EP0834905A2 - Natriumhochdrucklampe kleiner Leistung - Google Patents

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EP0834905A2
EP0834905A2 EP97115536A EP97115536A EP0834905A2 EP 0834905 A2 EP0834905 A2 EP 0834905A2 EP 97115536 A EP97115536 A EP 97115536A EP 97115536 A EP97115536 A EP 97115536A EP 0834905 A2 EP0834905 A2 EP 0834905A2
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EP
European Patent Office
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pressure
xenon
sodium
lamp
nab
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EP97115536A
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EP0834905A3 (de
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Wolfram Dr. Graser
Dieter Dr. Schmidt
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H01J61/34—Double-wall vessels or containers

Definitions

  • the invention is based on a high pressure sodium discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • lamps of this type have a circular cylindrical discharge vessel Made of aluminum oxide, which is housed in a translucent outer bulb is.
  • p NaB sodium operating pressure
  • p Xe (hot) ⁇ 800 mb
  • p NaB / p Xe (hot) ⁇ 1/20 Taking into account the usual factor 8 (see DE-AS 28 14 882, column 2, middle) for the conversion between xenon operating pressure and xenon cold filling pressure p XeK, this results in a pressure ratio p XeK / p NaB ⁇ 2.5.
  • the aim is to operate a high-pressure sodium lamp without a ballast.
  • a long disintegration time of the plasma formed from the filling gas is necessary for this operating mode.
  • a relatively high xenon pressure and a relatively large inside diameter of the discharge vessel are used (see also the relevant monograph by D G / V V on pages 126 and 154).
  • D G / V V , P. 155 the self-stabilizing operation of high pressure sodium lamps has not found any practical application due to problems with the ignition and sudden changes in the mains voltage.
  • the high pressure sodium discharge lamp described by way of example in DE-PS 26 00 351 has a high output of 400 W and a very large inner diameter of 7.6 mm.
  • the xenon cold filling pressure is 260 mb and the pressure ratio p XeK / p NaB is around 3.5.
  • a rather moderate light output of only 110 lm / W is achieved with the high output of 400 W.
  • a particularly high luminous efficacy compared to other high-pressure sodium lamps is neither aimed for nor achieved.
  • Fig. 10.18 from D G / V V (P. 299) a luminous efficacy of up to 138 lm / W can be achieved at 400 W power. This principle dependency of the luminous efficacy on the lamp power is shown here again as Fig. 3 for comparison purposes (see below).
  • DE-AS 28 14 882 describes a mercury-free high-pressure sodium lamp without self-stabilization.
  • This value for the pressure ratio p XeK / p NaB agrees well with that described in DE-PS 26 00 351.
  • DE-AS 28 14 882 columnumn 3, line 41f
  • a further increase in the xenon pressure above this upper limit is discouraged, since the disadvantage of the more difficult ignition results, without this being offset by an increase in luminous efficacy ".
  • p NaB 230 mb
  • the xenon cold filling pressure is approximately 500 mb. This corresponds to a pressure ratio p XeK / p NaB of approximately 2 to 2.5 This results in a luminous efficacy of 97 or 105 lm / W at a power of 70 or 100 W.
  • the sodium high-pressure discharge lamp of low power has a discharge vessel which contains at least sodium and xenon. Under low power, lamp power in particular becomes smaller understood 100 W.
  • P NaB is the operating filling pressure of the sodium and p XeK is the cold filling pressure of the xenon.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB is advantageously between 10 and 30.
  • mercury can fill the lamp be added.
  • the xenon pressure exceeds that of previously known high-pressure sodium discharge lamps with high xenon pressure (for example the NAV SUPER lamps from OSRAM) usual values by three to ten times.
  • high xenon pressure for example the NAV SUPER lamps from OSRAM
  • the surprising behavior of the lamps according to the invention is based on the targeted exploitation of a situation which has not previously been considered by experts. It is known that the luminous efficacy of high-pressure sodium lamps decreases significantly towards low lamp outputs (D. G / V V , P. 299; see below Fig. 3). However, the explanation given there that this law is responsible for the fact that the efficiency of the radiation is lower when the lamp power is low and the electrode losses are greater than when the lamp power is higher is incorrect. Rather, the main reason is that the relative proportion of the heat loss in the discharge arc to the lamp power increases with decreasing lamp power. This heat loss can, however, be reduced by the low thermal conductivity of xenon when it is used as a buffer gas at a sufficiently high pressure.
  • This effect has a more favorable effect on the luminous efficacy the smaller the lamp power.
  • the pressure ratio between xenon and sodium is of crucial importance, because unlike xenon, sodium has a high thermal conductivity. The higher the xenon pressure compared to the sodium pressure, the better the heat losses can be contained. Ultimately, this leads to the observed additional increase in luminous efficacy at low power levels.
  • the lamps described here are in contrast to DE-PS 26 00 351 for self-stabilizing operation is neither intended nor suitable. It is the xenon operating pressure of 8 to 24 bar achieved according to the invention is also significant higher than the typical value of 1.8 bar given there.
  • the heating of the discharge vessel described in DE-PS 26 00 351, which is there is necessary to start (alternatively a conventional ballast can be used are not required in the discharge vessel according to the invention.
  • the discharge vessel according to the invention preferably has one Appendix (initially open niobium tube), through the in a known manner Xenon can be filled with high pressure after the filling process is closed.
  • Luminous efficacy is similar in the case of lamps with and without added mercury.
  • a typical lamp fill with added mercury uses an amalgam with 18% by weight Na.
  • the inside diameter of the discharge vessel is preferably between 2.5 and 5 mm, in particular at most 4 mm. With these dimensions self-stabilization excluded from the outset. For comparison: the in DE-PS 26 00 351 inner diameters are by a whole power of ten greater.
  • the discharge vessel is circular-cylindrical, but it can also have a different geometry, for example in be bulged in the middle.
  • the high-pressure sodium discharge lamps advantageously also have a capacitive ignition aid, e.g. a wire along the discharge vessel.
  • a capacitive ignition aid e.g. a wire along the discharge vessel.
  • the lamps according to the invention require however no preheating.
  • the discharge vessels described here are preferably circular cylindrical or elliptical outer bulb used.
  • the high-pressure sodium discharge lamp shown in FIG. 1 with one power of 50 W has a discharge vessel 1 made of aluminum oxide. It is in one cylindrical outer bulb 2 made of tempered glass, which at its first End with a screw base 3 and at its second end with one Dome 9 is complete. The outer bulb 2 is evacuated.
  • the second electrode 4 is also via a niobium bushing 5 (however without appendix) connected to a metal wire 15. This is about one another conductor 16 connected to a second contact in the base 3.
  • the discharge vessel is equipped with a capacitive ignition aid that is formed by an ignition wire 17 along the discharge vessel.
  • a capacitive ignition aid that is formed by an ignition wire 17 along the discharge vessel.
  • Ignition wire 17 is electrically conductively connected to the second electrode 4.
  • the lamp is on, for example, via an ignition circuit in the lamp base an AC voltage network with 220 V is connected.
  • the ignition voltage is 4 kV.
  • the discharge vessel 2 contains a filling which only comprises sodium and xenon.
  • the cold filling pressure of the xenon (p XeK ) is 3 bar
  • This lamp achieves a luminous flux of 5100 lm and a luminous efficacy of 102 lm / W (see Figure 2, triangular full measuring point # 1 at 3000 mb Xenon cold filling pressure).
  • previous 50 W lamps have a xenon cold filling pressure of 300 mb (type SUPER) only one Luminous flux of 4200 lm achieved corresponding to a luminous efficacy of 81 lm / W (see Figure 2, triangular outlined measuring point).
  • 2 is also still the luminous efficacy for other lamps with the usual low xenon pressure of at most 100 mb (standard type). It is 30 mb about 70 lm / W (see Figure 2, triangular outlined measuring point).
  • Fig. 3 the dependence of the luminous efficacy on the lamp power is schematic based on D G / V V shown.
  • the value achieved with the above exemplary embodiment (102 lm / W at 50 W lamp power) is entered as a diamond-shaped measuring point. It is well above the state of the art.
  • an identical lamp is operated only with 1 bar xenon pressure and 50 mb sodium pressure.
  • p XeK / p NaB 20 .
  • the luminous efficacy of 95 lm / W (see Fig. 2, triangular full measuring point # 2 at 1000 mb cold xenon filling pressure) is still significantly higher than in the previously known lamps. Because of the lower xenon pressure, the ignition is facilitated compared to the first embodiment.
  • the ignition voltage is 3 kV.
  • the identical 50 W lamp is additionally filled with mercury.
  • An amalgam with 18% by weight sodium, the rest mercury, is used for this.
  • the corresponding light yields are those containing mercury Sodium lamps with lower xenon cold filling pressure (types SUPER and standard) also specified (circular outlined measuring points at 30 to 300 mb in Fig. 2).
  • a substantially similar lamp is operated with a power of 63 W.
  • the filling contains 1 bar xenon and 50 mb sodium, but no mercury.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB 20 .
  • the luminous efficacy is 98 lm / W.
  • This lamp is a direct replacement for High-pressure mercury lamps with 125 W power thought the same Have luminous flux. It has a power reduction circuit (Leading edge control) and an ignition circuit in the lamp base.
  • a discharge vessel with an inner diameter of 3.3 mm and an electrode spacing of 23 mm is filled only with sodium and xenon.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB 22.2 .
  • the luminous efficacy is 98 lm / W (see FIG. 3, diamond-shaped measuring point # 6) and is therefore much higher than lamps of this power had previously been expected.
  • a discharge vessel with an inner diameter of 3.3 mm and an electrode spacing of 36 mm is filled with sodium / mercury amalgam (see above) and xenon.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB 26.7 .
  • the luminous efficacy is 115 lm / W (see Fig. 3, diamond-shaped measuring point # 7) and is therefore also significantly higher than was previously expected with lamps of this power.
  • a discharge vessel with an inner diameter of 3.7 mm and an electrode spacing of 37 mm is filled with sodium / mercury and xenon.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB 17.6 .
  • the luminous efficacy is 108 lm / W.

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Abstract

Die hier beschriebene Natriumhochdruckentladungslampe mit kleiner Leistung zeichnet sich durch einen sehr hohen Xenonkaltfülldruck von mindestens 1 bar aus. Das Druckverhältnis zum Natriumbetriebsdruck liegt zwischen 10 und 30. Damit lassen sich bei einer Lampenleistung von 50 bis 100 W Lichtausbeuten von etwa 100 lm/W und mehr erzielen. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Natriumhochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es handelt sich dabei insbesondere um Natriumhochdruckentladungslampen mit einer Leistung von höchstens 100 W und sehr hohem Xenondruck. Üblicherweise haben derartige Lampen ein kreiszylindrisches Entladungsgefäß aus Aluminiumoxid, das in einem durchscheinenden Außenkolben untergebracht ist.
Stand der Technik
Die Grundzüge des Baus von Natriumhochdruckentladungslampen sind bereits lange bekannt. Ebenso ist es bereits seit langem bekannt, zur Erhöhung der Lichtausbeute bei diesen Lampen Xenon mit relativ hohem Druck zu verwenden. Beispielsweise ist in der einschlägigen Monographie
Figure 00010001
The High-Pressure Sodium Lamp" von D
Figure 00010003
G
Figure 00010002
Figure 00010008
Figure 00010004
/V
Figure 00010009
Figure 00010005
V
Figure 00010006
Figure 00010007
(Philips Technical Library, Deventer, 1986) auf Seite 299 und 300 ausgeführt, daß eine Erhöhung der Lichtausbeute um 10 bis 15 % erzielt werden kann, wenn - bei sog. SUPER-Lampen - ein Kaltfülldruck des Xenons von 20 bis 40 kPa (200 bis 400 mb) statt des standardmäßig üblichen Fülldrucks von ca. 30 mb verwendet wird.
Gleichzeitig wird dort auf Seite 299 darauf hingewiesen, daß die Lichtausbeute bei Natriumhochdruckentladungslampen mit fallender Lampenleistung stark abnimmt. Auch bei erhöhtem Xenondruck beträgt sie für 50 W Lampenleistung höchstens 85 lm/W, während bei etwa 400 W Lampenleistung eine Lichtausbeute von ca. 138 lm/W erreicht werden kann.
In der DE-PS 26 00 351 wird eine speziell für den sog. selbststabilisierenden Betrieb geeignete Hg-freie Natriumhochdrucklampe beschrieben mit einem Natriumbetriebsdruck pNaB = 4 bis 93 mb, einem Xenonbetriebsdruck pXe(heiß) ≥ 800 mb und ein Druckverhältnis pNaB / pXe(heiß) ≤ 1/20. Unter Berücksichtigung des üblichen Faktors 8 (siehe DE-AS 28 14 882, Sp. 2, Mitte) für die Umrechnung zwischen Xenonbetriebsdruck und Xenonkaltfülldruck pXeK ergibt sich damit ein Druckverhältnis pXeK / pNaB ≥ 2,5. Beim selbststabilisierenden Betrieb wird angestrebt, eine Natriumhochdrucklampe ohne Vorschaltgerät zu betreiben. Für diesen Betriebsmodus ist eine lange Zerfallszeit des aus dem Füllgas gebildeten Plasmas notwendig. Um diese lange Zerfallszeit zu erreichen, wird, wie an sich bekannt, ein relativ hoher Xenondruck sowie ein relativ großer Innendurchmesser des Entladungsgefäßes verwendet (siehe auch die oben erwähnte einschlägige Monographie von D G /V V auf Seite 126 und 154). Nach D G /V V , S. 155, hat der selbststabilisierende Betrieb von Natriumhochdrucklampen wegen Problemen bei der Zündung und bei plötzlichen Veränderungen der Netzspannung keine praktische Anwendung gefunden.
Die in DE-PS 26 00 351 exemplarisch beschriebene Natriumhochdruckentladungslampe besitzt eine hohe Leistung von 400 W und einen sehr großen Innendurchmesser von 7,6 mm. Der Xenonkaltfülldruck beträgt 260 mb und das Druckverhältnis pXeK / pNaB liegt bei etwa 3,5. Damit wird eine bei der hohen Leistung von 400 W eher mäßige Lichtausbeute von lediglich 110 lm/W erzielt. In dieser Schrift wird eine besonders hohe Lichtausbeute im Vergleich zu anderen Natriumhochdrucklampen weder angestrebt noch erzielt. Nach Fig. 10.18 von D G /V V (S. 299) sind bei 400 W Leistung vielmehr Lichtausbeuten bis zu 138 lm/W erreichbar. Diese prinzipielle Abhängigkeit der Lichtausbeute von der Lampenleistung ist zu Vergleichszwecken hier nochmals als Fig. 3 dargestellt (s.u.).
In der DE-AS 28 14 882 wird eine Hg-freie Natriumhochdrucklampe ohne Selbststabilisierung beschrieben. Dabei wird, bezogen auf den Natriumbetriebsdruck, für den Xenonkaltfülldruck pXeK ein Wert zwischen 1.25 < pXeK / pNaB < 6 mit pNaB = 150 bis 500 mb empfohlen (pNaB = Natriumbetriebsdruck). Dieser Wert für das Druckverhältnis pXeK / pNaB stimmt im übrigen wieder gut mit dem in DE-PS 26 00 351 beschriebenen überein. Es wird aber in DE-AS 28 14 882 (Sp. 3, Z. 41f) von einer weiteren Erhöhung des Xenon-Drucks über diese obere Grenze abgeraten, da sich der Nachteil der erschwerten Zündung ergibt, ohne daß dem ein Zuwachs an Lichtausbeute gegenübersteht". Bei den Ausführungsbeispielen mit kleiner Lampenleistung von 70 und 100 W ist pNaB = 230 mb, der Xenonkaltfülldruck liegt bei ca. 500 mb. Dies entspricht einem Druckverhältnis pXeK / pNaB von etwa 2 bis 2,5. Damit wird eine Lichtausbeute von 97 bzw. 105 lm/W bei 70 bzw. 100 W Leistung erzielt. Diese Werte sind zum Vergleich als Kreuze in Fig. 3 (s.u.) eingetragen.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Natriumhochdruckentladungslampe kleiner Leistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine hohe Lichtausbeute besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Natriumhochdruckentladungslampe kleiner Leistung weist ein Entladungsgefäß auf, das zumindest Natrium und Xenon enthält. Unter kleiner Leistung wird dabei insbesondere eine Lampenleistung kleiner gleich 100 W verstanden.
Dabei ist pNaB der Betriebsfülldruck des Natriums und pXeK der Kaltfülldruck des Xenons. Überraschenderweise läßt sich bei kleinen Leistungen entgegen der bisherigen Lehrmeinung eine weitere Erhöhung der Lichtausbeute um typisch 20 % erzielen, wenn pNaB = 20 bis 100 mb sowie pXeK = 1 bis 5 bar gewählt wird und wenn außerdem gleichzeitig die Bedingung pXeK / pNaB ≥ 10 eingehalten wird. Vorteilhaft liegt das Druckverhältnis pXeK / pNaB zwischen 10 und 30.
Zur Erhöhung der Brennspannung kann Quecksilber der Lampenfüllung hinzugefügt sein.
Der Xenon-Druck übersteigt die bei bisher bekannten Natriumhochdruckentladungslampen mit hohem Xenondruck (beispielsweise die NAV SUPER-Lampen der Fa. OSRAM) üblichen Werte um das Drei- bis Zehnfache. Dabei ergibt sich gegenüber diesen NAV-SUPER-Lampen eine typisch um 20 % gesteigerte Lichtausbeute.
Die bereits erwähnte vorbekannte Erhöhung der Lichtausbeute von Natriumhochdrucklampen bei Erhöhung des Xenondrucks (siehe D G /V V , S. 153 und S. 299-300) wird in sog. NAV SUPER-Lampen kommerziell genutzt. Die mit der vorliegenden Erfindung erzielte Lichtausbeute-Erhöhung bei einer weiteren Steigerung des Xenon-Drucks gegenüber den Werten in NAV-SUPER-Lampen ist jedoch unerwartet hoch und war in diesem Ausmaß nicht bekannt. So wird z.B. in D G /V V , S. 300, eine um 10 bis 15 % gegenüber sog. Standardlampen (mit 30 mb Xenonkaltfülldruck) erhöhte Lichtausbeute bei Steigerung des Xenon-Fülldrucks (kalt) auf 200 bis 400 mb beschrieben. Eine weitere Druckerhöhung wird dort wegen der erschwerten Zündung ausgeschlossen.
Das überraschende Verhalten der erfindungsgemäßen Lampen basiert auf der gezielten Ausnutzung eines bisher von der Fachwelt nicht berücksichtigten Sachverhalts. Es ist zwar bekannt, daß die Lichtausbeute von Natriumhochdrucklampen zu kleinen Lampenleistungen hin deutlich abnimmt (D G /V V , S. 299; siehe unten Fig. 3). Die dort gegebene Erklärung, daß für diese Gesetzmäßigkeit der Umstand verantwortlich ist, daß bei kleiner Lampenleistung die Effizienz der Strahlung geringer ist und die Elektrodenverluste größer sind als bei größerer Lampenleistung, ist jedoch nicht richtig. Der hauptsächliche Grund ist vielmehr, daß der relative Anteil des Wärmeverlusts im Entladungsbogen an der Lampenleistung mit abnehmender Lampenleistung größer wird. Dieser Wärmeverlust läßt sich aber durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Xenon, wenn es mit genügend hohem Druck als Puffergas verwendet wird, reduzieren. Dieser Effekt wirkt sich um so günstiger auf die Lichtausbeute aus, je kleiner die Lampenleistung ist. Entscheidende Bedeutung kommt dabei dem Druckverhältnis zwischen Xenon und Natrium zu, weil Natrium im Gegensatz zu Xenon eine hohen Wärmeleitfähigkeit besitzt. Je höher der Xenondruck gegenüber dem Natriumdruck ist, desto besser können die Wärmeverluste eingedämmt werden. Dies führt im Endeffekt zu der beobachteten zusätzlichen Erhöhung der Lichtausbeute bei kleinen Leistungen.
Der sehr hohe Xenon-Druck von mindestens 1 bar (kalt) hat neben der Erhöhung der Lichtausbeute noch weitere Vorteile:
  • 1. Durch die geringeren Wärmeverluste kann eine niedrigere Wandtemperatur des Entladungsgefäßes erreicht werden. Dies kann beispielsweise zu einer Verlängerung der Lebensdauer ausgenutzt werden. Alternativ kann das Entladungsgefäß verkleinert werden, so daß die ursprünglich vorhandene Wandtemperatur wieder erreicht wird. Durch die höhere Leistungsdichte erhöht sich dabei die Lichtausbeute noch weiter.
  • 2. Der hohe Xenondruck behindert die Diffusion. Dies mindert die Abdampfung von Elektrodenbestandteilen während des Zündvorgangs und reduziert die daraus folgende Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes im Bereich der Elektroden. Dieser Effekt ist qualitativ von NAV SUPER-Lampen her bekannt. Bei sehr hohem Xenon-Druck ist er noch stärker ausgeprägt, wodurch die Lebensdauer weiter vergrößert wird.
  • 3. Bei den erfindungsgemäßen Lampen liefert Xenon wegen seines sehr hohen Drucks einen erheblichen Beitrag zur Brennspannung. Dieser Beitrag ist unabhängig von der Temperatur des Entladungsgefäßes, da das Xenon im Gegensatz zu Natrium auch bei Zimmertemperatur gasförmig vorliegt. Dies wirkt stabilisierend gegenüber Schwankungen der Netzspannung oder Fertigungsstreuungen. Im Gegensatz dazu ist bei allen vorbekannten Lampen (beispielsweise gemäß DE-AS 28 14 882) der Beitrag der Xenon-Atome zur Brennspannung unerheblich. Die Brennspannung wird dort fast allein durch die Anzahl der Natrium-Atome bestimmt, die stark von der Temperatur des kältesten Punktes (cold spot) und damit von Schwankungen der Netzspannung oder Fertigungsstreuungen beeinflußt wird. Im Falle eines Quecksilberzusatzes wirkt auch dieser bei der Einstellung der Brennspannung mit.
  • 4. Durch den sehr hohen Xenondruck ergibt sich eine besonders niedrige Wiederzündspitze im Betrieb der Lampe. Dies verlängert die Lebensdauer wegen der geringeren Belastung der Elektroden und gibt größere Sicherheit vor Verlöschen bei plötzlichen Netzspannungsschwankungen.
  • 5. Xenon bewirkt im Natriumspektrum eine Verbreiterung des Kuppenabstands im spektralen Profil der druckverbreiterten, in ihrer Mitte selbstabsorbierten Natrium-Resonanzlinie (D-Linie). Dieser Effekt ist im Prinzip bekannt (siehe D G /V V , insbes. S. 16a, Plate 1c). Dadurch kann der Natriumdruck bei gleicher Farbtemperatur und Farbwiedergabe erniedrigt werden. Dieser Effekt wirkt sich bei sehr hohem Xenon-Druck von mindestens 1 bar (kalt) durchgreifend aus. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Natriumdruck im Verhältnis zum Xenondruck besonders bevorzugt so niedrig eingestellt, daß sich ein Kuppenabstand der beiden Flügel der Resonanzlinie von typisch 10 nm, höchstens 12 nm, ergibt. Dabei ist eine wesentliche Voraussetzung, daß das Verhältnis pXeK /pNaB ≥ 10 und pNaB = 20 bis 100 mb gewählt wird. Es hat sich herausgestellt, daß unter diesen Bedingungen optimale Lichtausbeuten entstehen. Dagegen liegt bei den in DE-AS 28 14 882 angegebenen Verhältnissen ein Kuppenabstand der beiden Flügel der Natrium-D-Linie von mindestens 15 bis 20 nm vor, da pNaB dort relativ hoch ist (s.o.). Dies läßt sich mit Hilfe der in D G /V V , S. 87, angegebenen Gleichung (3.28) abschätzen.
    • Aus den Punkten 3 und 5 ergibt sich eine zusätzliche Rechtfertigung für die Wahl des für die vorliegende Erfindung typischen geringen Betriebsdrucks des Natriumdampfes von 20 bis 100 mb. Dieser niedrige Natriumdruck hat seinerseits mehrere Vorteile:
  • 1. Bei einem Natriumdampfdruck von 20 bis 100 mb beträgt die Temperatur des Entladungsgefäßes an der kältesten Stelle (cold spot) nur 840 bis 950 K. Diese kälteste Stelle liegt immer in der Nähe der Einschmelzung. Daher ist die Einschmelzung jetzt typisch um 150 K kälter als bei vorbekannten Lampen (siehe DE-AS 28 14 882), woraus eine Verringerung der Lampenausfälle durch Lecks im Bereich der Einschmelzung folgt.
  • 2. Die durch Natrium bedingte Korrosion der Wand des Entladungsgefäßes, die bevorzugt in der Mitte des Gefäßes auftritt, wird wegen des niedrigen Natriumpartialdrucks verringert. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Verbesserung der Lebensdauer.
    • Dem in DE-AS 28 14 882 erwähnten Nachteil der erschwerten Zündbarkeit kann gerade bei kleinen Lampenleistungen (≤ 100 W) durch die Verwendung von verbesserten, handelsüblichen Sockeln, Fassungen und Zündgeräten wirksam begegnet werden, solange der Xenondruck nicht zu hoch (über 5 bar) gewählt wird. Vorteilhaft wird der Xenondruck auf Werte bis zu 3 bar begrenzt. Diese verbesserten Teile werden bereits bei handelsüblichen Metallhalogenidlampen der Fa. OSRAM (z.B. HQI-E 100 W/NDL und WDL) eingesetzt. Eine Zündung an herkömmlichen Zündgeräten für NAV-Lampen kleiner Leistung ist dagegen bei erfindungsgemäßen Lampen nicht möglich.
    Die hier beschriebenen Lampen sind im Gegensatz zu DE-PS 26 00 351 für selbststabilisierenden Betrieb weder beabsichtigt noch geeignet. Dabei ist auch der erfindungsgemäß erzielte Xenon-Betriebsdruck mit 8 bis 24 bar wesentlich höher als der dort angegebene typische Wert von 1,8 bar.
    Das in DE-PS 26 00 351 beschriebene Heizen des Entladungsgefäßes, das dort zum Start nötig ist (alternativ kann ein konventionelles Vorschaltgerät verwendet werden), ist beim erfindungsgemäßen Entladungsgefäß nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Entladungsgefäß besitzt bevorzugt einen Appendix (anfangs offenes Niobrohr), durch den in an sich bekannter Weise Xenon mit hohem Druck gefüllt werden kann und der nach dem Füllvorgang verschlossen wird.
    Die erfindungsgemäßen Lampen können insbesondere neben Natrium und Xenon zusätzlich Quecksilber in der Füllung enthalten. Die Erhöhung der Lichtausbeute ist bei Lampen mit und ohne Quecksilberzusatz ähnlich groß.
    Eine typische Lampenfüllung mit Quecksilberzusatz verwendet ein Amalgam mit 18 Gew.-% Na.
    Bevorzugt beträgt der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes zwischen 2,5 und 5 mm, insbesondere höchstens 4 mm. Bei diesen Abmessungen ist eine Selbststabilisierung von vornherein ausgeschlossen. Zum Vergleich: die in DE-PS 26 00 351 angegebenen Innendurchmesser sind um eine ganze Zehnerpotenz größer. Im allgemeinen ist zwar das Entladungsgefäß kreiszylindrisch, es kann aber auch eine andere Geometrie besitzen, beispielsweise in der Mitte ausgebaucht sein.
    Vorteilhaft weisen die Natriumhochdruckentladungslampen zusätzlich eine kapazitive Zündhilfe auf, z.B. ein Draht entlang des Entladungsgefäßes. Im Gegensatz zu DE-PS 26 00 351 benötigen die erfindungsgemäßen Lampen jedoch keine Vorheizung.
    Diese Lampen haben häufig einen Niobrohr-Appendix, wie er beispielsweise in D G /V V auf Seite 251, Fig. 8.30, beschrieben ist.
    Der Betrieb derartiger Lampen ist an einem konventionellen oder häufig auch an einem elektronischen Vorschaltgerät möglich.
    Die hier beschriebenen Entladungsgefäße werden bevorzugt in kreiszylindrischen oder elliptischen Außenkolben eingesetzt.
    Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
    Figur 1
    eine Natriumhochdruckentladungslampe
    Figur 2
    einen Vergleich der Lichtausbeute verschiedener Natriumhochdrucklampen (mit jeweils einer Leistung von 50 W) mit unterschiedlichem Xenondruck (mit und ohne Hg)
    Figur 3
    einen Vergleich der Lichtausbeute verschiedener Natriumhochdrucklampen für unterschiedliche Lampenleistungen und unterschiedlichem Xenondruck
    Beschreibung der Zeichnungen
    Die in Fig. 1 gezeigte Natriumhochdruckentladungslampe mit einer Leistung von 50 W besitzt ein Entladungsgefäß 1 aus Aluminiumoxid. Es ist in einem zylindrischen Außenkolben 2 aus Hartglas angeordnet, der an seinem ersten Ende mit einem Schraubsockel 3 und an seinem zweiten Ende mit einer Kuppe 9 abgeschlossen ist. Der Außenkolben 2 ist evakuiert.
    Im Entladungsgefäß 1 mit einem Innendurchmesser von 3,3 mm stehen sich zwei Elektroden 4 gegenüber, die einen Elektrodenabstand EA von 30 mm aufweisen. Die sockelferne erste Elektrode 4 ist über eine rohrförmige Niob-Durchführung 5 mit Appendix 6 mit einer Zuleitung 7 verbunden, die an eine massive äußere Stromzuführung 8 angeschlossen ist, die entlang des Entladungsgefäßes zu einem Kontakt im Schraubsockel 3 führt.
    Die zweite Elektrode 4 ist ebenfalls über eine Niob-Durchführung 5 (jedoch ohne Appendix) mit einem Metalldraht 15 verbunden. Dieser ist über einen weiteren Leiter 16 an einen zweiten Kontakt im Sockel 3 angeschlossen.
    Das Entladungsgefäß ist mit einer kapazitiven Zündhilfe ausgestattet, die durch einen Zünddraht 17 entlang des Entladungsgefäßes gebildet wird. Der Zünddraht 17 ist mit der zweiten Elektrode 4 elektrisch leitend verbunden.
    Die Lampe ist beispielsweise über eine Zündschaltung im Lampensockel an ein Wechselspannungsnetz mit 220 V angeschlossen. Die Zündspannung ist 4 kV.
    Das Entladungsgefäß 2 enthält eine Füllung, die nur Natrium und Xenon umfaßt. Der Kaltfülldruck des Xenons (pXeK ) beträgt 3 bar, der Betriebsfülldruck des Natriums (pNaB) ist 100 mb, so daß pXeK / pNaB = 30.
    Diese Lampe erreicht einen Lichtstrom von 5100 lm und eine Lichtausbeute von 102 lm/W (siehe Figur 2, dreieckiger voller Meßpunkt #1 bei 3000 mb Xenonkaltfülldruck). Im Vergleich dazu haben bisherige 50 W-Lampen mit einem Xenonkaltfülldruck von 300 mb (Typ SUPER) lediglich einen Lichtstrom von 4200 lm entsprechend einer Lichtausbeute von 81 lm/W erzielt (siehe Figur 2, dreieckiger umrissener Meßpunkt). In Fig. 2 ist auch noch die Lichtausbeute für weitere Lampen mit dem üblichen niedrigen Xenondruck von höchstens 100 mb (Typ Standard) angegeben. Sie beträgt bei 30 mb etwa 70 lm/W (siehe Figur 2, dreieckiger umrissener Meßpunkt).
    In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Lichtausbeute von der Lampenleistung schematisch in Anlehnung an D G /V V dargestellt. Der mit obigem Ausführungsbeispiel erzielte Wert (102 lm/W bei 50 W Lampenleistung) ist als rautenförmiger Meßpunkt eingetragen. Er liegt deutlich über dem Stand der Technik.
    In einem
    Figure 00110002
    Figure 00110001
    Ausführungsbeispiel wird eine baugleiche Lampe lediglich mit 1 bar Xenondruck und 50 mb Natriumdruck betrieben. Hier ist das Verhältnis pXeK / pNaB = 20. Die Lichtausbeute ist mit 95 lm/W (siehe Fig. 2, dreieckiger voller Meßpunkt #2 bei 1000 mb Xenonkaltfülldruck) immer noch deutlich höher als bei den vorbekannten Lampen. Wegen des niedrigeren Xenondrucks ist die Zündung gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erleichtert. Die Zündspannung liegt bei 3 kV.
    Diese beiden Lampen sind besonders für Neuanlagen mit stärkerem Zündgerät geeignet.
    In einem
    Figure 00110003
    Ausführungsbeispiel ist die baugleiche 50 W-Lampe zusätzlich mit Quecksilber gefüllt. Hierzu wird ein Amalgam mit 18 Gew.-% Natrium, Rest Quecksilber, verwendet. Diese Lampe zeigt eine Lichtausbeute von 105 lm/W (kreisförmiger voller Meßpunkt #3 in Fig. 2) bei 2 bar Xenonkaltfülldruck, 80 mb Natriumbetriebsdruck und einem Druckverhältnis pXeK / pNaB = 25,0.
    Entsprechend zeigt ein
    Figure 00120001
    Figure 00120002
    Ausführungsbeispiel (50 W) mit 1 bar Xenonkaltfülldruck bei gleichem Na/Hg-Verhältnis eine Lichtausbeute von 93 lm/W (kreisförmiger voller Meßpunkt #4 in Fig. 2).
    Zum Vergleich sind die entsprechenden Lichtausbeuten von quecksilberhaltigen Natriumlampen mit niedrigerem Xenonkaltfülldruck (Typen SUPER und Standard) ebenfalls angegeben (kreisförmige umrissene Meßpunkte bei 30 bis 300 mb in Fig. 2).
    In einem
    Figure 00120003
    Figure 00120004
    Ausführungsbeispiel wird eine im wesentlichen ähnliche Lampe mit 63 W Leistung betrieben. Die Füllung enthält 1 bar Xenon und 50 mb Natrium, aber kein Quecksilber. Das Druckverhältnis pXeK / pNaB = 20.
    Die Lichtausbeute beträgt 98 lm/W. Diese Lampe ist als direkter Ersatz für Quecksilberhochdrucklampen mit 125 W Leistung gedacht, die den gleichen Lichtstrom haben. Sie hat eine Leistungsreduktionsschaltung (Phasenanschnittsteuerung) und eine Zündschaltung im Lampensockel.
    In einem
    Figure 00120005
    Figure 00120006
    Ausführungsbeispiel einer 35 W-Lampe wird ein Entladungsgefäß mit einem Innendurchmesser von 3,3 mm und einem Elektrodenabstand von 23 mm nur mit Natrium und Xenon gefüllt. Der Xenonkaltfülldruck beträgt pXeK = 2 bar, der Natriumbetriebsdruck ist pNaB = 90 mb.
    Dementsprechend ist das Druckverhältnis pXeK / pNaB = 22,2. Die Lichtausbeute ist 98 lm/W (siehe Fig. 3, rautenförmiger Meßpunkt #6) und liegt damit wesentlich höher als Lampen dieser Leistung bisher zu erwarten war.
    In einem
    Figure 00120007
    Ausführungsbeispiel einer 70 W-Lampe wird ein Entladungsgefäß mit einem Innendurchmesser von 3,3 mm und einem Elektrodenabstand von 36 mm mit Natrium/Quecksilber-Amalgam (s.o.) und Xenon gefüllt. Der Xenonkaltfülldruck beträgt pXeK = 2 bar, der Natriumbetriebsdruck ist pNaB = 75 mb. Dementsprechend ist das Druckverhältnis pXeK / pNaB = 26,7. Die Lichtausbeute ist 115 lm/W (siehe Fig. 3, rautenförmiger Meßpunkt #7) und liegt damit ebenfalls deutlich höher als bei Lampen dieser Leistung bisher zu erwarten war.
    In einem Ausführungsbeispiel einer 70 W-Lampe wird ein Entladungsgefäß mit einem Innendurchmesser von 3,7 mm und einem Elektrodenabstand von 37 mm mit Natrium/Quecksilber und Xenon gefüllt. Der Xenonkaltfülldruck beträgt pXeK = 1,5 bar, der Natriumbetriebsdruck ist pNaB = 85 mb. Dementsprechend ist das Druckverhältnis pXeK / pNaB = 17,6. Die Lichtausbeute ist 108 lm/W.

    Claims (10)

    1. Natriumhochdruckentladungslampe kleiner Leistung mit einem Entladungsgefäß, das zumindest Natrium und Xenon enthält, wobei pNaB der Betriebsfülldruck des Natriums ist und pXeK der Kaltfülldruck des Xenons ist, dadurch gekennzeichnet, daß pNaB =20 bis 100 mb, pXeK = 1 bis 5 bar, und pXeK / pNaB ≥ 10.
    2. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenleistung kleiner gleich 100 W ist.
    3. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pXeK / pNaB ≤ 30.
    4. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pXeK ≤ 3 bar.
    5. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich Quecksilber enthält.
    6. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß kreiszylindrisch ist.
    7. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes zwischen 2,5 und 5 mm beträgt.
    8. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser höchstens 4 mm beträgt.
    9. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe zusätzlich eine kapazitive Zündhilfe enthält.
    10. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Kuppenabstand der beiden Flügel der Natrium-D-Linie höchstens 12 nm beträgt.
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