DE3327302A1

DE3327302A1 - Niederdruck-quecksilberdampf-entladungslampe

Info

Publication number: DE3327302A1
Application number: DE19833327302
Authority: DE
Inventors: Yasuo Zama Kato; Hiromitsu Hachioji Matsuno; Shigeo Tokyo Mikoshiba; Seiichi Kokubunji Murayama; Tetsuo Kokubunji Ono; Yoshio Tokyo Watanabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-07-30
Filing date: 1983-07-28
Publication date: 1984-02-02
Also published as: US4587453A; DE3327302C2; JPS5923446A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei einer Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe, insbesondere auf eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe, die einen Mantel (im folgenden auch als Kolben bezeichnet) mit einer Doppelröhrenstruktur besitzt und eine hohe Lichtausbeute hat.

In den letzten Jahren ist auf zahlreichen Wegen eine Fluoreszenzlampe mit einem Sockel entwickelt worden, der in eine Fassung einer konventionellen Glühlampe eingeschraubt und darin befestigt werden kann; eine solche Fluoreszenzlampe wird als kompakte Fluoreszenzlampe bezeichnet.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer kompakten Fluoreszenzlampe entsprechend dem US Patent-Nr. 41 99 708, die einen Mantel mit einer Doppelröhrenstruktur besitzt. Diese Lampe besitzt eine Doppelröhrenstruktur und weist einen geschlossenen Lampenkolben 1 und ein Paar von inneren Röhren 3, 3¹ auf, die in dem Mantel 1 eingeschlossen sind, und die mit einem Ende 2 des Mantels 1 verbunden sind, und deren anderes Ende sich jeweils an den Öffnungen 7, 7¹ in den Mantel 1 Öffnet. Der geschlossene Lampenmantel 1 ist mit einem Edelgas von einigen Torr und einer kleinen Menge von Quecksilber gefüllt, so daß eine Gasentladung zwischen Elektroden 5 und 5' möglich ist, die in den inneren Röhren 3, 3' angeordnet sind, so daß ultraviolette Strahlen erzeugt werden und durch Phosphore 4,4', mit denen die innere Oberfläche der inneren Röhren 3, 3' beschichtet ist, in sichtbare Strahlung verwandelt werden.

Um ein Blenden der Strahlung der inneren Röhren 3, 3' zu verhindern, ist auf der inneren Oberfläche des geschlossenen Mantels 1 eine Licht dispergierende Schicht 6 vorgesehen.

-A-

In dem Lampensockel 8 ist eine Betriebsschaltung angeordnet, deren eines Ende mit einer passenden Schraubhülse 9 versehen ist.

Allgemein hängt die Leistungsfähigkeit oder Ausbeute einer Fluoreszenzlampe von der Dichte N der Quecksilberatome innerhalb des Mantels der Entladungslampe ab. Zwischen der Dichte N der Quecksilberatome und dem Partialdruck P des Quecksilbers besteht die Beziehung nach der Gleichung 1:

P = kNT (1)

wobei k die Boltzman-Konstante und T die absolute Temperatur bedeuten.

Der Partialdruck P des Quecksilbers stimmt mit dem Sättigungsdampfdruck des Quecksilbers an der kältesten Stelle der Entladungslampe überein. Bei gewöhnlichen Fluoreszenzlampen ist die Temperatur der kältesten Stelle der Entladungslampe im wesentlichen gleich der Temperatur T der Glaswand desjenigen Teiles, in dem das Plasma existiert, so daß die Dichte der Quecksilberatome in der Entladungslampe beinahe gleichmäßig ist. Die Dichte Nmax der Quecksilberatome, die die Ausbeute der Fluoreszenzlampe maximiert und die vom Durchmesser der Entladungslampe abhängt, beträgt bekanntlich 1,5 χ 10 cm bis 3 χ 10 cm (dem entspricht, daß die Temperatur der kältesten Stelle der Röhre auf 37⁰C bis 44⁰C eingestellt ist). (Applied Optics Vol. 15, Nr. 1, 1976, S. 64 bis 68.)

Wenn die Temperatur der kältesten Stelle der in Fig. 1 dargestellten kompakten Fluoreszenzlampe in dem oben genannten Temperaturbereich gehalten wird, so wird jedoch die Lichtausbeute der Lampe so gering, daß die Lampe praktisch nicht gebraucht werden kann. Die'Lichtausbeute der Lampe

wird besonders dann herabgesetzt, wenn die Lampe für eine hohe Ausgangslexstung vorgesehen ist. Dieser Nachteil muß auf irgendeine Weise verhindert werden.

Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einer Doppelröhrenstruktur anzugeben, deren Lichtausbeute selbst für die Dauer eines Betriebes mit hoher Ausgangsleistung hoch ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe gelöst, die nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 ausgestaltet ist.

Die erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe weist gemäß der Erfindung einen Mantel auf, der einen umschlossenen Raum bildet, ein Paar von inneren Röhren, die mit einem Ende an einem Ende des Mantels oder Röhrenkolbens der Lampe angeschmolzen sind und deren anderes Ende sich in den umschlossenen Raum öffnet, und die Elektroden an dem angeschmolzenen Ende der inneren Röhren besitzt, wobei die kälteste Stelle des Mantels in einem Temperaturbereich zwischen 45⁰C bis 65⁰C bei einer Umgebungstemperatur von 25⁰C eingestellt wird.

Der neue Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einer Doppelröhrenstruktur, die selbst in der Zeit einer Betriebsart mit hoher Ausgangsleistung eine hohe Lichtausbeute liefert.

Insbesondere ist die Erfindung auf der Grundlage der nachfolgend beschriebenen Gedanken entwickelt worden.

Bei einer Lampe mit dem Aufbau nach der Fig. 1 ist ange-

sichts der Tatsache, daß der Raum innerhalb der inneren Röhren 3, 3' über die öffnungen 7, 7' mit dem Raum des umschliessenden Mantels 1 in Verbindung steht, bekannt, daß der Quecksilberdampfdruck in den inneren Röhren 3, 3¹ von der Temperatür der kältesten Stelle des umschließenden Mantels 1 abhängt .

Fluoreszenzlampen dieser Art, die eine Glühlampe ersetzen sollen, sollen allgemein klein sein und eine hohe Lichtausbeute haben. Ein großes Hindernis bei der Erfüllung dieser Forderungen ist die Herabsetzung der Ausbeute, die darauf beruht, daß die Lampentemperatur den optimalen Temperaturpegel der kältesten Stelle übersteigt. Bei einer Lampe mit dem Aufbau nach Fig. 1 steigt die Temperatur ihrer kältesten Stelle mit der Zunahme der Lampenleistung an und überschreitet den optimalen Wert bei einem bestimmten Punkt, so daß die Lichtausbeute herabgesetzt wird. Um eine hohe Ausgangsleistung zu erzielen, ist daher eine Steuerung des Quecksilberdampfdrucks, d.h. eine Steuerung der Temperatur der kältesten Stelle des Mantels, unerläßlich. Bei den gege- ■ benen Umständen ist jedoch die optimale Temperatur der kältesten Stelle bei einer Fluoreszenzlampe dieser Art noch nicht in vollem Umfang untersucht worden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Ergebnis einer Messung der Beziehung zwischen der Temperatur der kältesten Stelle einer Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einer Doppelröhrenstruktur und deren Lichtausbeute, nach der sich herausgestellt hat, daß die Temperatur der kältesten Stelle der Röhre, die der maximalen Lichtausbeute zugeordnet ist, im Bereich zwischen 45⁰C und 65⁰C liegt, also anders als die Temperatur von 37⁰C bis 44⁰C für die gewöhnliche röhrenförmige Fluoreszenzlampe ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren

dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Diagramm den grundlegenden Aufbau einer konventionellen kompakten Fluoreszenzlampe;

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den grundlegenden Aufbau einer kompakten Fluoreszenzlampe nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Temperatur der kältesten Stelle und der relativen Ausbeute;

Fig. 4 zeigt den grundlegenden Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Temperatur der kältesten Stelle und den aus Lampenleistung und Oberflächeninhalt des Mantels.

Der grundlegende Aufbau einer Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe/ d.h. einer kompakten Fluoreszenzlampe 10 nach der vorliegenden Erfindung, ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Fluoreszenzlampe 10 besitzt eine doppelte Röhrenstruktur mit einem geschlossenen, länglichen, röhrenförmigen Lampenmantel (im folgenden auch als Röhrenkolben bezeichnet) 11 aus Glas und einem Paar von inneren Röhren 13, 13', die in dem Röhrenkolben 11 angeordnet sind, wobei von letzteren jeweils ein Ende an einem Ende 12 des Röhrenkolbens 11 angeschmolzen ist und das andere Ende mit öffnungen 17, 17' versehen ist, die zu dem von dem Lampenkolben umschlossenen Raum offen sind. Der Kolben 11 ist mit einem Edelgas wie z.B. Argongas mit einigen Torr und einem kleinen Anteil an Quecksilber gefüllt. Elektroden 15, 15' sind an dem angeschmolzenen Ende der inneren Röhren 13, 13' angeordnet. Die Entladung wird zwischen den Elektroden 15, 15' über

die inneren Röhren 13, 13' und die Öffnungen 17, 17" bewirkt. Diese Entladung erzeugt ultraviolette Strahlen, die mittels Phosphorschichten, die auf der inneren Wand der inneren Röhren 13, 13" vorgesehen sind und beispielsweise aus seltenen Erden bestehen, in sichtbares Licht verwandelt werden. Die innere Wand des geschlossenen Kolbens 11 trägt eine Licht dispergierende Schicht 16, beispielsweise aus Titanoxid, um ein Blenden durch das von den inneren Röhren 13, 13' erzeugte Licht zu vermeiden. Eine nicht dargestellte Betriebsschaltung ist in dem Sockel 8 unter einem Ende 12 des Kolbens 11 angeordnet, wobei der Sockel an einem Ende mit einer Schraubfassung versehen ist.

Bezüglich der voranstehenden Beschreibung besteht kein grundlegender Unterschied zwischen der in der Fig. 1 dargestellten konventionellen Fluoreszenzlampe und der erfindungsgemäßen Fluoreszenzlampe.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht jedoch darin, daß die kälteste Stelle des Kolbens 11 einer in Fig. 2 dargestellten Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe bei einer Umgebungstemperatur von 25⁰C in einem Temperaturbereich zwischen 45⁰C und 65⁰C gehalten wird, wodurch die Lichtausbeute der Lampe bei 90 % oder mehr der maximalen Ausbeute gehalten wird.

Die experimentellen Ergebnisse werden nachfolgend beschrieben.

Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur der kältesten Stelle des Kolbens und der Lichtausbeute der Lampe, die entsprechend der Fig. 2 aufgebaut ist. Wie anhand des Diagramms der Fig. 3 deutlich wird, erreicht die durch die relative Ausbeute ausgedrückte Ausbeute der Lampe 90 % oder mehr von der 100 % darstellenden maximalen Lampenausbeute bei einer Temperatur der kältesten Stelle des geschlossenen

O Λ. /

Mantels von 45⁰C bis 65⁰C. Dieser optimale Temperaturbereich für die kälteste Stelle des Kolbens bleibt auch dann gleich, wenn der Kolben eine sphärische Gestalt hat. Dieser Temperaturbereich für die kälteste Stelle des Kolbens, die etwa 15°Chöher ist als der Mittelwert von 37°C bis 44°C bei konventionellen Fluoreszenzlampen, liegt außerhalb des für gewöhnliche Fluoreszenzlampen Üblichen.

Dies ist vermutlich dem Lampenaufbau zuzuschreiben, bei dem der größere Teil der Lampenleistung von den inneren Röhren 13, 13' verbraucht wird und weiterhin die inneren Röhren 13, 13' durch den Mantel 11 wärmeisoliert sind.

Die Messungen zeigen, daß die Temperatur der inneren Röhren 13, 13" der mit einer Lampenleistung von 2OW eingeschalteten Lampe bis über 200⁰C erreicht. Wenn auch der Quecksilberdampf druck, der durch die Temperatur der kältesten Stelle bestimmt ist, in den inneren Röhren 13, 13' und dem Kolben 11 miteinander übereinstimmt, so ist deshalb die Dichte N der Quecksilberatome, von der die Lampenausbeute abhängt, in den inneren, hohe Temperatur aufweisenden Röhren 13, 13' niedriger als in dem Raum zwischen den inneren Röhren 13, 13' und dem Kolben 11, wie man anhand der Gleichung 1 erkennen kann. Die Gleichung 1 zeigt an, daß der Dichtenunterschied etwa 7⁰C bei der Temperatur der kältesten Stelle entspricht. Dies ist als einer der Gründe dafür anzusehen, daß die optimale Temperatur der kältesten Stelle bei einem Lampenaufbau entsprechend Fig. 2 höher ist als bei gewöhnlichen Fluoreszenzlampen.

Bei der Konstruktion einer Lampe mit dem Aufbau entsprechend Fig, 2 ist es wünschenswert, die Temperatur der beim Betrieb kältesten Stelle auf einem Niveau zu halten, das der maximalen Lampenausbeute zugeordnet ist, d.h. auf etwa 54⁰C. Aus einem mehr praxisbezogenen Gesichtspunkt wird eine Lampen-

ausbeute von 90 % oder mehr der maximalen Lampenausbeute erreicht, wenn die Temperatur der kältesten Stelle auf einem Niveau zwischen 45°C und 65⁰C gehalten wird.

Es werden nun spezifische Vorkehrungen erläutert, um die Temperatur der kältesten Stelle des Kolbens 11 auf einem Niveau zwischen 45⁰C und 65⁰C zu halten. Entsprechend der Fig. 4 ist die Oberflächentempteratur des sphärisch geformten Kolbens 11' der Fluoreszenzlampe 10' im wesentlichen gleichmäßig. Dies ist hauptsächlich auf die Wärmeleitung und die Konvektion des eingeschlossenen Gases zurückzuführen. In diesem Fall wird die Temperatur der. kältesten Stelle durch die Lampenleistung und die Größe des Kolbens 11' bestimmt, nämlich durch dessen Oberflächeninhalt. Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Lampenleistung je Oberflächeneinheit des Kolbens 11' und der Temperatur der kältesten Stelle des Kolbens bei einem Aufbau nach Fig. Entsprechend diesem Diagramm erzielt man eine Temperatur im Bereich von 45⁰C bis 65⁰C für die kälteste Stelle des Mantels 11', indem die Lampenleistung je Oberflächenein-

2 heit des Mantels 11' auf einen Wert zwischen 0,03 W/cm

2
und 0,10 W/cm eingestellt wird.

Dieser Wert gilt ebenfalls für die in Fig. 2 dargestellte Fluoreszenzlampe 10 mit einem sphärisch geformten Lampenkolben 11 .

Nachfolgend wird ein spezielles Ausführungsbeispiel beschrieben. Wenn die in Fig. 4 dargestellte Fluoreszenzlampe 10' einen sphärisch geformten Kolben 11' mit 10 cm Durchmesser und als innere Röhren 13, 13' ein Paar von U-förmigen Glasröhren mit 10,7 mm innerem Durchmesser und 130 mm Länge aufweist, so beträgt der Wert der Leistung je Oberflächen-

2 einheit des Kolbens 11" 0,064 W/cm . Die kälteste Stelle dieser Lampe erscheint an dem Punkt A auf der Seite der Kugel und stellt sich auf 54⁰C ein (bei einer ümgebungs-

temperatur von 25⁰C). Der Unterschied zwischen der Temperatur der kältesten Stelle und der maximalen Temperatur der Oberfläche des Kolbens 11· (am Punkt B) beträgt nicht mehr als 5° mit Ausnahme von lokalen Punkten. In diesem Fall wird bei einer Änderung von +^ 10⁰C der Umgebungstemperatur der gesamte Lichtfluß der Lampe 10' von 805 Lumen einbezogen und um etwa 10 % reduziert.

Es wird nun vorausgesetzt, daß entsprechend der Fig. 2 der Mantel 11 eine röhrenförmige Gestalt mit 7 cm Durchmesser und 12 cm Länge besitzt (wobei die inneren Röhren 13, 13' usw. die gleichen sind wie in dem vorausbeschriebenen Beispiel) . Die kälteste Stelle des Mantels 11 verschiebt sich zu der Oberseite (Punkt C), und die Temperaturdifferenz zwischen der kältesten Stelle und dem Punkt der höchsten Temperatur (Punkt D) -abgesehen von lokalen Punkten hoher Temperatur- wächst auf etwa 7°. Nichtsdestoweniger bleibt die Temperatur der kältesten Stelle bei 54⁰C, und die Lichtflüsse (805 Lumen für eine Umgebungstemperatur von 25°C) werden bei einer Änderung der Umgebungstemperatur nach oben oder unten reduziert.

Anhand der vorangehenden Beschreibung wird verständlich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einer Doppelröhrenstruktur angegeben wird, bei der eine Lampenausbeute von 90 % oder mehr der maximalen Lampenausbeute erreicht wird, indem die Temperatur der kältesten Stelle auf der Oberfläche des Kolbens in einem Bereich zwischen 45⁰C und 65⁰C bei einer Umgebungstemperatur von 25⁰C gehalten wird.

Die Temperatur der kältesten Stelle, die der maximalen Lampenausbeute zugeordnet ist, ändert sich mit dem Durchmesser der inneren Röhre. Experimente mit einer inneren Röhre, die einen Durchmesser von 8 bis 16 mm besitzt, was für kompakte

Fluoreszenzlampen als geeignet angesehen wird, zeigen jedoch, daß selbst dann, wenn sich der Spitzenwert in dem Diagramm der Fig. 3 etwas seitlich verschiebt, im wesentlichen die gleiche Lampenausbeute erzielt wird, indem man die Temperatur der kältesten Stelle zwischen 45⁰C und 65⁰C hält.

Claims

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DEA-26190

28. Juli 1983

Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe

1 ,} Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe gekennzeichnet durch einen Mantel (1, 11, 11'), der gasdicht einen Raum umschließt,

ein Paar von inneren Röhren (3, 3¹; 13, 13')/ die in dem gasdichten Raum angeordnet sind, und von denen ein Ende an einem ersten Ende (2, 12) des Mantels dichtend befestigt ist, wobei das andere Ende der inneren Röhren zu dem umschlossenen Raum hin offen ist,

und durch Elektroden (5, 5¹; 15, 15'), die an den befestigten Endseiten der inneren Röhren vorgesehen sind, wobei die Temperatur der kältesten Stelle des Mantels (1, 11, 11') bei einer Umgebungstemperatur von etwa 25⁰C im Bereich zwischen 45°C und 65⁰C gehalten wird".
2. Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Einstellen der Temperatur der kältesten Stelle den Wert der Lampeneingangsleistung je Oberflä-

cheneinheit des Mantels im Bereich zwischen 0,03 W/cm und

0,10 W/cm² festlegt.
3. Niederdruck-Quecksilberdampf'-Entladungslampe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß jede der inneren Röhren (3/ 3¹; 13, 13") ein U-förmig gebogenes Glasrohr aufweist.
4. Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (1, 11, 11') ein sphärisch geformter Glaskolben ist.
5. Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel ein röhrenförmiger Glaskolben ist.