DE3232632A1 - Hochdruck-alkalimetalldampflampe mit verbesserter wirksamkeit - Google Patents

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochdruck-Metalldampfentladungslampen und sie ist insbesondere auf eine Konfiguration solcher Lampen gerichtet, die deren Wirksamkeit verbessern.

Eine Metalldampflampe, insbesondere Natriumdampflampe, ist eine Quelle für Entladungslicht hoher Intensität, wobei die Lichtabgabe völlig innerhalb der Bogenentladungssäule erzeugt wird. Die Lichtabgabe ist das Ergebnis des Durchgangs von elektrischem Strom durch ein ionisierbares gasförmiges Entladungsmedium, das innerhalb eines inneren Entladungsrohrs enthalten ist, das man auf einer relativ hohen Temperatur hält. Diese Temperatur liegt üblicherweise im Bereich von etwa 1 400°K und etwa 1 500°K.

Wegen dieser hohen Temperatur weisen diese Lampen üblicherweise eine äußere lichtdurchlässige Umhüllung auf, die das Entladungsrohr umgibt und die sowohl als isolierende als auch als schützende Barriere wirkt. Der Raum zwischen dem-/unter Druck stehenden Entladungsrohr und der äußeren Umhüllung enthält entweder ein Partialvakuum oder ein Inertgas, wie Argon. Das Entladungsmedium, das ionisierbares Natrium enthält, wird innerhalb des Entladungsrohrs gehalten. Das Entladungsrohr hat üblicherweise eine zylindrische Struktur und weist an beiden Enden Elektroden auf. Hochdruck-Natriumdampflampen sind wegen ihres hohen Energie-Wirkungsgrades besonders geeignet. Sie sind brauchbar für industrielle Anwendungen und Außeneinsatz, wo die Farbe des ausgestrahlten Lichts nicht kritisch ist, wo aber ein sehr intensives Licht erwünscht ist.

Ein wichtiger Faktor beim Bau von Hochdruck-Natriumdampflampen ist die "Wandbelastung". Diese Wandbelastung wird in Leistung

2 pro Flächeneinheit gemessen, z.B. in Watt/cm . Diese Wanäbelastung ergibt sich aus der der Lampe zugeführten Leistung

dividiert durch die Fläche der Innenwand des Entladungsrohrs. Die Wandbelastung ist ein wichtiger Parameter, da sie einen deutlichen Effekt auf die Temperatur der Wand des Entladungsrohrs hat. Ihre Zweckdienlichkeit ergibt sich auch aus der Tatsache, daß die Wandtemperatur des Entladungsrohrs eine deutliche Wirkung auf die Gesamtwrksamkeit der Lampe, gemessen in Lumen/Watt hat. Es ist daher im hohen Maße erwünscht, Hochdruck-Alkalimetalldampflampen zu schaffen, bei denen man eine vorbestimmte optimale Wandtemperatur für das Entladungsrohr aufrechterhalten kann.

In gewissen anderen Lampen, die vor allem Glühlampen einschliessen, werden Infrarot reflektierende Überzüge dazu benutzt, infrarote Strahlung zu dem Glühfaden der Lampe zurückzureflektieren, um den Glühfaden auf einer erhöhten Temperatur zu halten, ohne daß man hierfür zusätzliche Energie zuführen muß. Obwohl diese Überzüge die infrarote Strahlung reflektieren, sind sie doch für Licht im sichtbaren Bereich durchlässig. Es scheint ein bedeutsamer Nachteil von Glühlampen mit einem solchen Überzug zu sein, daß es erforderlich ist, die reflektierte infrarote Strahlung auf den engen Bereich zu konzentrieren, der vom Glühfaden der Lampe eingenommen wird.

In einem Bereich, der in keiner Beziehung zu Glühlampen steht, haben J.F. Weymouth und E. F. Wyner eine beträchtliche Verbesserung der Wirksamkeit von Hochdruck-Natriumdampflampen angegeben, die dadurch erzielt werden soll, daß man Entladungsrohre mit großem Durchmesser benutzt (vgl. den Artikel von J. F. Weymouth and E. F. Wyner "Analysis fo Factors Affecting Efficacy of High Pressure Sodium Lamps" im "Journal of the IES", Band 10, Nr. 4, S. 237 (1981).

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So haben zum Beispiel-JJSie derzeitAiblichen Entladungsrohre von Hochdruck-Natriumdampflampen üblicherweise einen Innendurchmesser von etwa 5-7 mm. Ein Innendurchmesser von etwa 10 bis etwa 18 mm kann die Wirksamkeit der Natriumdampflampe erhöhen, wenn Mittel gefunden werden, um die Temperatur der Wandung des

Entladungsrohrs im erwünschten Bereich von etwa 1 4oo bis etwa 1 500 K zu halten.

Die Schwierigkeit hierbei ergibt sich aus der Tatsache, daß ein größerer Innendurchmesser für das Entladungsrohr notwendigerweise zu einer größeren Fläche für die Wand des Entladungsrohrs führt, wobei die Zunahme linear mit dem Durchmesser erfolgt. Diese Zunahme der Wandfläche des Entladungsrohrs bedeutet eine verminderte Wandbelastung. Weymouth und Wyner schlagen vor, dieses Problem durch Einsatz eines Entladungsrohrs aus einem Material^ wie Yttriumoxid,zu lösen, das weniger emittiert als übliche Entladungsrohre aus polykristallinem Aluminiumoxid und zwar insbesondere im Infrarotspektralbereich. Die Verwendung von Yttriumoxid ist jedoch teuer und deshalb ist der Einsatz von Yttriumoxid als Material für das Entladungsrohr unwirtschaftlich.

In der US-PS 3 662 203 scheint eine Hochdruck-Natriumdampflampe beschrieben zusein. In dieser US-PS ist ausgeführt, daß ein geringer Abstand zwischen der äußeren Umhüllung und dem Entladungsrohr geeignet ist, die Infrarotstrahlung von der äußeren Umhüllung auf das Entladungsrohr zurückzuwerfen, um die Reservoirtemperaturen aufrechtzuerhalten. Wegen der hohen Temperaturen (500 C) muß die äußere Umhüllung notwendigerweise teures Quarzglas umfassen. Weiter wird in dieser US-PS auf die Brauchbarkeit von Entladungsrohren mit Innendurchmessern von bis zu 25 mm hingewiesen. Ein solcher Durchmesser ist aber zu groß für eine wirksame Lichterzeugung in der Hochdruck-Dampfentladungslampe. Außerdem ist der Abstand zwischen dem Entladungsrohr und der äußeren Umhüllung gering genug, um Infrarot reflektierende überzüge auf der äußeren Umhüllung zu überhitzen.

In der US-PS 3 400 288 scheint eine Natriumdampflampe mit einem Infrarot reflektierenden überzug beschrieben zu sein. Diese Patentschrift betrifft jedoch nur Niederdruck-Natriumdampflampen, bei denen Variationen des Durchmessers des Entladungsrohrs im

Vergleich zu Hochdruck-Dampfentladungslampen keine vergleichbaren Veränderungen in der Wirksamkeit bedingen. Die Mechanismen der Lichterzeugung bei diesen beiden genannten Arten sind verschieden. Außerdem ist in dieser PS nirgends irgendeine Würdigung des Durchmessers des Entladungsrohrs enthalten und noch weniger irgendein Hinweis auf eine Optimalisierung mittels Änderung des Durchmessers des Entladungsrohrs.

In der US-PS 3 931 536 scheint eine Hochdruck-Natriumdampflampe beschrieben zu sein, bei der ein dichroitischer Reflektor auf dem äußeren Teil der äußeren Umhüllung angeordnet ist, um selektiv Strahlung gewisser Wellenlängen zu reflektieren und andere Strahlung durchzulassen. In dieser Patentschrift findet sich jedoch keine Andeutung, daß solche Überzüge in Lampen mit Entladungsrohren großen Durchmessers benutzt werden können. Auch ist in dieser Patentschrift keine Andeutung hinsichtlich eines erwünschten Bereichs des Innendurchmessers von Entladungsrohren enthalten.

Von allgemeinem Interesse für verwandte Lampen sind noch die US-Patentschriften 3 221 198, 3 374 377, 3 325 662, 3 963 951 und 4 071 798. Einige dieser Patentschriften zeigen reflektierende Überzüge, die in Entladungslampen benutzt werden, doch schließen diese Überzüge keine ein, die Infrarot reflektieren und sichtbares Licht durchlassen.

In der US-PS 3 949 259 ist ein lichtdurchlässiger und Wärme reflektierender Filter beschrieben, der von einem transparenten Substrat getragen ist und auf der Grundlage von Zinndotiertem Indiumoxid beruht.

In der dem Artikel "Heat Conservation System for Arc Lamps" von C. S. Liu im "Journal of the IES", Juli 1979 auf S. 220 folgenden Diskussion äußert J. G. Bok die Schlußfolgerung, daß unter Verwendung einer Infrarot reflektierenden Schicht eine wirksamere HID-Lampe nicht hergestellt werden könne. In der gleichen Diskussion gibt E. F. Wyner Gründe dafür an, Entladungsrohre mit kleineren Durchmessern nicht zu benutzen. Es wurde daher erkannt, daß es erwünscht ist, di e Wirksamkeit von Hochdruck-Natriumdampf-Entladungslampen durch Erhöhen des Innendurchmessers des Entladungsrohrs zu vergrößern, doch wurde gleichzeitig erkannt, daß dies zu einer verringerten Wandbelastung und somit zu einer tatsächlichen Verminderung der Wirksamkeit führt, wenn nicht Mittel gefunden werden, um die verminderte Temperatur der Entladungsrohrwandung zu kompensieren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die äußere Umhüllung einer Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe mit einem Infrarot reflektierenden Material überzogen. Dieser reflektierende Überzug kann ein Material umfassen wie In₂O :Sn oder SnO-:F oder irgendein anderes geeignetes Material, das Infrarot reflektiert aber sichtbares Licht durchläßt.

In dieser bevorzugten Ausführungsforra hat das Entladungsrohr einen Innendurchmesser von etwa 10 bis etwa 18 mm. Der bevorzugte Bereich für diesen Innendurchmesser ist jedoch der von etwa 12 bis etwa 14 mm.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung is t der Infrarot reflektierende überzug im wesentlichen transparent für Wellenlängen, die kurzer als etwa 1 Mikron sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat die äußere Umhüllung eine etwa zylindrische Gestalt, um zu der Gestalt des Entladungsrohrs konform zu sein.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wirksamkeit von Hochdruck-Natriumdampflampen zu erhöhen. Weiter soll die Wandteinperatur des Entladungsrohrs einer Hochdruck-Natriumdampflampe bei oder nahe einer optimalen Temperatur gehalten werden. Es soll eine Hochdrucklampe mit verminderter Wandbelastung geschaffen werden. Und schließlich soll eine Lampe mit einem Infrarot reflektierenden Überzug auf der Innenseite der äußeren Umhüllung geschaffen werden, um die Verwendung üblichen polykristallinen Aluminiumoxids als Material für das Entladungsrohr zu erleichtern.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe im Schnitt und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wirksamkeit in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Entladungsrohrs.

Die Lampe 10 der FigTrH 'zeigt eine bevorzugte Ausführungsform und sie umfaßt ein zylindrisches Bogenentladungsrohr 20, das ein ionisierbares Entladungsmedium, wie Natrium oder ein anderes Alkalimetall enthält. Das Entladungsrohr 20 endet an leitenden Abschlußkappen 22 und 24, die gasdicht mit dem Rohr verbunden sind. Das Entladungsrohr 20 weist vorzugsweise einen Innendurchmesser von etwa 10 bis etwa 18 mm und noch bevorzugter einen solchen von etwa 12 bis etwa 14 mm auf. Die Größe des Entladungsrohrs ist wichtig zur Erzielung der erwünschten Ergebnisse.

Das Entladungsrohr 20 ist mechanisch innerhalb einer äußeren Umhüllung 11 durch die leitende Elektrode 16 und indirekt durch die leitende Elektrode 18 gehalten, die dem Entladungsrohr elektrischen Strom durch die Endkappe 22 hindurch zuführt. Zur

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mechanischen Abstützung ist ein Teil der Elektrode 18 um eine Vertiefung 17 in der äußeren Umhüllung 11 gewickelt. Um die thermische Expansion zu kompensieren, wird ein flexibler Streifen 19 benutzt, um die Elektrode 18 mit der Endkappe 22 zu verbinden, und so sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung zu bewirken. Die Lampe kann auch mit einem üblichen Edison-Schraubsockel 14 versehen sein. Der Raum 15 zwischen der äußeren lichtdurchlässigen Umhüllung 11 und dem Entladungsrohr 20 ist vorzugsweise zumindest teilweise evakuiert. Es können darin jedoch auch inerte Gase, wie Argon, vorhanden sein.

Auf der Innenwand der äußeren Umhüllung 11 ist ein Infrarot reflektierender Überzug 30 abgeschieden. Dieser überzug kann aus einem oder mehreren der oben genannten Materialien bestehen und er läßt sichtbares Licht durch, reflektiert jedoch Infrarotstrahlung zu dem Entladungsrohr 20 zurück.

Es ist früher angenommen worden, daß die Verwendung solcher Infrarot reflektierender überzüge zum Verbessern von Hochdruck-Natriumdampflampen nicht geeignet sein würde. Sie sind aber besonders wirksam unter solchen Umständen, zu denen ein vergrößerter Innendurchmesser des Bogenentladungsrohrs 20 gehört. Diese Zunahme des Innendurchmessers des Entladungsrohrs wird vorgenommen, um die Larapenwirksamkeit zu erhöhen, doch ohne eine Kompensation der dadurch verminderten Wandbelastung, die sich aus der Zunahme der Innenwandfläche des Entladungsrohrs ergibt,führt die Vergrößerung des Innendurchmessers des Entladungsrohrs nicht zu einer Verbesserung der Lampenwirksair.keit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt der Infrarot reflektierende überzug das Fokussieren und Reflektieren der Infrarotstrahlung zu der Entladungsrohrwand zurück und sorgt so für eine Aufrechterhaltung der Temperatur der Entladungsrohrwand zwischen etwa 1 400 und etwa 1 500°K.

In der vorliegenden Erfindung erfolgt dies ohne Verwendung von Entladungsrohren aus dem teuren Yttriumoxid. Vielmehr bestehen

die Entladungsrohre 20 aus dem üblichen Aluminiumoxid.

Die äußere Umhüllung 11 hat hat eine zylindrische Gestalt, um sie mehr oder weniger an die zylindrische Gestalt des Entladungsrohrs 20 anzupassen. Dies steht im Gegensatz zu der Form der üblichen äußeren Umhüllung, die zwar benutzt werden kann, die jedoch nicht so wirksam ist.

Der Infrarot reflektierende Überzug erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Bereich der Wand der äußeren Umhüllung, der koaxial mit dem Entladungsrohr ist. Dies stellt sicher, daß eine maximale Menge der reflektierten Infrarotstrahlung die Wand des En-tladungsrohrs erreicht und so seine Temperatur aufrechterhält.

Dieser Infrarot reflektierende Überzug reflektiert vorzugsweise im wesentlichen alle elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 3yUm zu dem Entladungsrohr zurück. Dies stellt sicher, daß das sichtbare Licht entweicht und daß die von der Lampe erzeugte Infrarotstrahlung dazu benutzt wird, trotz des größeren Innendurchmessers des Entladungsrohrs die richtige Temperatur der Entladungsrohrwand aufrechtzuerhalten.

Da der Infrarot reflektierende Überzug durch zu starke Wärme beschädigt werden kann, ist es erwünscht, daß das Entladungsrohr 20 einen Abstand von der äußeren Umhüllung 11 aufweist. Der erwünschte Abstand zwischen diesen beiden Bestandteilen beträgt mindestens 10 mm.

Fig. 2 zeigt die ungefähre Variation der Lampenwirksamkeit gemessen in Lumen/Watt in Abhängigkeit vom Innendurchmesser des Entladungsrohrs. Die Kurve der Fig. 2 reflektiert jedoch nicht die Variation der Wirksamkeit in Lampen mit einem reflektierenden Überzug. Der bevorzugte Bereich für den Innendurchmesser des Entladungsrohrs ist daher der zwischen 12 und

14 mm, wobei der weitere Bereich von 10 bis 18 mm fast genauso gut ist.

Die Hochdruck-Natriumdampflampe der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise mit einem inneren Natriumdampfdruck von etwa 10 bis etwa 100 Torr betrieben. Die Lampe kann als Zündgas auch Xenon mit einem Druck von etwa 10 bis etwa 200 Torr, gemessen bei Zimmertemperatur enthalten. Auch Quecksilber kann hinzugegeben werden, so daß ein Quecksilberdampfdruck von etwa 500 bis etwa 1 500 Torr bei Betriebsbedingungen aufrechterhalten wird.

Aus dem obigen ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Lampe eine sehr wirksame Lichtquelle darstellt. Die aufgrund des größeren Innendurchmessers des Entladungsrohrs verminderte Wandbelastung wird durch den Infrarot reflektierenden überzug mehr als kompensiert. Die Infrarotstrahlung, die einen merklichen Anteil der Leistung verbraucht, die solchen Entladungslampen zugeführt wird, wird durch die vorliegende Erfindung wirksam dazu benutzt, die Wand des Entladungsrohrs auf der richtigen Temperatur zu halten.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   / 1./Hochdruck-Alkalimetalldampflampe mit einem langgestreckten, für sichtbares Licht durchlässigen, druckbeständigen Bogenentladungsrohr mit Elektroden an seinen gegenüberliegenden Enden,

   wobei das Rohr einen Innendurchmesser von etwa 10 bis etwa 18 Millimeter aufweist,

   einem ionisierbaren Alkalimetall in dem Entladungsrohr und einer äußeren, evakuierbaren, für sichtbares Licht durchlässigen Umhüllung, die das Entladungsrohr umgibt und einen Infrarot-reflektierenden Überzug trägt, durch den Infrarotstrahlung zu dem Entladungsrohr zurückreflektiert werden kann.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet Alkalimetall Natrium ist.

   daß das
3. 3. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsrohr einen Innendurchmesser im Bereich von etwa 12 bis etwa 14 Millimetern aufweist.
4. 4. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-reflektierende Überzug elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb von etwa 3 um reflektiert.
5. 5. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter eine Einrichtung aufweist, um das Entladungsrohr mechanisch innerhalb der Umhüllung abzustützen und die thermische Expansion des Entladungsrohres zu kompensieren.
6. 6. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß Entladungsrohr und Umhüllung zylindrisch ausgebildet sind.