DE10234758A1

DE10234758A1 - Metall-Halogendampflampe niedriger Leistung

Info

Publication number: DE10234758A1
Application number: DE2002134758
Authority: DE
Inventors: Rudy Ing. Geens; Lode Ing. Derhaeg; Marc van den Ing. Broeck; Ann Ing. Mathijs
Original assignee: SLI Lichtsysteme GmbH
Current assignee: HAVELLS SYLVANIA GERMANY GMBH, DE
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: EP1391917A2; DE10234758B4; EP1391917A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metall-Halogendampflampe niedriger Leistung, bei der ein mit Elektroden (6) versehenes Entladungsgefäß (2) von einem lichtdurchlässigen Außenkolben (17) umgeben ist. Nach der Erfindung ist die Vereinigung folgender Merkmale vorgesehen: DOLLAR A die Wand des Entladungsgefäßes (2) besteht aus Quarz; das Entladungsgefäß (2) hat eine ellipsoide Gestalt, bei der das Verhältnis der Länge zum Durchmesser im Bereich von 1,0 bis 1,6 und die Wanddicke im Bereich von 1,3 bis 1,7 mm und die Wandbelastung P¶w¶ im Bereich von 24 bis 44 W/cm·2· liegen; das Entladungsgefäß ist außen mit einer Wärmereflektorbeschichtung (16) versehen; und die ionisierbare Füllung innerhalb des Entladungsgefäßes (2) enthält Quecksilber, ein Startgas und Metallhalogenide, deren metallische Komponente eine Kombination aus Na, Sc und gegebenenfalls mindestens einer Seltenen Erde ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metall-Halogendampflampe niedriger Leistung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Bei herkömmlichen Metall-Halogendampflampen dieser Art besteht die Wand des Entladungsgefäßes aus Quarz. Es ist dabei üblich, das Entladungsgefäß zweiseitig gequetscht auszubilden und in das Entladungsgefäß hereinragende Elektroden mit Hilfe von Folien gasdicht in das Entladungsgefäß einzuschmelzen. Die Erfindung nimmt dabei insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf diese übliche Bauweise Bezug.
Der Markt derartiger Metall-Halogendampflampen wurde revolutioniert, als für das Wandmaterial des Entladungsgefäßes statt Quarz ein keramisches Material wie beispielsweise polykristallines Al₂O₃ eingesetzt wurde, das bei wesentlich höheren Temperaturen als Quarz temperaturbeständig bleibt ( EP 0 587 238 A1 und US 2002/0008476 A1).
Im Vergleich mit den Metall-Halogendampflampen mit Quarz als Wandmaterial des Entladungsgefäßes konnte bei Metall-Halogendampflampen mit keramischem Wandmaterial eine deutliche Verkleinerung der Farbtemperaturunterschiede von Lampe zu Lampe und eine größere Konstanz der Farbtemperatur während der Lebensdauer erreicht werden. Diese Vorteile werden aber durch wesentlich höhere Fertigungskosten der Metall- Halogendampflampe erkauft, die insbesondere durch die höheren Material- und Fertigungskosten des Entladungsgefäßes bedingt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Metall-Halogendampflampe zu schaffen, die insbesondere hinsichtlich der Konstanz der Farbtemperatur von Lampe zu Lampe und während der Lebensdauer vergleichbar gute Eigenschaften wie die Metall-Halogendampflampen mit keramischem Wandmaterial des Entladungsgefäßes hat, andererseits aber wesentlich geringere Herstellungskosten bedingt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst, wobei die Ansprüche 2 und 3 diese Lösung weiter optimieren.
Überraschend hat sich gezeigt, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine passende Kombination und Bemessung von geometrischen und chemischen Merkmalen gelöst werden kann, welche der Art nach bereits von Metall-Halogendampflampen mit der herkömmlichen Quarztechnologie des Entladungsgefäßes an sich bekannt sind. Unter Metall-Halogendampflampen niedriger Leistung werden dabei solche Lampen verstanden, deren Nennleistung unter 250 W liegt.
So ist es aus der US 4 890 030 A an sich bekannt, im Rahmen dieser Quarztechnologie als ionisierbare Füllung innerhalb des Entladungsgefäßes Quecksilber, Argon als Startgas und als Halogenid Natrium- und Scandiumjodide zu verwenden. Derartige Lampen befinden sich insbesondere in den USA in großem Einsatz. Der zugrunde liegende Mechanismus gilt auch als wohl verstanden (W.M. Keeffe, IEE Proc., Vom. 127, PT. A, No. 3, April 1980). Die Konstanz der Farbtemperatur kann jedoch nicht befriedigend erreicht werden und auch die Farbwiedergabe ist unbefriedigend.
Ferner ist es aus der US 4 161 672 A an sich bekannt, ein Entladungsgefäß aus Quarz statt wie üblich zylindrisch als Ellipsoid zu formen, und zwar für Lampen unter 250 W Nennleistung mit einem Formfaktor f_s (Verhältnis der Länge zum Durchmesser) zwischen 0,9 und 2,5, einer Wanddicke unterhalb 1,5 mm und einer Wandbelastung P_w von 10 bis 35 W/cm². Diese Geometrie ist abstrakt für alle Arten einer Füllung des Entladungsgefäßes in Betracht gezogen, aber nur für Kombinationen des Systems von NaI-ScI₃-ThI₄ offenbart. Eine geometrische Variante eines ellipsoiden Entladungsgefäßes mit einem Formfaktor f_s zwischen 1,3 und 2,3 zeigt ferner die US 5 144 201A . Wiederum gilt, daß dabei die Konstanz der Farbtemperatur nicht befriedigend erreicht werden kann und auch die Farbwiedergabe unbefriedigend ist.
Allgemein bei Entladungsgefäßen, deren ionisierbare Füllung außer Quecksilber und einem Edelgas als Startgas Metallhalogenide enthält, deren metallische Komponenten außer Natrium und Scandium auch noch Thallium enthalten, ist es ferner an sich bekannt ( US 5 363 007 A ), das Entladungsgefäß außen mit einer Wärmereflexionsschicht zu versehen. Lampen dieser Art haben eine erfolgreiche kommerzielle Anwendung gefunden. Trotzdem ist auch bei diesen Lampen die Einhaltung der Konstanz der Farbtemperatur im Vergleich mit Lampen mit keramischen Entladungsgefäßen noch sehr unbefriedigend.
In der Literatur ist ferner eine Vielzahl von Versuchen dokumentiert, durch Metallhalogenidsysteme, die außer Natrium und Scandium als metallischen Anteil auch noch mindestens eine weitere metallische Komponente enthalten, wie Th in EP 0 220 663 B1 , Ta in US 4 866 342 oder Li, Tl und Dy in US 5 694 002 , mindestens die Konstanz der Farbtemperatur zu verbessern. Hierzu gehört auch die Einbeziehung von elementarem Sc ( US 4 709 184 ). Wiederum konnte jedoch mit keinem dieser Versuche ein Grad der Einhaltung der Farbtemperaturkonstanz erreicht werden, welcher mit der betreffenden Güte bei Lampen mit Keramiktechnologie des Entladungsgefäßes erreicht wird.
Aufgrund dieser Erfahrungen hat man bisher angenommen, mit den genannten Abwandlungen einerseits im Bereich der Chemie und andererseits im Bereich der Geometrie der modernen Technik mit keramischen Entladungsgefäßen deutlich unterlegen bleiben zu müssen, sei es wegen der nur geringeren Temperaturbelastbarkeit von Quarz im Vergleich mit Keramik, sei es wegen möglicher geringerer Formtoleranzen von Keramikgefäßen im Vergleich mit Quarzgefäßen, sei es wegen größerer Natriumverluste durch die Wand des Entladungsgefäßes, wenn diese Wand aus Quarz statt aus Keramik besteht, oder sei es schließlich aus anderen Gründen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die beanspruchte Vereinigung von geometrischen und chemischen Merkmalen diese Annahme als nicht begründetes Vorurteil erkennen läßt und jedenfalls in der beanspruchten Merkmalsvereinigung dieses Vorurteil widerlegt. Insbesondere halten die gewählten geometrischen Merkmale den Natriumverlust durch Diffusion durch die Quarzwand des Entladungsgefäßes während dessen Lebensdauer vergleichbar klein wie bei einem Entladungsgefäß mit keramischer Wand, wobei außerdem das Temperaturprofil über die gesamte Oberfläche des Entladungsgefäßes möglichst einheitlich gehalten und eine lokale Überhitzung vermieden wird. Die gewählten geometrischen Merkmale in Verbindung mit der gewählten Chemie ermöglichen es, daß die Farbtemperatur unempfindlicher gegen Änderungen der Betriebstemperatur wird.
Besonders gute Ergebnisse wurden mit dem Dreikomponentensystem einer Mischung von NaI, ScI₃ und HoI₃ erreicht, wobei in dem allerdings nicht ganz optimalen Grenzfall eines Zweikomponentensystems auch HoI₃ ganz weggelassen werden kann. In diesem Sinne betragen in dieser Mischung zweckmäßig die Anteile von NaI mindestens 70%, von ScI₃ mindestens 5%, vorzugsweise bis 15%, und von HoI₃ 0 bis 25%. Besonders gute Ergebnisse erhält man durch eine deutliche Einbeziehung von HoI₃ in die Mischung mit mindestens 2%, vorzugsweise mindestens 4%, des HoI₃. Andererseits kann es reichen, die Obergrenze des HoI₃-Anteils kleiner zu halten, insbesondere bei höchstens 20% oder gar höchstens 15%. Versuchsweise besonders bewährt hat sich beispielsweise ein Mischungsverhältnis von 80% NaI, 10% ScI₃ und 10% HoI₃, oder auch 83% NaI, 12% ScI₃ und 5% HoI₃.
Es erscheint an sich möglich, andere Halogene zu verwenden oder die Mischung durch weitere Metall-Halogenide, insbesondere Seltene Erden, anzureichern; dies sollte jedoch nur nach sorgfältigen Vergleichsversuchen in Betracht gezogen werden.
Im Rahmen der Erfindung läßt sich nicht nur eine Farbtemperaturkonstanz von Lampe zu Lampe und während der Lebensdauer der einzelnen Lampen erreichen, welche in ihrer Güte mit der von Lampen mit keramischen Entladungsgefäß gleichwertig ist, sondern auch die erreichbare Farbwiedergabe ist hervorragend und mit der bei Lampen mit keramischen Entladungsgefäß vergleichbar.
Zusätzlich ist die Lichtausbeute, d.h. der Lichtstrom pro Leistung, sowohl anfänglich als auch während der Lebensdauer, vergleichbar mit der von Lampen mit keramischem Entladungsgefäß.
Was den Einsatz von Quecksilber und Startgas, z.B. Ar, angeht, sind bei der Erfindung die Verhältnisse grundsätzlich konventionell. Zweckmäßig liegt der Druck von Ar im Bereich von 30–400mbar, vorzugsweise bei 100 mbar.
Die Ansprüche 4 bis 9 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die nachfolgend beschriebenen drei Lampentypen einer zweiseitig gesockelten oder einer einseitig gesockelten Lampe oder schließlich einer Reflektorlampe als Sonderfall einer einseitig gesockelten Lampe sind mit Ausnahme der erfindungsgemäßen Geometrie des Entladungsgefäßes und der beanspruchten chemischen Merkmale dabei an sich bekannt und sollen lediglich die Lampentypen veranschaulichen, an denen die Erfindung vorzugsweise realisiert ist. Dementsprechend zeigen in jeweils axialer prinzipieller Schnittdarstellung und Reduzierung auf eine einfache Bauform
1 eine zweiseitig gesockelte Lampe,
2 eine einseitig gesockelte Lampe, und
3 eine Reflektorlampe.
Allen drei Ausführungsbeispielen ist folgendes gemeinsam:
Die im ganzen mit 1 bezeichnete Metall-Halogendampflampe weist ein Entladungsgefäß 2 (auch als Brenner bekannt) aus Quarz auf, dessen nicht dargestellte Symmetrieachse in der Zeichnungsebene vertikal verläuft. Rings um diese Symmetrieachse ist das Entladungsgefäß 2 als Ellipsoid mit den Parametern gemäß der Erfindung geformt und an den beiden Enden des Ellipsoids jeweils mit einer Quetschdichtung 4 ausgerüstet. Innerhalb des Entladungsgefäßes 2 befindet sich die erfindungsgemäße Chemie.
Aus jeder Quetschdichtung 4 am Entladungsgefäß 2 ragt jeweils eine längs der Symmetrieachse verlaufende Elektrode 6 aus Wolfram mit einem freien Ende 8 in den Innenraum des Entladungsgefäßes 2 hinein. Die Elektrode 6 ist jeweils durch eine Dichtungsfolie 14 aus Molybdän, mit der die Elektrode 6 durch Verschweißung elektrisch verbunden ist, gegen den Quarz der Quetschdichtung gasdicht abgedichtet.
Je eine elektrische Stromzuführung 12 aus Wolfram ist innerhalb der jeweiligen Quetschdichtung 4 ebenfalls durch Verschweißung mit der jeweiligen Dichtungsfolie 14 elektrisch verbunden und längs der Symmetrieachse beidseitig aus dem Entladungsgefäß 2 herausgeführt.
Das Entladungsgefäß 2 ist an seiner äußeren Wandfläche mit einer Wärmereflexionsschicht 16 versehen, die bei den gezeigten Ausführungsbeispielen unter Freilassung eines zentralen Lichtfensters nur im Bereich der Elektroden 6 in Nachbarschaft der jeweiligen Quetschdichtung 4 angeordnet ist.
Das Entladungsgefäß 2 ist mit Abstand von einem lichtdurchlässigen Außenkolben 17 umgeben, der auch aus Quarz bestehen kann und an dessen Außenseite mindestens ein Sockel 20 mit mindestens einem elektrischen Anschluß des betreffenden Sockels 20 der betreffenden Metall-Halogendampflampe 1 an eine weiterführende elektrische Leitung angeordnet ist. Der betreffende Anschluß ist in den 1 und 2 dabei jeweils durch einen Kontaktstift 26 und in 3 jeweils durch einen Kontakt 28 realisiert. Die Anschlüsse des Sockels 20 sind jeweils durch den Außenkolben 17 elektrisch mit der aus dem Entladungsgefäß 2 herausgeführten Stromzuführung 12 verbunden.
Mindestens eine Stromzuführung 12 ist als Entlastungsbogen 12b ausgebildet. Die andere Stromzuführung 12 kann zur Halterung des Entladungsgefäßes 2 innerhalb des Außenkolbens 17 dienen.
Die Lampen der 1 bis 3 unterscheiden sich in folgendem:
Bei der zweiseitig gesockelten Lampe 1 gemäß 1 ist an beiden auf der Symmetrieachse gelegenen Enden je ein außerhalb des Außenkolbens 17 angeordneter Sockel 20 vorgesehen. Die elektrische Stromzuführung 12 dient hier auch dazu, das Entladungsgefäß 2 innerhalb des Außenkolbens 17 mit Abstand zu diesem zu stützen. Der Zwischenraum zwischen dem Entladungsgefäß 2 und dem Außenkolben 17 ist evakuiert. In diesem Zwischenraum ist ein Getter 19 angeordnet.
Die einseitig gesockelte Lampe gemäß 2 entspricht dem Prinzip des Aufbaus der Lampe gemäß 1 mit folgendem Unterschied:
Es ist nur an einem Ende des Außenkolbens 17 ein einziger Sockel 20 mit zwei elektrischen Kontakten ausgebildet, der über zwei Kontaktstifte 26 jeweils mit einem Ast der elektrischen Stromzuführung 12 verbunden ist. Dabei verläuft der eine Ast 12a der Stromzuführung 12 rückwärts gewendet in Richtung zum Sockel 20. Der Außenkolben 17 wird durch die Stützkonstruktion 21 so über dem Entladungsgefäß 2 gehalten, daß die Mitte des Außenkolbens 17 mit der Mitte des Entladungsgefäßes 2 fluchtet. Der Zwischenraum zwischen dem Entladungsgefäß 2 und dem Außenkolben 17 ist wiederum evakuiert und zweckmäßig in nicht dargestellter Weise entsprechend l mit einem Getter versehen.
Um das Vakuum zwischen dem Entladungsgefäß 2 und dem Außenkolben 17 aufrecht erhalten zu können, ist bei der Metall-Halogendampflampe 1 der 1 der jeweilige Kontaktstift 26 im Sockel 20 jeweils durch Verschweißung mit einer Dichtungsfolie 10 elektrisch verbunden, die gasdicht im Außenkolben 17 eingebettet ist und jeweils ebenfalls durch Verschweißung elektrisch mit einem Ast der aus dem Entladungsgefäß 2 herausgeführten Stromzuführung 12 verbunden ist.
Die Reflektorlampe nach 3 hat einen hier nicht interessierenden Aufbau eines Sockels 20, der zwei nebeneinander liegende elektrische Kontakte 28 hat. Die Gesamtanordnung des lichterzeugenden Teils ist ähnlich langgestreckt wie im Falle der Ausführungsform nach 2. Es ist auch ein einseitig gesockelter Außenkolben wie dort vorhanden, der sich jedoch rings um das Entladungsgefäß 2 zu einem lichtundurchlässigen parabolspiegelartigen Reflektor 30 erweitert, der durch eine lichtdurchlässige linsenartige Frontscheibe 32 scheinwerferartig abgeschlossen ist. Hierbei ist ein zylindrischer Hüllkolben 18 zwischen dem rückwärts in Richtung Sockel 20 gewendeten Ast 12a der elektrischen Stromzuführung 12 und dem Boden 23 des Reflektors 30 gehalten. Die Kontaktstifte 26 aus 2 entfallen.
Bei der Reflektorlampe nach 3 ist der Zwischenraum zwischen dem Entladungsgefäß 2 und dem Außenkolben 17 nicht evakuiert, sondern luftgefüllt.
Wie 2 zeigt, kann ein zylindrischer Hüllkolben 18 aber auch bei einem evakuierten Außenkolben 17 Anwendung finden, wobei in dem Fall dieser 2 der Hüllkolben 17 von der Stützkonstruktion 21 gehalten ist.
Sowohl im Falle der 2 als auch im Falle der 3 ist die Zylinderform des Hüllkolbens 17 zwar üblich, aber nicht zwingend.

1: Metall-Halogendampflampe
2: Entladungsgefäß
3: –
4: Quetschdichtung
5: –
6: Elektrode
7: –
8: freies Ende
9: –
10: Dichtungsprofil
11: –
12: elektrische Stromzuführung
12a: Ast
12b: Entlastungsbogen
13: –
14: Dichtungsfolie
15: –
16: Wärmereflexionsschicht
17: –
18: Hüllkolben
19: Getter
20: Sockel
21: Stützkonstrtuktion
22: –
23: Boden des Reflektors
24: –
25
26: Kontaktstifte
27: –
28: Kontakt
29: –
30: Reflektor
31: –
32: Frontscheibe
33: –
34: –
35: –
36: –
37: –
38: –
39: –
40: –

Claims

Metall-Halogendampflampe(1) niedriger Leistung mit einem von einem lichtdurchlässigen Außenkolben (17) umgebenen Entladungsgefäß (2) mit Elektroden (6), die gasdicht in das Entladungsgefäß (2) eingeschmolzen sind und über Stromzuführungen (12) durch den Außenkolben (17) hindurch mit Anschlüssen mindestens eines Sockels (20) elektrisch verbunden sind, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: a) die Wand des Entladungsgefäßes (2) besteht aus Quarz; b) das Entladungsgefäß (2) hat eine ellipsoide Gestalt mit folgenden Parametern: b1) der Formfaktor f_s als das Verhältnis der Länge zum Durchmesser liegt im Bereich von 1,0 bis 1,6; b2) die Wanddicke liegt im Bereich von 1,3 bis 1,7 mm; und b3) die Wandbelastung P_w liegt im Bereich von 24 bis 44 W/cm²; c) das Entladungsgefäß (2) ist außen mit einer Wärmereflexionsschicht (16) versehen; und d) die ionisierbare Füllung innerhalb des Entladungsgefäßes (2) enthält folgende Komponenten: d1) Quecksilber; d2) ein Startgas; und d3) Metallhalogenide, deren metallische Komponente eine Kombination aus Na, Sc und gegebenenfalls mindestens einer Seltenen Erde ist.
Metall-Halogendampflampe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Ho als Seltene Erde.
Metall-Halogendampflampe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von J als Halogen.
Metall-Halogendampflampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen dem Entladungsgefäß (2) und dem Hüllkolben (18) evakuiert ist.
Metall-Halogendampflampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Nennleistung von 150 W die Wandbelastung P_w des Entladungsgefäßes (2) im Bereich von 24 bis 28 W/cm² liegt.
Metall-Halogendampflampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Nennleistung von 70 W die Wandbelastung P_w des Entladungsgefäßes (2) im Bereich von 28 bis 44 W/cm² liegt.
Metall-Halogendampflampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkolben (18) zweiseitig gesockelt ist.
Metall-Halogendampflampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkolben (18) einseitig gesockelt ist.
Metall-Halogendampflampe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Reflektorlampe.