-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdrucknatriumlampe mit einem
mit Spielraum von einem Außenkolben eingeschlossenen keramischen Entladungsgefäß,
wobei dieser Raum mit einer Gasfüllung versehen ist, wobei in dem Entladungsgefäß
ein Paar Elektroden vorgesehen ist, die mit je einem an einem betreffenden Ende aus
dem Enfladungskolben heraustretenden Stromzuführungsleiter verbunden sind, wobei
sich zwischen diesen Elektroden ein Mittenteil des Enfladungsgefaßes erstreckt mit
einem Inhalt V und einer Länge L, wobei dieses Entladungsgefäß mit einer
Amalgamfüllung versehen ist mit einer Gewichtsmenge mNa Natrium und einer Gewichtsmenge
mHg Quecksilber.
-
Eine derartige Lampe ist aus "Neues aus der technik" Nr.4 vom 15.
Dezember 1989 bekannt. Unter einem keramischen Entladungsgefäß wird ein
Entladungsgefäß aus hitzebeständigem Material, wie monokristallinem Metalloxid,
beispielsweise Saphir, polykristallinem Metalloxid, beispielsweise durchscheinendem gasdichtem
Aluminiumoxid (DGA) oder Yttriumoxid und kristallinem nicht-oxidischem Material,
wie Aluminiumnitrid verstanden. Die Gasfüllung in dem Raum zwischen dem
Entladungsgefäß und dem Außenkolben trägt bei zum Wärmetransport vom Entladungsgefäß
zur Umgebung. Dies bietet den Vorteil, daß ein kleines Entladungsgefaß verwendet
werden kann, wodurch von der Lampe ausgestrahltes Licht sehr gut bündelbar und ein
hoher Systemwirkungsgrad erzielbar ist. Eine Gasfüllung vergrößert jedoch den Einfluß
der Umgebungstemperatur auf die Temperatur des Entladungsgefäßes und führt dadurch
zu größeren Schwankungen in der Bogenspannung der Lampe bei
Temperaturschwankungen in der Umgebung. Von der nicht gesättigten Lampe, wobei im betrieb das
Natrium und das Quecksilber völlig verdampft sind, wird erwähnt, daß bei
Temperaturschwankungen der Dampfdruck und damit die Bogenspannung und andere
Lampeneigenschaften nahezu konstant bleiben. Aus diesem Grund wird in der obengenannten
Veröffentlichung Verwendung einer Gasfüllung bei einer nicht gesattigten Lampe
empfohlen.
-
Die nicht gesättigte Lampe weist die Eigenschaft auf, daß auch bei relativ
niedrigen Umgebungstemperaturen das Amalgam im Betrieb völlig verdampft ist und
erfordert dazu hohe Temperaturen an den Enden des Enfladungsgefäßes, die zugleich
dazu dienen, mit der geringen Amalgammenge Dampfdrücke zu verwirklichen, die
denen einer vergleichbaren gesattigten Lampe entsprechen. Die hohen Temperaturen
sind bei nicht gesattigten Lampen mit einem Entladungsgefäß aus DGA außerdem
vorteilhaft, da diese einen relativ hohen Aluminiumdampfdruck verursachen. Der relativ
hohe Aluminium-Dampfdruck bremst parasitäre chemische Reaktionen zwischen
Wandmaterial und Natrium, wodurch vermieden wird, daß die bereits geringe
Natriummenge auf diesem Weg verloren geht. Auch metallene Lampenteile, wie
Durchführungselemente, Lötverbindungen zwischen den Elektroden und den
Durchführungselementen und an die Enden des Entladungsgefaßes grenzenden Teilen der
Stronzuführungsleiter werden bei den auftretenden hohen Temperaturen stark erhitzt. Obschon
Stickstoff in der obengenannten Veröffentlichung als Inertgas betrachtet wird, hat es
sich herausgestellt, daß dieses Gas unter den bei der bekannten Lampe auftretenden
Umständen die genannten metallenen Lampenteile angreift, was einerseits zu
Sprödigkeit und andererseits zu einer Volumenvergrößerung des angegriffenen Teils führt. Die
Volumenvergrößerung der Durchführungselemente bringt die Gefahr mit sich, daß das
Entladungsgefäß zerbricht und daraufhin undicht wird. Der Effekt der Sprödigkeit einer
Lötverbindung wird die Stärke derselben beeinträchtigen und kann sogar dazu führen,
daß die Verbindung völlig gelöst wird. Im Falle einer durch eine Lötverbindung
befestigten Elektrode führt dies zu einer Kippung der Elektrode, was das Ende der
Lampenlebensdauer bedeutet. Ein Nachteil von Argon und anderen Edelgasen ist,
danach Anspruch darin unter Umständen beim Anlegen einer Zündspannung zum
Zünden der Lampe Durchschlag auftritt, was das Zünden erschwert und die
Lebensdauer der Lampe beeinträchtigt.
-
Die Erfindung hat nun u.a. zur Aufgabe, eine Lampe der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, in der wenigstens Durchschlag sowie Angriff der
metallenen Lampenteile vermieden werden und wobei dennoch die Empfindlichkeit für
Temperaturschwankungen der Umgebung gering ist.
-
Nach der Erfindung weist die Lampe der eingangs beschriebenen Art dazu
das Kennzeichen auf, daß das Gas in dem Raum in dem Außenkolben mindestens 70
mol% Stickstoff aufweist, und daß mhg, V und L der nachfolgenden Beziehung
entsprechen
-
und daß weiterhin für das Gewichtsverhältnis von Natrium und Queeksilber in dem
Amalgam gilt:
-
worin mHg und mNa in mg, L in cm und V in cm³ ausgedrückt ist.
-
Ungeachtet etwaige in dem Außenkolben vorhandene Edelgase vermeidet
die genannte Stickstoffmenge Durchschlag.
-
Durch die gewählten Füllungsmengen hat die Lampe eine gesättigte
Füllung, wobei im Betrieb eine Quecksilbermenge in der flüssigen Phase zurückbleibt,
die höchstens von einer Größenordnung ist, die vergleichbar ist mit der der verdampften
Quecksilbermenge und wobei nur eine geringe Menge Natrium verdampft. Durch die
auf diese Weise gewählten Füllung stellt es sich heraus, daß ein stabiler Lampenbetrieb
möglich ist, der für Außentemperaturschwankungen weitgehend unempfindlich ist. Der
Unempfindlichkeit des Lampenbetriebs liegt die Tatsache zugrunde, daß im betrieb das
Phänomen der Quecksilbererschöpfung auftritt, das in: "The High Pressure
Sodiumlamp", 1. Druck, 1986, de Groot und van Vliet, Seiten 165-169 beschrieben ist.
Diese Beschreibung, die übrigens keine Hinweise gibt, daß dieses Phänomen praktisch
angewandt werden kann und worin auch nicht von einem Zusammenhang mit der
Verwendung einer Gasfüllung in diesem eingeschlossenen Raum innerhalb des
Außenkolbens die Rede ist, gibt als Richtlinie, daß dieser Effekt bei einer Amalgamdosierung
zwischen 3 und 50 µg/mm³ auftritt. Es ist dem Erfinder klar geworden, daß für eine
praktische Anwendung dieses Effektes die erforderliche Quecksilberdosierung nicht nur
von dem Volumen des Mittenteils des Entladungsgefäßes abhängig ist, sondern auch von
der Länge desselben. Bei einer Quecksilberdosierung unterhalb des Wertes, der aus der
unteren Grenze 0,8 für das Verhältnis mHg/ (VxL) ist der Quecksilberdruck im
Lampenbetrieb derart niedrig, daß die Lampe unter üblichen Umständen einen
unzulässig hohen Strom führt. Überschreitet die Quecksilberdosierung den Wert, der aus der
oberen Grenze 1,7 für das Verhältnis folgt, so ist die in dem Amalgam zurückbleibende
Quecksilbermenge zu groß im Verhältnis zu der in der Dampfphase vorhandenen
Menge, was dazu führt, daß die für einen stabilen Lampenbetrieb erforderliche
Quecksilbererschöfung nicht auftritt. Die erfoderliche Natriumdosierung ist abhängig
von der Quecksilberdosierung. Ein Gewichtsverhältnis zwischen Natrium und
Quecksilber kleiner als 0,05 oder größer als 0,25 bringt eine schlechte Farbwiedergabe und
ein geringer Wirkungsgrad mit sich.
-
Zum Auftreten des Phänomens Quecksilbererschöpfung ist das
Vorhandensein einer übermäßigen Füllung wesentlich. Die an den Enden herrschenden
Temperaturen sind daher im Vergleich zu einer nicht gesattigten Lampe niedrig. Es hat sich daher
gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Lampe zwar an manchen Teilen der
Stromzuführungsleiter eine Nitridschicht gebildet wird, daß aber ein weiterer Angriff danach
ausbleibt, wodurch Schaden vermieden wird.
-
Die Natriummenge in dem Entladungsgefäß ist wesentlich höher als bei
einer vergleichbaren nicht gesattigten Lampe. Nicht nur weil die Gesamtmenge
Amalgam größer ist, sondern auch wegen des größeren Gewichtsverhältnisses von
Natrium und Quecksilber in dem Amalgam. Spezialmaßnahmen zur Beschränkung von
Natriumverlust, wie diese bei einer nicht gesättigten Lampe erwünscht sind, sind
deswegen überflüssig. Aus diesem Grund haben auch bei Verwendung eines
Entladungsgefäßes aus DGA die relativ niedrigen Temperaturen bei der erfindungsgemäßen Lampe
keine nachteiligen Folgen.
-
Trotz der gesättigten Füllung der erfindungsgemäßen Lampe bietet diese
einen der nicht gesättigten Lampe entsprechenden Vorteil, daß bei Ende Lebensdauer
die Lampe nicht periodisch erlischt und zündet.
-
Es sei bemerkt, daß aus "White HPS lamps with a Color Temperature of
2700 K", S. Carleton u.a., J. of the IES, Winter 1991, eine Lampe bekannt ist, deren
Außenkolben mit Stickstoff gefüllt ist. Lampen dieser Art haben jedoch einen relativ
niedrigen Wirkungsgrad und sind deswegen für viele Anwendungsbereiche nicht
wirtschafftlich. In der genannten veröffentlichung wird bemerkt, daß Verwendung einer
Gasfüllung die Lampen empfindlicher macht für Änderungen in der
Umgebungstemperatur.
-
Weiterhin ist aus DE-33 07 197 A1 eine Hochdrucknatriumlampe bekannt,
bei der das Entladungsgefaß mit einer Füllung versehen ist, deren im Betrieb
verdampfte Quecksilbermenge von derselben Größenordnung ist wie die in flüssiger Form
vorhandene Restmenge und wobei eine nur geringfügige Menge Natrium verdampft. Die
Lampe hat jedoch einen evakuierten Außenkolben.
-
Bei einer günstigen Ausführungsform gilt für das Gewichtsverhältnis von
Natrim und Quecksilber in dem Amalgam:
-
In dieser Ausführungsform beträgt der Abstand in dem CIE-Farbdreieck zwischen den
Farbkoordinaten des von der Lampe ausgestrahlten Lichtes und der Farbpunktelinie des
Plackstrahlers höchstens etwa 0,01.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Hochdrucknatriumlampe,
-
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Entladungsgefäß der Lampe nach Fig.
1. Es sei bemerkt, daß die Figuren nicht maßgerecht sind.
-
Fig. 1 zeigt eine Hochdrucknatriumlampe mit einem länglichen
Entladungsgefäß 20 mit Bnden 21a, 21b. Das Entladungsgefäß 20 ist kreiszylindrisch und hat
einen Innendurchmesser von 0,40 cm. Das Entladungsgefäß 20 kann sich aber auch
beispielsweise in Richtung der Enden 21a, 21b hin veijüngen. Das Entladungsgefäß 20,
das aus DGA hergestellt ist, ist mit Spielraum 1 von einem Außenkolben 10
eingeschlossen, der einen Sockel 50 trägt. Im Normalen Betrieb hat die Lampe eine
Leistungsaufnahme von 150 W. Der eingeschlossene Raum 1 ist mit Stickstoff versehen.
Der Fülldruck des Gases in dem eingeschlossenen raum beträgt vorzugsweise zwischen
25 und 100 kPa Einerseits ist der Druck dann hoch genug um in wesentlichem Maße
den Wärmetransport von dem Entladungsgefäß zur Umgebung zu verbessern und
andererseits ist der Betriebsdruck dann nicht zu hoch, daß Spezialmaßnahmen, wie eine
dicke Wand des Außenkolbens erforderlich sind um Explosionsgefahr zu vermeiden.
Der Fülldruck beträgt in diesem Fall 100 kPa Fig. 2 zeigt das Entladungsgefäß 20, in
dem ein Paar Elektroden 30a, 30b vorgesehen sind, die je mit Titanlot 41a, 41b an
einem Ende 42a, 42b eines Durchführungselementes in Form einer Niob-Büchse 43a,
43b befestigt sind, die als Stromdurchführungsleiter 40a, 40b wirksam ist und an einem
Ende 21a, 21b des Entladungsgefäßes 20 heraustritt. Das Durchführungselemente kann
aber beispielsweise auch ein Stift sein. Bis an die Elektroden 30a, 30b erstreckt sich ein
Mittenteil 22 des Entladungsgefäßes 20 mit einer Länge L von 4,2 cm. Der Mittenteil
22 des Entladungsgefäßes 20 hat daher einen Inhalt V von 0,53 cm³. Das
Entladungsgefäß 20 ist mit einer Füllung eines Amalgams mit 0,18 mg Natrium und 1,42 mg
Quecksilber versehen.
-
Mit:
-
ist die Anforderung erfüllt, daß dieses Verhältnis zwischen 0,8 und 1,7 begrenzt ist.
Insbesondere liegt das Verhältnis zwischen 0,9 und 1,4. Für das Gewichtsverhältnis von
Quecksilber und Natrium in Amalgam gilt:
-
Das Verhältnis liegt also zwischen 0,05 und 0,25 und insbesondere zwischen 0,10 und
0,20. Im Betrieb verdampft 0,8 mg Quecksilber, was in derslben Größenordnung liegt
wie die in flüssiger Form zurückbleibende Menge von 0,62 mg und verdampft nur eine
geringe Menge, 0,011 mg, des vorhandenen Natriums.
-
Durch die genannte Zusammensetzung ist die Lampe sehr empfindlich für
Temperaturschwankungen in dem Umgebung.
-
Nach einem Dauerversuch von 8000 Brennstunden stellte es sich heraus,
daß die Stromdurchführungsleiter 40a, 40b nicht angegriffen waren.
-
Das von der Lampe ausgestrahlte Licht hat eine Farbtemperatur von etwa
2040 K. Die Farbkoordinaten (x, y) des Lichtes betragen 0,525 bzw. 0,417. Der
Abstand von dem nächsten Punkt (0,524, 0,414) der Farbpunktelinie eines
Planckstrahlers ist etwa 0,003 und ist daher kleiner als 0,01.
-
Das Verhalten der Lampe wurde verglichen mit einer Lampe, deren
Entladungsgefaß mit einer Überdosis Füllung von 25 mg eines Amalgams mit einem
Gewichtsverhältnis von 0,23 versehen war. Von den Lampen wurde die
Lampenspannung gemessen, und zwar im Betrieb, wobei die Lampe mit einem Lüfter forciert
gekühlt wurde, im Betrieb in einer neutralen Umgebung bzw. im Betrieb beim
Vorhandensein einer Glashülle um die Lampe. Die dabei gemessene Lampenspannung in V ist
in der nachfolgenden Tabelle angegeben. Darin ist eingeklammert die prozentuelle
Abweichung gegenüber der Lampenspannung im Betrieb in einer neutralen Umgebung
angegeben.
Lampe mit Überdos. Füll.
erfindungsgem. Lampe
Mit forcierter Kühlung
Neutrale Umgebung
Mit Umhüllung
-
Bei einer weiteren Ausführungsform hat die Lampe im Betrieb eine
Leistungsaufnahme von 1000 W. In dieser Ausführungsform hat die Gasfüllung in dem
Raum 1 in dem Außenkolben 10 vorzugsweise einen Fülldruck unter 90 kPa. Auch bei
verwendung eines größeren Außenkolbens sind dann Spezialmaßnahmen zur
Vermeidung von Explosionsgefahr überflüssig. Bei einer praktischen Ausgestaltung hat der
eingeschlossene Raum eine Füllung aus Stickstoff mit einem Fülldruck von 80 kPa. Der
Mittenteil 22 des Entladungsgefäßes 20 hat eine Länge L von 10,8 cm und einen
Innendurchmesser von 1,09 cm. Das Volumen V des Mittenteils 22 ist daher 10,1 cm³. Das
Entladungsgefäß 20 ist mit einer Füllung von 10, 64 mg Quecksilber und 1,86 mg
Natrium versehen.
-
Daraus folgt:
-
Damit ist die Anforderung erfüllt, daß das Verhältnis zwischen 0,8 und 1,7 liegen soll.
Außerdem liegt das Verhältnis zwischen den bevorzugten Grenzen 0,9 und 1,4. Das
Gewichtsverhältnis von Quecksilber und Natrium liegt zwischen 0,05 und 0,025.
Insbesondere zwischen 0,10 und 0,20 und beträgt in diesem Fall etwa 0,17. Im Betrieb
verdampft 7,0 mg Quecksilber und 0,27 mg Natrium, so daß die Größenordnung des in
flüssiger Form zurückgebliebenen Quecksilbers 3,64 mg Quecksilber vergleichbar ist
mit der größenordnung der verdampften Menge. Von dem vorhandenen Natrium ist nur
ein geringfügiger Teil verdampft.
-
Die Lampe wurde einem Dauerversuch von 12.000 Stunden ausgesetzt.
Nach Ende dieses Versuches war eine Nitridschicht auf den Stromzuführungsleitern 40a,
40b gebildet, es waren aber keine Beschädigungen aufgetreten.
-
Weiterhin wurden nicht gesättigte Lampen mit einem mit Stickstoff
gefüllten Außenkolben 10 hergestellt. Der Fülldruck betrug 65 kPa. Die Lampen sind
mit einem Entladungsgefäß 20 mit einem Innendurchmesser von 0,685 cm versehen.
Der Mittenteil 22 derselben hat eine Länge L von 6,6 cm und ein Volumen V von 2,43
cm³. Die Elektroden 30a, 30b sind je mit Titanlot 41a, 41b am Ende 42a, 42b mit einer
Niobbüchse 43a, 43b befestigt. Das Entladungsgefäß 20 ist mit 2,7 mg Quecksilber und
0,034 mg Natrium versehen. Für die Quecksilberdosierung gilt, daß:
-
Das Gewichtsverhältnis von Quecksilber und Natrium in dem Amalgam beträgt:
-
Die Lampen hatten im Nennbetrieb eine Leistungsaufnahme von 400 W. Dabei war das
Quecksilber, sowie das Natrium völlig verdampft. Im Gegensatz zu den
erfindungsgemäßen
Lampen waren bei einigen Exemplaren dieser Lampen innerhalb von 3000
Stunden durch Angriff des Titanlotes 41a, 41b durch Stickstoff die Elektroden 30a, 30b
gegen das Entladungsgefäß 20 gekippt und gab es in dem Entladungsgefäß 20 Riße.