HU208592B - High-pressure sodium discharge lamp of higher than 2800 k colour temperature and ra 80 colour response coefficient - Google Patents

Description

A leírás terjedelme: 6 oldal (ezen belül 1 lap ábra)

HU 208 592 Β

A találmány tárgya nagynyomású nátrium kisülő lámpa, amelynek közbenső térrel külső burába bezárt, kerámia fallal rendelkező kisülő edénye van, amelyben két elektróda van, az elektródáknak egymástól D távolságra lévő csúcsa van, a kisülő edénynek lényegében kör keresztmetszete van, amelynek legalább a D távolság mentén dj belső átmérője van, a közbenső térben gáztöltés van, a lámpa fehér fényű, amelynek a névleges üzemi körülmények melletti T_c színhőmérséklete legalább 2500 K.

A bevezetőben körülit lámpa a 3 129 329 sz. DEOS, közzétételi iratból ismeretes. Ez az ismert lámpa működése közben fehér fényt sugároz és viszonylag nagy a fényhatásfoka. A lámpa által kisugárzott fény színvisszaadása az R_a általános színvisszaadási indexben kifejezve bizonyos körülmények között nagyobb, mint 80. Abban az esetben ha az R_a 80, akkor a lámpa izzólámpák kiváltására alkalmas lehet. E célra azonban kívánatos, hogy a színhőmérséklet jóval nagyobb legyen mint 2500 K, mivel az izzólámpák színhőmérséklete 2600 és 4000 K között van. Általában a nagynyomású nátrium kisülő lámpák által kibocsátott fényt „fehér” fénynek tekintik, ha az a színháromszögnek az (X, Y); (0,400; 0,430), (0,510; 0,430), (0,485; 0,390) és (0,400; 0,360) koordinátapontokon átmenő egyenesek által határolt területen belül esik. Ebben az esetben a színhőmérséklet hozzávetőlegesen 2300-4000 K tartományba esik. Összehasonlításul megjegyzendő, hogy egy szabványos nagynyomású nátrium kisülő lámpánál, amely arany-sárgás fényt bocsát ki, a T_c<2200 K és az R_a<50. Ennek a lámpának a fényhatásfoka azonban jóval nagyobb, mint az azonos teljesítményű ismert lámpáké.

Az ismert lámpa teljesítménye nagy, hozzávetőlegesen 400 W-os, vagy ennél is nagyobb, és így viszonylag nagy a fényfluxusa. Ezt a lámpát ezért csak nagy terek megvilágítására használják, mint például közterületek megvilágítására. Egy nagynyomású nátrium kisülő lámpa nagyon jó színtulajdonságú fényt sugároz ki (T_c>2500 K, R_a>80) és így nagyon alkalmasnak látszik beltéri megvilágításnál az izzólámpák kiváltására, mint például helyi megvilágítás céljára. Ehhez nagyon kis méretű lámpára van szükség. Nagyon jó színtulajdonságokkal rendelkező lámpára szükség van például a jármű reflektor lámpák esetén is. Itt is lényeges, hogy a lámpa méretei kicsik legyenek. Ezeknél az alkalmazásoknál a lámpák viszonylag kis fényfluxusúak és kisméretűek kell hogy legyenek. Szükség van tehát olyan lámpákra, amelyek viszonylag kis teljesítményűek és viszonylag kisméretűek ahhoz, hogy az ismert lámpáknak megfelelő célokra lehessen alkalmazni. Az esetek legnagyobb részében a színhőmérséklet legalább 2800 K és az elérhető legnagyobb színvisszaadási tényező szükséges. Az ismert lámpák teljesítményének 400 W alá történő csökkentése a színhőmérsékletet jelentős mértékben, jóval 2200 K alá csökkenti és a színvisszaadási tényező messze 50 alá esik. Valójában az ismert lámpa egy szabványos nagynyomású nátrium kisülő lámpa, amelynél a „fehér” fény előállítása szóba sem jöhet.

Az IES folyóirat 1988. nyári számának 105-117. oldalain egy viszonylag kis teljesítményű nagynyomású nátrium kisülő lámpa van ismertetve, amely normál körülmények között T_c = 2500 K és R_a mintegy 80 értékű fehér fényt állít elő. A fényhatásfok valamivel 40 lm/W alatt van. A színhőmérséklet növelése, ami mellett az R_a legalább 80 értéken marad, csak túlterheléssel lehetséges, vagyis úgy, hogy a lámpába a tervezett teljesítménynél nagyobbat vezetünk be. Ez azonban egyrészről a fényhatásfok meredek leromlásával, másrészről a kisülő edény falterhelésének nem kívánt mértékű meredek növekedésével jár együtt. Túlterhelve az R_a értékének maximumát 2700 K színhőmérséklet mellett lehet elérni. A színvisszaadás a színhőmérséklet további növelésével ismét romlik.

A találmány elé célul tűztük ki többek között egy olyan megoldás kidolgozását, amellyel viszonylag kis méretek mellett viszonylag kis teljesítményű lámpa állítható elő, amelynek a színhőmérséklete legalább 2800 K és a színvisszaadása 80 körül van, ugyanakkor viszonylag nagy a fényhatásfoka névleges üzemi körülmények között.

A kitűzött célt a bevezetőben körülírt lámpával a találmány szerint úgy értük el, hogy a kisülő edény kerámia falának a falterhelése a névleges üzemi körülmények mellett legalább 80 W/cm².

A találmány szerinti intézkedésnek köszönhetően, egy olyan nagynyomású nátrium kisülő lámpa előállítása vált lehetővé, amely legalább T_c = 2800 K színhőmérsékletű és R_a nagyobb, mint 80 értékű színvisszaadási tényezőjű fehér fényt állít elő viszonylag kis teljesítményű névleges üzemi körülmények esetén is. 100 W teljesítményig a fényhatásfok legalább 40 lm/W és 100 W, vagy ennél nagyobb teljesítmény esetén legalább 45 lm/W fényhatásfok érhető el. A nagy falterhelés azt jelenti, hogy a lámpa viszonylag kis méretei könnyen megvalósíthatók.

Megjegyezzük, hogy a jelen leírásban és igénypontokban a „falterhelés” mennyiség alatt a lámpa teljesítményének W-ban és a kisülő edény fala D távolságban mért belső felületének hányadosát értjük.

Egy nagynyomású nátrium kisülő lámpa olyan spektrumú fényt bocsát ki, amelynek közel 589 nm hullámhossznál elnyelési sávja van, amelyet mindegyik oldalról spektrum kiemelkedések vesznek körül, és amelyeknek a maximuma egymástól Δλ távolságra van. Abban az esetben, ha a kisugárzott fénynek az R_a színvisszaadási tényezője 80 felett van, akkor a Δλ távolság mintegy 40 nm és mintegy 55 nm között van. Ismeretes, hogy az elnyelési sáv további szélesítése és így a Δλ távolság további növelése lehetővé teszi a kisugárzott fény T_c színhőmérsékletének további növelését. Ez azonban káros hatással van a színvisszaadásra és a fényhatásfokra. Ezen túlmenően, az elnyelési sáv szélesítése a kisülő edény belső átmérőjének változatlanul tartása mellett a kisülő edényben lévő nátrium nyomás növekedésével jár.

Az irodalomból ismeretes (IES 1984. július, 341— 349. oldalak), hogy hogyan kell egy nagynyomású nátrium kisülő lámpát úgy tervezni, hogy a kisugárzott

HU 208 592 Β fény T_c színhőmérséklete 2800 K fölött legyen. Ez azonban az elnyelési sáv szélesítésével valósítható meg. A T_c színhőmérséklet ilyen módon történő növelése az R_a színvisszaadási tényező és a fényhatásfok csökkenését vonja maga után.

Ezzel kapcsolatban kimutatták, hogy a gyakorlatban megvalósítható nagynyomású nátrium kisülő lámpa elérhető maximális R_a színvisszaadási tényezője 80 és hozzávetőlegesen 85 között van. Ebben az esetben a színvisszaadás a nátrium nyomásának a függvénye. Kiindulva egy szabványos arany-sárgás fényt kibocsátó nagynyomású nátrium kisülő lámpából, a színvisszaadás növelése a nátrium nyomásának az R_a színvisszaadási tényező maximumának eléréséig történő növelésével valósítható meg. A nátrium nyomásának további növelése ismét az R_a színvisszaadási tényező romlásához vezet. A színvisszaadás maximumának közelében a nátrium nyomástól való függés viszonylag kicsi.

A nátrium nyomásának növelése hátrányos a lámpa élettartamának szempontjából is, mivel különösen a nátrium nyomása befolyásolja a különböző korróziós folyamatokat a kisülő edényen és azon belül.

A jelen leírásban és igénypontokban kerámia falon egy olyan falat értünk, amely kristályos fémoxidból vagy kristályos fémnitridből van, ami a nátrium támadásával szemben kiválóan ellenálló magas hőmérsékleten. Ilyen anyag például a monokristályos zafír, a polikristályos, gáztömören szintereit A1₂O₃ vagy a polikristályos, gáztömören színtereit A1N. Az ismert falanyagok mintegy 1400 K hőmérsékletig ellenállnak a lámpában fellépő nátrium nyomásának, hosszú időn keresztül. Jelentősen magasabb hőmérsékleteken jelentősen megnő a kerámia fal korróziója a fellépő nátrium nyomás következtében. A kisülő edény és a külső bura közötti térben alkalmazott gáztöltés megnöveli a hőátadást, így a kisülő edény falának hőmérséklete elfogadható határokon belül marad nagyobb falterhelések esetén is. Megfelelő gázok például a nemesgázok és a nitrogén, mivel ezek nagymértékben inért gázok a fennálló körülmények között. A gáztöltés tartalmazhat egyetlen gázt, de lehetséges több gáz keveréke is. Azokban az esetekben, amelyekben a biztonság különlegesen fontos követelmény, a töltés nyomását úgy választjuk meg, hogy az hozzávetőlegesen 1 bar legyen a normál üzemi körülmények között.

Ha a találmány szerinti lámpát helyi megvilágításra kívánják alkalmazni, úgy a kisugárzott fény nyalábbá történő koncentrálásának lehetősége fontos jellemző. A fény jó nyalábolási tulajdonságának biztosításához viszonylag kis lámpaméretek szükségesek, A nyalábkoncentrációt jelentősen elősegíti a kisülő edényben lévő elektróda csúcsok közötti viszonylagosan kis D távolság. A találmány szerinti lámpa egy előnyös kiviteli alakjánál a viszony áll fenn. AD/dj viszonyra kis értéket választva, a kisugárzott fény jól koncentrálható nyalábbá a viszonylag rövid kisülő ív következtében. A lámpának ezáltal megfelelően nagy a fényereje.

A D távolság csökkentésével megnövekvő falterhelés lecsökkenti a lámpa feszültségét és megnöveli a lámpa áramát. Abban az esetben, ha a lámpát hagyományos hálózati feszültségről kell üzemeltetni, akkor ilyen körülmények között feszültség transzformációra van szükség. Ez célszerűen egy elektronikus áramkör segítségével valósítható meg.

A meglévő kialakításokban alkalmazott ismert lámpákkal való cserélhetőség érdekében azonban előnyös, ha a lámpa feszültsége a névleges működési körülmények között 80 és 100 V között van. A találmány szerinti lámpa akkor felel meg ennek a feltételnek, ha teljesül a feltétel. A D távolság csökkentésétől eltekintve, a d_; belső átmérő csökkentése szintén a falterhelés növekedéséhez vezet. Ebben az esetben a d, belső átmérő csökkentése a lámpa feszültségének növekedését hozza létre.

A kisülő edény maximális falhőmérsékletének szabályozása tovább javítható a fal vastagságának megválasztásával. A fal vastagságának növelése a fal hősugárzásának növekedését okozza és tovább javítja a hőátadást az elektródák közötti résztől a kisülő edénynek a viszonylag hidegebb végei felé.

Másrészről azonban a falvastagság növelése hátrányosan befolyásolja a fénykibocsátást. Ennek megfelelően az átlagos falszélességet előnyösen 3 mm-nél kisebbre kell megválasztani.

A találmány szerinti lámpát az alábbiakban a mellékelt rajz segítségével ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábra egy külső burával rendelkező lámpát szemléltet oldalnézetben, a

2. ábra egy lámpa hosszmetszete és a

3. ábra egy másik lámpa hosszmetszetét szemlélteti.

Az 1. ábrán látható (1) kisülő edénynek kerámia fala van, amely (1) kisülő edény egy (6) külső burába egy közbenső (8) térrel be van zárva. A (8) térben gáztöltés van. Az (1) kisülő edényben két (2 és 3) elektróda van, amelyek csúcsa egymástól D távolságra van. Az (1) kisülő edénynek a (2 és 3) elektródák közötti szakaszon lényegében kör keresztmetszete van. A (2 és 3) elektróda egy-egy (4 és 5) árambevezetőhöz csatlakozik. A (6) külső burán egy (7) fej van, amelyhez a (4 és 5) árambevezetők csatlakoznak. Az (1) kisülő edénynek, amelynek D távolság mentén dj belső átmérője van, nátrium, higany és nemesgáz töltése van.

A 2. és 3. ábrán az 1. ábrának megfelelő részek (10)-zel, illetve (20)-szal nagyobb hivatkozási számmal vannak ellátva. A (12, 13 és 22, 23) elektródák wolfram/rénium ötvözetből (97/3 tömegarány) vannak,

HU 208 592 Β míg a (14, 15, 24, 25) árambezetők anyaga Nb. A (11, A 2. ábra szerinti alakú, találmány szerinti kisülő

21) kisülő edények (18, 28) forrasztó kerámiával van- edényeket gyártottunk. A készített lámpák adatait az nak lezárva. alábbi táblázatban foglaltuk össze.

Táblázat

lámpa száma	1	2	3	4	5	6	7	8	9	A
D (mm)	7	7	7	5	7	6	6	7	11	16,6
dj (mm)	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	1,7	3,5
D/d;	2	2	2	1,4	2	1,7	1,7	2	6,5	4,7
lámpa fesz. (V)	42	40	42	28	39	36	33	36	93	90
lámpa telj. (W)	90	90	95	90	65	75	70	125	55	53
falterhelés (W/cm2)	117	117	123	164	84	114	106	162	93	29
TC(K)	3090	2930	3170	2900	2840	3020	2710	2910	2800	2500
Ra	81	84	80	85	82	84	83	85	82	82
fényhatásfok (lm/W)	46	47	43	47	41	42	47	47	50	47
falvastagság (mm)	0,7	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	3,0	1,5	0,8
max. falhőmérséklet (K)	1575	1400	1430	1360	1280	1340	1280	1220	1370	1430

A kereskedelmi forgalomban kapható lámpa (A oszlop szerinti lámpa) adatait az összehasonlítás céljából közöljük. Ez egy Philips SDW 50 típusú lámpa.

A kisülő edények töltése Na-Hg amalgám és xenon, amelynek a nyomása 300 K hőmérsékleten 53 30 kPa. Az Na/Hg tömegaránya 15/40. A külső bura és a kisülő edény közötti tér az 1-8 jelű lámpáknál N₂-vel volt feltöltve, amelynek a nyomása 300 K hőmérsékleten 100 kPa, és a 9 jelű lámpánál a töltet 300 K hőmérsékleten 50 kPa nyomású N₂. A 9 jelű lámpánál 35 ez a nyomás hozzávetőlegesen 1 bar nyomásnak felel meg. Az A jelű lámpánál a külső burában vákuum van.

Az 1-4 és 8 jelű lámpáknál a kisülő edény belső hoszszúsága 18 mm volt, míg az 5, 6 és 7 jelű lámpáknál 16 mm volt. A 9 jelű lámpánál a belső hossz 17 mm és 40 az A jelű lámpánál 24 mm. A maximális falhőmérsékletet D-vonalas pirometriával határoztuk meg, amint az például a de Groot és társai: „The High-Pressure Sodium Lamp”, Deventer, 1986 műben ismertetve van.

Látható a táblázatból, hogy jelentősen nagyobb 45 színhőmérséklet 80-nál nagyobb színvisszaadási tényező, viszonylag nagy fényhatásfok és viszonylag kis teljesítmény mellett a találmány szerinti lámpáknál érhető el.

A következő magyarázó megjegyzéseket lehet 50 megállapítani. Az 1 és 2 jelű lámpák adatainak összehasonlításából kitűnik, hogy a fal vastagságának növelése állandó teljesítmény mellett kisebb maximális falhőmérsékletet eredményez. A 2 jelű lámpa közel a maximális színvisszaadású fényt bocsátja ki a névleges 55 üzemi körülmények között. Az ugyanolyan teljesítménnyel üzemelő 1 jelű lámpa magasabb színhőmérsékletet és kisebb színvisszaadást eredményez. Ez a nátrium nyomásának megnövekedésére mutat, ami láthatóan jóval a maximális színvisszaadáshoz tartozó 60 nyomás fölött van. A fényhatásfok ebben az esetben nem változik jelentősen.

A 2 és 4 jelű lámpák egybevetéséből látható az elektróda csúcsok közötti D távolság csökkentésének a hatása. Ez jelentősen csökkenti a lámpa feszültségét állandó teljesítmény mellett. A színhőmérséklet, a színvisszaadás és a fényhatásfok alapvetően nem változik. Világosan megfigyelhető azonban a maximális falhőmérséklet esése.

A 3 jelű lámpánál, amely azonos volt a 2 jelű lámpával, jól látható, hogy a teljesítménynek a tervezett teljesítmény fölé történő növelése nagyobb színhőmérsékletet eredményez, de ez mind a színvisszaadás, mind a fényhatásfok rovására történik. A maximális falhőmérséklet szintén jelentősen megnő.

Az 5 jelű lámpa mérési eredményei, amely lámpánál a kisülő edény belső hosszát a 2 jelű lámpáéhoz képest csökkentettük, világosan mutatják, hogy a maximális színvisszaadást a 2 lámpáéhoz képest hozzávetőlegesen 100 K-nel alacsonyabb színhőmérséklet kíséri. Az ehhez tartozó lámpa teljesítmény jelentősen alacsonyabb, éppúgy, mint a maximális falhőmérséklet.

Az egymással azonos 6 és 7 jelű lámpák összehasonlításából kitűnik, hogy a színvisszaadás függése a nátrium nyomásától viszonylag kicsi a színvisszaadási tényező maximumának környezetében. Ez azt jelenti, hogy a lámpa működési teljesítménye is viszonylag kismértékben befolyásolja a színvisszaadást annak maximuma környezetében. így, miközben a színvisszaadási tényezőt hozzávetőlegesen 83 értéken tartjuk, a színhőmérsékletet egy hozzávetőlegesen 300 K széles tartományban megválaszthatjuk. Ebben az esetben a színhőmérséklet növekedését vagy esését a fényhatásfok csökkenése vagy növekedése kíséri.

A 8 jelű lámpa faivastagsága a 2 jelű lámpáéhoz

HU 208 592 B képest tovább lett növelve. Ez jelentősen kiseb maximális falhőmérsékletet eredményezett jelentősen nagyobb lámpateljesítmény mellett, miközben a színvisszaadás értéke, a színhőmérséklet és a fényhatásfok összemérhető szinteken marad.

A 9 jelű lámpa esetén azt biztosítottuk, hogy a lámpa feszültsége a már meglévő A jelű lámpáéval összemérhető legyen azonos tervezett teljesítmény mellett. 3V-os lámpafeszültség eltérés a Philips SDW 50 típusú lámpa tömeggyártásánál fellépő lámpafeszültség szóráson belül van.

Claims (3)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. T_c>2800 K színhőmérsékletű és R_a>80 színviszszaadási tényezőjű nagynyomású nátrium kisülő lámpa, amelynek közbenső térrel (8) külső burába (6) bezárt, kerámia fallal rendelkező kisülő edénye (1, 11, 21) van, amelyben két elektróda (2, 3, 12, 13, 22, 23) van, az elektródáknak (2, 3, 12, 13, 22, 23) egymástól D távolságra lévő csúcsa van, a kisülő edénynek (1,11,

   5 21) lényegében kör keresztmetszete van, amelynek legalább a D távolság mentén d_; belső átmérője van, a közbenső térben (8) gáztöltés van, a lámpa fehér fényű, amelynek a névleges üzemi körülmények melletti T_c színhőmérséklete legalább 2500 K, azzal jellemezve,

   10 hogy a kisülő edény (1, 11, 21) kerámia falának a falterhelése a névleges üzemi körülmények mellett legalább 80 W/cm².
2. 2. Az 1. igénypont szerinti nagynyomású nátrium kisülő lámpa, azzal jellemezve, hogy a D/d, hányados

   15 kisebb mint 3.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti nagynyomású nátrium kisülő lámpa, azzal jellemezve, hogy a D/d_; hányados nagyobb mint 6.