EP1735814B1

EP1735814B1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: EP1735814B1
Application number: EP05742319.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Brinkhoff; Hans-Jürgen Keck; Rainer Kling
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-14
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: JP2007533087A; DE102004019185A1; US20070200504A1; US7973482B2; CA2562726A1; DE112005001399A5; CN1943005A; WO2005101455A2; WO2005101455A3; JP4560085B2; EP1735814A2; CN100585790C

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um Metallhalogenidlampen mit zweiseitiger Quetschung mit hoher Leistung von mindestens 1600 W. Die Erfindung betrifft ferner eine zugehörige Leuchte.

Stand der Technik

Derartige Lampen sind aus der EP 391 283 und EP 451 647 bekannt. Sie eignen sich grundsätzlich für horizontale und vertikale Anordnung in einem Reflektor.
Aus der DE-A 38 29 156 ist eine gattungsgemäße Lampe bekannt, die ein relativ hohes Brom/Jod-Verhältnis von 1,5 bis 4 empfiehlt. Daher ist ein relativ hoher Durchmesser der Schäfte der Elektroden von 1,5 bis 2 mm nötig, weil Brom die Schäfte stark angreift.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der die Lebensdauer hohen Anforderungen genügt, insbesondere bei der der Rückgang in der Transparenz des Entladungsgefäßes über die Lebensdauer weitestgehend behoben ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Im einzelnen wird eine Entladungslampe vorgestellt, die sich sowohl für den horizontalen als auch den vertikalen Betrieb in einer Leuchte eignet. Diese Hochdruckentladungslampe hat als Merkmale ein längsgestrecktes Entladungsgefäß als einzigen Kolben, das eine axiale Symmetrieachse definiert und das zweiseitig durch Abdichtungsteile, beispielsweise durch Quetschungen oder Einschmelzungen, verschlossen ist und das ein Entladungsvolumen umschließt, wobei sich zwei Elektroden auf der Achse gegenüberstehen, und das eine ionisierbare Füllung aus Quecksilber, Edelgas und Metallhalogeniden enthält, sowie Stromzuführungen, die mit den Elektroden über Folien verbunden sind und die an den Enden des Entladungsgefäßes austreten, wobei die Lampe eine Leistung von wenigstens 1600 W aufnimmt. Die Schäfte sind als Stifte mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,15 mm ausgebildet. Gleichzeitig ist das Halogen für die Halogenide aus den Bestandteilen Jod und evtl. Brom zusammengesetzt ist, wobei entweder nur Jod oder Brom und Jod gemeinsam verwendet werden, wobei das atomare Verhältnis Brom/Jod maximal 1,45 beträgt. Bevorzugt ist zur Verbesserung des thermischen Haushalts zumindest ein Teil der Abdichtung, meist eine Quetschung, der einer Elektrode benachbart ist, mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Die Beschichtung ist eine metallische oder nichtmetallische Schicht, insbesondere aus Zirkonoxid. Diese Beschichtung erstreckt sich von der Quetschkante mindestens 2 mm zur Folie hin, insbesondere mindestens über die gesamte Länge des in die Quetschung eingebrachten Schaftes. Sie ist dann einseitig aufgebracht, wenn die Lampe vertikalnah in einen Reflektor eingebaut wird, also mit einer Abweichung von maximal 45° zur Vertikalen. Bei horizontalnahem Einbau mit Abweichung von weniger als 45° zur Horizontalen ist diese Beschichtung beidseitig auf beiden Quetschungen angebracht.
Zur weiteren Verbesserung des thermischen Haushalts kann ein Teil der beiden Abdichtungen mattiert sein, wie an sich bekannt. Dabei ist bevorzugt die Mattierung eine durch Sandstrahlen oder Ätzen aufgerauhte Schicht.
Als Bestandteil der Füllung sind insbesondere Metallhalogenide des Hg sowie aus der Gruppe der Elemente Cs und Seltenerdmetalle wie Dy oder Tm oder Ho geeignet, da sich mit ihnen eine Farbtemperatur von mindestens 3300 K, bevorzugt mindestens 3800 K, gut einstellen lässt. Je nach gewünschter Farbtemperatur empfiehlt sich eine Zugabe von Natrium und/oder Mangan als Halogenid zu den anderen Metallhalogeniden. Weiterhin kann zur Verbesserung des Farbwiedergabeindex Thalliumhalogenid, insbesondere Thalliumjodid, eingesetzt werden.
Die Hochdruckentladungslampe ist dadurch besonders kompakt gestaltet, dass das Entladungsgefäß (2) der einzige Kolben ist.
Die Hochdruckentladungslampe zeichnet sich durch die Verwendung von Elektroden mit Schaft und Kopf aus, bei denen die Schäfte einen Durchmesser von höchstens 1,15 mm besitzen. Derartig dünne Schäfte wurden bisher nicht für derartige Lampen verwendet, da die Füllung bisher relativ viel Brom für einen optimalen Halogenkreislauf enthielt, das gezielt die Schäfte angreift. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass für eine relativ niedrige Farbtemperatur, die 6000 K nicht überschreitet, in völliger Abkehr von der bisherigen Lehrmeinung besser eine relativ bromarme Füllung verwendet werden kann, wobei als Halogenid hier eine Brom/Jod-Mischung bis zu einem atomaren Verhältnis von maximal 1,45 verwendbar ist. Die bromarme Füllung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn niedrige Farbtemperaturen mit der Lichtfarbe neutralweiß angestrebt werden mit Farbtemperaturen zwischen 3300 und 4800 K, wobei als Halogenid hier entweder Jod allein oder eine Brom/Jod-Mischung bis zu einem atomaren Verhältnis von maximal 1,45 bevorzugt ist. Derart niedrige Farbtemperaturen konnten bei gattungsgemäßen Lampen bisher überhaupt nicht realisiert werden. Derart wenig Brom belastet die Schäfte nur wenig. Typisch ist die Verwendung von reinem Jod bei niedrigen Leistungen (typisch 1600 W Leistung) bis hin zu einem Verhältnis Br/J um 1,0 ±0,2 bei höheren Leistungen (typisch 2000 W). die genannte Leistung bezieht sich auf Standardbetrieb.
Die dünnen Schäfte sind deswegen besonders wichtig, weil sie eine kritische Stelle im Funktionieren der Lampe betreffen. Der stiftförmige Schaft ist im Quarzglas eingeschmolzen und steht dort unter hoher Wärmebelastung sowie starker Spannung. Das Quarzglas haftet nicht am Stift, sondern es bildet sich unvermeidlich zwischen Stift und Quarzglas eine Kapillare aus. Ein Teil der Füllung kondensiert in der Kapillare, das ein Totvolumen für die Füllung bildet. Dieser Effekt führt zur bisher beobachteten schlechten Maintenance derartiger Lampen, die jedoch unvermeidbar schien. In Abkehr von der bisherigen Technologie zeigt sich jetzt, dass dünne Stifte bei sorgfältiger Wahl des Bromanteils nicht nur ausreichend stabil sind, so dass auch die Strombelastung von typisch 10 bis 20 A kein Problem darstellt, sondern den großen Vorteil eines wesentlich geringeren damit verknüpften Totvolumens besitzen. Denn je dünner ein Stift ist, desto schmaler ist das um ihn herum entstehende Totvolumen in der Abdichtung. Darüber hinaus verbessern dünne Stifte den Wärmestau im Bereich der Elektroden. Insbesondere kann im vertikalen Betrieb auch nur eine Elektrode mit dünnem Schaft ausgestattet sein, während die andere einen konventionellen dicken Schaft mit typisch 1,5 mm Durchmesser besitzt. Der dünne Schaft gestattet es überdies, einen relativ langen Abstand zwischen Folie und Entladungsvolumen zu legen, der die Explosionsgefahr verringert und die Wärmebelastung der Folie absenkt. Die Explosionsgefahr beruht auf der Kerbwirkung der Folie im Quarzglas. Der längere Abstand vergrößert das Totvolumen nur unwesentlich, so dass es immer noch erheblich unter dem Wert von dicken Stiften wie bisher verwendet liegt. Eine typische axiale Länge des Stifts im Quarzglas, gerechnet von der Quetschkante bis zum Beginn der Folie, ist jetzt 5 bis 7 mm, während vorher maximal Werte von 4 mm verwendet wurden. Ein Optimum für den Durchmesser des Schaftes hinsichtlich Stabilität einerseits und Totvolumen andererseits liegt bei etwa 0,9 bis 1,1 mm. Die Schäfte werden beispielsweise aus üblichem Wolfram-Material gefertigt.
Derartige Lampen lassen sich mit einem moderaten Kreisprozess betreiben, was zu einer hervorragenden Maintenance führt. Die Lampen erreichen nicht nur eine außergewöhnlich lange Lebensdauer in der Größenordnung von 2500 bis 6000 und typisch 4500 Std., sondern auch eine exzellente Stabilität der lichttechnischen Eigenschaften. Diese liegt in der Größenordnung von mindestens 90 % bei 1500 Std.
Die Füllung erlaubt eine hohe Lichtausbeute von mindestens 90 lm/W bei gleichzeitig guter Farbwiedergabe von mindestes Ra = 85. In Kombination mit der hohen Lebensdauer sind diese Lampe daher ideal für Zwecke der Allgemeinbeleuchtung geeignet.
Die erfindungsgemäße Lampe erreicht auch bei dem besonders kritischen vertikalem Betrieb in einer kompakten Leuchte eine Lebensdauer von mindestens 2500 Std., in aller Regel beträgt die Lebensdauer mindestens 4000 Std. Der vertikale Betrieb ermöglicht einen besonders hohen Leuchtenwirkungsgrad.
Für Anwendungen in Räumen oder in der Dämmerung ist die Lichtfarbe neutralweiß, für höchste Anforderungen an die Farbwiedergabe neutralweiß de luxe (NDL) gut geeignet mit einer Farbtemperatur von etwa 4100 bis 4400 K und einem Ra von wenigstens 85.
Die erfindungsgemäße Lampe ist auch für indirekte Beleuchtung, beispielsweise mit Spiegelwerfersystemen geeignet, bei der ein hoher Lichtstrom gefordert ist.
Häufig beinhalten lichtaktive Metallhalogenid-Füllungen geringe Anteile an Natrium und/oder Mangan als Bestandteil. Damit lassen sich hohe Lichtausbeuten sowie die gewünschten Farbanteile erreichen. Dagegen führt ein hoher Natrium-Anteil zu verstärkter Korrosion des Entladungsgefäßes, obwohl es meist aus Quarzglas hergestellt ist. Daher ist der Anteil des Na möglichst relativ gering gewählt neben den weiteren Bestandteilen Thallium, Cäsium und übliche Seltenerdmetalle wie Dy, Ho oder Tm, und insbesondere ist Natrium ganz oder teilweise durch Mangan ersetzt.
Bevorzugt können bei eher kleinwattigen Lampen, insbesondere etwa 1600 W, die Enden des Entladungsgefäßes nur eher kurz, typisch 2 mm, mit einer reflektierenden Schicht beschichtet werden. Dies gilt vor allem für neutralweiße Füllungen mit Farbtemperatur von 4000 bis 4800 K. Insgesamt wird dadurch die Temperatur des cold spot, aber auch die Folienendtemperatur und die Wandbelastung erhöht, so dass sie optimale Werte erreichen. Eine optimale Folienendtemperatur liegt bei 350 bis 390 °C. Sie lässt sich beispielsweise durch den Abstand der Folie vom Entladungsvolumen und ihre Länge gezielt einstellen. Bei höherer Temperatur droht frühzeitige Korrosion, die zur verkürzten Lebensdauer führt. Die Wandbelastung liegt am besten bei Werten von etwa 60 bis 75 W/cm².
Bevorzugt werden bei eher hochwattigen Lampen, insbesondere 1800 bis 2500 W und mehr, Füllungen mit wenig oder gar keinem Anteil an Na verwendet. Außerdem ist hier eine größere Länge der reflektierenden Schicht empfohlen. Sie sollte, ausgehend von der Quetschkante, wenigstens den Schaft bis hin zur Folie umfassen und insbesondere zumindest noch den Teil der Folie, auf dem der Schaft aufgeschweißt ist. Bevorzugt erstreckt sie sich noch einige Millimeter darüber hinaus.
Da diese Lampen deutlich stärker wärmebelastet sind, ist hier eine außerdem Mattierung der Quetschungen empfehlenswert. Dadurch gelingt es, auch in einer engen Leuchte die Temperatur der Folienenden auf maximal 350 bis 390 °C zu begrenzen.
Besonders kritisch ist die Temperatur am Folienende. Die Mattierung sollte daher den Bereich des äußeren Folienendes umfassen. Vorteilhaft erstreckt sie sich bis zum Ende der Quetschung. Nach innen, zur Entladung hin, kann sie sich mindestens bis zur Mitte der Folie erstrecken, unter Umständen auch deutlich darüber hinaus, beispielsweise bis zum inneren Ende der Folie.
Typische Abstände zwischen den Elektrodenspitzen liegen bei 25 bis 35 mm für besonders kompakte Leuchten, aber auch Abstände bis zu 100 mm oder mehr sind möglich. Ein minimaler Abstand liegt bei 20 mm.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1: eine Metallhalogenidlampe in Seitenansicht;
Figur 2 und 3: je ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe.

Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist schematisch eine 1600 W Hochdruckentladungslampe 1 ohne Außenkolben mit einer Länge von ca. 190 mm dargestellt, wie sie beispielsweise in US-PS 5 142 195 näher beschrieben ist. Sie ist für den Einsatz in Reflektoren bestimmt, wobei sie axial zur Reflektorachse angeordnet wird.
Das Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas definiert eine Längsachse X und ist als Tonnenkörper 3 ausgeführt, dessen Erzeugende ein Kreisbogen ist. Das Entladungsvolumen ist etwa 20 cm³. Die stabförmigen Wolfram-Elektroden 6 mit aufgeschobener Wendel 7 als Kopf sind an den beiden Enden des Entladungsgefäßes in Quetschungen 5 axial ausgerichtet. Die Elektroden 6 sind an Folien 8 in der Quetschung 5 befestigt, an denen äußere Stromzuführungen 9 ansetzen. Am entladungsfernen Ende 20 der Quetschung 5 ist ein Keramiksockel 11 mit Kitt (nicht gezeigt) befestigt. Das Entladungsgefäß 2 enthält eine Füllung aus einem Edelgas als Startgas, Quecksilber sowie Metallhalogeniden. Als Metallhalogenid wird HgBr2 und HgJ2 sowie die lichtaktive Füllung NaJ, CsJ, TIJ und DyJ3 sowie TmJ3 verwendet. Das Verhältnis Br/J liegt bei etwa 0,2. Die Lampe wird horizontal betrieben. Der Kaltfülldruck des Startgases liegt bei höchstens 1 bar.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtfarbe neutralweiß mit einer typischen Farbtemperatur von 4000 K durch die Füllung realisiert. Ein typischer Durchmesser des Schafts 6 der Elektrode ist 1,0 mm. Nach einer Lebensdauer von 2000 Std. betrug der Brennspannungsanstieg lediglich 4 % und die Maintenance des Lichtstroms 10%.
Bei einer vertikal betriebenen 2000 W-Lampe (Figur 2) empfiehlt sich als Metallhalogenid HgBr2 sowie die lichtaktive Füllung NaJ, CsJ, TIJ3 und DyJ3 sowie TmJ3 verwendet. Das Verhältnis Br/J liegt bei etwa 0,9.
Eine typische Füllung ist:

CsJ: 0,05 bis 0,3 µmol/cm³;
DyJ3: 0,2 bis 0,8 µmol/cm³;
NaJ: 0 bis 1,4 µmol/cm³;
MnJ2: 0 bis 2,4 µmol/cm³;
TIJ: 0,05 bis 0,7 µmol/cm³;
TmJ3: 0,2 bis 0,8 µmol/cm³;
HgJ2: 0 bis 1,5 µmol/cm³;
HgBr2: 0 bis 3 µmol/cm³.

Eine relativ schmale Beschichtung 9 an der unteren Quetschung 3a senkt die damit hervorgerufene Wandbelastung. Erwünscht ist ein Wert der Wandbelastung von höchstens 75 W/cm². Gute Ergebnisse liefert eine Wandbelastung von 65 bis 70 W/cm². Außerdem wird der Wärmestaueffekt noch erhöht, indem der Schaft 23 verlängert und die Folie 8 verkürzt ist, jeweils in axialer Länge gesehen. Die Einbettung des Schaftes in der Quetschung beträgt dann mindestens 6 mm. Die Beschichtung 9 erstreckt sich in etwa von der Quetschkante bis zum Ende des Schaftes auf der Folie. Die Enden der Beschichtung sind mit den Bezugsziffern 30 und 29 bezeichnet. Eine Mattierung 12 ist außerdem auf beiden Schäften 3a und 3b aufgebracht und erstreckt sich sowohl bei der oberen als auch bei der unteren Quetschung in etwa vom äußeren Ende 20 der Quetschung bis zu 60 % der Länge der Folie. Das innere Ende der Mattierung ist mit 31 bezeichnet.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Es handelt sich um eine 2000 W Metallhalogenidlampe 40 für waagrechte Brennlage, die ansonsten ähnlich wie in Figur 2 beschrieben ist. Sie ist für neutralweiße Lichtfarben von 3500 bis 4800 K geeignet. Die gleichmäßige Temperaturverteilung erlaubt den Einsatz dünner Stifte 41 als Schaft (0,5 bis 1,15 mm Durchmesser), die sich beim Quetschen dichter in das Quarzglas einbetten lassen und das Volumen der sie als Totraum umgebenden Kapillaren verringern. Ein derart dünner Schaft 41 muss mit der Auslegung des Halogenkreisprozesses verträglich sein, insbesondere durch sorgfältige Wahl des Brom/Jod-Verhältnisses wie oben dargestellt. Derart dünne Schäfte beschränken zudem die Wärmeableitung, so dass an dieser Stelle ein zusätzlicher Wärmestau entsteht, der das Entstehen eines Metallhalogenid-Sumpfes verhindert. Dadurch wird eine symmetrische Reflektorbeschichtung 42 auf den beiden Quetschungen 43 mit geringer axialer Länge möglich, die eine Abschattung vermeidet. Eine schmale Beschichtung 42 an den beiden Quetschungen 43 senkt die damit hervorgerufene Wandbelastung auf etwa 60 W/cm². Außerdem wird der Wärmestaueffekt noch erhöht, indem der Schaft 41 verlängert und die Folie 44 verkürzt ist, jeweils in axialer Länge gesehen. Die Einbettung des Schaftes in der Quetschung beträgt etwa 12 mm. Die Beschichtung 42 erstreckt sich von der Quetschkante 42a bis 2 mm über das Ende des Schaftes auf der Folie hinaus, das äußere Ende ist mit 42b bezeichnet. Die Enden der Beschichtung sind mit den Bezugsziffern 30 und 29 bezeichnet. Eine Mattierung 45 erstreckt sich auf beiden Quetschungen in etwa vom äußeren Ende 46 der Quetschung bis zu 60 % der Länge der Folie. Das innere Ende der Mattierung ist mit 47 bezeichnet. Es überlappt geringfügig mit dem äußeren Ende der Beschichtung.
Als Metallhalogenid wird HgBr2 sowie die lichtaktive Füllung MnJ2, CsJ, TIJ und DyJ3 sowie TmJ3 verwendet. Das Verhältnis Br/J liegt bei etwa 1,1.

Claims

Hochdruckentladungslampe mit einem längsgestreckten Entladungsgefäß (2) als einzigem Kolben, das eine axiale Symmetrieachse definiert und das zweiseitig durch Abdichtungen verschlossen ist und ein Entladungsvolumen umschließt, wobei sich zwei Elektroden (6), deren Schäfte an Folien angeschlossen sind, auf der Achse gegenüberstehen, und das eine ionisierbare Füllung aus Quecksilber, Edelgas und Metallhalogeniden enthält, sowie mit Stromzuführungen, die mit den Elektroden über Folien verbunden sind und die an den Enden des Entladungsgefäßes austreten, wobei die Lampe eine Leistung von wenigstens 1600 W aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäfte als Stifte mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,15 mm ausgebildet sind und dass das Halogen für die Halogenide aus den Bestandteilen Jod und evtl. Brom zusammengesetzt ist, wobei entweder nur Jod oder Brom und Jod gemeinsam verwendet werden, wobei das atomare Verhältnis Brom/Jod maximal 1,45 beträgt und insbesondere im Bereich 0,8 bis 1,2 liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Abdichtung, der einer Elektrode benachbart ist, mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine metallische oder nichtmetallische Schicht ist, insbesondere aus Zirkonoxid.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Teil der beiden Abdichtungen mattiert ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zumindest Metallhalogenide des Quecksilber und aus der Gruppe der Elemente Cs und Seltenerdmetalle enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich Metallhalogenide von Natrium und/oder Mangan enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdmetalle ausgewählt sind aus der Gruppe Dy, Ho, Tm.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden Schäfte mit einem Durchmesser von 0,9 bis 1,1 mm besitzen.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden-Schäfte eine axiale Länge, über die sie im Quarzglas eingebettet sind von mindestens 5 mm, vorteilhaft 6 mm, besitzen.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbtemperatur der Lampe mindestens 3300 K beträgt, insbesondere 3800 bis 4800 K.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung zusätzlich ein Metallhalogenid des Thalliums enthält.