DE3038993A1

DE3038993A1 - Metalldampfentladungslampe

Info

Publication number: DE3038993A1
Application number: DE19803038993
Authority: DE
Inventors: Katsuya Otani; Ryo Suzuki; Michihiro Kamakura Kanagawa Tsuchihashi; Keiji Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-01-17
Filing date: 1980-10-15
Publication date: 1981-07-23
Also published as: GB2067826B; US4418300A; NL189984B; DE3038993C2; GB2067826A; NL8005530A

Description

1A-3399

ME-520
(F-6274)

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo s, Japan

Metalldampfentladungslampe

Die vorliegende Erfindung betrifft Metalldampfentladungslampen, wie Hochdruck-Natriumlampen, bei denen Natrium, Quecksilber und ein Edelgas in dem Lichtbogenrohr eingeschlossen sind.

Im folgenden soll eine Hochdruck-Natriumlampe beispielhaft erläutert werden. Gemäß Fig. 1 umfaßt eine Hochdruck-Natriumlampe im allgemeinen eine Stromdurchführung 3 aus hitzebeständigem Metall und eine Elektrode 6, die an der Stromdurchführung 3 befestigt ist. Die Stromdurchführung 3 und die Elektrode 6 sind unter Verwendung einer Glasfritte 5 in eine Kappe 2 aus Aluminiumoxidkeramik eingepaßt. Die Kappe 2 wiederum ist jeweils in ein Lichtbogenrohr 1 aus Aluminiumoxidkeramik oder dergl. mittels einer Glasfritte 4 eingepaßt. In dem Lichtbogenrohr 1 sind Natrium, Quecksilber und Xenon (Xe) oder ein

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anderes Edelgas mit einigen zehn Torr eingeechmolzen, wobei das Edelgas als Zündgas verwendet wird. In Fig. 1 sind mit den gestrichenen Zahlen (') jeweils ähnliche Komponenten wie mit den entsprechenden Zahlen ohne Strich bezeichnet. Es sind weiterhin Natriumlampen bekannt, die eine Zünderleichterung (Starthilfe) 12 aufweisen, mit der, wie in Fig. 2 gezeigt, das Lichtbogenrohr ausgerüstet ist, um die Zündspannung zu senken. Fig. 2 zeigt ein Halterungsdiagramm für eine Natriumlampe mit Zünderleichterung. Bei dieser Lampe ist ein leichtes Zünden gewährleistet. Metallrahmendrähte 7 und 8, die als Eingangsklemmen dienen, sind jeweils über Metalldrähte 13 und 14 mit den Stromdurchführungen 3 bzw. 3' verbunden und an diesen befestigt. Die aus hitzebeständigem Metall bestehenden Stromdurchführungen sind an beiden Enden des Lichtbogenrohrs 1 angeordnet. Dieses besteht aus einer Aluminiumoxidkeramik oder dergl.. Eine aus hitzebeständigem Metalldraht bestehende Zünderleichterung 12 ist außen um das Lichtbogenrohr 1 herumgelegt, wobei beide Enden des Drahtes mittels Glaskügelchen 9 und 10 elektrisch Isoliert und gehalten werden. Lediglich während des ZUndzeitpunkts wird über einen Bimetallstreifen 11 mit einer beliebigen Eingangsklemme (Eingangsklemme 7 in Fig. 2) ein elektrischer Kontakt hergestellt. Auf diese Weise kann der Abstand zwiechen den beiden Elektroden während des Zündens verkürzt werden. Dadurch wird die Zündspannung beträchtlich verringert, und ein leichtes Zünden der Lampe gewährleistet. Die Teile 15 und 16 in Fig. 2 sind mit den genannten Metallrahmendrähten 7 und 8 verbundene Eingangsklemmen und das Teil 17 ist ein mit den genannten Eingangsklemmen 15 und 16 verbundener Lampensockel.

In den letzten Jahren sind neue Natriumlampen mit verbesserten Farbwiedergabeeigenschaften vorgeschlagen wor-

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den, bei denen hitzebeständige Metallgürtel 18, wie in Fig. 2 gezeigt, um die Enden des Lichtbogenrohrs 1 gewickelt sind. Die Metallgürtel dienen dabei als Wärmeisolatoren, um die Temperatur der kühlsten Bereiche an den Enden des Lichtbogenrohrs 1 zu erhöhen. Die erwähnten Metallgürtel 18 halten also die kühlsten Bereiche des Lichtbogenrohrs 1 warm, erhöhen den Natriumdampfdruck innerhalb des Lichtbogenrohrs 1, verstärken die Resonanzabsorption des Natriums und bewirken eine Verbreiterung des Emissionsspektrum^ über den gesamten sichtbaren Bereichen und führen dadurch zu einer Verbesserung aer Farbwiedergabeeigenschaften. Ein derartiger Warmhalteeffekt macht sich unter den elektrischen Charakteristika der Lampe bei der Lampenspannung bemerkbar» In Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der Breite a des Metallgürtels 18 und dem Potentialanstieg (Gradienten) E (V/cm) gezeigt. Der Potentialgradient ist ein Wert, der durch Division der Lampenspannung durch die Lichtbogenlänge (den Elektroden-Elektroden- Abstand) erhalten wird. Dieser Wert stellt einen geeigneten Faktor dar, der bei unterschiedlichen Lichtbogenlängen oder dergl. verwendet werden kann. Aus der Figur wird deutlich, daß ein Potentialgradient von 12 V/cm in dem Fall erhalten wird, wenn kein Metallgürtel 18 vorhanden ist (d.h. bei einer Breite a = O). Der Potentialgradient kann auf etwa 18 V/cm erhöht werden, wenn die Breite a auf 5 mm zunimmt. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Potentialgradienten E (V/cm) einer Hochdruck-Natriumlampe und ihres allgemeinen Farbwxedergabeindex Ra in einem Fall, bei dem ein Xenon(Xe)-Druck von 20 Torr und ein Natrium-Molverhältnis von 0,74 vorliegt. Die Erhöhung des Potentialgradienten führt zu einem erhöhten Ra. Ein vergrößerter Durchmesser des Lichtbogenrohrs führt ebenfalls zu einer Zunahme des Ra-Werts. Das letztere Verfahren wird jedoch im allgemeinen nicht angewendet, da die Materialien, aus denen die Lichtbogenrohre bestehen,

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wie polykristallines Aluminiumoxid, sehr teuer sind. Es werden daher im allgemeinen Rohre mit einem Durchmesser von 10 mm oder kleiner verwendet.

Hinsichtlich der Farbwiedergabeeigenschaften einer Hochdruck-Natriumlampe wird ein Ra-Wert von 40 ~ 70 oder vorzugsweise 50 ~ 60 angestrebt. Bei einem Ra-Wert von 40 oder weniger ist die Lampe für Innenbeleuchtungszwecke nicht geeignet. Andererseits wird bei einem Ra von 70 oder darüber eine beträchtliche Verminderung der Lichtausbeute verursacht. Gemäß Fig. 4 führt daher ein Versuch, unter Verwendung eines Rohrs mit einem Durchmesser von 8 mm einen Ra-Wert von 40 zu erhalten, zu einem Potentialgradienten E von 21 V/cm. In diesem Fall wird, wie aus Fig. 4 hervorgeht, der abgeschmolzene Bereich in der Nähe des kühlsten Bereichs des Rohrs eine Temperatur von etwa 770°C aufweisen. Um einen Ra-Wert von 60 zu erhalten, was gute Farbwiedergabeeigenschaften bedeutet, müßte am abgeschmolzenen Bereich eine Temperatur von 800⁰C oder darüber erreicht werden. In Fig. 5 ist die Dicke der Natriumdiffusionsschicht im Inneren eines abgeschmolzenen Glases gegen die jeweilige Behandlungstemperatür als Variable aufgetragen. Bei der Behandlungstemperatur handelt, es sich dabei um mehrere unterschiedliche Behandlungstemperaturen, bei denen das abgeschmolzene Glas und das Natrium in einem Behälter während einer vorbestimmten Zeitdauer aufbewahrt werden (vergl. auch "Mitsubishi Denki Giho", Seite 1177, Band 47, Nr. 11, 1973).

Aus Fig. 5 geht hervor, daß oberhalb 750⁰C das Natrium sich innerhalb des abgeschmolzenen Glases in einer reagierten Form verteilt. Da die Behandlungstemperatur des abgeschmolzenen Glases gemäß Fig. 5 als äquivalent der Temperatur des abgeschmolzenen Bereichs gemäß Fig. 4 angesehen werden kann, ist es erforderlich, daß die letztere Tem-

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peratur 75O⁰C oder weniger beträgt. Das heißt, falls die Temperatur des abgeschmolzen©n Bereichs gemäß Fig. 4 über 750⁰C ansteigt, reagiert das Natrium mit dem abgeschmolzenen Glas, was wiederum dazu führt, daß das abgeschiaolzene Glas brüchig wird und folglich, die Betriebslebensdauer der Lampe verkürzt wird. Wenn auch der allgemeine Farbv/ieaergabeindex Ra mit dsm Matrium-Mo!verhältnis sowie mit dem Potentialgradienten S und dem Durchmesser des Rohrs in Beziehung steht, so wird doch angenommen? daß öi^e Beziehung zwischen der Temperatur des angeschmolzenen Bereichs und Ra, wie in Fig. 4 gezeigt₉ sich nicht nennenswert ändert. Das bedeutet, daß ein Versuch, bei 750°C oder darunter einen Ra-Wert von 60 zu erhalten, die Verwendung eia.es großen, teuren Liclitbogearohrs der 12 mm-Durchmesserklasse unumgänglich macht. Diese Tatsache wird iia Fig, 4 angedeutet .

Zur Verbesserung der Farbwiedergabeeigenschaften einer Hochdruck-Natriumlampe steht ein weiteres Verfahren zur Verfügung. Während des Betriebs der Lampe wird der Dampfdruck des Natriums so weit erhöht, daß das Natrium selbst die Strahlung der Natrium-D-Lini©n (5896 und 5890 °0 absorbiert und von unterschiedlichen Energieniveaus wieder abstrahlt. Auf diese Weise kann ein© Verbreiterung der Natrium-D-Linien gefördert werden und ein Strahlungsspektrum erzielt werden, das sich fast über den gesamten sichtbaren Bereich ausbreitet. Das über fast den gesamten sichtbaren Bereich ausgebreitete Emissionsspektrum verringert jedoch den prozentualen Anteil der Emission im Wellenlängenbereich in der Nähe von 555 mm mit besonders hoher spektraler Lichtausbeute. Dieses Verfahren hat daher den Nachteil, daß eine geringere spektrale Lichtausbeute als bei herkömmlichen Hochdruck-Natriumlampen erreicht wird.

Die Lichtausbeute tj(lm/W) wird ausgedrückt durch:

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Dabei bedeutet K (lm/W) die sichtbare Lichtausbeute (den optischen Nutzeffekt) und ??_e die Strahlungsausbeute des sichtbaren Bereichs. K und ^ werden durch folgende Formeln erhalten:

Κ = 68θί⁷⁸⁰ VOO-P(A)CM//⁷⁸⁰ PAdA (2) ' 380 ' 380

=/
^J

⁷⁸° PAdA/w (3)

380

Dabei bezeichnet V (Λ ) den spektralen Heilempfindlichkeitsgrad und PΆ die spektrale Strahlungsenergie.

Der Wert K beträgt bei gewöhnlichen Hochdruck-Natriumlampen etwa 400 lm/W. Durch Bestrebungen zur Verbesserung der Farbwiedergabeeigenschaften fällt dieser Wert jedoch auf 330 lm/W ab. T? beträgt etwa 0,3, wobei fast kein Unterschied zwischen gewöhnlichen Lampentypen und solchen mit hoher Farbwiedergabe besteht. Insgesamt weisen daher gewöhnliche Hochdruck-Natriumlampen eine Lichtausbeute von ^l = 400 χ 0,3 = 120 lm/W auf. Bei Lampentypen mit hoher Farbwiedergabe ist jedoch die Lichtausbeute auf etwa 7^ = 330 χ 0,3 = 99 lm/W reduziert. Das bedeutet, daß, obwohl entweder K oder V oder beide erhöht werden können, um die Lichtausbeute ι\ zu steigern,im Hinblick auf die Erzielung der angestrebten Farbwiedergabeeigenschaften der Wert für K gewissen Beschränkungen unterworfen ist, und zwar deshalb, weil die sichtbare Lichtausbeute K in engem Zusammenhang mit dem Natriumdampfdruck steht. Es sollte deshalb in erster Linie Ύ[^ geändert werden. Die sichtbare Strahlungsausbeute ⁷J _e hängt ab von dem Durchlaßvermögen des Lichtbogenrohrs für sichtbare Strahlungsenergie, von Verlusten des Lichtbogens durch thermische Leitung in dem Lichtbogenrohr und von anderen Faktoren. Die bisher bekannten Hochdruck-Natriumlampen weisen darüberhinaus den Nachteil auf, daß bei dem durch die Zünd-

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erleichterung 12 bewirkten Abfall der Zündspannung beträchtliche Schwankungen auftreten, was eine instabile Zündspannung zur Folge hat.

Die vorliegende Erfindung beruht auf Bestrebungen_s die oben erwähnten Nachteile zu vermeidenο

Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Metalldampfentladungslampe, die an den Enden des Lichtbogenrohrs angepaßte Wärmeisolatoren und eine außen um das Lichtbogenrohr angeordnete Zünderleichterung aufweist, gute Farbwiedergabeeigenschaften zu schaffen, indem man ein Edelgas zusammen mit Natrium und Quecksilber mit 100 Torr oder darüber In dem Lichtbogenrohr einschließt. Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer Metalldampfentladungslampe des oben angedeuteten Baus eine hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabeeigenschaften zu schaffen, indem man das Verhältnis des Natriumgewichts zu dem Gesamtgewicht von Natrium und Quecksilber P (Gew.%) sowie den durchschnittlichen Potentialgradienten E (V/cm) in einer derartigen Weise festlegt, daß die Beziehungen

10 < P < 90

,_o • ρ • 480 _9O

^{30 P} E~T~T2 " ²⁰

wobei P das Verhältnis des Natriumgewichts und E den Durchschnittspotentialgradienten bedeutet, erfüllt sind. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei Metalldampfentladungslampen des oben erwähnten Baus durch Anordnen der Zünderleichterung und der Elektrode an der kühlsten Seite des Lichtbogenrohrs in der Weise, daß das gleiche Potential gewährleistet ist, eine Metalldampf entladungslampe zu schaffen, bei der einerseits der Abschirmeffekt des elektrischen Feldes überwunden werden kann, welcher vom Na tr iiim-Quecksilber amalgam und anderen,

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in der Lampe eingeschlossenen Substanzen herrührt, die sich auf der Innenfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode im kühlsten Abschnitt des Rohrs bilden, andererseits die Diffusion der elektrischen Feldlinien (Verringerung der Dichte der elektrischen Feldlinien) vermieden werden kann und bei der schließlich die Zündspannung niedrig ist und dabei einen geringen Streuungsgrad aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Lichtbogenrohrs einer herkömmlichen Hochdruck-Natriumlampe;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer Halterungsanordnung, bei der das Lichtbogenrohr einer Hochdruck-Natriumlampe mit einer Zünderleichterung ausgerüstet ist;

Flg. 3 die Beziehung zwischen der Breite des Metallgürtels, der als Wärmeisolator dient, und dem Potentialgradienten;

Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Potentialgradienten oder der Temperatur des abgeschmolzenen Abschnitts und dem allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra;

Fig. 5 die Beziehung zwischen der Behandlungstemperatur des abgeschmolzenen Glases und der Breite der Natriumdiffusionsschicht ;

Fig. 6 den Effekt des Xenon(Xe)-Drucks auf den allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra;

Fig. 7 die Beziehung zwischen dem Xenondruck und der Lichtausbeute;

Fig. 8 die Beziehung zwischen dem allgemeinen Farbwiedergabeindex und der Lichtausbeute;

Fig. 9 die Beziehung zwischen dem Durchschnittspotentialgradienten und dem Natriumgewichtsverhältnis;

Fig.10 eine bei der Zündspannung auftretende Streuung der in Fig. 2 gezeigten Hochdruck-Natriumlampe;

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Fig. 11a und 11b die elektrischen Feldlinien beim Zünden einer Hochdruck-Natriumlampe· und

Fig. 12 den wesentlichen Teil einer Zündschaltung, die bei einem Versuch zur Schaffung einer erfindungsgemäßen Metalldampf entladungslampe verwendet wurde,,

In Fig. 6 ist die Änderung von Ra gezeigt, die bei einer Änderung des Xenon(Xe)-Drucks eintritt, wenn der Potentialgradient, der innere Durchmesser des Rohrs und das Natriummo!verhältnis konstant gehalten werden. Aus der Figur geht hervor, daß mit einer Erhöhung des Xenondrucks eine Zunahme von Ra einhergeht. Das beruht darauf, daß die Xenon(Xe)-Atome einen gewissen Effekt auf die Wahrscheinlichkeit der Resonanzabsorption der Natriumatome oder -moleküle in dem Lichtbogen oder in der umgebenden Gasschicht ausüben.

Durch Anwendung des oben erwähnten Effekts des Xenon(Xe)-Drucks auf den Ra-Wert ist es den Erfindern gelungen, eine Metalldampfentladungslampe mit erhöhtem Xenon(Xe)-Druck des Lampentyps zu schaffen, der mit als Wärmeisolatoren dienenden Metallgürteln 18 an beiden Enden des Lichtbogenrohrs 1 ausgerüstet ist. In der Fig. 4 sind die Ergebnisse durch die gestrichelten Linien dargestellt. Wie aus dieser Figur hervorgeht, kann bei einem Xenon(Xe)-Druck von 300 Torr ein Ra-Wert von 60 erreicht werden, und zwar bei der kritischen Temperatur von 75O°C des abgeschmolzenen Abschnitts und unter Aufrechterhaltung des Durchmessers des Lichtbogenrohrs 1 von 8 mm. Wie in dem Fall, bei dem der Xenon(Xe)-Druck gering ist, erhöht sich der Ra-Wert bei der gleichen Temperatur des abgeschmolzenen Bereichs noch weiter, wenn ein Rohr mit einem größeren Durchmesser angewendet wird. Aus Fig. 6 wird deutlich, daß ein Xenondruck von 100 Torr oder darüber erforderlich ist. Da die Erhöhung des Xenon(Xe)-Drucks eine Erhöhung

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der Zündspannung verursacht, wird erfindungsgemäß zusätzlich eine Zünderleichterung (Starthilfe) vorgesehen, die um die äußere Oberfläche des Lichtbogenrohrs 1 herum angeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Versuchsweise wird eine Lampe der in Fig. 2 gezeigten Struktur hergestellt. Die Lampe umfaßt in ihrem äußeren

rter

Lampenkolben einen Bimetallsta und weist ein Lichtbogenrohr 1 mit einem Innendurchmesser von 8,0 mm, einen Elektroden-Elektroden-Abstand von 7,9 cm, ein eingeschlossenes Natrium-Amalgam-Verhältnis von 0,81 auf und enthält Xenon (Xe), das mit einem Druck von 350 Torr eingeschlossen ist. Die Daten dieser Lampe sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabel7" 1

Lampenspannung 130 V

Larapenstrom 3,3 A

Leistungsaufnahme der Lampe .360 W Lichtausbeute 120 lm/W

Ra 60

Farbtemperatur 215OK

Wie bereits oben erwähnt, beruht die vorliegende Erfindung auf der Erzielung ausgezeichneter Farbwiedergabeeigenschaften bei einer Hochdruck-Natriumlampe, welche Metallgürtel .18 als Wärmeisolatoren an den Enden des Lichtbogenrohrs aufweist und bei der außen um das Lichtbogenrohr 1 herum eine Zünderleichterung vorgesehen ist. Die guten Farbwiedergabeeigenschaften werden dadurch erreicht, daß man Xenon(Xe)gas mit höherem Druck in dem Lichtbogenrohr 1 einschließt. Die erfindungsgemäße Lampe kann vorteilhafterweise mit geringen Kosten hergestellt

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werden. Das in das Lichtbogenrohr 1 eingeschlossene Edelgas ist nicht auf Xenon beschränkt. Es kann eine ■beliebige Mischung aus Xenon (Xe) mit verschiedenen anderen Gasen, z.B. Krypton (Kr), oder irgendein anderes Gas eingesetzt werden, das einen ähnlichen Effekt wie Xenon (Xe) aufweist.

Gemäß der obigen Beschreibung %tf©ist das verwendete Lichtbogenrohr einen Durchmesser von 8 mm auf. Es können jedoch auch weitere oder dünnere Lichtbogenrohre als 8 mm im Durchmesser verwendet v/erden ₉ solange nur gewährleistet ist, daß der Effekt einer Druckerhöhung des Xenonx (Xe) oder anderer Edelgase zur besseren Farbwiedergabe ausgenutzt werden kann. Im allgemeinen werden Rohrdurchmesser· von 5 nun ~ 12 mm bevorzugt. Lichtbogenrohre mit geringem Durchmesser sind insbesondere bei Hochdruck-Natriumlampen mit geringer Leistungsaufnahme anwendbar. Die obige Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgte anhand einer Hochdruck-Natriumlampe. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß diese Erfindung ebenfalls auf Metallhalogenidlampen oder andere Metalldaiapfentladungslampen anwendbar ist, vorausgesetzt, daß zum Einschließen des Natriums ein Lichtbogenrohr verwendet wird, das aus polykristallinem Aluminiumoxid oder einem anderen kristallinen Oxidmaterial besteht.

In der obigen Beschreibung wird als Wärmeisolator ein Metallgürtel beschrieben. Es können jedoch auch Keramikmaterialien oder andere Materialien verwendet werden, falls diese Materialien die Enden des Lichtbogenrohrs in der zweckentsprechenden Weise warmhalten können. Der genannte Wärmeisolator kann auch lediglich an einem Ende des Lichtbogenrohrs angeordnet sein. Falls Natrium-Quecksilberamalgam eingeschlossen ist, sollte das Molverhältnis γ des Natriums im Amalgam vorzugsweise 0,1 < f < 1,0 betragen. Die Verwendung eines f von<0,1 führt zu einem

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Abfall der zur Verfügung stehenden Natriummenge, was wiederum große Änderungen der Lampenspannung aufgrund des Natriumverlustes bewirkt und folglich, ein Verlöschen der Lampe verursacht. Der Potentialgradient E wird aus der Beziehung zwischen dem Durchmesser des Rohrs und der Wandbelastung des Rohrs bestimmt. Die Wandbelastung des Rohrs W_L ist durch die folgende Formel gegeben:

in der W_L die elektrische Leistungsaufnahme des Rohrs bezeichnet, D den Durchmesser des Rohrs und la den Elektroden-Elektroden- Abstand bezeichnet. CO _ sollte im Falle von polykristallinem Aluminiumoxid vorzugsweise einen Wert von 20 W/cm oder darunter betragen. Da der Potentialgradient E durch die folgende Gleichung gegeben ist:

E = Ifc (V/cm) (2)

(wobei V, die Lampenspannung bezeichnet), gilt die folgende Beziehung:

^{= ¥}L

Im Falle D = 0,8 cm Durchmesser, V^ = 130 V und W_L = 360, ist E gleich oder kleiner als 18,15 ( E < 18,15). Aus Formel (3) erhält man somit die obere Grenze des Potentialgradienten E.

Der Xenon(Xe)-Druck kann, wie oben beschrieben, 100 Torr oder höher sein. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sollte der Druck vorzugsweise 200 Torr oder mehr betragen. Aus den mit der Zündspannung zusammenhängen Gründen sollte der Druck vorzugsweise höchstens 500 Torr betragen.

Die Breite a des Metallgürtels, der in dem obigen Versuchsbeispiel beschrieben wurde, sollte vorzugsweise im

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Bereich O <a < 15 mm betragen= Bei einer Breite a von mehr als 15 mm (a >15 mm) ist eine Temperatur von 800⁰C oder mehr des abgeschmolzenen Bereichs die Folge, was die Betriebslebensdauer der Lampe beträchtlich verkürzt=

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Xenongasdruck und der Lichtausbeut© bei einem Beispiels, bei dem Xenon als eingeschlossenes Gas verwendet wird. Es wird deutlich, daß eine Zunahme des Xenongasdrucks zu einer Erhöhung der Lichtausbeute beiträgt,, Der Xenongasdruck sollte vorzugsweise auf 100 Torr oder darüber eingestellt werden. Die sichtbare Strahlungsausbeute 1? kann von O₉3 auf etwa 0,36 erhöht werden, indem man den Xenongasdruck auf 400 Torr einstellt. Di© Lichtausbeute beträgt daher 330 χ 0,36 = 119 lm/¥.

Von den Erfindern wurden ebenfalls die Farbwiedergabeeigenschaften untersucht, und zwar im Hinblick auf geeignete "Werte des allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, daß der Ra-Wert, der bei herkömmlichen Hochdruck-Natriumlampen 20 ~ 30 beträgt, auf 40 ~ 70 geändert werden sollte. Eine Untersuchung der Beziehung zwischen den Farbwiedergabeeigenschaften und der Lichtausbeute führte zu den in Fig. 8 gezeigten Ergebnissen. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel wurden die Messungen unter Verwendung eines Xenongasdrucks von 350 Torr und ©iner konstanten Leistungsaufnahme der Lampe von 360 ¥ durchgeführt. Dabei wurde der allgemeine Farbwiedergabeindex auf der Abszisse und die Lichtausbeute auf der Ordinate aufgetragen. Aus Fig. 8 geht hervor, daß ein Versuch zur Erhöhung von Ra zu einer Verringerung der Lichtausbeute führt und daß bei einem Versuch zur Erhöhung der Lichtausbeute bei dem Ra-Wert eine Verringerung eintritt.

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Die für eine Hochdruck-Natriumlampe erforderliche Lichtausbeute soll im allgemeinen 110 lm/W oder größer sein. Der Grund dafür ist folgender. Hochdruck-Natriumlampen bieten keinerlei speziellen Vorteil, falls sie nur eine Lichtausbeute von 110 lm/w oder darunter aufweisen, nachdem bereits Metallhalogenidlampen und andere Lampen mit ausgezeichneten Farbwiedergabeeigenschaften zur Verfügung stehen, die eine Lichtausbeute von etwa 100 lm/W bieten. Daher ist bei dem Ra-Wert eine Festlegung der oberen Grenze auf Ra = 60 ~ 70 oder in diesem Bereich erforderlich. Hinsichtlich der unteren Grenze des Ra-Wert haben die Erfinder bei ihren Untersuchungen Hochdruck-Natriumlampen mit einem Ra von 40 oder darüber berücksichtigt, nachdem bereits herkömmliche Hochdruck-Natriumlampen Farbwiedergabeeigenschaften von Ra = 30 oder in diesem Bereich aufweisen. Das heißt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung angestrebten Hochdruck-Natriumlampen haben eine Lichtausbeute von 110 lm/W oder darüber und weisen einen allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra in einem Bereich von 40 < Ra < 70 auf.

Eine Lichtausbeute von 110 lm/W oder darüber könnte, wie bereits oben erwähnt, durch Erhöhung des Xenongasdrucks auf 100 Torr oder darüber erreicht werden. Andererseits besteht eine Beziehung zwischen dem allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra und dem eingeschlossenen Natrium-Quecksilber-Verhältnis sowie dem Potentialgradienten des Lichtbogens.

In Flg. 9 sind die Beziehungen zwischen dem Gewichtsverhältnis des Natriums, bezogen auf das gesamte Natrium-Quecksilberamalgam (Gew.?6) und dem Durchschnittspotentialgradienten (V/cm) dargestellt. Von den beiden Kurven A und B bedeutet die Kurve A die Beziehung zwischen dem Natriumgewichts verhältnis und dem Durchschnittspotentialgradien-

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ten, bei dem ein Ra von 40 erhalten wird. Falls zwei Werte auf der Kurve A bekannt sind, ist man in der Lage, eine Lampe von Ra = 40 zu schaffen. In gleicher Weise bedeutet die Kurve B die Beziehung, mittels derer Ra = 70 erreicht wird. Das Natriumgewichtsverhältnis und der Potentialgradient im Bereich zwischen Kurve A und Kurve B ergeben einen Ra von 40 ~ 70. Falls das Natriumgewichtsverhältnis 90 Gew.% übersteigt, ist es jedoch schwierig, eine vorgegebene Lampenspannung zu erreichen. Das bedeutet, daß die Temperatur des kühlsten Abschnitts des Lichtbogenrohrs, ein Faktor, der die Lampenspannung bestimmt, so hoch wie möglich sein muß und daß die Temperatur des abgeschmolzenen Abschnitts des Lichtbogenrohrs in der Nähe des kühlsten Abschnitts erhöht werden muß» Dadurch tritt ein nachteiliger Effekt hinsichtlich, der Betriebslebensdauer der Lampe auf. Andererseits führt ein Natriumgewichts verhältnis von weniger als 10 Gew.% dazu, daß in der Lampe vorhandene Verunreinigungen einen größeren Effekt ausüben. Da das Natrium während des Betriebs der Lampe mit den Verunreinigungen reagiert, führt die verringerte Menge an Natrium zu einem größeren Quecksilbereffekt, was einen scharfen Anstieg bei der Lampenspannung und ein Verlöschen der Lampe zur Folge hat. Aus diesem Grund sollte das Natriumgewichtsverhältnis innerhalb eines Bereichs von 10 ~ 90 Gew„% gewählt werden. Folglich können Natriumlampen mit Ra = 40 ~ 70 geschaffen werden, indem man das Natriumgewichtsverhältnis und den Durchschnittspotentialgradienten in der Weise festlegt, daß Werte erreicht werden, die in dem schraffierten Bereich liegen, der durch die Kurven A und B und die Geraden C und D in Fig. 9 definiert ist. Die Kurve A bzw. B lassen sich durch die folgende"Formel¹ ausdrücken, wobei f> (Gew.%) für das Natriumgewichtsverhältnis und E (V/cm) für den Durchschnittspotentialgradienten steht:

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	*P ⁺*	30	-	_ 480	*18-*	3038993
A:	*P ⁺*	20	480		(4)
Bt		E - 12		(5)

Wenn man diese Formeln zusammen mit der Beziehung 10 < /> < 90 in Erwägung zieht, erhält man die folgenden Fo rmeln

TT^rz-ioiPi F-^-so (6)

10 < P < 90 (7)

Aus den Formeln (6) und (7) wird der Bereich des Durchschnittspotentialgradienten bestimmt, und zwar wie folgt:

10 < E < 28 (8)

Das heißt, es ist auf die oben erwähnte Weise möglich, eine qualitativ hochwertige Hochdruck-Natriumlampe zu schaffen, die eine hohe Lichtausbeute und gute Farbwiedergabeeigenschaften von Ra = 40 ~ 70 sowie große industrielle Vorteile aufweist. Das wird dadurch erreicht, daß man bei dem eingeschlossenen Gas einen Druck von 100 Torr oder mehr vorsieht und das Natriumgewichtsverhältnis f (Gew.%) sowie den Durchschnittspotentialgradienten E (V/cm) der Lampe innerhalb der durch die Formeln (6) und (7) definierten Bereiche festlegt.

Wenn auch bei der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung Xenongas verwendet wurde, so kann doch ebenfalls Krypton, Argon oder ein anderes Gas oder eine Gasmischung mit Xenongas eingesetzt werden. In jedem Fall ist die Verwendung eines Drucks von 100 Torr oder mehr mit einer Zunahme der Lichtausbeute verbunden. Xenongas führt jedoch zu der höchsten Steigerung der Lichtausbeute. In der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurden ein Edelgas und Natrium-Quecksilber als die in der Lampe eingeschlossenen Substanzen verwendet. Es können jedoch auch andere Metalle zusätzlich zusammen mit dem Natrium-

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Quecksilber eingesetzt werdenρ um die Farbtemperatur oder andere Eigenschaften zu verbessern. Die Zugabe kann jedoch nur in einem solchen Ausmaß erfolgen, daß keinerlei schwerwiegende Änderung bei dem Fotentialgradienten aufgrund einer derartigen Addition verursacht werden kann.

Beispiel 2

Unter Verwendung eines Lichtbogenrohrs mit einer Länge von 114 mm und einem Innendurchmesser von 8-,O ram wird ein Lichtbogenrohr mit einer Lichtbogenlänge von 6_P2 cm versuchsweise hergestellt. An beiden Enden des Lichtbogenrohrs werden Elektroden angeordnet» Das Lichtbogenrohr ist damit so ausgebildet, daß ein veränderlicher NH-36OLX Quecksilberbogenlampen-Stabilisator verwendet werden kann. Xenongas von 400 Torr bei Zimmertemperatur und Natrium-Quecksilberamalgam-Kügelchen mit einem Natriumgewichtsverhältnis von 17 Gew.?ä werden in das Rohr eingeschlossen. Bei Betrieb unter Verwendung eines Stabilisators für die 400 ¥ Quecksilberbogenlampe werden bei einer Lampenspannung von 125 V (Potentialgradient: 20,2 V/cm) und bei einer Leistungsaufnahme der Lampe von 360 ¥ eine Lichtausbeute von 120 lm/W, ein allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra von 60 und eine Parbtemperatur von 2200°K erreicht.

In Fig. 10 sind jeweils die gemessenen Zündspannungen von zwanzig 400 W Hochdruck-Natriumlampen gezeigt, die hergestellt wurden, indem man in den in Fig. 2 gezeigten Hochdruck-Natriumlampen den Druck des eingeschlossenen Xenons auf 350 Torr einstellt. Aus dieser Figur geht hervr, daß eine beträchtliche Streuung bei den Zündspannungen vorhanden ist.

Im Hinblick auf das oben erwähnte Streuen der Zündspannung haben die Erfinder eingehende Untersuchungen durch-

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geführt. Dabei hat sich herausgestellt, daß der Hauptgrund für dieses Streuen mit dem Schwärzen der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 zusammenhängt. Nachdem diese schwarze Substanz während des Betriebs der Lampe fast vollständig verschwindet, war außerdem klar, daß sich ein Großteil .durch die Adhäsion des Na-Hg-amalgams, also der in der Lampe eingeschlossenen Substanz, an die innere Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 bildet, und zwar zusätzlich zu dem durch das Verspritzen des Elektronen emittierenden Materials verursachte Schwärzen. Ein derartiges Schwärzen, wie das durch das Na-Hg-amalgam verursachte, tritt insbesondere an den seitlichen Endbereichen der kühlsten Abschnitte des Lichtbogenrohrs auf. Das heißt, es wird angenommen, daß beim Erlöschen der Lampe die Na- und Hg-Dämpfe an den seitlichen Endbereichen des kühlsten Abschnitts des Lichtbogenrohrs kondensieren, welche leichter zu kühlen sind und auf diese Weise auf der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 anhaften. Dadurch bildet sich eine Oberfläche aus, die leicht streuende Elektronenstrahlung oder dergl.einfangen kann.

Man kann davon ausgehen, daß zwischen dem Schwärzen der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 und der Zündspannung eine Beziehung besteht. Das heißt, bei einer Hochdruck-Natriumlampe des in Fig.2 gezeigten Baus, die mit einer Starthilfe (Zünderleichterung) 12 ausgerüstet ist, wird angenommen, daß die elektrischen Feldlinien zum Zeitpunkt des Zündens innerhalb des Lichtbogenrohrs den in Fig. 11a und 11b gezeigten Verlauf nehmen. In Fig.11a sind die elektrischen Feldlinien in dem Fall dargestellt, in dem kein Schwärzen auf der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 vorliegt. In diesem Fall tritt das Zünden leicht ein, da die elektrischen Feldlinien zum Zeitpunkt

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des Zündens via die Zünderleichterung 12 konzentriert sind, welche auf diese Weise su einer großen Dichte der elektrischen Feldlinien beiträgt. Palis jedoch eine Schwärzung auf der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 auftritt, nehmen die elektrischen Feldlinien den in Fig. 11b gezeigten Verlaufs, der zu einem Anstieg der Zündspannung führt» Das heißt ₉ die elektrischen Feldlinien verlaufen gemäß dem Bereich E in der Figur mit einem größeren Abstand. Dieser größere Abstand wird durch die schwarze Substanz 19₉ die an der Innenwand des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 anhaftet, bewirkt. Diese schwarze Substanz bildet einen Film hoher elektrischer Leitfähigkeit_?und folglich wird die Dichte der elektrischen Feldlinien gering. Das führt dazu, daß die Zünderleichterung 12 nur einen geringen und unzuverlässigen Effekt zur Verringerung der Zündspannung ausüben kann, wodurch ein Anstieg oder ein Streuen der Werte der Zündspannung eintritt.

Im Hinblick auf die obengenannten Tatsachen haben die Erfinder folgendes Experiment durchgeführt. Gemäß Fig.12 wurde ein Hitzeisolator 18, bestehend aus einem Metallgürtel, einem Ende des Lichtbogenrohrs einer 400 W Hochdruck-Natriumlampe mit einem Xenondruck von 350 Torr angepaßt. Außen um das Lichtbogenrohr herum wurde,wie in Fig. 2 gezeigt, eine Zünderleichterung 12 vorgesehen, wobei der kühlste Abschnitt des Lichtbogenrohrs an das entgegengesetzte Ende bezüglich des oben erwähnten Endes zu liegen kommt. Außerdem wurden Vorkehrungen getroffen, daß die Zünderleichterung 12 mittels Schaltern S. und S_x,, wie in der Figur gezeigt, mit den jeweiligen Eingangsklemmen der wärmsten bzw. der kühlsten Seite elektrisch verbunden werden kann. Unter Verwendung dieser Anordnung werden die Schalter S. und S_B alternierend geschlossen und die jeweilige Zündspannung wird gemessen. Die erhaltenen Werte sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt.

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Tabelle 2 Nummer des Versuchs

Versuchsbe- Durchdingung 1 2 5 4 5 schnitt

S_Aan, S_B aus 3,0 3,2 3,0 3,5 3,2 3,2 S_A aus, S_B an 5,0 5,2 5,5 6,0 6,0 5,5

(Einheit: kV)

Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die Zündspannung groß wird, wenn die Zünderleichterung 12 und der kühlste Teil des Lichtbogenrohrs unterschiedliche Potentiale aufweisen. Falls man daher das Potential der Zünderleichterung 12 und das der Elektrode 6 in dem kühlsten Bereich des Lichtbogenrohrs gleichmacht, wird es möglich, den Abschirmeffekt des elektrischen Feldes zu überwinden und die Dispersion der elektrischen Feldlinien (den Abfall der Dichte der elektrischen Feldlinien), die durch das Na-Hg-amalgam und andere in die Lampe eingeschlossene Substanzen verursacht wird, die auf der inneren Oberfläche des Lichtbogenrohrs in der Nähe der Elektrode 6 im kühlsten Abschnitt ausgebildet werden, zu überwinden. Folglich kann ein Anstieg der Zündspannung vermieden werden, und es kann auf diese Weise eine Metalldampfentladungslampe geringer Zündspannung geschaffen werden, bei der keinerlei Streuung der Zündspannungswerte auftritt.

Die vorliegende Erfindung wurde in der obigen Beschreibung anhand einer Hochdruck-Natriumlampe erläutert. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Metalldampfentladungslampen angewendetverden, bei denen eine Zünderleichterung 12 verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

(ly Metalldampfentladungslampe, umfassend ein aus wenigstens einem kristallinen Oxid bestehendes und dem äußeren Lampenkolben einverleibtes Lichtbogenrohr, in das ein Edelgas zusammen mit Natrium und Quecksilber eingeschlossen ist und das an seiner äußeren Peripherie mit einer Zünderleichterung ausgerüstet ist und bei dem wenigstens ein Ende einen Hitzeisolator aufweist, um das Ende warmzuhalten, dadurch gekennzeichnet , daß das Edelgas mit 100 Torr oder mehr zusammen mit wenigstens Natrium und Quecksilber in dem Lichtbogenrohr (1) eingeschlossen ist.
2. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 1_s dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des in dem Lichtbogenrohr (1) eingeschlossenen Edelgases 200 ~ 500 Torr beträgt.
3. Metalldampfentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Lichtbogenrohr eingeschlossene Edelgas Xenon oder eine Mischung von Xenon und einem anderen Gas ist.
4. Metalldampfentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Lichtbogenrohrs (1) 5 ~ 12 nun beträgt, bei dem Amalgam ein Natriumverhältnis von 0,1 ~ 1,0 vorliegt, der Durchschnittspotentialgradient E der Lampe beim Zünden 20/TDV

E < —τ, ± (V/cm)

w_L

ist [wobei D den Innendurchmesser des Rohrs (cm) bezeichnet; V_T die Lampenspannung bezeichnet und W, die Lei-

J-I J-I

stungsaufnähme der Lampe bedeutet] und ein Metallgürtel (18), der als Hitzeisolator verwendet wird,vorgesehen ist, wobei der

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ORIGINAL INSPECTED

Metallgürtel (18) eine Breite a von O < a < 15 mm aufweist.
5. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis von Natrium und Quecksilber p (Gew.%) und der Durchsehnitts potentialgradient des Lichtbogenrohrs (1) E (V/cm) in der Weise gewählt sind, daß die durch die folgenden Formeln gegebenen.Beziehungen erfüllt sind:

10 * fa 90 und s^ - 30 Uf^e^ - 20 (1).
6. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des in dem Lichtbogenrohr (1) eingeschlossenen Edelgases 200 ~ 500 Torr beträgt.
7. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Xenon als das in dem Lichtbogenrohr (1) eingeschlossene Edelgas verwendet wird.
8. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zünderleichterung (12) und die Elektrode (6) an der kühlsten Seite des Lichtbogenrohrs (1) in der Weise geschaltet sind, daß sie das gleiche Potential aufweisen.
9. Metalldampfentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Xenon als das in dem Lichtbogenrohr (1) eingeschlossene Edelgas verwendet wird.

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