DE2617337C3 - Hochdruck-Natriumdampf -Entladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe, bestehend aus einem Entladungsgefäß mit einem hitzebeständigen und lichtdurchlässigen röhrenförmigen Kolben und einer Füllung aus Natrium, Quecksilber und einem Zündgas, wobei die gesamte Natrium- und Quecksilberfüllung beim Betrieb der Lampe verdampfbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Lampen.

Hochdruck-Natriumdampflampen, die zu den elektrischen Sättigungsdampfdruck-Entladungslampen gehö- ren, sind bekannt. Die handelsüblichen Natriumdampflampen sind mit großen Mengen Natrium und Oiiecksilber eefüllt. Teile des Natriums und Quecksilbers sammeln sich als flüssige Amalgamphase an den kühlsten Stellen innerhalb des Entladungsgefäßes der Lampe an. Bei derartigen Lampen schwanken die Betriebsbedingungen, insbesondere die Lampenspannung, entsprechend den die Temperatur der kühlsten Stellen im Entladungsgefäß beeinflussenden Faktoren. Ein derartiger Faktor ist beispielsweise die Änderung der Spannung der jeweiligen Stromquelle.

Es ist grundsätzlich bekannt, daß sich der geschilderte Nachteil durch eine derartige Begrenzung der Menge an Natrium und Quecksilber, daß sie vollständig verdampft ist, vermeiden läßt Des weiteren gibt es in der Literatur einige Erläuterungen darüber, die die zum Betrieb einer Lampe erforderliche Menge an Natrium als Füllstoff betreffen.

Trotz letzterer Möglichkeit war es bisher noch nicht gelungen, für praktisch brauchbare Entladungslampen hohen Wirkungsgrades, akzeptabler Farbwiedergabe, langer Betriebsdauer und geeigneter stabilisierter Lampenspannung die geeignete Menge an Füllstoffen, d. h. Natrium und Quecksilber anzugeben. Die Menge an Füllstoff Natrium, die zur Herstellung einer zufriedenstellend arbeitenden Lampe als notwendig erachtet wird, war bisher zu hoch angesetzt worden. Der Grund dafür liegt darin, daß die optimale Menge an Natrium bisher nicht genau ermittelt werden konnte, was auf die Tatsache zunickgeht daß die tatsächlich geeignete Menge dieses Füllstoffs relativ klein ist und daß Natrium zu den chemisch besonders aktiven Elementen gehört Es bereitet daher große Schwierigkeiten, eine derart geringe Menge an dem chemisch besonders aktiven Natrium ohne Verunreinigung durch sonstige atmosphärische Bestandteile, wie Sauerstoff oder Feuchtigkeit in die Lampe einzubringen. Aus diesem Grunde war es bisher nicht möglich, die exakte Beziehung zwischen der Menge des Füllstoffs Natrium und den charakteristischen Werten der Lampe festzustellen.

Aus der Literaturstelle »Elektrowelt«, Ausgabe B, Bd. 11,1966, Nr. 18, S. 401 ff, ist eine Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe bekannt, die aus einem Entladungsgefäß aus einem hitzebeständigen und lichtdurchlässigen röhrenförmigen Kolben und einer Füllung aus Natrium, Quecksilber und einem Zündgas besteht Auch diese bekannte Natriumdampf-Entladungslampe ermöglicht es, die gesamte Natriumfüllung beim Betrieb der Lampe zu verdampfen. Das kann dadurch erfolgen, daß Natrium in einer Menge von ungefähr 0,25 mg in die Lampe eingeführt wird. Die Länge des Entladungsgefäßes und der innere Durchmesser dieser bekannten Lampe betragen ca. 80 mm bzw. ca. 7,5 mm. Aus diesen Abmessungswerten ergibt sich ein gesamtes Innenvolumen der Lampe von etwa 3,53 cm³, woraus sich eine gesamte Natriumfüllung von 0,07 mg/cm³ errechnet Auch mit einer derartigen Natriumfüllung einer Natriumdampf-Entladungslampe lassen sich bei gleichzeitig vorhandener Quecksilberfüllung die obengenannten Mängel nicht ausschließen.

Die DjE-OS 26 00 351 befaßt sich mit einem Verfahren zum Betrieb einer selbststabilisierenden Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß, dessen Füllung im wesentlichen aus Natrium und Xenon besteht, wobei diese Füllstoffe in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen müssen. Dieses bekannte Verfahren soll dann zu besonders vorteilhaften Ergebnissen führen, wenn die Entladungslampe an eine elektrische Speisequelle mit einer derartigen Effektivspannung angeschlossen ist, daß die Temperatur der kältesten Stelle im Entladungsgefäß einen Betriebswert zwischen

500 und 675° C annimmt und das Natrium dabei im Überschuß vorhanden ist Eine nach diesem Verfahren betriebene Entladungslampe ist mit der eingangs genannten im Hinblick auf die oben erläuterten Probleme nicht vergleichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß sie einen verbesserten Wirkungsgrad, größere Haltbarkeit und optimale Faröwiedergabe zeigt sowie eine bessere Stabilisierung der Lampenspannung ermöglicht Des weiteren soll die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe schaffen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Mengen an Natrium und Quecksilber pro cm³ des Entladungsgefäßvolumens 0,007 bis 0,054 mg bzw. 0,054 bis 0,6 mg betragen.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe sowie das vorteilhafte Verfahren zu ihrer Herstellung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine teilweise aufgeschnitten dargestellte Seitenansicht einer Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe während ihrer Herstellung,

Fig.2 eine teilweise aufgeschnitten dargestellte Seitenansicht einer fertigen Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe und

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung des Lampenstroms zur Lampenspannung bei bekannten Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampen und Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampen gemäß der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 ist ein lichtdurchlässiger, röhrenförmiger keramischer Kolben 1, der aus einem polykristallinen Aluminiumoxidrohr oder einem monokristallinen Saphirrohr bestehen kann, an seinen Enden mit Hilfe von Verschlußscheiben 2, 2' aus einem ähnlichen Aluminiumoxidmaterial verschlossen. Die Verschlußscheiben 2, 2' besitzen zentrale öffnungen, durch die Entlüftungsrohre 3,3' aus Niob hindurchragen. An den inneren Enden der beiden Entlüftungsrohre 3, 3' ist jeweils eine Wolframelektrode 4 vorgesehen. Die Verschlußscheiben, Entlüftungsrohre und das Aluminiumoxidrohr sind miteinander mit Hilfe einer Glasdichtung hermetisch verbunden.

Natrium und Quecksilber werden in das Entladungsgefäß über das Entlüftungsrohr 3 in einer noch zu beschreibenden Weise derart eingefüllt daß auf 1 cm³ Entladungsgefäßvolumen 0,007 bis 0,054 mg Natrium und 0,054 bis 0,6 mg Quecksilber entfallen. Im Hinblick auf einen besonders hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer der Lampe sollten die Mengen an in das Entladungsgefäß eingefülltem Natrium und Quecksilber vorzugsweise pro 1 cm³ Volumen zwischen 0,007 und 0,018 mg Natrium und 0,1 bis 0,6 mg Quecksilber liegen. Die Mengenangaben beziehen sich auf die Mengen an den einzelnen Substanzen, die beim Einschalten als elektrisches Entladungsmedium wirken, ohne durch Kombination mit anderen Substanzen verloren zu gehen.

Es hat sich als höchst wirksam erwiesen, zum Füllen des Entladungsgefäßes mit der gewünschten Menge an Natrium in reiner Form von der thermischen Zersetzbarkeit von Natriumazid (NaN₃) Gebrauch zu machen. Natriurnazid, das unter atmosphärischen Bedingungen ein weißes Pulver darstellt, zersetzt sich beim Erhitzen auf eine Temperatur von 400⁰C zu freiem Natrium und Stickstoff (N2). Es hat sich als möglich erwiesen, in das Entladungsgefäß eine gesteuerte Menge an sehr reinem Natrium einzubringen, indem man letztere Umsetzung (d.h. die Zersetzung) im Entladungsgefäß selbst nach Isolierung desselben gegen die Außenatmosphäre ablaufen läßt

Wie bereits erwähnt, bereitet es sehr große Schwierigkeiten, sehr kleine Quecksilberteilchen gegebener Menge herzustellen. Zu diesem Zweck kann man sich einer thermischen Zersetzung einer Titan/Quecksilber-Legierung (Ti-Hg-Legierung) oder Aluminium/Zirkonium/Titan/Quecksilber-Legierung (Al-Zr-Ti-Hg-Legierung) bedienen. Letztere Legierung ist in Form eines pulverförmigen Formlings erhältlich, der beim Erhitzen auf eine Temperatur bis zu 700⁰C mit gegebener Geschwindigkeit Quecksilber abspaltet Die thermische Zersetzungsreaktion der Legierung läßt sich auch innerhalb des Entladungsgefäßes erreichen, so daß man auf diese Weise eine ganz bestimmte Quecksilbermenge einbringen kann.

Obwohl Natriumazid (NaN₃) auch wasserlöslich ist wird als Lösungsmittel für das Natriumazid zur bequemeren Nachtrocknung Methanol verwendet So wird beispielsweise 0,5 g NaN₃ in 100 ml Methanol gelöst Von dieser Lösung wird für eine 400-W-Lampe 0,04 ml verwendet Die Lösung wird zunächst in einen Füllbehälter 8 gefüllt Der Füllbehälter 8 kann aus einem hitzebeständigen Material, z. B. rostfreiem Stahl, bestehen und trommeiförmige oder langgestreckte röhrenförmige Gestalt mit jeweils einem verschlossenen Ende aufweisen. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels Methanol bleibt in dem Füllbehälter 8 genau 0,2 mg (500 χ 0,04/10O)NaN₃ZUrUCk.

Hierauf werden in den Füllbehälter 8 zur Bildung einer Mischung 9 mit dem NaN₃10 mg der Quecksilber freigebenden Al-Zr-Ti-Hg-Legierung gefüllt Schließlich wird der Füllbehälter 8 in das Entlüftungsrohr 3 eingeführt und dessen Ende durch Verschweißen unter Druck verschlossen. Das andere Entlüftungsrohr 3' wird an ein nicht dargestelltes Entlüftungssystem angeschlossen, um den Raum im Entladungsgefäß zu evakuieren. Das Endstück des Entlüftungsrohrs 3, in dem sich der Füllbehälter 8 befindet wird auf eine Temperatur von 400⁰C erhitzt wobei sich das NaN₃ zu Na und freiem N2 entsprechend der Reaktionsgleichung:

2NaN₃-2Na + 3N₂

zersetzt So wird aus den 0,2 mg NaN₃ 0,07 mg Na gebildet Der gleichzeitig gebildete freie N2 wird über das Entlüftungsrohr 3' abgezogen. Beim anschließenden Erhitzen des Entlüftungsrohrs 3 auf eine Temperatur von 700⁰C werden aus der Quecksilber freigebenden Legierung 2 mg Quecksilber abgegeben. Das in der geschilderten Weise gebildete Natrium und das in der geschilderten Weise gebildete Quecksilber verlassen in Dampfform das Entlüftungsrohr 3 und werden in dem Entladungsgefäß durch Kühlen desselben kondensiert Durch das Entlüftungsrohr 3' wird ein Zündgas, z. B. 20 Torr Xenon, eingeführt Dann werden die Entlüftungsrohre 3, 3' auf geeignete Längen abgekniffen und verschlossen.
Für den Fachmann dürfte es selbstverständlich sein, daß sowohl die Reihenfolge der geschilderten Verfahrensschritte als auch die Art und Weise der Durchführung der verschiedenen Verfahrensschritte variiert werden können. In jedem Falle erfül^i das Füllen mii

Natrium und Quecksilber mit Hilfe von Natriumazid und der genannten Al-Zr-Ti-Hg-Legierung unter genauer Mengensteuerung und unter Ausschluß von atmosphärischen Verunreinigungen.

Für Hochdruck-Natriumdampflampen ist es zwingend erforderlich, daß das Natrium und Quecksilber vollständig verdampfen. Zu diesem Zweck müssen die thermischen Bedingungen in dem Entladungsgefäß gesteuert werden. Insbesondere müssen die Enden, die die kühlsten Stellen darstellen, auf einer Temperatur gehalten werden, die gewährleistet, daß die eingefüllten Substanzen vollständig verdampfen

Die Enden des Entladungsgefäßes können daher von einem wärmeisolierenden Material 5 sowie einem Metaliband 6 mit den miteinander verbundenen Enden 7 umgeben sein. Das fertige Entladungsgefäß wird dann in üblicher bekannter Weise in einem Außenkolben mechanisch gehalten, worauf die erforderlichen elektrischen Anschlüsse hergestellt werden.

Wie bereits erwähnt, ist in F i g. 3 der Lampenstrom gegen die Lampenspannung für eine übliche 400-W-Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe und eine in der geschilderten Weise hergestellte 400-W-Lampe aufgetragen. Die Kurve b entspricht der üblichen Lampe. Aus dieser Kurve geht hervor, daß die Lampenspannung mit steigendem Lampenstrom größer wird und daß die Zunahmegeschwindigkeit bei zunehmendem Strom größer wird. Aus der für eine Lampe gemäß der Erfindung charakteristischen Kurve a geht dagegen hervor, daß bei niedrigen Strömen die Lampenspannung mit steigendem Strom rascher steigt als bei der üblichen Lampe. Bei einer Erhöhung des Lampenstroms über den Punkt C hinaus, erhöht sich jedoch die Lampenspannung nicht mehr und bleibt praktisch konstant Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Dampfdruck nach vollständiger Verdampfung der gesamten Natrium- und Quecksilberfüllung praktisch konstant bleibt.

Der durch eine Lampenspannung von UOV und einen Lampenstrom von 4,3 A definierte Punkt D stellt den Nennwert der eine Leistung von 400 W aufweisenden Lampe dar.

Die Lampenspannung Vsa unter Nicht-Sättigungsdampfdruck ändert sich entsprechend der Menge an in dem Entladungsgefäß enthaltenen Natrium und Quecksilber. Die Lampenspannung Vsa steigt mit zunehmender Natriummenge, wobei sich gleichzeitig die spektralen Eigenschaften und der Wirkungsgrad ändern. Eine Erhöhung der Quecksilbermenge beeinträchtigt die

Tabelle

spektralen Eigenschaften nicht wirklich. Auch bei einei Erhöhung der Quecksilbermenge steigt die Lampen spannung Vsa. Folglich wird zunächst zuir Gewährlei stung eines in der Praxis akzeptablen Wirkungsgrade; und einer praktisch akzeptablen Farbe vorzugsweise di< Natriummenge gewählt und dann für eine geeignete Lampenspannung Vsa die erforderliche Quecksilber menge bestimmt.

Eine wirksame Lampenspannung Vsa liegt im Bereich von 70 bis 140 V, insbesondere im Bereich von 90 bis 130 V.

Das Volumen der in der geschilderten Weise hergestellten 400-W-Lampe beträgt etwa 5,6 cm³ Folglich betragen die Mengen an Natrium unc Quecksilber pro 1 cm³ Entladungsgefäßvolumer 0,0126 mg bzw. 0,357 mg.

Da der Wirkungsgrad bei geringeren Natriummengen nicht akzeptabel und die Haltbarkeit der Lamper bei größeren Natriummengen vermindert ist, sollte, wie bereits erwähnt, die Natriummenge vorzugsweise 0,007 bis 0,054 mg Natrium pro 1 cm³ Entladungsgefäßvolumen betragen. In diesem Bereich von 0,007 bis 0,054 mg Natrium pro 1 cm³ Entladungsgefäßvolumen wird nahezu dieselbe Farbe wie bei üblichen Lamper gewährleistet

Zur Gewährleistung einer geeigneten Lampenspannung Vsa sollte generell die Quecksilbermenge im umgekehrten Verhältnis zur Natriummenge gewähll werden. Die Lampenspannung Vsa wird für einer wirtschaftlichen Betrieb zu niedrig bzw. zu hoch, wenn die Quecksilbermenge pro cm³ Entladungsgefäßvolumen 0,054 mg unterschreitet bzw. 0,6 mg überschreitet

Bei größeren Quecksilberkonzentrationen ist die Lichtfarbe oft rosa. Die Gründe dafür, warum das Lichi rosa ist sind noch nicht vollständig geklärt Diese Erscheinung ist vermutlich darauf zurückzuführen, daE der Konzentrationsgradient eines Natriumatoms bei hoher Quecksilberkonzentration variiert oder daß sich das Emissionsspektrum infolge Bildung von Hg-Na-Molekülen ändert. Die bevorzugtesten Natriummenger und Quecksilbermengen im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Haltbarkeit liegen pro 1 cm³ Entladungsgefäßvolumen bei 0,007 bis 0,018 mg Natrium und 0,1 bis 0,6 mg Quecksilber.

Die folgende Tabelle enthält das Ergebnis von Versuchen, bei denen 400-W-Lampen mit verschiedenen Natrium- und Quecksilbermengen gefüllt wurden. Die Messung erfolgte bei einer Leistung von 400 W.

Versuch	Menge an in mg/cm3 Entladungs- Lampen	Hg	spannung	Lampen	Wirkungs	Farbe
Nr.	gefäß volumen	0357	V	strom	grad
	Na	0,803	110	A	InVW
1	0,0126	0,178	153	4,3	110	Gelbweiß
2	0,0126	1,07	120	3,1	92	Rosa
3	0,0315		220	4,0	105	Gelbweiß
4	0,0315	22	80	Rosa
		Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe, bestehend aus einem Entladungsgefäß mit einem hitzebeständigen und lichtdurchlässigen röhrenförmigen Kolben und einer Füllung aus Natrium, Quecksilber und einem Zündgas, wobei die gesamte Natrium- und Quecksilberfüllung beim Betrieb der Lampe verdampfbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mengen an Natrium und Quecksilber pro cm³ des Entladungsgefäßvolumens 0,007 bis 0,054 mg bzw. 0,054 bis 0,6 mg beträgt

2. Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Natrium pro cm³ des Entladungsgefäßvolumens 0,007 bis 0,018 mg beträgt

3. Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Quecksilber pro cm³ des Entladungsgefäßvolumens 0,1 bis 0,6 mg betragt

4. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Natriumfüllung derart erzeugt, daß man eine abgemessene Menge NaN₃ in Verbindung mit dem Kolbeninneren bringt, das NaN₃ gegen die Atmosphäre abdichtet, das NaN₃ zur Zersetzung zu Natrium und Stickstoff erhitzt und schließlich den Stickstoff aus dem Kolben abzieht

5. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Quecksilberfüllung derart erzeugt, daß man eine gewisse Menge einer Ti-Hg- und/oder AI-Zr-Ti-Hg-Legierung in eine mit dem Kolbeninneren in Verbindung stehende und gegen die Atmosphäre abgedichtete Lage bringt und die Legierung auf -2ine Temperatur erhitzt, bei der sie Quecksilber freigibt

6. Verfahren nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das NaN₃ und die Legierung in ein erstes äußeres Rohr, dessen eines Ende mit dem Inneren des Entladungsgefäßes in Verbindung steht und dessen anderes Ende abgedichtet ist, einbringt, den Innenraum des Entladungs- gefäßes über ein zweites äußeres Rohr, dessen eines Ende mit dem Inneren des Entladungsgefäßes in Verbindung steht, evakuiert und das Entladungsgefäß so stark kühlt, daß das aus dem NaN₃ entbundene Natrium und das aus der Legierung freigesetzte Quecksilber kondensieren.