HU213596B

HU213596B - High-pressure sodium-vapour discharge lamp

Info

Publication number: HU213596B
Application number: HU9300642A
Authority: HU
Inventors: Zsolt Marton
Original assignee: Ge Lighting Tungsram Rt
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1993-03-09
Publication date: 1997-08-28
Also published as: EP0615275A1; EP0615275B1; DE69403250T2; DE69403250D1; HUT66248A; JPH06267503A; HU9300642D0; JP3386562B2; US5434473A

Description

A találmány tárgya nagynyomású nátriumgőz kisülőlámpa, melynek kisülőterét kerámiaedény fogja körül, ennek végeihez hermetikus kötéssel keramikus záróelemek csatlakoznak, melyeken elektromos áramát vezetők haladnak keresztül, az áramátvezetőkhöz a kisülőedényen belül elektródok vannak hozzákötve, a kisülőedényben nátrium, nemesgáz, 0.. 5 mg-cm³ koncentrációban higany és legalább egy további fémadalék van, melynek gőznyomása 1000 °K hőmérsékleten a 10² Pa-t nem haladja meg.

A nagynyomású nátriumlámpák működési sajátosságait a bennük létrejövő kisülés nyomása és összetétele határozza meg. A kisülés - mint ismeretes - a nagynyomású nátriumlámpákban nátriumot, higanyt és xenont tartalmaz, mely komponensek jellemző nyomása üzem közben rendre kb. ΙΟ⁴,10⁵, illetve 3-10⁴ Pa. A szükséges nátrium és higany gőznyomást egy jellegzetesen 1 : 3 súlyarány összetételű nátrium-higany amalgám biztosítja. A hasznos sugárzást javarészt a nátrium sugárzása adja, a higany szerepe a lámpa kapocsfeszültségének emelése, miáltal csökken a lámpaáram és így az árambevezetők kialakítása egyszerűbbé válik.

A nagynyomású nátriumlámpák piaci sikerének egyik lényeges meghatározója magas élettartamuk, melynek a lámpa kapocsfeszültségének működése közben bekövetkező emelkedése szab határt. Ez a feszültségemelkedés azért következik be, mert működés közben a lámpa nátriumtartalma reakcióba lép a kisülőedény egy vagy több alkotórészével és így kivonódik a működésből. Ez az úgy nevezett nátriumveszteség, melynek következtében a nátrium-higany ötvözetben a nátrium móltörtje csökken és így a kisülőtérben a nátrium nyomása is megváltozik.

A nátriumfogyás állandó hőmérsékleten a nátriumnyomás eséséhez vezet, ami önmagában a kisebb baj, de ezzel egyidejűleg erősen megnő a higany nyomása, mégpedig nagyobb arányban, mint ahogy móltörtje növekszik. Ez utóbbi változás maga után vonja az említett kapocsfeszültség-növekedést is, ami végső soron a lámpa kialvásához vezet. A fentiek jól ismertek a szakmában járatosak számára.

Nem meglepő tehát, hogy számtalan próbálkozás történt a fenti probléma megoldására. A technika állását képező ismert módszerek azonban általában abból indulnak ki, hogy az említett nátriumfogyás sebességét kell csökkenteni.

Az egyik javaslat a kisülőcső fala és a nátrium közötti kémiai reakció sebességének csökkentésére irányul, melynek ismertetése megtalálható A. J. Η. M. Kock: „The surface structure of translucent alumina, a scanning electron microscopy investigation” című cikkében (Proceedings of the symposium on high temperature lamp chemistry II, p: 194...205).

A folyadékfázisú amalgám és a fal érintkezésének megszüntetése, illetve csökkentése egy másik próbálkozás például a GB 2072939 és a HU 181.782 szabadalmi leírásokban található kitanítás szerint.

A fentiekben a teljesség igénye nélkül említett nyilvánosságra jutott megoldások több-kevesebb sikerrel jártak, de a nátriumfogyás problémáját nem oldották meg. Ez arra utal, hogy a közrejátszó tényezők szerepét mindmáig nem tisztázták.

A korábbi ismert megoldási erőfeszítésekkel szemben a találmány kidolgozásakor abból az alapgondolatból indultunk ki, hogy a nátriumfogyás tényét legcélszerűbb pragmatikusan tudomásul venni és csak hatásának kompenzálására kell törekedni.

A találmányi gondolat lényege, hogy a szokásos nátriumlámpa konstrukciókban kialakuló higany és nátrium gőznyomásokat több fémkomponens gőzterében is létre lehet hozni azzal a további előnnyel, hogy a célszerűen megválasztott további adalékok a plazma fényhozamát és égésfeszültségét a nátrium fogyása esetén is képesek stabilizálni.

A technika állását képviselő irodalomban több olyan megoldás található, ahol a nátriumlámpákban a nátriumon és a higanyon kívül egy vagy több további fémadalékot is alkalmaztak. Ezeket az adalékokat különböző gyakorlatias megfontolások alapján javasolták. így például a HU 172.011 lajstromszámú szabadalmi leírás szerint adalékolt lámpákhoz további fémkomponenssel szabad levegőn nem korrodálódó higanyamalgámot állítottak elő a lámpagyártási technológia leegyszerűsítése végett.

Az US 4,691,141 lajstromszámú szabadalmi leírás olyan adalékolási technológiát ismertet, mely szerint a működéshez szükséges nátriumot, illetve higanyt további fémekkel alkotott intermetallikus vegyületek formájában viszik be, melyek stabilabbak a nátrium-higany amalgámnál, és ezért a kisülőedény magas hőmérsékletű kemencében forrasztással történő lezárása közben nem párolognak.

Az US 3,521,108 lajstromszámú szabadalmi leírás további komponensként tallium-kadmiumot adalékolnak, mellyel a lámpa spektrumát kívánják módosítani. Az US 4,639,639 lajstromszámú szabadalmi leírásban található kitanítás szerint ónt, indiumot vagy galliumot adalékolnak abból a megfontolásból, hogy gyorsítsák a lámpa felmelegedését, illetve végső soron kíméljék az elektródokat.

A korábbi ismert megoldások elemzése azt bizonyítja hogy eddig senki sem ismerte fel, hogy harmadik fém(ek) adagolása esetén létezik olyan koncentráció, illetve adalékarány melynek alkalmazásakor a plazma fényhozama és az égésfeszültség a nátrium fogyása esetén is stabilizálódik.

A harmadik adalékfém kiválasztásakor alapvető szempont, hogy az alkalmazás hőmérsékletén, kb. 1000 °K-on, annak gőznyomása ne haladja meg a 10² Pa-t, ellenkező esetben működés közben megjelenik a kisülésben és módosítja a lámpa villamos és fénytechnikai paramétereit, ami nem célunk. Alapvető szempont továbbá, hogy a harmadik adalékfém ne lépjen reakcióba a lámpa alkatrészeivel, így a nióbbal, volfrámmal, alumíniumoxiddal stb.

A találmány lényeges felismerése, hogy akkor teljesül a célkitűzés, azaz a plazma fényhozamának és az égésfeszültségnek stabilizálódása nátriumfogyás esetén is, ha a harmadik fém(ek) adagolása esetén teljesül két feltétel, mégpedig, hogy a nátrium móltörtje nagyobb, mint 0,5 és legalább négyszerese a higanyénak.

HU 213 596 Β

Ebben az esetben ugyanis olyan termodinamikai feltételek alakulnak ki, hogy az említett stabilizáció bekövetkezik.

A találmányi felismerés, azaz a hatásos koncentrációk szemléletesebb bemutatása végett leírásunkhoz rajzmellékletet csatolunk, amelynek ábrái:

1. ábra: az 1. igénypont szerinti koncentráció tartomány,

2. ábra: a 2. és a 3., illetve 4. igénypontok szerinti koncentráció tartomány,

3. ábra: az 5. igénypont szerinti koncentráció tartomány,

4. ábra: a 6. és 7 igénypontok szerinti koncentráció tartomány konvencionális háromszög diagram ábrázolásban.

Az 1. ábrán az Na a nátriumot, a Hg a higanyt, az Me pedig a további fémeket (bizmut, ón, antimon, indium, ólom) jelenti. Az 1. igénypontnak megfelelő összetételtartományt a vonalkázott terület mutatja. A vonalkázott területen belül bármely ponthoz tartozó összetétel-koncentrációra fennáll az a feltétel, hogy a nátrium móltörtje az összes fémadalékban nagyobb, mint 0,5 és a nátrium móltörtje nagyobb, mint a higany móltörtjének négyszerese. A diagramon feltüntetett számadatok is ezt mutatják.

A 2. ábrán az Na a nátriumot, a Hg a higanyt, a Bi a bizmutot, az Sb az antimont jelenti, amely utóbbi két fém jelenti ez esetben az 1. ábrán Me-vel jelölt további fém(ek)et. A 2. és a 3., illetve 4. igénypontnak megfelelő összetétel-tartományt itt is a vonalkázott terület mutatja. A vonalkázott területen belül bármely ponthoz tartozó összetétel koncentrációra fennállnak egyrészt az 1. ábránál ismertetett és az 1. igénypontra vonatkozó feltételek, továbbá az a feltétel is, hogy a bizmutnak, illetve az antimonnak a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,05...0,25. A diagramon feltüntetett számadatokból is ez következik. Például (1 -0,95)/0,95 = 0,05, illetve (1 -0,8)/0,8 = 0,25.

A 3. ábrán az Na a nátriumot, a Hg a higanyt, az In az indiumot jelenti, amely utóbbi fém jelenti ez esetben az 1. ábrán Me-vel jelölt további fém(ek)et. Az 5. igénypontnak megfelelő összetétel-tartományt itt is a vonalkázott terület mutatja. A vonalkázott területen belül bármely ponthoz tartozó összetétel-koncentrációra fennállnak egyrészt az 1. ábránál ismertetett és az 1. igénypontra vonatkozó feltételek, továbbá az a feltétel is, hogy az indiumnak a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,25...1. A diagramon feltüntetett számadatokból is ez következik. Például (1-0,8)/0,8 = 0,25, illetve (1-0,5)/0,5 = 1

A 4. ábrán az Na a nátriumot, a Hg a higanyt, a Pb az ólmot, az Sn az ónt jelenti, amely utóbbi két fém jelenti ez esetben az 1. ábrán Me-vel jelölt további fém(ek)et. A 6. és 7. igénypontnak megfelelő összetétel-tartományt itt is a vonalkázott terület mutatja. A vonalkázott területen belül bármely ponthoz tartozó összetétel-koncentrációra fennállnak egyrészt az 1. ábránál ismertetett és az

1. igénypontra vonatkozó feltételek, továbbá az a feltétel is, hogy az ólomnak, illetve az ónnak a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,15...0,65. A diagramon feltüntetett számadatokból is ez következik. Például (1-0,87)/0,87=0,15 illetve (1-0,61)/0,61 = 0,65.

Az igénypontokban megfogalmazott találmányi megoldás helyességének bizonyítására kísérleteket végeztünk, melyek feltételezéseinket teljes mértékben alátámasztották. Az alábbiakban egy ilyen kísérlet eredményét mutatjuk be a találmány példaképpeni alkalmazásaként.

Példa

Indiumtartalmú 250 W-os lámpákat készítettünk az alábbi adalékolással:

A: 4,6 mg nátrium és 18,4 mg higany;

B: 2,3 mg nátrium és 18,4 mg higany;

C: 4,6 mg nátrium, 9 mg higany és 12,5 mg indium;

D: 2,3 mg nátrium, 9 mg higany és 12,5 mg indium.

Az „A” változat a hagyományos nátriumlámpa, a „B” változat 50%-os nátriumfogyást valósít meg, a „C” változat egy a találmányi gondolatot megvalósító új konstrukció, míg a „D” változat ugyanakkora nátriumfogyást hoz létre ebben, mint a „B” változat az „A” változathoz képest. A „C” és „D” változatok szerinti lámpák kisülőcsövének végkiképzését természetesen kissé módosítani kellett, hogy az adalékok az összetételüknek megfelelő kissé magasabb hőmérsékleten üzemeljenek. Ezeken a lámpákon méréseket végeztünk, melyek eredményeit az alábbiakban mutatjuk be:

	U,(V)	P(W)	O(klm)	n(lm/W)
A	90	239	27,3	114
B	124	273	30,9	113
C	88	232	26,2	113
D	110	264	30,0	114

A táblázatban U) a lámpa kapocsfeszültsége, P a teljesítménye, Φ a fényáram, míg η a fényhasznosítás.

Mint a táblázatból kitűnik, az „A” és a „C” lámpák adatai azonosak. így sikerült három adalék alkalmazásával is előállítani a hagyományos lámpákkal egyenértékű lámpákat. A „B” lámpákon eszközölt mérések azt mutatják, hogy az 50%-os nátriumfogyás a hagyományos rendszerű lámpában a fény és villamos paraméterekben jelentős elmozdulást eredményezett. A lámpa kapocsfeszültsége például 34 volttal megemelkedett. Ugyanakkor ugyanilyen mértékű nátriumfogyás a háromadalékos „C” lámpában mindössze 22 volt kapocsfeszültség emelkedést okozott. Ebből egyértelműen belátható, hogy a találmányi gondolat alkalmazása stabilabb lámpát eredményezett.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Nagynyomású nátriumgőz kisülőlámpa,

- melynek kisülőterét kerámiaedény fogja körül,

- ennek végeihez hermetikus kötéssel keramikus záróelemek csatlakoznak,

- melyeken elektromos áramátvezetők haladnak keresztül,

HU 213 596 Β

- az áramátvezetőkhöz a kisülőedényen belül elektródok vannak hozzákötve,

- a kisülőedényben nátrium, nemesgáz, 0...5 mg-cm ’ koncentrációban higany és legalább egy további fémadalék van,

-- melynek gőznyomása 1000°K hőmérsékleten a 10² Pa-t nem haladja meg azzal jellemezve, hogy

- a nátrium móltörtje az összes fémadalékban nagyobb, mint 0,5 és

- a nátrium móltörtje nagyobb, mint a higany móltörtjének a négyszerese.
2. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék egy vagy több fém a Ga, In, Sn, Pb, Bi és Sb fémek közül kiválasztva.
3. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék Bi,

- melynek a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,05...0,25.
4. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék Sb,

- melynek a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,05...0,25.
5. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék In,

- melynek a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,25...1.
6. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék Pb,

- melynek a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,15...0,65.
7. Az 1. igénypont szerinti kisülőlámpa azzal jellemezve, hogy

- a további fémadalék Sn,

- melynek a nátriumhoz viszonyított aránya (móltörtje) 0,15...0,65.