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EP0834905B1 - Natriumhochdrucklampe kleiner Leistung - Google Patents

Natriumhochdrucklampe kleiner Leistung Download PDF

Info

Publication number
EP0834905B1
EP0834905B1 EP97115536A EP97115536A EP0834905B1 EP 0834905 B1 EP0834905 B1 EP 0834905B1 EP 97115536 A EP97115536 A EP 97115536A EP 97115536 A EP97115536 A EP 97115536A EP 0834905 B1 EP0834905 B1 EP 0834905B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
xenon
sodium
nab
lamp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97115536A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0834905A2 (de
EP0834905A3 (de
Inventor
Wolfram Dr. Graser
Dieter Dr. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Publication of EP0834905A2 publication Critical patent/EP0834905A2/de
Publication of EP0834905A3 publication Critical patent/EP0834905A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0834905B1 publication Critical patent/EP0834905B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/54—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting
    • H01J61/547—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting using an auxiliary electrode outside the vessel
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/18—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent
    • H01J61/22—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent vapour of an alkali metal
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    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/825—High-pressure sodium lamps
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • 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.
  • high-pressure sodium discharge lamps with a power of at most 100 W and very high xenon pressure.
  • lamps have a circular cylindrical discharge vessel of alumina, which is housed in a translucent outer bulb.
  • 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.
  • a relatively high xenon pressure and a relatively large inside diameter of the discharge vessel are used, as known per se (see also the abovementioned relevant monograph by DE GROOT / VAN VLIET on page 126 and 154).
  • DE GROOT / VAN VLIET p. 155, the self-stabilizing operation of high-pressure sodium lamps has not found any practical application due to problems with ignition and sudden changes in the mains voltage.
  • Sodium high-pressure discharge lamp described by way of example has a high power 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 about 3.5. This achieves a rather moderate light output of only 110 lm / W at the high power of 400 W.
  • a particularly bohe luminous efficacy in comparison to other high-pressure sodium lamps is neither sought nor achieved.
  • FIG. 10.18 of DE GROOT / VAN VLIET page 299), at 400 W power, rather, light outputs of up to 138 lm / W can be achieved.
  • a sodium high-pressure lamp which contains sodium and xenon, wherein the Na operating pressure of 50 to 200 Torr is disclosed, corresponding to 67 to 267 mbar.
  • the disclosed Xe cold fill pressure is 50 to 1000 Torr, corresponding to 67 to 1333 mbar.
  • a metal halide lamp that uses sodium iodide together with xenon as a buffer gas with no mercury is out EP-A 183 247 previously known, wherein the Na partial pressure between 10 and 100 Torr and 13 to 133 mbar and the Xenonkaltglalldruck between 60 and 1000 Torr and 80 to 1333 mbar.
  • a conventional metal halide lamp with sodium iodide shows EP-A 374 678 ,
  • the low-pressure sodium high-pressure discharge lamp according to the invention has a discharge vessel which contains at least sodium and xenon.
  • Low power is understood to mean a lamp power of less than or equal to 100W.
  • p NaB is the operating pressure of sodium and p XeK is the cold pressure of the xenon.
  • p NaB 20 to 100 mb
  • p XeK 1 to 5 bar is selected and if, at the same time, the condition p XeK / p NaB ⁇ 10 is maintained.
  • the pressure ratio p XeK / p NaB is between 10 and 30.
  • mercury may be added to the lamp filling.
  • the xenon pressure exceeds the usual with conventional high pressure sodium discharge lamps with high xenon pressure (for example, the NAV SUPER lamps from. OSRAM) by three to ten times. Compared to these NAV-SUPER lamps, this results in a typically 20% increase in luminous efficacy.
  • the surprising behavior of the lamps according to the invention is based on the targeted utilization of a previously not considered by experts in the facts.
  • the luminous efficacy of high-pressure sodium lamps to small lamp powers decreases significantly (DE GROOT / VAN VLIET, p 299, see below Fig. 3 ).
  • the statement given there that is responsible for this law the fact that at low lamp power, the efficiency of the radiation is lower and the electrode losses are greater than with larger lamp power, but is not correct. Rather, the main reason is that the relative contribution of heat loss in the arc to the lamp power increases with decreasing lamp power. However, this heat loss can be reduced by the low thermal conductivity of xenon when used at sufficiently high pressure as a buffer gas.
  • the lamps described here are in contrast to DE-PS 26 00 351 neither intended nor suitable for self-stabilizing operation.
  • the xenon operating pressure achieved according to the invention at 8 to 24 bar is also substantially higher than the typical value of 1.8 bar given there.
  • the discharge vessel according to the invention preferably has an appendix (initially open niobium tube) through which xenon can be filled at high pressure in a manner known per se and which is closed after the filling process.
  • the lamps according to the invention may additionally contain mercury in the filling.
  • the increase in the light output is similar for lamps with and without mercury addition.
  • a typical mercury-added lamp fill uses an amalgam of 18% by weight Na.
  • the inner diameter of the discharge vessel is between 2.5 and 5 mm, in particular at most 4 mm. With these dimensions self-stabilization is excluded from the outset.
  • the in DE-PS 26 00 351 given inside diameter are larger by a whole power of ten.
  • the discharge vessel is circular cylindrical, but it may also have a different geometry, for example, be bulged in the middle.
  • the sodium high-pressure discharge lamps additionally have a capacitive starting aid, for example a wire along the discharge vessel.
  • a capacitive starting aid for example a wire along the discharge vessel.
  • the lamps of the invention require no preheating.
  • the discharge vessels described here are preferably used in circular-cylindrical or elliptical outer pistons.
  • sodium high-pressure discharge lamp with a power of 50 W has a discharge vessel 1 made of alumina. It is arranged in a cylindrical outer bulb 2 made of hard glass, which is closed at its first end with a screw base 3 and at its second end with a dome 9. The outer bulb 2 is evacuated.
  • the socket-remote first electrode 4 is connected via a tubular niobium feedthrough 5 with appendix 6 to a feed line 7, which is connected to a solid external power supply 8, which leads along the discharge vessel to contact in the screw base 3.
  • the second electrode 4 is also connected to a metal wire 15 via a niobium feedthrough 5 (but without the appendix). This is connected via a further conductor 16 to a second contact in the base 3.
  • the discharge vessel is equipped with a capacitive starting aid, which is formed by an ignition wire 17 along the discharge vessel.
  • the ignition wire 17 is electrically conductively connected to the second electrode 4.
  • the lamp is connected, for example via an ignition circuit in the lamp socket to an AC power supply with 220 V.
  • the ignition voltage is 4 kV.
  • the discharge vessel 2 contains a filling comprising only sodium and xenon.
  • the cold pressure of the xenon (p XeK ) is 3 bar
  • the operating pressure of the sodium (p NaB ) is 100 mb
  • P XeK / p NaB 30.
  • This lamp achieves a luminous flux of 5100 lm and a luminous efficacy of 102 lm / W (see FIG. 2 , triangular full measuring point # 1 at 3000 mb xenon cold filling pressure).
  • previous 50 W lamps with a xenon cold filling pressure of 300 mb only achieved a luminous flux of 4200 lm, corresponding to a luminous efficacy of 81 lm / W (see FIG. 2 triangular outlined measuring point).
  • Fig. 2 is also the light output for other lamps with the usual low xenon pressure of 100 mb (standard) specified. It is about 70 lm / W at 30 mb (see FIG. 2 triangular outlined measuring point).
  • Fig. 3 the dependence of the light yield on the lamp power is shown schematically in accordance with DE GROOT / VAN VLIET.
  • the value achieved with the above embodiment (102 lm / W at 50 W lamp power) is entered as a diamond-shaped measuring point. He is well above the state of the art.
  • a lamp of the same type is operated only with 1 bar xenon pressure and 50 mb sodium pressure.
  • p XeK / p NaB 20.
  • the luminous efficacy is 95 lm / W (see Fig. 2 , triangular full measuring point # 2 at 1000 mb Xenonkalt Scholldruck) still significantly higher than in the prior art lamps.
  • ignition is easier than the first embodiment.
  • the ignition voltage is 3 kV.
  • the identical 50 W lamp is additionally filled with mercury.
  • an amalgam with 18 wt .-% sodium, balance mercury is used.
  • a FOURTH embodiment (50 W) with 1 bar xenon cold filling pressure at the same Na / Hg ratio shows a luminous efficacy of 93 lm / W (circular full measuring point # 4 in FIG Fig. 2 ).
  • a substantially similar lamp is operated at 63 W power.
  • 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 intended as a direct replacement for high-pressure 125W mercury lamps that have the same luminous flux. It has a power reduction circuit (phase control) and an ignition circuit in the lamp base.
  • a discharge vessel having 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 thus much higher than lamps of this power was previously expected.
  • a discharge vessel having an inside diameter of 3.3 mm and an electrode spacing of 36 mm with sodium / mercury amalgam (see above) and xenon filled.
  • 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 for lamps of this power.
  • a discharge vessel having 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

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)

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 "The High-Pressure Sodium Lamp" von DE GROOT/VAN VLIET (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 DE GROOT/VAN VLIET auf Seite 126 und 154). Nach DE GROOT/VAN VLIET, 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 bohe Lichtausbeute im Vergleich zu anderen Natriumhochdrucklampen weder angestrebt noch erzielt. Nach Fig. 10.18 von DE GROOT/VAN VLIET (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
    Figure imgb0001
     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.
  • Aus der US 4 260 929 ist eine Natriumhochdrucklampe bekannt, die Natrium und Xenon enthält, wobei der Na-Betriebsdruck von 50 bis 200 Torr offenbart ist, entsprechend 67 bis 267 mbar. Der offenbarte Xe-Kaltfülldruck ist 50 bis 1000 Torr, entsprechend 67 bis 1333 mbar. Eine Metallhalogenidlampe, die Natriumjodid zusammen mit Xenon als Puffergas unter Verzicht auf Quecksilber verwendet, ist aus EP-A 183 247 vorbekannt, wobei der Na-Partialdruck zwischen 10 und 100 Torr bzw. 13 bis 133 mbar und der Xenonkaltfülldruck zwischen 60 und 1000 Torr bzw. 80 bis 1333 mbar liegt. Eine konventionelle Metallhalogenidlampe mit Natriumjodid zeigt EP-A 374 678 .
    • 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 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 DE GROOT/VAN VLIET, 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 DE GROOT/VAN VLIET, 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 (DE GROOT/VAN VLIET, 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. 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. 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. 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. 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. 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 DE GROOT/VAN VLIET, 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 DE GROOT/VAN VLIET, 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. 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. 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 DE GROOT/VAN VLIET 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 Natrium- hochdrucklampen (mit jeweils einer Leistung von 50 W) mit unterschiedlichem Xenondruck (mit und ohne Hg)
    Figur 3
    einen Vergleich der Lichtausbeute verschiedener Natrium- hochdrucklampen 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 Xenon-druck 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 DE GROOT/VAN VLIET 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 ZWEITEN 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 DRITTEN 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 VIERTES 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 FÜNFTEN 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 SECHSTEN 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 SIEBTEN 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 ACHTEN 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 (9)

  1. Natriumhochdruckentladungslampe kleiner Leistung mit einem Entladungsgefäß (1), das Natrium und Xenon enthält, wobei pNaB der Betriebsfülldruck des Natriums ist und pXeK der Kaltfülldruck des Xenons ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe so ausgelegt ist, dass die Lampenleistung kleiner gleich 100 W ist und dass gilt: und
    • pNaB = 20 bis 100 mb ,
    Figure imgb0002
    • pXeK = 1 bis 5 bar ,
    Figure imgb0003
    und
    • pXeK - pNaB ≥ 10.
    Figure imgb0004
  2. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pXeK / pNaB ≤ 30.
  3. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pXeK ≤ 3 bar.
  4. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß (1) kreiszylindrisch ist.
  5. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Entladungsgefäße (1) zwischen 2,5 und 5 mm beträgt.
  6. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser höchstens 4 mm beträgt.
  7. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe zusätzlich eine kapazitive Zündhilfe (17) enthält.
  8. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Kuppenabstand der beiden Flügel der Natrium-D-Linie höchstens 12 nm beträgt.
  9. Natriumhochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Quecksilber enthält.
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