DE69807020T2 - Niederdruckquecksilberentladungslampe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, versehen mit einem röhrenförmigen Entladungsgefäß mit einer Röhrenachse, das einen Entladungsraum, der eine Füllung aus Quecksilber und einem oder mehreren Edelgasen enthält, gasdicht umschließt, wobei Stromzuführleiter von außerhalb des Entladungsgefäßes zu in dem Entladungsgefäß angeordneten Elektroden verlaufen, welche Elektroden je eine erste und eine zweite Befestigung haben, wobei zumindest eine der Elektroden von einem Schirm umgeben ist, der quer zur Richtung von der ersten zu der zweiten Befestigung und in einer Ebene quer zur Röhrenachse eine kleinste Breite W hat, welche Breite kleiner als ein Abstand D zwischen den genannten Befestigungen ist.
• Eine solche Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, im Weiteren auch als Lampe bezeichnet, ist aus US 4.891.551 bekannt. Bei einer im Handel erhältlichen Lampe dieser Art hat das Entladungsgefäß an jeder Seite eine Elektrode. Jede der Elektroden ist von einem Schirm umgeben, der eine kleinste Breite W von 7 mm und eine Länge L von 5 mm hat. Die Elektroden sind an ihren Stromzuführleitern befestigt, wobei der Abstand D zwischen der ersten und der zweiten Befestigung 10 mm ist. Solche Lampen können mit einer Speiseeinheit integriert werden, um eine Beleuchtungseinheit zu bilden, oder es ist auch möglich, dass sie mit einer Speiseeinheit lösbar gekoppelt sind. Eine Speiseeinheit, die die Lampe im kalten Zustand zündet, ist wegen ihrer Einfachheit attraktiv. Außerdem sendet die Lampe bei kalter Zündung unmittelbar Licht aus. Es zeigte sich jedoch, dass die Lampe bei kalter Zündung viel Quecksilber verbraucht. Dies ist insbesondere bei Anwendungen nachteilig, bei denen die Beleuchtungseinheit häufig eingeschaltet wird. Unter Quecksilberverbrauch soll hier die Erscheinung verstanden werden, dass während der Lebensdauer der Lampe Quecksilber aus dem Entladungsraum gebunden wird, sodass es nicht mehr für die Entladung zur Verfügung steht.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Niederdruck-Quecksilberentladungslampe der eingangs beschriebenen Art zu verschaffen, die bei kalter Zündung verhältnismäßig wenig Quecksilber verbraucht.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Niederdruck-Quecksilberentladungslampe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm in Richtung der Röhrenachse eine Länge L hat, die zwischen einmal und dreimal so groß wie die kleinste Breite W ist.
• Die Erfinder haben experimentell festgestellt, dass eine Länge L innerhalb des genannten Bereiches bei kalter Zündung zu einer erheblichen Abnahme im Quecksilberverbrauch führt. Dies ist umso überraschender, als sich gezeigt hat, dass die Länge L des Schirms bei Nennbetrieb keinen merklichen Einfluss hat. Eine mögliche Erklärung ist die folgende: Viele Metalle, beispielsweise Ca, Sr und Ba, deren Oxide in Emittermaterialien für Elektroden verwendet werden, sind imstande, mit Quecksilber Amalgame zu bilden. Es hat sich gezeigt, dass in der Praxis Reduktion dieser Oxide auf die jeweiligen Metalle stattfindet, beispielsweise während der Aktivierung der Elektroden. Zr, das häufig als Additiv in Emittermaterial verwendet wird, ist auch ein Amalgam bildendes Metall. An solche Metalle auf der Elektrode gebundenes Quecksilber wird während des Lampenbetriebs, wenn die Elektroden heiß sind, wieder freigesetzt. Insbesondere bei kalter Zündung der Lampe wird jedoch Elektrodenmaterial mit eventuellen Amalgam bildenden Metallen darin von den Elektroden weg gesprüht. Bei der erfindungsgemäßen Lampe wird bei in dem oben definierten Bereich liegender Schirmlänge viel von diesem Elektrodenmaterial von dem Schirm eingefangen. Andererseits wird dieser Schirm im Lampenbetrieb genügend heiß, um den größten Teil des an Elektrodenmaterial gebundenen Quecksilbers auch hier freizusetzen. Ein Schirm mit einer Länge, die größer als dreimal die kleinste Breite W ist, verliert infolge von Strahlung verhältnismäßig viel Wärme, sodass er eine zu niedrige Temperatur annimmt, was das Freisetzen von Quecksilber behindert. Wenn die Länge L kleiner ist als die kleinste Breite W, wird viel Elektrodenmaterial an der Wandung des Entladungsgefäßes enden. An dieser Stelle an Elektrodenmaterial gebundenes Quecksilber wird wegen der dort verhältnismäßig niedrigen Temperaturen nur in sehr begrenztem Maße freigesetzt.
• Eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Niederdruck- Quecksilberentladungslampe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis L/W des Schirms zwischen 1,2 und 2,5 liegt. Die Abnahme des Quecksilberverbrauchs ist für ein Verhältnis unter 1,2 verhältnismäßig begrenzt. Für ein Verhältnis oberhalb 2,5 wird keine nenneswerte weitere Abnahme des Quecksilberverbrauchs realisiert, während der Schirm das Entladungsgefäß örtlich abdunkelt.
• Um eine kompakte Konstruktion zu erhalten, ist der Umfang des Schirms vorzugsweise höchstens viermal so groß wie der Abstand D.
• Die günstigsten Ergebnisse werden mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe erhalten, bei der jede der Elektroden einen wie oben beschriebenen Schirm hat.
• Die Elektroden der erfindungsgemäßen Lampe brauchen bei kalter Zündung je nur einen einzigen Stromzuführleiter zu haben. Bei dieser Ausführungsform können die Elektroden eine erste Befestigung mit dem genannten Stromzuführleiter und eine zweite Befestigung mit einem in die Wandung des Entladungsgefäßes geschmolzenen Draht haben. Um den Betrieb mit einer heiß zündenden Speiseeinheit oder ein zusätzliches Aufheizen der Elektroden während des Betriebs zu ermöglichen, haben die Elektroden vorzugsweise je einen ersten und einen zweiten Stromzuführleiter, an denen sie je eine erste und zweite Befestigung haben. Die Elektroden können zwischen der ersten und der zweiten Befestigung zusätzliche Befestigungen haben.
• Im Fall einer heißt zündenden Speiseeinheit und/oder bei verhältnismäßig langen Betriebsdauern zwischen dem Einschalten und dem Ausschalten der Lampe hat sich gezeigt, dass andere Faktoren als die oben genannten einen vorherrschenden Einfluss auf den Quecksilberverbrauch haben. Um den Quecksilberverbrauch auch unter diesen Betriebsbedingungen zu verringern, ist eine günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Niederdruck-Quecksilberentladungslampe dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß an einer Innenfläche mit einer Schutzschicht versehen ist. Eine solche Schutzschicht, die beispielsweise aus einem Metalloxid wie Aluminiumoxid oder Siliciumoxid hergestellt ist, wirkt Reaktionen zwischen Quecksilber und der Wandung des Entladungsgefäßes entgegen. Sie trägt auch zur Stabilität des Lichtstroms während der Lampenlebensdauer bei. Die Endabschnitte des Entladungsgefäßes können auch mit einer Schutzschicht versehen sein.
• Das Entladungsgefäß kann eine Leuchtschicht zum Umwandeln von UV- Strahlung in sichtbare Strahlung haben, beispielsweise bei Lampen für allgemeine Beleuchtungszwecke oder zum Umwandeln von UV-Strahlung in UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge, beispielsweise bei Bräunungslampen. Eine Leuchtschicht kann auch fehlen, beispielsweise bei Lampen für Desinfektionszwecke.
• Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen Lampe sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Niederdruck-Quecksilberentladungslampe,
• Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und
• Fig. 3 den Prozentsatz an freiem Quecksilber (%Hg) als Funktion der Anzahl Einschaltvorgänge (N).
• Fig. 1 und 2 zeigen eine Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, hier für allgemeine Beleuchtungszwecke, die mit einem röhrenförmigen Entladungsgefäß 10 versehen ist, das eine Röhrenachse 11 hat. Das Entladungsgefäß 10 hat eine Länge von 120 mm und einen Innendurchmesser von 25 mm. Das Entladungsgefäß 10 umschließt gasdicht einen Entladungsraum 12, der eine Füllung aus 1 mg Quecksilber und einer Mischung aus Argon und Krypton (25/75 Vol-%) mit einem Fülldruck von 2 mbar hat. Stromzuführleiter 20a, 20a', 20b, 20b' verlaufen von außerhalb des Entladungsgefäßes 10 durch Endabschnitte 17a, 17b des Entladungsgefäßes zu einer ersten und einer zweiten in dem Entladungsraum angeordneten Elektrode 21a, 21b. Bei der dargestellten Ausführungsform haben die Elektroden 21a, 21b je einen ersten Stromzuführleiter 20a, 20b und einen zweiten Stromzuführleiter 20a', 20b', an denen sie jeweilige erste Befestigungen 22a, 22b und zweite Befestigungen 22a', 22b' haben. Die Elektroden 21a, 21b sind mit einem Emittermaterial überzogen, das Bariumoxid, Strontiumoxid und Calciumoxid umfasst. Die Elektroden 21a, 21b sind jeweils von einem Schirm 23a, 23b umgeben, hier aus Eisen hergestellt. Bei der dargestellten Lampe, im Weiteren mit "inv1" bezeichnet, haben die Schirme 23a, 23b quer zur Richtung von der jeweiligen ersten 22a, 22b zu der zweiten Befestigung 22a', 22b' und in einer Ebene quer zur Röhrenachse 11 eine kleinste Breite W von 7 mm. Die kleinste Breite W der Schirme 23a, 23b ist kleiner als der Abstand D zwischen den Befestigungen der Elektrode, der 10 mm beträgt. Die Schirme 23a, 23b haben einen Umfang von 36 mm, was weniger als viermal der Abstand zwischen den Befestigungen ist. Der Schirm 23a der ersten Elektrode 21a hat eine Länge L von 15 mm in Richtung der Röhrenachse 11, d. h. 2,14 mal die kleinste Breite W. Die Länge L liegt somit zwischen einmal und dreimal die kleinste Breite W. Insbesondere liegt das Verhältnis L/W zwischen 1,2 und 2,5. Die Länge L des Schirms 23b der zweiten Elektrode 21b ist 5 mm. Das Entladungsgefäß hat eine Schutzschicht 14 aus fein verteiltem Aluminiumoxid mit einem Bedeckungsgewicht von 55 ug/cm² an seiner Innenfläche. Die Aluminiumoxidteilchen der Schutzschicht haben einen Mittendurchmesser von ungefähr 0,013 um und eine spezifische Oberfläche von ungefähr 100 m²/g. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Schutzschicht 14 direkt auf der Innenfläche 13 des Entladungsgefäßes 10 aufgebracht. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Schutzschicht von einer Alkalimetalle abweisenden Schicht getragen, beispielsweise aus Siliciumoxid. Eine Alkalimetalle abweisende Schicht wirkt der Wanderung von Alkalimetallen, wie z. B. Natrium, von der Wandung des Entladungsgefäßes in den Entladungsraum entgegen, wo sie Amalgame mit Quecksilber bilden oder in anderer Weise zu Quecksilberverbrauch führen würden. Die Schutzschicht 14 trägt hier eine Leuchtschicht 16 mit einem Bedeckungsgewicht von 1,8 mg/cm², die aus einer Mischung aus grün leuchtendem, mit Terbium aktiviertem Cer-Magnesiumaluminat, blau leuchtendem, mit zweiwertigem Europium aktiviertem Barium-Magnesiumaluminat und rot leuchtendem, mit dreiwertigem Europium aktiviertem Yttriumoxid zusammengesetzt ist.
• Bei einer Dauerprüfung wurde der Quecksilberverbrauch für die erfindungsgemäße Lampe "inv1" wie oben beschrieben, für eine weitere erfindungsgemäße Lampe "inv2" und für eine nicht erfindungsgemäße Lampe "ref gemessen. Bei der Lampe inv2 haben beide Elektroden einen Schirm von 10 mm Länge. Die beiden Elektroden der Lampe ref haben einen Schirm von 5 mm Länge. Das Verhältnis L/W der Schirme der Lampen inv2 und ref ist daher 1,43 bzw. 0.71. Die Lampen inv2 und ref entsprechen in allen anderen als den genannten Punkten der Lampe inv1.
• Während der Dauerprüfung wurden die Lampen mittels einer Speiseeinheit, die im kalten Zustand zündet, bei hohen Frequenzen betrieben. Die Lampen wurden hierbei periodisch 15 min lang ein- und 5 min lang ausgeschaltet. Der Quecksilberverbrauch als Funktion der Anzahl Einschaltvorgänge wurde mit dem in EP 725 977 beschriebenen Verfahren festgestellt, wobei die Verlagerung von freiem Quecksilber bei Gleichstrombetrieb gemessen wurde. Der übrige Gewichtsprozentsatz an freiem Quecksilber (%Hg) als Funktion der Anzahl Kaltzündungsvorgänge (N) ist in Fig. 3 aufgetragen. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass das in dem Entladungsraum von Lampe ref vorhandene Quecksilber nach 3750 Einschaltvorgängen nahezu aufgebraucht ist. Zu diesem Zeitpunkt war noch ein wesentlicher Teil des Quecksilbers in den erfindungsgemäßen Lampen inv1 und inv2 frei zum Betrieb der Lampe.
• Es zeigte sich, dass die erfindungsgemäßen Lampen auch bei gedimmtem Betrieb, wobei der durch den Entladungsraum fließende Strom reduziert wird, im Vergleich zu nicht erfindungsgemäßen Lampen verhältnismäßig wenig Quecksilber verbrauchen. Der Quecksilberverbrauch von erfindungsgemäßen Lampen und nicht erfindungsgemäßen Lampen ist bei Nennbetrieb ungefähr gleich.

Claims (5)

1. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe, versehen mit einem röhrenförmigen Entladungsgefäß (10) mit einer Röhrenachse (11), das einen Entladungsraum, der eine Füllung aus Quecksilber und einem oder mehreren Edelgasen enthält, gasdicht (12) umschließt, wobei Stromzuführleiter (20a, 20a', 20b, 20b') von außerhalb des Entladungsgefäßes zu in dem Entladungsgefäß angeordneten Elektroden (21a, 21b) verlaufen, welche Elektroden je eine erste (22a, 22b) und eine zweite Befestigung (22a', 22b') haben, wobei zumindest eine der Elektroden (21a) von einem Schirm (23a) umgeben ist, der quer zur Richtung von der ersten zu der zweiten Befestigung und in einer Ebene quer zur Röhrenachse eine kleinste Breite W hat, welche Breite kleiner als ein Abstand D zwischen den genannten Befestigungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (23a) in Richtung der Röhrenachse eine Länge L hat, die zwischen einmal und dreimal so groß wie die kleinste Breite W ist.

2. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis L/W des Schirms (23a) zwischen 1,2 und 2,5 liegt.

3. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Schirms (23a) höchstens viermal so groß wie der Abstand D ist.

4. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektroden einen wie in dem betreffenden Anspruch definierten Schirm hat.

5. Niederdruck-Quecksilberentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (10) an einer Innenfläche (13) mit einer Schutzschicht (14) versehen ist.