DE2930328A1 - Miniaturbogenlampe - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruckmetalldampfentladungslampen mit einem sehr geringen Volumen von etwa 1 ml oder weniger, die eine Zündgasmischung enthalten.

Um die zum Zünden der Entladung in Metalldampfbogenlampen erforderliche Spannung zu reduzieren, ist allgemein ein inertes Zündgas bei einem relativ geringen Druck vorhanden. Im Falle von Quecksilberdampflampen und Metallhalogenidlampen, die auch Quecksilber enthalten, ist das Zündgas, das üblicherweise in im Handel erhältlichen Lampen benutzt wird, Argon mit einem Druck von 20 bis 40 Torr.

In den Miniaturmetalldampflampen, auf die sich die vorliegende Erfindung besonders bezieht, erfährt die kleine innere Oberfläche des Bogenrohres ein rasches Schwärzen, wenn während des Betriebes der Lampe irgendein Zerstäuben der Elektrode stattfinden sollte. Das Zerstäuben tritt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit beim Starten während der Übergangsphase von der Glimm- zur Bogenentladung auf und es ist wichtig, die Dauer dieser Übergangsphase so weit als möglich zu verkürzen. Es ist bekannt, diese Übergangsphase vom Glimmen zur Bogenentladung dadurch zu verkürzen, daß man den Fülldruck des Zündgases erhöht, doch verursacht dies auch eine erhöhte Zündspannung. So hat z.B. eine Miniaturmetallhalogenidlampe mit Argon als Zündgas bei einem Fülldruck von 60 Torr eine Zündspannung von mehr als 600 Volt. Das kleine Bogenrohr schwärzt sich sehr rasch mit dem Ergebnis, daß die Lumenabgabe der Lampe nur sehr schlecht beibehalten wird. Das Erhöhen des Fülldruckes auf 100 Torr reduziert das Schwärzen, erhöht die Zündspannung jedoch auf etwa 700 V. Um das durch Elektrodenzerstäubung verursachte Rohrschwärzen während der Lampenzündung in angemessener Weise zu unterdrücken, sollte der Fülldruck des Zündgases auf 100 bis 200 Torr erhöht werden. Die Zündspannung für eine Lampe mit einem derart hohen Argondruck würde jedoch etwa 1000 V betragen und dies bedeutet

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natürlich, daß ein sehr teures Vorschaltgerät erforderlich wäre, um die Lampe zu zünden und zu betreiben.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Metalldampfbogenlampe mit einer Zündgasmischung zu schaffen, die wirksamer ist im Hinblick auf die erwünschte niedrige Zündspannung und die gute Beibehaltung der Lumenabgabe.

In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß eine Mischung von Neon mit einem geringen Prozentgehalt eines der schwereren Edelgase ein besseres Zündgas für Miniaturmetalldampflampen ergibt, als Argon allein, da bex Argon relativ hohe Fülldrucke erforderlich sind, um das Bogenrohrschwärzen zu verhindern. Diese erfindungsgemäße Mischung weist eine geringere Zündspannung auf, als das üblicherweise benutzte Argon. Lampen, die dem früher benutzten Beispiel entsprechen, zünden, wenn sie mit Neon + 0,8 % Argon bis zu Fülldrucken von 200 Torr gefüllt sind, bei weniger als 550 Volt. Die Lumenbeibehaltung dieser Lampen ist entschieden besser, als die der entsprechenden Lampen, die Argon als Zündgas benutzen. Auch wird die Zündspannung in einer Mischung aus Neon und schwererem Edelgas weniger durch die Anwesenheit von Verunreinigungen beeinflußt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung aus Neon mit 0,01 bis 10 % Argon, Krypton oder Xenon bei einem Gesamtdruck von 100 bis 400 Torr als Zündgas für Miniaturmetalldampflampen benutzt, die ein Volumen von weniger als 1 ml haben und Quecksilber und ein oder mehrere Metallhalogenide enthalten. Für allgemeine Beleuchtungszwecke ist der Druckbereich von 100 bis 200 Torr für Lampen mit weniger als 1 ml Volumen bevorzugt.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine mit Außenkolben versehene Miniaturmetallhalogenidlampe mit einer Leistung von etwa 30 W und

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Figur 2 eine graphische Darstellung der Variation der Durchbruchspannung mit dem Füllgasdruck, wenn Neon + ein geringer Prozentgehalt Argon als Zündgas benutzt wird, verglichen mit dem üblicherweise benutzten Argon.

Die Erfindung ist besonders brauchbar für Metallhalogenidbogenlampen, wie sie Figur 1 gezeigt sind, wobei eine solche Lampe ein kleines Bogenrohr 1 allgemein mit einem Volumen von weniger als 1 ml umfassen kann, das innerhalb eines äußeren Glaskolbens 2 gehaltert ist. Der Außenkolben ist an seinem unteren Ende mit einem eingestülpten Lampenfuß 3 versehen, durch den sich Zuleitungsdrähte 4 und 5 erstrecken, die Verbindungen zu den elektrischen Kontakten eines Sockels haben, nämlich der mit Gewinde versehenen Sockelhülse 6 und dem Endkontakt 7.

Das kleine Bogenrohr ist innerhalb des Außenkolbens zwischen einem bügelartigen Träger 8 und einem kurzen Träger 9 aufgehängt, die an die Zuleitungsdrähte 4,5 geschweißt sind. Dieses Bogenrohr besteht aus Quarz oder Quarzglas und umfaßt einen zentralen Kolbenabschnitt 11, der durch Ausdehnung des Quarzrohres gebildet werden kann, sowie Halsabschnitte 12 und 13, die durch Zusammenfallenlassen oder Vakuumabdichten des Rohres um mit Folien versehene Molybdänzuleitungen 14, 15 gebildet sind. Die stiftartigen Elektroden 16, 17 aus Wolfram sind an die Molybdänzuleitungen geschweißt und erstrecken sich axial in den Kolben, wobei ihre distalen Endstücke den Bogenspalt begrenzen. Eine geeignete Füllung für den Kolben umfaßt ein Zündgas, Quecksilber und ein oder mehrere Metallhalogenide, z.B. Natriumjodid, Scandiumtrijodid und Thoriumtetrajodid. Beispielsweise kann eine 30-Watt-Lampe, wie die dargestellte, einen Außendurchmesser von 0,7 cm, ein Volumen von 0,11 ml, eine Bogenlänge von 0,3 cm und eine Füllung aus 4,3 mg Hg und 2,2 mg Halogenidsalz aus 85 % NaJ, 5 % ScJ₃ und 10 % ThJ₄ (Gewichts-%) haben. Die Quecksilberdichte während des Betriebes beträgt etwa 39 mg/ml, was einem Druck von etwa 23 Atmosphären entspricht.

Figur 2 zeigt die Variation der Durchbruchspannung in Abhängig-

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keit vom Füllgasdruck für diese besondere Lampe, wobei die Kurve 21 die einer üblichen Argonfüllung und die Kurve 22 die einer Füllung aus Neon +0,8 % Argon gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Die Durchbruchspannung wurde als Potentialdifferenz (Spitzenspannung) zwischen den beiden Elektroden gemessen, an denen eine sichtbare Glimmentladung in dem Elektrodenspalt mit geringem Stromfluß hergestellt wurde. Die Messungen wurden in Luft bei Zimmertemperatur vorgenommen, ohne daß ein Außenkolben das Bogenrohr umgab. Nach jedem Aufleuchten wurde die untersuchte Lampe für 5 bis 10 Minuten vertikal bei 30 W und einer Frequenz von 25 KHz gebrannt. In den meisten Lampen war die Durchbruchspannung für das erste Aufleuchten sehr viel höher als bei den folgenden und aus diesem Grunde wurde dieses erste Aufleuchten bei der Analyse der Daten weggelassen. Die Kurven 21 und 22 geben Mittelwerte für 5 Ablesungen nach dem ersten Aufleuchten wieder.

Von Kurve 21 ist ersichtlich, daß bei der Verwendung von Argon als Zündgas die geringste Durchbruchspannung im Bereich von etwa 20 bis 40 Torr Argon liegt und die Durchbruchspannung bei Argondrucken oberhalb von 40 Torr ziemlich rasch ansteigt. Das breite Minimum in der Kurve zeigt den Penning-Effekt, bei dem metastabile Atome Atome anderer Arten ionisieren. Wird Argon als das Zündgas benutzt, dann sind die metastabilen Atome Argon und sie ionisieren die in Dampfform vorhandenen Quecksilberatome. Ist die Lampe nicht in Betrieb, dann wird die Dichte des Quecksilberdampfes, da kondensiertes Quecksilber vorhanden ist, durch die Lampentemperatur bestimmt, während die Dichte der Argonatome durch den Fülldruck bestimmt ist. Wird der Fülldruck erhöht, fällt der Anteil der für die Ionisation verfügbaren Quecksilberatome mit dem Ergebnis, daß die Durchbruchspannung steigt.

Wird Neon mit einem geringen Anteil eines der schwereren Edelgase Argon, Krypton oder Xenon als Zündgasmischung benutzt, dann tritt der Penning-Effekt auch wieder auf. In diesem Falle sind die metastabilen Atome Neonatome und sie ionisieren Argonoder Krypton- oder Xenonatome.

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Wenn nun der Fülldruck erhöht wird, dann verändert sich das Verhältnis von Argon zu Neon nicht. Aus diesem Grunde findet ein Anstieg der Durchbruchspannung, der schließlich beginnt, wenn der Fülldruck mehr und mehr erhöht wird, sehr viel später auf der Druckskala. Ein Druck von mehr als 100 Torr ist erwünscht, um das Zerstäuben und das daraus resultierende Kolbenverdunkeln in diesen Miniaturlampen möglichst gering zu halten. Für den Druckbereich von 100 bis 200 Torr ist die Durchbruchspannung bei der Mischung aus Neon plus 0,8 % Argon mit 300 bis 500 Volt sehr viel geringer als bei der üblichen Argonmischung. Bei einem Druck von 200 Torr bis zu 400 Torr steigt die Durchbruchspannung langsam an, bleibt jedoch um mindestens 500 Volt unterhalb der von Argon beim gleichen Druck. In einem Test einer großen Gruppe von Lampen, die mit Neon plus 0,8 % Argon bei 200 Torr gefüllt waren, war die Zünd- oder Durchbruchspannung unter 600 Volt. Die Zündspannung dieser Lampen war daher geringer, als sie mit der üblichen Argonfüllung erreicht werden konnte, und die Beibehaltung der Lumenabgabe war hervorragend. Fülldrucke oberhalb von 200 Torr können benutzt werden, um das Zerstäuben beim Starten weiter zu vermindern, doch wird dann die Zündspannung höher.

Neon im Gemisch mit 0,01 bis 10 % Argon, Krypton oder Xenon bei Gesamtdrucken von 40 bis 200 Torr ist für Miniaturmetalldampflampen erwünscht, insbesondere solchen mit Kolbenvolumina von 1 ml oder weniger. Die Vorteile der Verwendung einer solchen Gasmischung sind eine geringe Zündspannung, eine von der Umgebungstemperatur unabhängige Zündspannung, eine bessere Beibehaltung der Lumenabgabe wegen des höheren zulässigen Fülldruckes und ein leichteres heißesWiederstarten.

Da Neon langsam durch Quarz diffundiert, kann der Partialdruck des Neons im Bogenrohr während der Lebensdauer der Lampe abnehmen. Eine solche Verminderung im Neondruck kann die Zündspannung verändern und kann auch eine unerwünschte

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Wirkung auf die Beibehaltung der Lumenabgabe zu einem Zeitpunkt gegen Ende der Lebensdauer der Lampe haben. Diese unerwünschte Wirkung kann vermieden werden, indem man einen beträchtlichen Partialdruck an Neon in dem Raum vorsieht, der zwischen Außenkolben und Bogenrohr liegt. So kann zum Beispiel der Außenkolben 2 mit einer Mischung aus Neon plus
1 bis 20 % Stickstoff bei weniger als Atmosphärendruck gefüllt sein. Wird eine Zündmischung mit einem Fülldruck oberhalb von 200 Torr benutzt, dann kann der Neondruck, der im
Außenkolben erforderlich ist, um den Diffusionsverlust an Neon aus dem Bogenrohr zu verhindern, während des Lampenbetriebes Atmosphärendruck übersteigen. Dies kann als gefährlich angesehen werden bei Lampen für allgemeinen Gebrauch, die dünnwandige Außenkolben aus billigem Kalkglas benutzen. Aus diesem Grunde ist ein Zündmischungsfülldruck im Bereich von
100 bis 200 Torr bevorzugt.

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   C1.) Metalldampfbogenlampe mit einem Miniaturbogenrohr, das Quecksilber und ein oder mehrere Metallhalogenide und ein Zündgas enthält, das bei relativ hohem Fülldruck vorliegen muß, um das starke Schwärzen des Bogenrohres und eine schlechte Aufrechterhaltung der Lumenabgabe zu vermeiden, gekennzeichnet durch die Anwesenheit einer Penning-Zündgasmischung aus Neon mit 0,01 bis 10 % Argon, Krypton oder Xenon bei einem Fülldruck von etwa 100 bis 400 Torr.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenide Natriumjodid, Scandiumtrijodid und Thoriumtetrajodid umfassen.

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3. 3. Lampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß das Bogenrohrvolumen weniger als 1 ml beträgt.
4. 4. Lampe nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Fülldruck der Zündgasmischung im Bereich von 100 bis 200 Torr liegt.
5. 5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenide Natriumjodid, Scandiumtrijodid und Thoriumtetrajodid umfassen.
6. 6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen das Bogenrohr umgebenden Außenkolben einschließt, der Neon bei einem beträchtlichen Partialdruck enthält, um den Neonverlust aus dem Bogenrohr durch Diffusion zu vermindern.
7. 7. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Außenkolben Neon und 1 bis 20 % Stickstoff bei weniger als Atmosphärendruck enthält.

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