DE1041595B - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Lichtquellen, wie mit Wolframfäden ausgestattete Glühlampen, geben fast sofort die volle Leudhtstärke, da die Zeit, die erforderlich ist, um den Faden auf seine volle Helligkeit aufzuheizen, weniger als 1 Sekunde beträgt. Leuchtstofflampen des Handels, die mit Quecksilberdampf bei sehr geringen Drücken, z. B. 0,015 mm, arbeiten, brauchen weniger als ¹Ii Minute, um i'hre volle Helligkeit zu erreichen. Bei Hochdruck- und Höchstdrucklampen des Handels jedoch, bei welchen ein Quecksilberdampfdruck von etwa 300 bis 60 000 mm erreicht werden muß, was von der Lampenart abhängt, kann ein Zeitraum von mehreren Minuten bis zu etwa einer halben Stunde erforderlich sein, um die volle Lidhtausbeute zu erreichen. Zu derartigen Lampen werden Metalle, wie Quecksilber, Cadmium, Natrium, Caesium u. dgl. verwendet, um die Metalldämpfe zu erzeugen, in denen während des Betriebes die elektrische Entladung erfolgt. Bei Raumtemperatur (25° C) sind diese Metalle größtenteils flüssig oder fest und haben Dampfdrücke von weniger als etwa 0,002 mm Hg. Deshalb ist bei Inbetriebnahme dieser Lampen ein sehr beträchtlicher Zeitraum erforderlich, um die Metalle zu verdampfen und einen hohen Druck zu erzeugen. Zu Beginn dieses Zeitraumes ergeben diese Lampen eine sehr wenig brauchbare Beleuchtung.

Metalldampflampen arbeiten mit einem Wirkungsgrad, der mit Glühfädenlampen nicht erreicht werden kann, und haben eine Leuchtdichte, die diejenige anderer Lichtquellen weit übersteigt. Sie sind infolgedessen für sehr viele Anwendungszwecke zu bevorzugen. Ihre lange Anlaufzeit hat jedoch ihre Verwendung begrenzt. So könnten diese Lampen ausgezeichnet zur Beleuchtung von Start- und Landebahnen auf Flughafen verwendet werden, aber tatsächlich sind sie für diesen Verwendungszweck höchst ungeeignet, weil man nach Einschalten der Lampe mehrere Minuten warten muß, bis eine brauchbare Helligkeit erzeugt wird.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Hochdruck- und auch Höchstdruck-Metalldampfentladungslampe, die unmittelbar nach dem Einschalten ein helles Licht erzeugt, eine verhältnismäßig kurze Anwärmzeit hat und für viele Beleuchtungszwecke geeignet ist, für welche die bisher bekannten Hochdruck-Dampfentladungslampen nicht brauchbar sind. Dieses Ziel wird durch die Kombination einer bestimmten Lampenkonstruktion mit bestimmten Gasen und bestimmten Drücken erreicht.

Die Hochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung gehört zu der an sich bekannten Art von Lampen mit einem im wesentlichen kugelförmigen Entladungsgefäß aus lichtdurchlässigem Glas von hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Quarz, deren Elek-Hodidruckentladungslampe

Anmelder:

Engelhard Industries, Inc.,
Newark, N.J. (V.St.A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Dr. William T. Anderson, Maplewood, N. J. (V. St. A.), ist als 'Erfinder genannt worden

troden im festen Abstand von etwa einem Fünftel des Innendurchmessers senkrecht zur Richtung des Bogens und weniger als 1 cm voneinander entfernt angeordnet sind und deren Füllung aus Quecksilber und Xenon besteht. Ihr kennzeichnendes Merkmal besteht darin, daß der Druck des Xenons im Entladungsgefäß bei 25° C im Bereich von 2000 bis 11 000 mm (2,63 bis 14,5 Atm.) liegt und das Quecksilber zwecks Erreichung eines im Betrieb den Partialdruck des Xenons übersteigenden Partialdruckes im Entladungsgefäß in einer Menge von 0,0143 bis 0,100 g/cm³ Lampenraum enthalten ist.

Die Verwendung von Quecksilber und Edelgasen, wie Xenon, in der gleichen Lampe ist an sich bekannt. Bei Lampen dieser Art, bei denen der Druck des Edelgases niedrig ist (etwa bis 150 mm), dient die Edelgasfüllung nur dazu, die Lampe in Betrieb zu setzen und die anfängliche Verdampfung des Quecksilbers zu bewirken. In diesen Lampen kann der Beitrag des Edelgases zur Lichtausbeute vernachlässigt werden. Während der ersten Minuten Betriebszeit liefern derartige Lampen weniger als etwa 1% ihrer bei vollem Betrieb erreichten durchschnittlichen Helligkeit.

Es sind ferner mit Xenon und Quecksilber gefüllte Lampen bekannt, bei denen der Xenondruck vorzugsweise etwa 600 mm und der Druck des Metalldampfes mindestens 1 bis 10 mm beträgt. Bei diesen Lampen liegt der Druck des Ouecksilberdampfes so weit unter dem Druck des Xenons, daß die von der Lampe emittierte Lichtmenge in beträchtlichem Ausmaße von dem Xenon herrührt. Außerdem besitzen diese Lampen im Verhältnis zu ihrer Wattzahl einen verhältnismäßig großen Inhalt und eine Bogenlänge von 15 mm.

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Alle diese Umstände tragen dazu bei, daß diese bekannten Lampen für \^Tiele Anwendungszwecke keine ausreichende Helligkeit liefern.

Weiterhin ist es bekannt, Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit solchen Mengen Quecksilber zu beschicken, daß der Betriebsdruck bei 20 bis 30 Atm. liegt, wobei auch kleine Mengen von Edelgas als Zündgas zugesetzt werden können. Es wurde in diesem Zusammenhang auch bereits als zweckmäßig erwähnt, derartige Metalldampflampen mit Edelgasen von mehreren Atmosphären Druck zu füllen, um dadurch die Anlaufzeit beträchtlich zu verkürzen. Jedoch war es auch in diesem Falle, ebenso wie bei den obenerwähnten bekannten Xenon-Quecksilberdampflampen, allgemein üblich, den Druck des Quecksilbers niedriger einzustellen als denjenigen des Edelgases.

Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß der Anfangsdruck des Xenons und die Ouecksilbermenge so bemessen, daß beim Betrieb der Lampe nicht nur das gesamte Quecksilber in den Dampfzustand übergeht, sondern daß der Quecksilberdruck außerdem den Druck des Xenons erheblich übersteigt. Hierdurch wird gegenüber den bekannten Lampen nicht nur eine hohe Bogenstabilität und eine sehr deutliche Verbesserung der Lichterzeugung unmittelbar nach dem Einschalten bei etwa 25° C Umgebungstemperatur, sondern auch eine viel schnellere Erwärmung der Lampe auf den optimalen Ouecksilberdruck erreicht. Sobald dieser Druck erreicht ist, hat der Bogen die rolle Helligkeit.

Schließlich sind bereits Quecksilberdampflampen mit einer unter hohem Druck stehenden Edelgasfüllung bekannt, die nach dem Abreiß- oder Kontaktprinzip arbeiten, bei denen also die eine Elektrode gegenüber der anderen beweglich angeordnet ist. Bei diesen Lampen, die für einen Betriebsdruck von 40 bis 70 Atm. bemessen sind, wurde aber die Füllung mit einer bestimmten Ouecksilbermenge in Kombination mit einer Gasfüllung von verhältnismäßig hohem Druck nur deswegen für durchführbar gehalten, weil im Gegensatz zu den Ouecksilberhöchstdrucklampen mit feststehenden Elektroden hier auf die Zündspannung keine Rücksicht genommen zu werden braucht.

Die erfindungsgemäße Lampe steht vom Augenblick 4-5 des Einschaltens an stets unter Hochdruck. Im Rahmen der Erfindung können natürlich auch mehr als ein Paar Elektroden und bzw. oder Hilfselektroden verwendet werden.

Der Xenonbogen erzeugt sofort ein helles Licht und erwärmt die Lampe schnell, so daß das Quecksilber verdampft und auf Hochdruck gebracht wird; da Xenon eine Ionisierungsspannung von 12,08 V und Quecksilber eine solche von 10,30 V hat, wird das Quecksilber schneller als das Xenon ionisiert.

Hierdurch ändern sich bei Verdampfen des Queck-Silbers die Eigenschaften der Lampe. Das weiße Licht des Xenonbogens wird mehr bläulich, der Bogen wird stärker eingeschnürt und erlangt eine höhere Leuchtdichte, und der Wirkungsgrad der Lampe wird verbessert.

Um die hohen Xenon- und Ouecksilberdrücke zu erzielen, die bei der Lampe gemäß der Erfindung erforderlich sind, wird der Fassungsraum des Entladungsgefäßes geschätzt, z. B. in cm³. Für jeden cm^s Rauminhalt müssen eine bestimmte Anzahl von Xenonmolekülen, nämlich etwa 5,4 · 10¹⁹ bis 30 · 10¹⁹ Moleküle, und genügend Quecksilber vorgesehen werden, um in der Dampfphase vorzugsweise eine etwa gleich große Anzahl von Ouecksilbermolekülen zu erhalten, z. B. etwa 4,3 · 10¹⁹ bis 30 · 10¹⁹ Moleküle je cm³.

Xenon und Quecksilber sind einatomige Gase und gehorchen den Boyleschen Gasgesetzen, so daß der Gesamtdruck in dem Entladungsgefäß gleich der Summe der Partialdrücke von Xenon und Quecksilber ist.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Lampe gemäß der Erfindung dargestellt. Die gedrungen gebaute Lampe besteht aus einem im wesentlichen kugelförmigen oder elliptischen Entladungsgefäß 1, um die erforderliche Festigkeit zu erzielen. Dieses ist aus geschmolzenem Quarz oder einem Glas von hoher Temperaturbeständigkeit gefertigt, da es Betriebstemperaturen in der Größen-Ordnung von 1200° K aushalten muß. Das Entladungsgefäß 1 ist mit rohrförmigen Ansätzen, z. B. den sich nach außen erstreckenden, vorzugsweise gegenüberliegenden Rohren 2 und 2, versehen, welche zwei Elektroden 4 und 5 haltern, die vorzugsweise aus Wolfram in fester oder Wendelform bestehen und in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Die anderen Aufbauteile, wie die Reflektoren 6 und 7, die vakuumdichten Verschlüsse 8 und 9 und die Endstücke 9 und 10 dienen lediglich zur Veranschaulichung, um eine Lampenart zu zeigen, auf welche die Prinzipien der Erfindung angewendet werden können.

Der Abstand der Elektroden 4 und 5, welche dem zwischen ihnen gebildeten Gasbogen Strom zuführen, liegt in der Größenordnung von weniger als 1 cm. Wie dargestellt, bestehen die Elektroden aus Wolfram in Wendelform und haben im wesentlichen die gleiche Größe oder Maße, da die Lampe für Wechselstrombetrieb bestimmt ist. Anderenfalls muß die Anode etwa fünf Drittel der Maße der Kathode haben, um dem intensiven Aufprallen der negativ geladenen Ionen standzuhalten. Eine dritte, nicht dargestellte Elektrode kann, wenn gewünscht, vorgesehen werden, um die Einleitung der Entladung zwischen den Hauptelektroden zu unterstützen.

Der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes, senkrecht zum Bogen gesehen, beträgt etwa das Fünffache der Entfernung der Hauptelektroden 4 und 5 voneinander (Bogenlänge), da diese Bemessung für den Hochdruck-Xenonbogen die größte Stabilität ergibt.

So beträgt z. B. bei einer Lampe gemäß der Erfindung die Bogenlänge 0,6 cm und der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes, senkrecht zum Bogen gesehen, etwa 3,0 cm. Das Entladungsgefäß mit den eingebauten Elektroden wird entgast und evakuiert. Es erhält dann eine Füllung von 352 mg Xenon, was 13,5 · 10¹⁹ Molekülen Xenon je cm³ entspricht, und 300 mg Quecksilber, was 8,2 · ΙΟ¹⁹ Molekülen Quecksilber je cm³ entspricht (das Fassungsvermögen des Entladungsgefäßes beträgt 12 cm³). Bei einer mittleren Temperatur der Umgebung von 25° C hat das Xenon einen Druck von etwa 4000 mm, also etwas über 5 Atm. Das Quecksilber hat bei dieser Temperatur einen Dampfdruck von nur 0,0013 mm und befindet sich größtenteils an den Wänden des Entladungsgefäßes in Form winziger Tröpfchen.

Die Lampe wird mit 110 V Wechselspannung und unter Einschaltung eines Widerstandes betrieben, der den Strom auf etwa 24 A beschränkt. Die Entladung kann durch einen Hochspannungsstoß eingeleitet werden, um das Gas zu ionisieren, was gegebenenfalls durch Radiumemanationen unterstützt werden kann. Im Augenblick des Einschaltens bildet sich in dem

Xenon ein sehr konzentrierter Bogen. Die Konzentrierung ist am größten, wenn die Lampe so gehalten wird, daß sich der Bogen größtenteils in vertikaler Lage befindet; der Xenongasdruck ist dann etwa 3 Sekunden nach dem Einschalten von 4000 mm (5,25 Atm.) auf etwa 16000 mm (21 Atm.) gestiegen, was einer mittleren Gastemperatur von etwa 1200° K entspricht. In diesem Augenblick beträgt die durchschnittliche Leuchtdichte desBogens etwa 26000Lambert = 8268 Stilb. ίο

Eine solche Lampe gemäß der Erfindung ist 3 Sekunden nach dem Einschalten heller als alle bekannten Wolf ramf aden-Proj ektionslampen.Eine 1000-W-Wolframfaden-Projektionslampe mit 26 Lumen/W hat eine durchschnittliche Leuchtdichte von 7500 Lambert = 2385 Stilb.

Vorstehend ist eine Lampe mit einer Leistungsaufnahme von 1 kW beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in gleicher Weise auf Lampen anderer Leistungsaufnahme angewendet werden. So wurden z. B. Lampen von 150, 500 und 700 W hergestellt. Es wurden Xenondrücke bis 11000 mm (14,5 Atm.) bei 25° C wie auch Druck von etwa 3000 mm (3,95 Atm.) verwendet. Die Lampen wurden ferner mit Gesamtdrücken von über 100 Atm. betrieben. In jedem Falle ergaben die Lampen schon im Anfang eine brauchbare Helligkeit.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Hochdruckentladungslampe mit im wesentlich kugelförmigem Entladungsgefäß aus lichtdurchlässigem Glas von hoher Temperaturbeständigkeit, insbesondere Quarz, deren Elektroden im festen Abstand von etwa einem Fünftel des Innendurchmessers senkrecht zur Richtung des Bogens und weniger als 1 cm voneinander entfernt angeordnet sind und deren Füllung aus Quecksilber und Xenon besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Xenons im Entladungsgefäß bei 25° C im Bereich von 2000 bis 11000 mm liegt und das Quecksilber zwecks Erreichung eines im Betrieb den Partialdruck des Xenons übersteigenden Partialdruckes im Entladungsgefäß in einer Menge von 0,0143 bis 0,100 g/cm^s Lampenraum enthalten ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 767 358, 918 585, 243,868 193;

   USA.-Patentsdirift Nr. 2 673 944;

   »Journal of the optical Society of America«, Bd. 41, Nr. 6, 1951, S. 385 bis 388;

   »Lichttechnik«, 2. Jahrgang, Heft 3, März 1950, S. 73 bis 79.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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