DE965429C - Metalldampfhochdruckentladungsgefaess, insbesondere Leuchtroehre, mit lichtdurchlaessigem Huellgefaess und einem Zuendgas - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 6. JUNI 1957

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Die Erfindung bezieht sich auf Metalldampfhochdruckentladungsröhren mit lichtdurchlässiger Hülle, deren Inneres frei von Leuchtstoffen ist, und die außer dem verdampfbaren Metall ein Zündgas, bestehend aus einem oder mehreren der Gase Argon, Krypton oder Xenon, enthält. Insbesondere bezieht sie sich auf Leuchtröhren dieser Art.

Im Gegensatz zu Glühlampen mit Wolframdrähten, welche fast sofort mit der Einschaltung der Belastung den vollen Wert der Lichtemission erhalten, erreichen solche Metalldampfentladungsvorrichtungen im allgemeinen ihre volle Energieemission erst, nachdem das in ihnen enthaltene verdampfbare Metall verdampft ist, was in vielen Fällen erst einige Minuten nach der Zündung erfolgt ist.

Die Anwärmzeit einer derartigen Entladungslampe ist für bestimmte Verwendungszwecke einer der wichtigsten Faktoren für die Beurteilung der praktischen Anwendbarkeit der Lampe, da man in vielen Fällen derartige Lampen nur dann gebrauchen kann, wenn die Anwärmzeit einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet.

Man hat verschiedene .Maßnahmen vorgeschlagen, um die Anwärmzeit von Metalldampflampen abzukürzen, z. B. die Erhöhung des Zündpotentials der Lampe durch entsprechende Abänderungen des Lampenstromkreises, ferner hat man zu diesem

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Zwecke die Bemessungen der Lampe geändert usw. Hierdurch wurde zwar die Anwärmzeit der Lampe verkürzt, aber man mußte in Kauf nehmen, daß gleichzeitig die Lebensdauer der Lampe herabgesetzt wurde.

Die Erfindung zielt darauf ab, die Anwärmzeit der eingangs erwähnten Metalldampfhochdruckentladungsgehäuse wesentlich zu verkürzen, ohne daß die Lebensdauer dieser Entladungsgefäße ίο herabgesetzt ist. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß dem aus einem oder mehreren der Gase Argon, Krypton und Xenon bestehenden Zündgas Stickstoff in einem Prozentsatz zwischen 0,03 bis 0,4% des Gesamtgemisches zugesetzt wird. Wie dem Fachmann bekannt, enthalten Hochdruckentladungsgefäße keine lumineszierenden Stoffe. Gemäß der Erfindung erreicht man das Ziel, die Anwärmzeit von Hochdruckentladungsgefäßen abzukürzen, wirtschaftlich und durch Anwendung einfacher Mittel. Das Anwendungsgebiet derartiger Lampen ist sehr groß, und zwar reicht es auch dorthin, wo sonst Glühlampen und Kohlenbogenlampen verwendet werden. Weitere Vorteile und Zweckangaben der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor. In diesen bedeutet

Abb. ι die schematische Darstellung einer Metalldampfhochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung mit dem zu ihrer Speisung dienenden Stromkreis,

Abb. 2 die schematische Abbildung einer Lampe gemäß der Erfindung,

Abb. 3 den Vergleich einer Lampe gemäß der Erfindung und einer Lampe üblicher Bauart in bezug auf die erforderliche Anwärmzeit und

Abb. 4 die graphische Darstellung der Anwärmzeit einer Lampe gemäß der Erfindung und des zugehörigen Zündpotentials.

Gemäß Abb. 1 und 2 hat die Metalldampfentladungslampe 1, d. h. eine Quecksilberlampe, ein rohrförmiges oder längsgestrecktes lichtdurchlässiges Hüllgefäß 2, welches die Elektroden 3 und 4 und ein ionisierbares Medium enthält. Das Hüllgefäß 2 enthält ausreichend verdampf bares Metall 5, welches bei vollständiger Verdampfung einen Dampfdruck von zumindest ¹A Atm. oder mehr liefert, d. h. Drücke, die für Hochdrucklampen charakteristisch sind. Außerdem enthält das Hüllgefäß ein Zündgas der vorher angegebenen Zusammensetzu/ng zur Ausbildung einer Gasentladung. Wenn an die Elektroden eine geeignete Spannung gelegt wird, verdampft durch die Gasentladung des Zündbogens das Metall und erzeugt den zum Betrieb des Hauptbogens erforderlichen Metalldampf. Die Elektroden sind feste Wendeln oder Massen von schwer schmelzbarem Metall, wie AVoIfram," Tantal, Nickel usw. Sie können nach Wunsch auch mit anderen Metallen verwendet werden, wie Thorium, Zirkon, Barium usw., und/ oder Oxyden von solchen Metallen, die zündungserleichternd wirken und die Lebensdauer der Elektroden verlängern. Zur Lieferung der Zündspannung sowie der Betriebsspannung dient z. B.

der in Abb. 1 abgebildete Stromkreis, der insbesondere in der USA.-Patentschrift 2 482 894 beschrieben ist. Ein derartiger Stromkreis besteht aus den Zuführungsleitungen 6 und 7 für Wechselstrom, dem Umformer 8 mit der Primärwicklung 9 und der Sekundärwicklung 10 sowie einer Drossel 11 und dem Serienkondensator 12 zwischen Lampe 1 und Sekundärwicklung des Umformers.

Infolge der in der Lampe durch die Zündentladung und durch die Elektroden verbrauchten Leistung wird die Lampe angewärmt und das an der Wandung des Lampenhüllgefäßes kondensierte Metall verdampft. Die Anwärmzeit hängt von verschiedenen Einflüssen ab, z. B. von der Belastung je Raumteil Hüllgefäß, von der Wärmeausstrahlung des Bogens und der Kühlwirkung der umgebenden Luft im Wege der Konvektion. Die Bemessung der Lampe oder die Verwendung eines weiteren äußeren Hüllgefäßes zum Schutz der eigentlichen Lampe vor Konvektionsströmen der Luft hat eine sehr starke Wirkung auf die Anwärmzeit. Indessen sind der Größe des Lampenhüllgefäßes praktisch Grenzen gesetzt, die eng mit der Lebensdauer der Lampe verknüpft sind. Zum Beispiel hat eine handelsübliche Quecksilberlampe mit kleinem Hüllgefäß, welche eine sehr hohe Belastung je Raumeinheit Hüllgefäß hat, eine Lebensdauer von nur etwa 50 Stunden, wohingegen eine handelsübliche Ouecksilberlampe mit einem viel größeren Hüllgefäß bei der gleichen Belastung, z. B. etwa 1000 Watt, eine Lebensdauer von mehreren tausend Stunden hat. Die Anwärmzeit der Lampe mit dem kleineren Hüllgefäß liegt unter etwa V10 Minute, während sie bei dem größeren Hüllgefäß mehrere Minuten beträgt, da dieses eine niedrigere Belastung je Raumeinheit hat.

Es ist bekannt, ein zusätzliches äußeres Lampenhüllgef äß vorzusehen, um die Ableitung von Wärme zu verhindern. Die Verwendung eines derartigen weiteren Hüllgefäßes hat aber den offensichtlichen Nachteil, daß durch Reflexions- und durch Adr Sorptionsverluste an dem äußeren Hüllgefäß Lichtausbeute und Wirksamkeit der Lampe verringert werden. Für sichtbares Licht belaufen sich diese Verluste auf etwa 12%, und für ultraviolettes Licht können sie bis zu 40% betragen.

Die vorliegende Erfindung beseitigt diese bisher unvermeidlichen Schwierigkeiten, so daß man Lampen trotz im wesentlichen großer Hüllgefäße mit verhältnismäßig kurzen Anwärmzeiten bauen kann, ohne daß es notwendig ist, weitere zusätzliche Lampenhüllgefäße vorzusehen. Indessen wird auch bei Lampen, die mit zusätzlichen äußeren Hüllgefäßen ausgerüstet sind, durch Anwendung der Erfindung die Anwärmzeit noch weiter herabgesetzt. Die Erfindung zielt insbesondere auf einen erhöhten Leißtungsverbrauch der Zündgasentladung nach Zündung der Lampe ab, wodurch mehr Wärme zur Verdampfung des verdampfbaren Metalls zur Verfügung steht. Die Erhöhung des Leistungsverbrauchs der Zündgasentladung wird durch Zusatz von Stickstoff in den Grenzen von 0,03 bis 0,4% zu dem Hauptzündgas erreicht. Als Haupt-

zündgas enthält das Entladungsgefäß zumindest eines der Gase Argon, Krypton und Xenon. Die Entladung in diesem Gasgemisch bietet nach erfolgter Zündung einen höheren elektrischen Widerstand als das Hauptzündgas allein, aber bei der Zündung selbst nur einen verhältnismäßig wenig erhöhten Widerstand, und verkürzt nicht die Lebensdauer der Entladungslampe.

Eine nähere Erläuterung des Verhaltens der bei der Erfindung verwendeten Gase als Zündgas erscheint notwendig, um die Erfindung klarzustellen.

Die Beschleunigung und Wucht, mit welcher Gasionen in einem elektrischen Feld auf die Wandungen des Lampenhüllgefäßes und die Elektroden auftreffen, hängt von der mittleren freien Weglänge ab, d. h. der durchschnittlichen Entfernung, welche ein Gasteilchen zurücklegt, bevor es eine Kollision erfährt. Diese mittlere freie Weglänge hat einen merklichen Einfluß auf die Lebensdauer einer Gasentladungslampe. Wenn im gleichen elektrischen Felde die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen größer ist, verschlechtert sich die Lampe schneller und ist ihre Lebensdauer kürzer, weil die Gasionen auf einer längeren Strecke beschleunigt werden, bevor sie durch Kollision abgebremst werden. Der Aufprall derartiger Gasteilchen auf die Wandungen des Hüllgefäßes und der Elektroden erfolgt mit größerer Wucht, wodurch ein entsprechend größerer Schaden verursacht wird. Die mittlere freie Weglänge der Gase hängt von der Art des Gases und von seinem Druck ab, indem die mittlere freie Weglänge eines gegebenen Gases mit zunehmendem Druck abnimmt. Daraus folgt, daß eine Lampe eine höhere Lebensdauer hat, wenn das Hüllgefäß ein Gas von im wesentlichen kleiner mittlerer Weglänge enthält.

Gas	Ion	Mittlere freie Weglänge bei normaler Temperatur und normalem Druck X 10° cm	Ionisierungs spannung	Faktor für die Reichweite der schnellen Ionen bei 1 mm Druck und 0° C X 107cm
Argon Krypton Xenon Quecksilber Stickstoff	A + Kr + Xe + Hg + N., + N +	ΙΟ,ΟΟ 9.49 9,io 3-72 9.44	15 bis 25 12 bis 20 io bis 17 10 bis 16 18 bis 30	2,03 1,43 o,95 0,75 1.94

Als Zündgas könnte danach an sich ein Gas aus der Gruppe Argon, Krypton und Xenon verwendet werden, wenn im wesentlichen lange Anwärmperioden nicht zu beanstanden sind.

Versuchslampen mit Stickstoffüllung anstatt z. B. einer Füllung von Argon sind dagegen ungeeignet, weil eine hohe Zündspannung erforderlich ist. Zum Beispiel ist bei einer mit Barium aktivierten Wolframelektrode der Spannungsabfall an der Kathode für Argon 93 Volt, während er für ,Stickstoff bei einer Elektrodentemperatur von 25⁰C 157 Volt beträgt.

Die Beigabe von Stickstoff zu Argon hat eine sehr starke Wirkung auf die Anwärmzeit von Ent-Indessen reicht das Kennzeichen einer kurzen mittleren freien Weglänge für sich allein nicht zur Eignung eines Gases aus. Das Gas muß außerdem noch eine im wesentlichen geringe Ionisierungsspannung und einen kleinen Faktor der Reichweite der schnellen Ionen haben. Mit diesem Wert wird üblicherweise die durchschnittliche Weglänge angegeben, über welche ein Ion eine Geschwindigkeit aufrechterhalten kann, die so hoch ist, daß schädigende Wirkungen auftreten. Dieser Wert ist zahlenmäßig gleich dem Produkt aus der zur 3/2-Po'tenz erhobenen Anfangsenergie des Ions und einer Konstante, die für jedes Gas einen charakteristischen Wert hat. Ein Gas aus der Gruppe Argon, Krypton und Xenon entspricht diesen Erfordernissen, erhöht aber die Anwärmgeschwindigkeit der Lampe nur dann merklich, wenn der Druck auf einen Wert von über etwa 25 mm für Krypton und Xenon und 35 mm für Argon erhöht wird. Eine derartige Drucksteigerung erhöht aber die Zündspannung in ungünstiger Weise.

Die Erfindung ermöglicht es, die Vorteile der Verwendung der oben gekennzeichneten Hauptzündgase aufrechtzuerhalten, ohne daß unwirtschaftlichhohe Zündspannungen in Kauf genommen werden müssen. Bei einem Entladungsgefäß nach der Erfindung wird der Leistungsverbrauch der Lampe nach der Zündung so erhöht, daß es nicht mehr notwendig ist, den Druck des Zündgases zu steigern, um die Anwärmgeschwindigkeit der Lampe zu erhöhen.

Für die hier betrachteten Gase sind die Werte für die mittlere freie Weglänge bei normaler Temperatur und normalem Druck, die Ionisierungsspannung und der Faktor der Reichweite der schnellen Ionen die folgenden:

ladungslampen, wie aus Abb. 3 hervorgeht. In dieser ist die Wirkung eines Zusatzes von Stickstoff von nur 0,018 mm Druck zu Argon von 10 mm Druck in bezug auf die Anwärmzeit in einer rohrförmigen Hochdruck-Ouecksilberentladungslampedargestellt. Die Zeit bis zur vollständigen Erwärmung, d.h. bis zur vollen Leuchtstärke der Lampe, ist die Zeit, in welcher eine konstante Lampenspannung erreicht wird, die in diesem Fall 550 Volt beträgt. Die Lampe wird bei im wesentlichen konstanter Stromstärke betrieben. Man sieht aus der Darstellung, daß der Stickstoffzusatz (= Kurve b) die Anwärmzeit gegenüber einem gleichen Entladungsgefäß, jedoch ohne Stickstoffzusatz (= Kurve α), um mehr

als die Hälfte herabsetzt, d. h. die Anwärmgeschwindigkeit wird mehr als verdoppelt. Die Entladungsstrecke der verwendeten Lampe hatte eine Länge von 122 cm. Der Quecksilberdampf hatte einen Druck von etwa 0,4 Atm., wenn die Lampe vollständig angewärmt und alles Quecksilber verdampft war.

In Abb. 4 ist einerseits (Kurve c) die Abhängigkeit der Zeit, in der die Lampe vollständig erwärmt ist. andererseits (Kurve d) die Abhängigkeit des Zündpotentials von der Menge des zu Argon von 10 mm Druck zugesetzten Stickstoffs dargestellt. Wenn gleiche Stickstoffmengen zu Krypton oder Xenon oder Gemischen derselben mit oder ohne Zusatz von Argon zugesetzt werden, und wenn Argon von anderen Drucken als 10 mm verwendet wird, zeigen diese Kurven Abweichungen, z. ß. geringere Zündspannungen bei längeren Anwärmzeiten. Indessen liegen derartige Abweichungen im Rahmen der Erfindung, indem hierdurch die Lebensdauer der Lampe nicht beeinflußt wird, die Zündspannungen im wesentlichen niedrig gehalten und die Anwärmgeschwindigkeit im wesentlichen gleich der einer Argon-Stickstoff-Füllung ist, wenn der Stickstoffgehalt etwas erhöht ist. Wie aus Abb. 4. ersichtlich ist, liegt die Anwärmzeit unter etwa 10 Minuten, sofern der Stickstoffgehalt unter 0,03 % liegt. Die Anwärmzeit nimmt mit steigendem Stickstoffgehalt bis zu etwa 0,3¹Vo Stickstoff schnell ab. Über 0,3 °/o hinaus bringt die Steigerung des Stickstoffgehaltes praktisch keinen Erfolg mehr. Der vorzugsweise verwendete Stickstoffgehalt liegt für Stickstoff-Argon-Gemische bei etwa 0,1 bis 0,2%, für Stickstoff-Krypton-Gemische bei etwa 0,2 bis 0,3% und für Stickstoff-Xenon-Gemische bei etwa 0,3 bis 0,4%. Für ein Gemisch von Krypton und Xenon beträgt der Stickstoffgehalt zweckmäßig o,i bis 0,3 °/o.

Das Erfindungsziel läßt sich nicht erreichen, wenn lediglich Spuren von Stickstoff verwendet werden, da dann der Widerstand des Zündgases nicht ausreicht, um die Anwärmzeit unter etwa 10 Minuten herabzusetzen. Bei Erhöhung des Stickstoffgehaltes über etwa o,3^fl/o nimmt die Anwärmgeschwindigkeit nicht mehr merklich zu, andererseits wird dann die Zündspannung für den praktischen Betrieb zu hoch.

Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Bauart eines Metalldampfhochdruckentladungsgefäßes mit den eingangs erwähnten Besonderheiten beschränkt; sie läßt sich z. B. sowohl bei Hochdruckentladungsgefäßen der fraglichen Art anwenden, die als verdampfbaren Stoff nur Quecksilber enthalten, als auch bei solchen, die Kadmium- und Quecksilberdampf enthalten, ferner bei Hochdruck- und Höchstdruck-Quecksilberlampen und bei verschiedenen Drücken des Zündgases, z. B. 20 mm, welchem Stickstoff in den angegebenen Grenzen zugesetzt wird. Die Erfindung ist in ihrer Anwendung auch nicht davon abhängig, ob das Entladungsgefäß nur eine Hülle hat, oder ob es mit Hilfsvorrichtungen zum Zünden versehen ist oder nicht.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Metalldampfhochdruckentladungsröhre, die außer dem verdampfbaren Metall, wie z. B. Quecksilber oder Quecksilber mit Kadmium, ein Zündgas, bestehend aus einem oder mehreren der Gase Argon, Krypton und Xenon, enthält und deren Inneres frei von Leuchtstoffen ist, insbesondere Leuchtröhre dieser Art, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündgas einen Stickstoffzusatz in Höhe von 0,03 bis 0,4% hat.

2. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Stickstoff-Argon-Gemisches der Stickstoffgehalt etwa 0,1 bis 0,2% beträgt.

3. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei A^rerwendung eines Gemisches von Stickstoff mit zumindest einem der Gase Krypton und Xenon der Stickstoffgehalt etwa 0,2 bis 0,4% beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Buch von Prof. Dr. C. Zwikker, »Fluoreszenzbeleuchtung«, Philip's Technische Bibliothek, 1951, S. 28.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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