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Erfindungsgebiet:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft quecksilberfreie Metallhalogenidlichtbogenlampen
und insbesondere eine Metallhalogenidlichtbogenlampe, die in einem
Bereich zwischen 250 und 400 Watt arbeitet.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
heutigen Metallhalogenidlichtbogenlampen haben sich aus reinen Quecksilberlichtbogenlampen entwickelt,
die früher
in diesem Jahrhundert entwickelt wurden. Das frühe Design bestand aus einem
Kolben, der Quecksilber und vielleicht eine kleine Menge Edelgas
als Zündhilfe
enthielt. Quecksilber wurde ursprünglich als ein ideales Lichtbogenmedium
angesehen, weil es eine Flüssigkeit
ist, die bei Raumtemperatur einen niedrigen Dampfdruck aufweist.
Es war somit leicht, einen Lichtbogen zu zünden und aufrechtzuerhalten.
Bei Arbeitstemperaturen wird Quecksilber vollständig verdampft, der Druck wird
recht hoch und die Spannung an der Lampe steigt bis auf den Punkt
an, wo effiziente Stromversorgungen die Lampe antreiben können.
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Die
Metallhalogenidlampe oder der Metallhalogenidlichtbogen ist eine
Verbesserung gegenüber
der Quecksilberlampe. Sie enthält
zusätzlich
zu Quecksilber und Edelgas Salze von Elementen, die erwünschte Strahlung
emittieren. Salze werden verwendet, weil sie in der Regel höhere Dampfdrücke als
die Elemente selbst aufweisen. Somit erreicht mehr von dem Element
bei einer gegebenen Kolbentemperatur den Lichtbogenstrom.
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Die
Metallhalogenidlichtbogenlampe ist effizienter als eine reine Quecksilberlampe,
weil die Elemente so gewählt
sind, daß sie
im sichtbaren Bereich des Spektrums emittieren. Außerdem können die
Salze so gewählt
werden, daß sie
eine bestimmte Farbe und Farbwiedergabe liefern, wodurch die Metallhalogenidlichtbogenlampe
eine höchst
attraktive Hochleistungslichtquelle wird. Designer spezifizieren
Metallhalogenidlichtbogenlampen in Anwendungen mit höherer Leistung,
wie etwa Straßenbeleuchtungen,
und bei der Hochregalbeleuchtung. Bei gegenwärtigen Beleuchtungssystemen
jedoch werden mit verbesserter Lampen- und Systemtechnologie Metallhalogenidlichtbögen in Anwendungen
mit niedrigerer Leistung verwendet.
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Obwohl
Metallhalogenidlichtbogenlampen reinen Quecksilberlampen hinsichtlich
Lichtausbeute, Farbe und Farbwiedergabe überlegen sind, enthalten sie
Quecksilber. Dafür
gibt es zwei wichtige Gründe:
(a) die Quecksilberlichtbogenlampe ist der Archetypus der Lichtbogenlampentechnologie
und hat sich aus dem früheren,
einfacheren Design entwickelt, und (b) der Designer kann die Dampfdruck-Temperatur-Charakteristik von
Quecksilber verwenden, um Lampen herzustellen, die sich leicht zünden lassen
und die bei zweckmäßigen Spannungen
arbeiten.
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Ein
größerer Nachteil
von Lampen, die Quecksilber enthalten, spiegelt sich in der Tatsache
wieder, daß Quecksilber
ein toxisches Material ist, das schließlich in der Umgebung entsorgt
werden muß.
Die heutigen Hersteller sind bestrebt, Quecksilber wo immer möglich zu
reduzieren und/oder aus ihren Produkten zu eliminieren.
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Eine
der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Bereitstellung
einer funktionierenden, effizienten Metallhalogenidlichtbogenlampe,
die kein Quecksilber aufweist.
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Es
ist schwierig, eine Metallhalogenidlichtbogenlampe ohne Quecksilber
zu entwerfen. Wenn das Quecksilber aus den gegenwärtig erhältlichen
Metallhalogenidlichtbogenlampen ausgelassen wird, erhält man Lampen
mit sehr niedrigen Arbeitsspannungen. Bei annehmbaren Strömen ist
die Leistung in diese Lampen unzureichend, um die Kolbentemperatur
weit genug anzuheben, um die Salze zu verdampfen. Die Spannung und
die Leistung können
durch Erhöhen
des Drucks des Edelgases erhöht
werden. Dadurch wird es jedoch schwierig, wenn nicht unmöglich, die
Lampen zu zünden.
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Aus
EP 0883160 A1 ist
eine quecksilberfreie Metallhalogenidlampe mit einem kurzen Lichtbogen
bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung spiegelt die Entdeckung wieder, daß eine quecksilberfreie
Metallhalogenidlichtbogenlampe erhalten werden kann, indem der Innendurchmesser
verringert und die Lichtbogenlänge
erhöht
wird. Dadurch nehmen die Lampenspannung und die anfänglich gezogene
Leistung zu. Die Lichtbogenlänge
dividiert durch den Innendurchmesser wird hier als das „Seitenverhältnis" bezeichnet. Als
Definition definiert diese Anwendung Lampen mit Seitenverhältnissen über 5 als
röhrenförmig. Die
Erfinder haben eine röhrenförmige Metallhalogenidlichtbogenlampe
mit einer Lichtbogenlänge
von 80 mm, einem Innendurchmesser von 8 mm und mit einer Edelgasfüllung von
133,3 mbar (100 TORR) Xenon entwickelt. Die anfänglichen Metallhalogenidlichtbogenlampen
mit dieser Konfiguration erzeugten Zündspannungen von 40 bis 50
Volt. Bei Strömen
von 5 Ampere bis 7 Ampere verbrauchte diese Lampe etwa 250 Watt,
was ausreichte, um die Arbeitstemperatur der Lampe auf einen geeigneten
Wert anzuheben. Es stellte sich heraus, daß spätere Metallhalogenidlichtbogenlampendesigns
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei 400 Watt effizienter arbeiteten.
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KURZE DARSTELLUNG DER
ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile
des Stands der Technik zu vermeiden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Metallhalogenidlichtbogenlampe bereitzustellen.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Metallhalogenidlichtbogenlampe, die frei von Quecksilber ist.
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Noch
eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer umweltfreundlichen Lichtbogenlampe.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine quecksilberfreie Metallhalogenidlichtbogenlampe
bereitgestellt. Die Metallhalogenidlichtbogenlampe weist einen Kolben
aus Quarzglas mit einem Seitenverhältnis von über 5 auf und enthält ein Edelgas
wie etwa Xenon, Argon oder Krypton und ein Metallhalogenid. Die
Lampe weist Füllchemien
auf, die Iodide von Natrium/Scandium umfassen. Natrium, Scandium
emittieren bekannterweise stark im sichtbaren Bereich des Spektrums.
Das Molverhältnis
Natrium/Scandium wird im Bereich von etwa fünf oder sechs zu eins bis zu
elf zu eins variiert. Die Füllchemien
können
Cäsium
enthalten. Cäsium
beeinflußt
bekannterweise den Durchmesser des Lichtbogens und bis zu einem
gewissen Grad die Spannung. Die Lampe arbeitet im Bereich zwischen
etwa 250 und 500 Watt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
eine graphische Darstellung der Lichtausbeute einer typischen quecksilberfreien
Metallhalogenidlichtbogenlampe als Funktion des Xenonpufferdrucks
in TORR (1 TORR = 133 Pa);
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1A zeigt
eine graphische Darstellung der vorhergesagten Lichtausbeute bei
300 Watt für
eine Lampe mit einem Innendurchmesser von 7 mm mit einer Chemie
24:1:2,2 Na/Sc/Li;
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2a ist
eine schematische Seitenansicht eines Aspekts der Erfindung;
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2b ist
eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und
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3 ist
eine Perspektivansicht einer eine Ausführungsform verwendenden Metallhalogenidlampe.
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BESTE WEISE
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben,
Vorteilen und Fähigkeiten
dieser wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung
mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
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Nunmehr
unter eingehenderer Bezugnahme auf die Zeichnungen wird in 2a schematisch
eine Lichtbogenröhre 14 mit
einem Seitenverhältnis über 5 gemäß den allgemeinen
Grundsätzen
der Erfindung gezeigt, und in 2b eine
Lichtbogenröhre
mit einem Seitenverhältnis
von etwa 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. In 2a und 2b ist
der Durchmesser der Lichtbogenröhre
mit dem Buchstaben A bezeichnet, während sich die Legenden größer als
5A und 10A auf die Lichtbogenlänge
beziehen.
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3 zeigt
eine derartige Lichtbogenröhre 14 als
die Lichtquelle in einer Metallhalogenidlampe 100. Die
Lampe 100 weist einen äußeren Glaskolben 6 mit
einem standardmäßigen Goliathschraubsockel 4 auf, der
an dem Stielende angebracht ist, das in der Figur ganz unten gezeigt
ist. Ein einspringender Stiel 8 weist ein Paar relativ
schwerer Zuleiter 10 und 12 auf, die sich durch
den Stiel 8 erstrecken und deren äußere Enden mit dem Schraubenmantel 17 und
dem Bodenkontakt 18 verbunden sind.
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Die
Lampe 100 weist eine Lichtbogenröhre 14 auf, die in
dem Außenkolben 6 mittig
angeordnet ist. Die Lichtbogenröhre 14 umfaßt eine
Länge aus
lichtdurchlässigem
Quarzglas. Die Lichtbogenröhre 14 enthält den Zusatz
eines Puffergases und ist quecksilberfrei. Das obere Ende der Lichtbogenröhre 14 ist
durch eine Quetschdichtung 20 verschlossen, durch die eine
Zuleitung 26 vorsteht und eine nicht gezeigte obere Elektrode
trägt.
Das untere Ende der Lichtbogenröhre 14 ist
von einer Quetschdichtung 27 verschlossen, durch die eine
Zuleitung 32 verläuft.
Die Zuleitung 32 befestigt die andere Elektrode in der
Lichtbogenröhre.
Um die Lichtbogenröhre 14 ist
ein Wolframdraht 50 gewickelt. Der Draht 50 ist
durch einen Thermoschalter 52 mit einer der Elektroden
verbunden und zwischen den Elektroden angeordnet, wo die niedrigste
Durchschlagspannung erzielt wird. Der Thermoschalter öffnet sich,
wenn die Lampe warm ist, um elektrische Felder an der Röhrenwand
zu minimieren. Die Lichtbogenröhre 14 weist
eine durch Wände 42 definierte
Lichtbogenkammer und einen abgedichteten Pumpstengel 43 auf,
durch die die chemische Füllung
und das Puffergas verabreicht werden, und wird in dem Lampenkolben 6 durch
eine obere Lichtbogenkolbenbefestigungsstruktur 35 und
eine untere Lichtbogenkolbenbefestigungsstruktur 34 in
Position gehalten, wodurch eine Position auf der Achse 24 beibehalten
wird.
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Allgemein
gesprochen bietet die Erfindung quecksilberfreie röhrenförmige Metallhalogenidlichtbogenlampen.
Die Lampen weisen Lichtbogenröhren
mit Innendurchmessern im Bereich von 6 mm bis 11 mm und Längen im
Bereich von 40 mm bis 160 mm auf. Die Füllung der Lampen enthält Chemien.
Die Chemien umfassen Iodide von Natrium/Scandium. Natrium, Scandium
emittieren bekannterweise stark im sichtbaren Bereich des Spektrums.
Das Natrium-Scandium-Molverhältnis
wird von etwa fünf
oder sechs zu eins bis zu elf zu eins variiert.
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Einige
der Füllchemien
umfassen Cäsium.
Cäsium
beeinflußt
bekannterweise den Durchmesser des Lichtbogens und bis zu einem
gewissen Grad die Spannung.
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Außerdem kann
Lithium verwendet werden. Lithium ist ein Element, das bekannterweise
im tiefroten Teil des Spektrums emittiert, und wird in Metallhalogenidlichtbogenlampen
zur Verbesserung der Farbwiedergabe verwendet.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
eine quecksilberfreie Metallhalogenidlichtbogenlampe mit den folgenden
Eigenschaften, in Tabelle I gezeigt. TABELLE
I
| LICHTBOGENLÄNGE | 80
mm |
| BOHRUNG | 8
mm |
| CHEMIE | Verschiedene
Natrium-Scandium-Mischungen
mit und ohne Cäsium
oder Lithium |
| KOLBENMATERIAL | Quarzglas |
| PUFFERGLAS | Xenon
zwischen 133,3 und 666,6 mbar (100 bis 500 TORR) |
| AUSSENMANTEL | Entweder
Luft oder Vakuum |
| LEISTUNG | 300
Watt |
| SPANNUNG | ≈ 60 Volt |
| STROM | ≈ 5 Ampere |
| VORSCHALTGERÄT | 240–480 VAC
mit linearer Reaktanzspule |
| LAMPENLICHTAUSBEUTE | ≈ 80 Lumen/Watt |
| FARBTEMPERATUR | ≈ 4300 Kelvin |
| FARBWIEDERGABE | ≈ 60 Ra |
| SALZSCHMELZE-TEMPERATUR | ≈ 800°C in Luft |
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Lampenherstellung
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Die
Lichtbogengefäße wurden
unter Verwendung von röhrenförmigem Quarzglas
hergestellt, wobei die Innendurchmesser im Bereich zwischen 6 mm
und 11 mm lagen, und auf Länge
geschnitten. Ein kleiner Pumpstengel wurde an der Seite befestigt.
Elektroden wurden in jedes Ende gedrückt. Das Lichtbogengefäß wurde
bearbeitet und mit Chemikalien und Gas durch den Pumpstengel 43 geschickt,
der dann zugeschmolzen wurde. Das Lichtbogengefäß kann wie vorbereitet in Luft
verwendet werden, oder es kann an einem Rahmen befestigt und in
einen Außenmantel
eingeführt
werden. Der Außenmantel
kann evakuiert oder mit einem inerten Gas wie etwa Argon oder Stickstoff
wieder gefüllt
werden.
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Die
quecksilberfreie Lampe weist jedoch gegenüber quecksilberhaltigen Lampen
zwei Vorteile auf: 1) wegen des großen Seitenverhältnisses
liegt die Spannung unmittelbar nach dem Zünden in der Größenordnung
von 40 Volt und die Anfangsleistung in der Größenordnung von 250 Watt. Unter
diesen Bedingungen erzeugt die Lampe unmittelbar nach dem Zünden eine
erhebliche Menge an Nutzlicht (im Gegenteil dazu müssen quecksilberhaltige
Lampen mit einem niedrigen Seitenverhältnis erst aufwärmen, bevor
Nutzlicht erzeugt wird); und 2) der Arbeitsdruck in den Quecksilberfreien
Lampen liegt erheblich unter dem von quecksilberhaltigen Lichtbogenröhren mit
einem niedrigen Seitenverhältnis.
Die Möglichkeit
einer katastrophalen Explosion ist gering, weil die in dem Kolben
gespeicherte Energie (Druck mal Volumen) nicht groß ist.
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Chemikalien:
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Typische,
in den erfindungsgemäßen Lichtbogengefäßen verwendete
Natrium-Scandium-Chemien sind in Tabelle II aufgeführt.
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Die
chemische Zusammensetzung A ist ein standardmäßiges Natrium-Scandium-Lithium-Material, das
in leistungsarmen, für
Farbtemperaturen von 3000° Kelvin
formulierte Metallhalogenidlampen verwendet wird. Die ersten experimentellen
Lampen enthielten diese Chemikalie. Die Chemikalien B, C, D und
E sind Chemien, die zwei Verhältnisse
Natrium zu Scandium mit und ohne Cäsium enthalten. Mehrere der
hergestellten Lampen verwendeten die 11:1:0,03-Formulierung (B),
um eine Farbtemperatur von 4000° Kelvin
zu erzeugen (CCT). Die Formulierung E erzeugt eine hohe Farbtemperatur.
Die Formulierungen D und E sind ähnlich zu
B und C, enthalten aber kein Cäsium.
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Alle
Lampen wurden mit 40 mg Chemikalien beschickt. Diese Chemikalienmenge
ist mehr, als das, was benötigt
wird, um einen gesättigten
Dampf über
der Schmelze sicherzustellen, aber nicht so viel, um die Lichtemission
zu verdecken. Bevor die Lampe das erste Mal aufleuchtete, wurden
die Salze zu einem Ende der Lampe geschüttelt, das als die Salzschmelze
oder der kalte Fleck bekannt ist, wo sie beim Erwärmen der Lampe
schmolzen.
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Puffergas
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Xenon
ist das Puffergas der Wahl wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit
und seines beobachtbaren günstigen Effekts
auf die Lichtausbeute in standardmäßigen Metallhalogenidlampen.
Xenon wurde bei 200 mbar (150 TORR) für die Lampen wegen der vorausgegangenen
Schwierigkeit beim Zünden
von mit 666,6 mbar (500 TORR) gefüllten Lichtbogenröhren gewählt.
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Der
Dampfdruck der oben angeführten
Chemikalien beträgt
bei der höchsten
Gebrauchstemperatur von Quarzglas nur einige wenige Torr. Ein derartiger
Druck kann deshalb die Gesamtatomdichte nicht wesentlich erhöhen oder
den mittleren freien Weg verringern. Die auf Kationen zurückzuführende Erhöhung der
Leitfähigkeit
gleicht die Verringerung der Leitfähigkeit aufgrund elektronegativer
Wirkung von Iod im wesentlichen aus. Infolge dessen bestimmte das
Puffergas in der ersten Ordnung alleine die Lampenspannung.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist eine graphische Darstellung
der Lichtausbeute einer quecksilberfreien Metallhalogenidlichtbogenlampe
bezüglich
ihres Xenonpufferdrucks dargestellt. Die Ergebnisse deuten darauf
hin, daß mit
einem hohen Xenonpufferdruck eine erhebliche Erhöhung der Lichtausbeute realisiert
werden kann. Es wurde beobachtet, daß bei 400 Watt Lichtausbeuten
von über
115 Lumen pro Watt bei einem Xenondruck von 666,6 mbar (500 TORR)
erzielt werden konnten. Dieses Ergebnis stimmt mit Beobachtungen überein,
die mit quecksilberhaltigen Lampen angestellt wurden. Der Nachteil
besteht darin, daß sich
die quecksilberfreie Lampe bei diesem Druck schwer zünden läßt.
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1A zeigt
den vorhergesagten Effekt von Argon gegenüber Xenon bei 200 mbar (150
TORR) bei einer Leistung von 300 Watt in einer Lichtbogenröhre mit
einem Innendurchmesser von 7 mm bei Verbrennung an Luft. Die Regression
weist wie erwartet darauf hin, daß Xenon wirksamer ist.
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Analysen
der Farbwiedergabe ergaben Werte in der Nähe von 60 Ra, wobei Argon geringfügig höher ist
als Xenon. Analysen der Spannung ergaben Werte in der Nähe von 60
Volt, wobei Argon etwa 5 Volt höher liegt.
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Wandreaktionen
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Ein
Phenomän,
das die Untersuchung von quecksilberfreien Lampen komplizierter
macht, ist die Reaktion der Chemikalien mit dem Kolben. Es gibt
einen Kolbentemperaturschwellwert, über dem die Spannung unkontrollierbar
ansteigt, während
diese Reaktion stattfindet. Oftmals ging die Lampe nach einer kurzen
Zeit aus und zeigte die tiefe, fast undurchsichtige purpurne Farbe
von gasförmigem
freien Iod in der Lichtbogenröhre.
Wenn dies geschehen war, ergaben anschließende Messungen, daß die Lichtausbeute
um 20% oder mehr abgenommen hatte. Mit Ausnahme seiner permanenten
Verschlechterung der Leistung verhält sich Iod sehr stark wie
Quecksilber als Puffergas in der Lampe. Beim Abkühlen kondensierte das Iod und
die Lichtbogenröhre
wurde durchsichtig. Die Lampe konnte leicht wiedergezündet werden.
Wenn die Lampe ihre Arbeitstemperatur wieder erreichte, stieg die
Spannung auf viel höhere
Werte an, und die ursprüngliche
Lichtausbeute wurde niemals wieder erreicht.
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Beispiele
für Lampen,
die aufgrund von Wandreaktionen einen Weglaufzustand erfahren hatten,
wurden analysiert. Es wurde beobachtet, daß in den verschlechterten Gebieten
Kristalle aus Scandiumsilikat erschienen.
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Quecksilberfreie
Metallhalogenidlichtbogenlampen mit Natrium-Scandium-Chemien und
Kapillarkolben (80 mm Lichtbogenlänge mal 6 mm bis 10 mm Innendurchmesser)
können
mit attraktiven Leistungswerten arbeiten. Lichtausbeuten von 95
LPW, CCTs von 4000° Kelvin
und CRIs von 65 Ra zeigen eine gute Leistung. Wenngleich einige
der Lampen bei über
90 Volt arbeiteten, traten die besten Leistungen bei 50 Volt auf.
Xenon ist effizienter als Argon als Puffergas in quecksilberfreien
Lampen, was mit Beobachtungen von Quecksilberlampen übereinstimmt.
Wandreaktionen zwischen Natrium- und
Scandiumsalzen sind die einschränkenden Faktoren
bei der Leistung von quecksilberfreien Lampen mit Sodium-Scandium-Chemien.
Die Reaktionsprodukte sind massenhaftes freies Iod und Scandiumsilikat.
Es gibt eine Schwellwerttemperatur, über der die Reaktionen schnell
ablaufen.
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Cäsium reduziert
bekannterweise Wandreaktionen in Quecksilber-Metallhalogenidlampen
und die Temperatur in quecksilberfreien Lampen mit kleinerem Innendurchmesser.
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Die
Reaktionsmodelle sagen vorher, daß Lampen mit entweder 11:1
Na/Sc oder 11:1 Na/Sc/Cs einen Betrieb von 90 LPW und 4000° Kelvin bei
Temperaturen unter dem Wandreaktionsschwellwert erreichen können. Farbwiedergaben
von 65 Ra lassen sich marginal unter der Schwellwerttemperatur erzielen.
Die Modelle sagen vorher, daß nur
die über
der Schwellwerttemperatur arbeitenden Lampen mit einem kleinen Innendurchmesser 100 Volt
erreichen.
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Die
5:1- und 6:1-Na/Sc-Chemien sind geringfügig wirksamer als die 11:1-Na/Sc-Chemien,
können aber
bei Temperaturen unter dem Schwellwert nicht die CCT-, CRI- und Spannungsziele
erreichen.
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Andere
Modifikationen und Änderungen,
die abgewandelt sind, um jeweiligen Arbeitsanforderungen und Umgebungen
zu entsprechen, ergeben sich dem Fachmann.
