DE2433333A1

DE2433333A1 - Metallhalogenidentladungslampe

Info

Publication number: DE2433333A1
Application number: DE2433333A
Authority: DE
Inventors: Timothy Fohl
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1973-07-19
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-02-06
Also published as: US3896326A; CA1000338A; GB1473563A

Description

GTE Sylvania Inc, U„S=A, 3. Juli 1974

GTE-PA 28

PATENTANMELDUNG

MetalIhalogenidentladungslampe

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung einer Metallhalogenidentladungslampe für allgemeine Beleuchtung, die innerhalb des äußeren Kolbens,, der mit einem einseitigem Schraubsockel ausgestattet ist, eine Bogenentladungsröhre mit Elektroden an beiden Enden etwa in Längsrichtung orientiert aufweist, in der bei Betrieb in vertikaler oder von der horizontalen wenig abweichenden Position die Bogenentladung etwa entlang der Mittelachse der Bogenentladungsröhre verläuft, die allgemein rohrförmig ist=

Hintergrund der Erfindung
A= Erfindungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf wandstabilisierte Metallhalogenidentladungslampen der Art, wie sie für allgemeine Bsleuchtungszwecke verwendet werden,. Derartige Lampen umfassen eine allgemein zylindrische Bogenentladungsröhre, die an jedem Ende Elektroden aufweist= Die Bogenentladungsröhre snt-hält eine Füllung

aus Quecksilbers fietailhalogenid und* für Zündzwecke;, einem inertem Gas» fahrend des Normalbetriebs liegt dsr Druck innerhalb der Bogenentladungsröhre bei ungefähr 1 bis 10 Atmosphären und die Temperatur der Bogsnentladungsrohre bei ungefähr 500 bis 1000° C. Di® Bogenentladung erstreckt siph nicht bis zu den Wanden dar Bogenentladungsrahre und wird von KonvektionsstrSmen innerhalb der Bogenentladungsrahre nachteilig beeinflußt=

B₀ Besohr-gibung des Standes der Technik

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iietallhalogenidentladungslampen für- allgemeine Beleuchtungszwecke sind in den letzten fünf bis 2shn jähren wirtschaftlich nutzbar geworden, "weil sie leistungsfähiger al's Hochdruckquecksilberdampflampen sind und ein weißeres Licht als diese liefern_c Die Bcgsnentladungsröhrs in solchen P.stallhalogsnidlampsrs bastsht aus geschmolzenem Quarz (ein Glas mit hohem SiliQiuAidioxydgehalt) und ist eine gerade zylindrische Röhre mit abgedichteten Prsßdurchführungen· an jedem Ende₀ Alle gegenwärtig im Handel erhältlichen Metallhalogenidentladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecke besitzen eine Bogenentladungsröhre mit im wesentlichen gleichförmigem Durchmesser, d.h» mit konstantem Querschnitt» Einige Arten "der Bogenentladungslampsn mit kompakter Quelle nach dem Stande der Technik sind mit Bogenentladungsröhren von ungleichförmigem Durchmesser hergestellt worden, so z. B. Kurzbogenlampen und stark- belastete Kapillarlamperu Solche Lampen werden bei optischen Geräten ver-

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wendet und sind gewöhnlich keine allgemeinen Beleuchtungslampen. In derartigen Lampen wird aber die Bogenentladung nicht nachteilig von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre beeinflußt. Kurzbogenlampen, zum Beispiel, enthalten im allgemeinen eine sphärische Bogenentladungsröhre und haben elektrodenstabilisierte Bogenentladungen. Das bedeutet, daß die Lichtbogenlänge im Vergleich zum Durchmesser der Bogenentladungsröhre gering ist, daß die Form der Bogenentladung unabhängig von der Form der Bogenentladungsröhre ist und daß die Lichtbogenentladung nicht nachteilig von Konvektionsströmen innerhalb der Lichtbogenentladungsröhre beeinflußt wird.

Einige Arten von kapillaren Bogenentladungslampen sind im heißesten Abschnitt der Bogenentladungsröhre mit einer kleinen Ausbauchung versehen, um ein Schmelzen des Glases an dieser Stelle zu vermeiden. Doch erstreckt sich in derartigen Lampen die Bogenentladung bis zu den Wänden der BogenBntladungsröhre und wird von diesen begrenzt, so wird die Bogenentladung eingeengt und nicht wesentlich von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre beeinflußt. Ferner sind Kapillarlampen so stark belastet (Watt/cm ), daß sie im allgemeinen künstlich gekühlt werden müssen, um ein Schmelzen der Bogenentladungsröhre zu verhindern.

Im Gegensatz zu den Bogenentladungsrohren mit kompakter Quelle wird die Bogenentladung in der allgemeinen Beleuchtung dienenden Metallhalagenidlampen von Konvektionsströmen innerhalb der Bogen-

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entladungsröhre während des Lampenbetriebes nachteilig beeinflußt.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, für Metallhalogenidentladungslampen, die der Beleuchtung dienen und deren Arbeitsstellung von der Horizontalen abweicht, einen günstigeren Verlauf der Konvektionsströme in der Bogenentladungsröhre zu erreichen, wobei der entstehende Lichtbogen im wesentlichen gleichförmig gemacht werden soll. Gleichzeitig soll der Lampenwirkungsgrad verbessert werden, indem die Artentrennung weitgehend vermieden wird· „_

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgaben werden für den eingangs genannten Gattungsbegriff erfindungsgsmäß nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Weitere Einzelheiten sind dem nachfolgenden Anspruch und der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen·

Es wurde gefunden, daß eine wesentliche, unerwartete Erhöhung im Wirkungsgrad (Lumen/Watt) von Metallhalogenidentladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecke dadurch erzielt werden kann,wenn man die Form der Bogenentladungsröhre in ihrem allgemein verwendeten gleichförmigen Durchmessar abändert. Gemäß der Erfindung besitzt die Bogenentladungsröhre zwischen den Elektroden einen Abschnitt mit erweitertem Durchmesser, um die Strömung von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre zu steuern.

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In Lampen der Art, mit denen sich diesB Erfindung
befaßt, gibt es innerhalb der Bogenentladungsrohre entgegengesetzte Konvektiansstromungen von gasförmigem und verdampftem Material. Wird die Bogenentladungsrohre so betrieben, daß sich ihre Achse
vertikal erstreckt oder einen Winkel mit der
Horizontalen bildet, dann läuft die aufwärts gerichtete Konvektionsströmung im wesentlichen längs der Achse der Bogenentladungsrohre, die gleichzeitig die Achse des Kerns der Bogenentladung ist. Die abwärts gerichtete Konvektionsströmung verläuft nahe den Wänden der Bogenentladungsrohre. Befinden sich die aufwärts und abwärts gerichteten Strömungen
dicht beieinander, so .bewirkt die Scherung zwischen ihnen radiale Konvektionsströmungen, welche Material zwischen der aufwärts gerichteten und der abwärts
gerichteten Strömung transportieren. Dieser Effekt bewirkt, daß die Abschnitte des Lichtbogens, die
sich oberhalb der Kondensathöhe Clevel of condensate) befinden, weniger Kondensatdampf enthalten als die unteren Teile des Lichtbogens, die sich in der Nähe des Kondensats befinden. Das nennt man Artentrennung (species segregation), was in herkömmlichen Bogenentladungsröhren in Lampen, auf die sich die Erfindung bezieht, üblich ist. Das Kondensat besteht aus
Metallhalogeniden, die während des Lampenbetriebs nur teilweise verdampft werden, wie z. B. Natriumhalogenid, Skandiumhalogenid und dergleichen. Das Quecksilber wird natürlich während des Lampenbetriebes völlig
verdampft.

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Die Artentrennung bringt verschiedene Nachteile für dig Metallhalagenidlampgn mit sich. Eine ungleichförmige Artenkonzentration Cspecies concentration) verursacht eine ungleichförmige Spektralemissionsverteilung [spectral emission distribution) längs der Achse des Lichtbogens» Die Yrennung erschwert auch die Erzielung einer optimalen Konzentration der Arten im Lichtbogen, weil zur Schaffung einer ausreichenden Artendichte (species density) im oberen Lichtbogen eine überreichliche Menge im unteren Lichtbogen erforderlich ist, ,

Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Verminderung der Scherung zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömung durch Erweiterung des Durchmessers der Bogenentladungsröhre in einem zwischen den Elektroden befindlichen Abschnitt. Dadurch wird der Abstand zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömung vergrößert ι ferner wird die Geschwindigkeit der abwärts gerichteten Konvektionsströmung verkleinert. Eine Verminderung der Scherung verringert das radiale Mischen zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömungj so kann die Konzentration von kondensierbaren Arten entlang der Länge des Lichtbogens im wesentlichen gleichförmig gemacht werden und wird dann vom Dampfdruck der Arten bei der Temperatur des Kondensats bestimmt.

Kur.ZB Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Ansicht einer Metallhalogenidentladungslampe, die eine Bogen-

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entladungsröhre mit erweitertem Abschnitt gemäß der Erfindung aufweist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, umfaßt eine Entladungslampe gemäß der Erfindung einen äußeren Glaskolben 1. Der Kolben 1 ist an seinem Ende mit einem abgedichteten Eintrittsstutzen 2 (reentrant stem) versehen, durch welchen sich relativ steife Zuführungsdrähte 3 und 4 erstrecken, die mit ihren äußeren Enden an die elektrischen Kontakte des üblichen Schraubsockels 5 angeschlossen sind. Innerhalb des Kolbens 1 befindet sich eine Bogenentladungsröhre 6 mit erweitertem Abschnitt.

Die Bogenentladungsröhre 6 ist innerhalb des Kolbens an jedem Ende mittels Metallrahmen 7 und θ unterstützt. Die Metallrahmen 7 und θ umfassen starre Drähte 9 bzw. 10, an denen Röhrenhalt'er oder Klemmen 11 bzw. 12 befestigt sind, von denen jede ein mit Preßdurchführung versehenes Ende der Bogenentladungsröhre 6 unterstützt. Der Metallrahmen 7 wird vom Zuführungsdraht 4 unterstützt, mit dem er verschweißt ist. Der Metallrahmen B wird am anderen Ende durch Blattfedern 13 aus Metall unterstützt, welche gegen die Innenwand des Kolbens 1 drücken.

Die elektrische Verbindung vom Zuführungsdraht 4 und Metallrahmen 7 zur nächstliegenden Haupt- und Festelektrode 14 er-folgt über den Verbindungsdraht Die elektrische Verbindung vom Zuführungsdraht 3 zur anderen Hauptelektrode 16 erfolgt durch die Drähte 17, 1B und 19. Die elektrische Verbindung vom Zu-

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führungsdraht 3 zur Zündelektrode 20 erfolgt über den Widerstand 21. Ein Bimetallschalter 22 stellt einen KurzschluB zwischen der Zündelektrode 20 und der benachbarten Hauptelektrode 14 her, nachdem die Lampenzündung erfolgt ist. Die Atmosphäre innerhalb des Kolbens 1 besteht aus einem inerten Gas, wie z.B. Stickstoff.

Die Bogenentladungsrohre B besitzt in oder nahe ihrer Mitte einen erweiterten Abschnitt, um eine radiale Konvektionsströmung zwischen der aufwärts gerichteten und der abwärts gerichteten Strömung im wesentlichen auszuschalten. Es ergibt sich dadurch eine bedeutende Erhöhung des Lampenwirkungsgrades und eine wesentliche Ausschaltung der Artentrennung im Lichtbogen.

In einem Beispiel einer Metallhalogenidlampe von 1000 Watt gemäß der Erfindung stellte man eine Bogenentladungsrohre her, indem man eine offenendige Röhre aus geschmolzenem Quarz - 1,8 cm Innendurchmesser, 2,6 cm Außendurchmesser, 15,24 cm Länge durch Blasformen in die gewünschte Form mit dem erweiterten Abschnitt verformtBt Der AußendurchmBsser der geformten Röhre war dann wie folgt: Er betrug in einer Entfernung von 2,54 cm vom oberen Ende 2,16 cm«, nahm dann ausgehend von einem 6,35- cm vom oberen Ende entfernten Punkt allmählich über eine Strecke von 0,95 cm auf maximal 3,03 cm zu und nahm dann in den unteren 2,22 cm allmählich auf 2,16 cm ab. Nachdem die durch Blasen geformte Röhre zur Bogcuuuit ladungsröhre 6 entwickelt wurde,

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indem man die Elektroden an jedem EndB in die Preßdurchführungen einbettete, der Bogenentladungsröhre eine Füllung aus Quecksilber, Natriumiodid,
Skandiumiodid und inertem Gas zusetzte und sie
dann abdichtete, betrug das Verhältnis von maximalem Durchmesser der Bogenentladungsröhre zu minimalem
Durchmesser dieser Röhre ungefähr 1,4. Die Lichtbogenlänge (Entfernung zwischen den Hauptelektroden) belief sich auf 9,1 cm und das Verhältnis von Lichtbogenlänge zu maximalem Innendurchmesser der Bogenentladungsröhre betrug ungefähr 3,4. Der maximale
Durchmesser der Entladungsröhre B lag etwas über
ihrer Mitte.

Der Wirkungsgrad dieser Lampe betrug 126,5 Lumen pro Watt, was ungefähr 26% höher liegt als der Wirkungsgrad von zur Zeit im Handel erhältlichen 1000 W
Lampen, der bei ungefähr 100 Lumen pro Watt liegt.
Auch die radiale Konvektionsströmung zwischen der aufwärts gerichteten und der abwärts gerichteten Strömung wurde in dieser Lampe fast völlig ausgeschaltet und man könnte das Konvektionsströmungsmuster als eine
einzige Konvektionszelle ansehen, die sich fast über die gesamte Länge des Lichtbogens erstreckt. Das
Strömungsmuster kann man sichtbar machen, indem man
feine Kohleteilchen in die Bogenentladungsröhre einführt und deren Bewegung während des Lampenbetriebs
beobachtet, wobei die Kohleteilchen durch den Lichtbogen bis zum Glühen erhitzt werden. Falls erwünscht, kann man die Konvektionsgeschwindigkeiten leicht messen, indem man die Bewegung der Teilchen filmt.

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Das Ausmaß der Artentrennung kann man dadurch ermitteln, daß man den Lichtbogen durch ein Filter photographiert, das nur Licht einer für ein bestimmtes Metall charakteristischen Wellenlänge durchläßt. Zum Beispiel kann man zur Ermittlung der Gleichförmigkeit der Natriumkonzentration im Lichtbogen ein Filter verwenden, das die doppelten Spektrallinien des· Natrium (sodium doublet lines) bei 5900 Angström durchläßt» für Quecksilber kann ein Filter verwendet werden, das 5770 bis 5790 Angstrom durchläßt, für Skandium 4730 Angström.

Ein Vergleich von im Handel erhältlichen 1000 Watt Lampen mit den oben erwähnten 1000 Watt Lampen ergibt in der Lampe der Erfindung eine beträchtlich größere Gleichförmigkeit der Konzentrationen von Natrium und Skandium im gesamten Lichtbogen. Ferner bewirkt die Bogenentladungsröhre mit ihrem erweiterten Abschnitt, daß die Neigung des Quecksilbers, vom oberen Abschnitt des Lichtbogens stark abzustrahlen, wie as in herkömmlichen Lampen vorkommt, um ein beträchtliches Maß herabgesetzt wird.

Zur Ermittlung des besten Durchmessers für den erweiterten Abschnitt einer Bogenentladungsröhre gemäß der Erfindung sind Bogenentladungsröhren mit einem Maximaldurchmesser von ungefähr 1/5 der Lichtbogenlänge bis zur gesamten Lichtbogenlänge getestet worden. Man stellte fest, daß bei zu geringem Maximaldurchmesser die Radialströmung nicht beseitigt wirdj bei zu große/n Maxima ldurchrnesner ergibt sich ein unsteter oder flackernder Lichtbogen. Eline Erhöhung des Drucks innerhalb der flogenent ladungsröhre

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sowie eine Erhöhung der Dichte des Füllmaterials pro Längeneinheit der Lichtbogenlänge würda im allgemeinen eine Erhöhung im Durchmesser des erweiterten Abschnitts erforderlich machen.

Die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades in Lampen gemäß der Erfindung scheint die Gleiche oder etwas besser zu sein wie bei den Lampen des Standes der Technik, d.h. bei den Lampen mit Bogenentladungsröhren gleichförmigen Durchmessers. In einem Test wurden 23 Stück 1000 Watt Lampen mit einer erfindungsgemäßen üogenentladungsrohre mit erweitertem Abschnitt hergestellt. Der durchschnittliche anfängliche Wirkungsgrad dieser 23 Lampen betrug 119 Lumen pro Watt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad nach 1000 üetriebsstuden belief sich auf 112 Lumen .pro Watt, also eine Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades von 94%. Das entspricht ungefähr den 1000 Watt Lampen nach dem Stande der Technik nach 1000 Betriebsstundenj diese hatten einen durchschnittlichen anfänglichen Wirkungsgrad von 100 Lumen pro Watt und einen Wirkungsgrad nach 1000 Stunden von 94 Lumen pro Watt.

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Claims

'Patentansprüche

Ausbildung einer MetallhalogenentladungslampB für allgemeine Beleuchtung, die innerhalb des äußeren Kolbens, der mit einem einseitigen

Schraubsockel ausgestattet ist, eine Bogenentladungsröhre mit Elektroden an beiden Enden etwa . in Längsrichtung orientiert aufweist, in der bei Betrieb in vertikaler oder von der horizontalen wenig abweichenden Position die Bogenentladung etwa entlang der Mittelachse der Bogenentladungsröhre verläuft, die allgemein rohrförmig ist, dadurch gekennzeichnet, daß dig Bogenentladungsröhre (6) etwa in der Mitte zwischen den Elektroden [14,1B) einen erweiterten Abschnitt aufweist und zwar solcher Form, daß bei Normalbetrieb der Lampe die radiale Konvektionsströmung zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Konvektionsströmung im wesentlichen ausgeschaltet wird.
2. Ausbildung einer Metallhalogenentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionsströme im wesentlichen eine einzige Konvektionszelle bilden und die sogenannte Artentrennung vermieden wird, indem das Verhältnis zwischen dem maximalen Durchmesser des erweiterten Abschnitts der Bogenentladungslampe (6) und dem minimalen Durchmesser derselben ungefähr 1:1,4 beträgt und so das Verhältnis der Lichtbogenlänge zum Durchmesser des erweiterten Abschnitts etwa 1:3,4 wird.

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