Edelgas in dem Kolben konstant blieben. Als Ergebnis wurden allgemeine Tendenzen gefunden, welche im folgenden beschrieben sind.

(1) Bei konstanter Farbtemperatur steigt der Lampenwirkungsgrad mit abnehmendem Lampeninnendurchmesser an. Der Lampenwirkungsgrad nimmt darüber hinaus auch mit zunehmender Lampenleistung (in Watt) je Längeneinheit des Lampenkolbens zu.

(2) Eine über einem bestimmten Grenzwert liegende Lampenleistung (Li Watt) je Längeneinheit beeinträchtigt die Lampenlebensdauer nachteilig. Die Lampenspannung steigt nämlich an, was von einer relativ starken Abnahme des Lichtstromes während der Lebensdauer begleitet wird. In einigen extremen Fällen tritt eine Schwärzung des Kolbens und eine Farbverschiebung des ausgesandten Lichtes infolge Natriumverlust in dem Kolben ein.

(3) Bei konstanter Farbtemperatur steigt der mittlere Potentialgradient der Lampe, der den Dampfdruck in dem Kolben indirekt darstellt, mit abnehmendem Lampendurchmesser an, was zu einer niedrigen Lebensdauer der Lampe führt.

Die Betrachtung dieser durch wiederholte Versuche erzielten Ergebnisse, haben zu dem Schluß geführt, daß durch angemessene Wahl der Beziehung der Lampenleistung (in Watt) zum Elektrodenabstand und des Lampeninnendurchmessers ein vorteilhafter Lampenaufbau erzielbar ist, welcher hinsichtlich der obenerwähnten Tendenzen gut ausgeglichen ist. Dies wird dann erreicht, wenn die Werte für den mittleren Potent'algradienten E (Volt/cm), für den Elektrodenabstand L (mm), für den Innendurchmesser des Lampenkolbens d (mm) und für die Lampenleistung W (Watt) folgenden Beziehungen genügen:

E > 37,5 - 2,05 d

1OH'
16 rf 58

_L< io«y

- 13,3 rf -76,4

(III)

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Lampe. In die Enden eines keramischen Rohres 1 aus polykristallinem Aluminiumoxyd, welches als Kolben dient, sind zur hermetischen Abdichtung keramische Endkappen 2 eingesetzt. Niobrohre 3, welche als Elektrodenzuführungen verwendet sind, durchdringen zentrale Öffnungen der Kappen 2 an den Enden der Lampe. An den inneren Enden der Niobrohre 3 sind Elektroden 4 angelötet.

Es wurden Messungen verschiedener Lampeneigenschaften durchgeführt unter Annahme etlicher Kombinationen von Werten für den Innendurchmesser d des Kolbens, für den Elektrodenabstand L und für die Mengen an Natrium sowie als Puffergas Quecksilber oder Cadmium, wobei diese Werte der folgenden Tabelle zu entnehmen sind. In allen Fällen ist Xenon als Zündedelgas in dem Kolben enthalten.

d (mm)

L (mm)

Menge Natrium (mg) ...
Menge Quecksilber (mg)
Menge Cadmium (mg) ..

6,3
40
15

3
10

7,0

7,5 7,6
60

30
30

9,7

40
40

11,5
82

50
60

13,5

60
80

Die Fig. 2 bis 6 zeigen graphische Darstellungen der verschiedenen Parameter von Lampen, die für Probemessungen auf der Basis der obenerwähnten, möglichen Kombinationen konstruiert wurden. Eine gründliche und synthetische Betrachtung dieser Kennwerte führt zu den folgenden Ergebnissen:

(A) Der mittlere Potentialgradient E des Lampenlichtbogens, d. h., die Lampenspannung d'vidiert durch den Elektrodenabstand, sinkt mit ansteigendem Kolbeninnendurchmesser rf, wenn die Farbneigung auf dem gleichen Pegel gehalten wird. Um eine Farbeignung größer als 1,0 zu erhalten, muß folgende Beziehung zwischen dem mittleren Potentialgradienten E und dem Kolbeninncndurchmesser d vorliegen:

E > 37,7 - 2,05 d.

Dies ist in F i g. 2 dargestellt und mit der obigen Lampe und einem Anstieg der Lampenspannung Beziehung (I) identisch, die durch sorgfältige Ver- während der Lebensdauer begleitet, was auf eine besuche erhalten wurde. schleunigte Reaktion zwischen dem Natrium und dem

Die Formel (I) bedeutet, daß sich bei einer Lampe Aluminiumkolben zurückzuführen ist. Als Ergebnis mit größerem Innendurchmesser des Kolbens, d. h. 5 einer Reihe durchgeführter Lebensdauertests wird mit einem geringeren Anstieg des Natriumdampf- ein solcher, hier als Wp bezeichneter Grenzwert für druckes in dem Kolben, bei niedrigerer Lampenspan- Lampen mit unterschiedlichen Lampcndurchmessern nung eine gute Farbwiedergabe erzielen läßt. Eine durch die Beziehung: Vergrößerung des Kolbeninnendurchmessers ermöglicht es andererseits, die Wiederzündspannung der 10 Wp= 16d — 58 (V) Lampe und daher die Offenspannung des Vorschalt-

widerstandes herabzusetzen, mit welchem die Lampe annähernd wiedergegeben, wobei Wp in Watt je cm betrieben wird. Demzufolge kann durch Verwendung (Watt/cm) ausgedrückt ist, was der Kurve 6 in F i g. 5 eines Kolbens mit einem gegenüber einer hcrkömm- entspricht. Der Grenzwert Wp entspricht jenen Lamlichen Hochdruck-Natriumlampe größeren Innen- 15 penleistungen je Längeneinheit, welche über etwa durchmesser die Lebensdauer der Lampe verbessert 6000 Stunden eine Aufrechterhallung des Lichtwerden und diese darüber hinaus wie herkömmliche stromes von mehr als 70% sicherstellen und das Hochdruck-Entladungslampen mit einem wirtschaft- Ansteigen der Lampenspannung innerhalb von 15°/o liehen Vorschaltwiderstand betrieben werden. des anfänglichen Wertes halten.

Zum besseren Verständnis sei der hier gebrauchte 20 Durch eine harmonische Kombination der oben Ausdruck »Farbeignung« kurz erklärt. Die Färb- beschriebenen Ergebnisse (A) bis (D) kann eine elekslärken von mittels einer Testquelle wiedergegebenen trische Entladungslampe mit den gewünschten Eigen-Farben von 8 CIE-Test-Proben werden auf der Färb- schäften geschaffen werden. Nachstehend werden die stärken-(U ⁺ , V⁺)-Ebene unter Bildung eines Acht- wesentlichen Bedingungen für eine solche Lampe abecks, dessen Fläche mit St bezeichnet wird, durch 25 geleitet.

Liniensegmente miteinander verbunden. In gleicher Für eine gute Farbwiedergabe soll gemäß Be-

Weise wird durch die Bezugslichtquelle mit angege- Ziehung (I)

bener Farbtemperatur ein anderes, gleiches Achteck f ■> 17 7 _ τ n^w

gebildet, dessen Fläche mit Sr bezeichnet wird. Die — ^ΛΙ'' ^Ζ'^{Ό:> α}

Farbeignung wird definiert als das Verhältnis von 30 gelten.

St zu Sr, d. h. StISr. Eine Farbeignung größer als 1,0 Hinsichtlich der Lampenleistung (in Watt) müssen

bedeutet, daß die Testlampe ein Licht mit stärker ge- der Lampenwirkungsgrad und die Lampenlebensdauer sättigtem Spektrum erzeugt als die Bezugslichtquelle. berücksichtigt werden, so daß die obigen Beziehungen

(B) Für Lampen, die eine Farbtemperatur von (IV) und (V) eingehalten sein müssen. 2500" K geben und einen konstanten Elektroden- 35

abstand und eine konstante Lampeneingangsleistung Aus der Beziehung (V) folgt, daß

von 400 Watt besitzen, ist die Beziehung zwischen

dem dem Lampeninnendurchmesser und dem Lam- u? — w —<r ne,J — *9.\ ^

penwirkungsgrad (Lichtausbeute) in Fig. 3 gezeigt, ~ "' Tq- ^ ~ To

d. h., der Lampenwirkungsgrad steigt mit einer Ab- 40

nähme des Kolbeninnendurchmessers. ^oder

(C) Für Lampen, die eine Farbtemperatur von » ^ 1OW 2500^J K geben und die einen konstanten Koben- — Y^JZTJ^ ^lst' innendurchmesser besitzen, ist die Beziehung zwischen Lampenwirkungsgrad und Lampenleistung (in 45 was mit der vorher erwähnten Beziehung (II) iden-Watt) je Längeneinheit des Elektrodenabstandes tisch ist. Darüber hinaus folgt aus der Beziehung (d. h. Lampenleistung in Watt dividiert durch den (IV), daß Elektrodenabstand) in F i g. 4 veranschaulicht. In

j diesem Falle ist die Lampenleistung in Watt so be- £ l

j messen, daß sie konstant gehalten wird. Wie aus 50 Tn — 0 3,3 d — 76,4) ·—-

F i g. 4 ersichtlich ist, vergrößert sich der Lampen-

wirkungsgrad mit abnehmendem Elektrodenabstand,

d. h. mit zunehmender Lampenleistung in Watt je

Längeneinheit. Eine genaue Prüfung einer Kurven- *- ^ .. _ —

schar in F i g. 4 für Lampen mit gleicher Farbtempc- 55 ' '

ratur von 2500° K, aber unterschiedlichem Kolbendurchmesser ergab, daß die Lampenleistungen je ist, was mit der vorher erwähnten Beziehung (ΠΙ) Längeneinheit W, (Watt/cm), mit denen ein Lampen- übereinstimmt.

wirkungsgrad von mehr als 60 Lumen je Watt erzielt Um eine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe

wird, annähernd durch nachstehenden Ausdruck ge- 60 mit einem hohen Lampenwirkungsgrad, einer guten

geben sind: Lebensdauer und einer Farbeignung größer als 1,0

W > 13 3d — 764 (TV) *" ^veTW"Michen, sollte die Lampe, die vorstehend

' — ' ' beschrieben, so gebaut sein, daß sie den oben ge-

Dies entspricht der Kurve α in F i g. 5. gebenen Beziehungen (I), (Π) und (III) gleichzeitig

(D) Andererseits ist das Übersteigen eines be- 65 gerecht wird.

stimmten Grenzwertes durch die Lampenleistung (in Eine Bedingung, welche sicherstellt, daß die Lampe

Watt) je Iüngeneinheit des Elektrodenabs<andes von mit einem wirtschaftlichen Vorschaltwiderstand mit einer relativ starken Lichtstromverringerung der relativ geringer Offenspannung betrieben werden

kann, kann durch Modifizierung der Beziehung (I) erzielt werden. Es folgt nämlich, daß

V₁.. > E ■

> (37,7 - 2,05 d)

L<

37,7-2,05,/

(VI)

ist, wobei V₁ „ der Wert einer kritischen Lampenspannung in Volt ist, unterhalb welcher ein wirtschaftlicher Vorschaltwiderstand möglich ist.

Der wirtschaftlichste Vorschaltwiderstand ist eine einzige Drosselspule, die gewöhnlich für bekannte Hochdruck-Dampfentladungslampen verwendet wird.

Bei Nutzung einer Drosselspule als Vorschaltwiderstand für die beschriebene Lampe sollte V_{L 0} etwa 60% der Versorgungsspannung Vs betragen. Die Formel (VI) kann dann wie folgt modifiziert werden:

(VII)

"~ 37,7 — 2,05 d

Führt die Energieversorgungsleitung die Spannung von 230 oder 240 Volt, dann ist:

_s ^L ^ ₃7,7 - 2,05 d

Wenn die Leitungsspannung der Energieversorgung 220 Volt beträgt, so ist:

_l< 1300

^ 37,7-2,05 rf

Wenn ferner die Leitungsspannung der EnergieVersorgung einen der Werte 220, 230 und 240 Volt annimmt, so kann für Vs in der Formel (VII) der Minimalwert von 220 gesetzt werden.
»5 1300

L < γϊη ZT-^n^J (VII")

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen dem Kolbeninnendurchmesser d und der Länge L des Elektrodenao abstandes, hergeleitet aus den Gleichungen (II), (III), (VII') und (VH") für Lampen, die mit einer Lampenleistung einer konstanten Höhe von 400 Watt betrieb^en werden. Der schraffierte Bezirk dieser Figur gibt geeignete Kombinationen von d und L wieder.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

$09626/317

Claims (4)

1. & wird Eine herkömmliche Hochdruck-Natriumdampf-

   Pa,e„_la„spr0c_te: ÄCSr tÄt?» ÄScJp™

   ,.H^^c^andamprcn^dungl^. ™£^^^?Ä SEES

   durchmesser rf in mm des Lampenkolbens, der einem Natnumdampfdruck von mehr als 300 Ton

   mittlere Potentialgradient £ in Volt je cm, d.h. io Farbtemperaturen von 2300 bis 3500 K und allge-

   der Quotient aus der Lampensi»nnung V_L und meine ^Ft^rbwieder.^gf''^'l" _hTh,TLH" F h dem Elektrodenabstand L, die Lampenleistung W Darüber hinaus wird auch beobachtet, daß die Farbin Watt und der Elektrodenabstand L in mm den eignung derartiger Entladung lampen mn höherem Bedincuneen Natriumdampfdruck über 1,0 hegt. Diese herkomm-⁵⁵ I₅ liehe Technik ist jedoch im Hinblick auf die Lebens- E ^ 37,7 — 2,05 rf dauer der Lampe nachteilig. Beispielsweise nimmt und diejenige Menge an Natrium, dit durch eine Reaktion _1f)H, _in,„ mit dem Aluminiumoxyd des Keramikrohrs entzogen . . _JT.._ <L< _-..-■ wird, mit einer Zunahme des Natriumdampfdrucks 16rf-58 ~ ~ 13,3rf- 76,4 _ao ebenfalls stark zu, mit der Folge, daß eine zuneh-„enügen mende Lichtschwächung eintritt und die Lampen-
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekenn- spannung gesteigert werden muß was einen unwirtzeichnet, daß als Puffergas Quecksilber und/oder schaftlichen Vorschaltwiderstand zum Betrieb der Cadmium und als Edelgas Xenon vorgesehen ist. Lampe erfordert.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch a₅ Der Errindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gekennzeichnet, daß die Arbeitssparnung der Lampe der eingangs genannten Art zu schaffen, die Lampe zur Sicherstellung eines wirtschaftlichen sich durch ausgezeichnete Farbwiedergabe, hohe Vorschaliwiderstandes geringer als ein kritischer Lebensdauer und wirtschaftlichen Betrieb auszeichne: Lampenarbeitsspannungswert V_{1 0} ist, so daß der Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch eine Elektrodenabstand L und der Innendurchmesser 30 Lampe mit den im Anspruch 1 aufgeführten Mcrkdes Lampenkolbens der Bedingung malen gelöst.

   J₀ γ Die erste der angegebenen Beziehungen gewähr-

   L ;g -ⁿ - leiste* in erster Linie eine Erzeugung von Licht für

   37,5 - 2.0 rf _ejne |,_oj_ic Farbwiedergabe und lehrt, daß der Dampfgenügen. 35 druck, der indirekt durch den Wert des Potential-
4. 4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch aekenn- gradicnten wiedergegeben wird, hinreichend niedrig zeichnet, daß der kritische Wert V_{1 fl} der Lampen- gehalten werden kann, indem der Durchmesser des arbeitsspannung 0,6 Vs beträgt, wobei Vs die Lampenkolben größer gewählt wird, als es aus dem Leitungsspannung der Energieversorgung in Volt Stand der Technik bekannt ist. Daneben gewährist. 40 leistet die zweite angegebene Beziehung einerseits eine

   hinreichende Aufrechterhaltung des Lichtstromes der Lampe über eine lange Betriebszeit, wobei zugleich

   das Ansteigen der Lampenspannung stark eingeschränkt wird.