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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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I. Stand der Technik
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Eine derartige Hochdruckentladungslampe ist beispielweise in der
WO 2011/057903 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer mit einem quecksilberfreien Entladungsmedium, die während ihres Betriebs weißes Licht mit einer Farbtemperatur von 4500 Kelvin emittiert.
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II. Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die während des Betriebs weißes Licht mit erhöhter Farbtemperatur emittiert bei vergleichbarer Maintenance und vergleichbarem Lichtstrom.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochdruckentladungslampe mit den Merkmalen aus dem Patentanspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe dient als Lichtquelle in Fahrzeugscheinwerfer und besitzt ein gasdicht verschlossenes Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum aufweist, in dem Elektroden und ein quecksilberfreies Entladungsmedium zum Erzeugen einer Gasentladung eingeschlossen sind, wobei das Entladungsmedium zumindest Xenon und Halogenide von Natrium, Scandium und Zink enthält. Erfindungsgemäß enthält das Entladungsmedium der Hochdruckentladungslampe zusätzlich Vanadium in Halogenidform oder Gallium in Halogenidform oder Vanadium und Gallium in Halogenidform. Das heißt, das Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe enthält zusätzlich Halogenide von Vanadium oder Gallium oder von Vanadium und Gallium.
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Durch die Verwendung von Vanadium oder Gallium oder Vanadium und Gallium in Halogenidform in dem Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe werden die Emission von weißem Licht mit hoher Farbtemperatur und eine gute Maintenance der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe erreicht. Außerdem wird mit Hilfe des vorgenannten Zusatzes zum Entladungsmedium die Brennspannung der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe erhöht, so dass die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe bei vorgegebener elektrischer Leistung von beispielsweise 25 Watt oder 35 Watt mit einem entsprechend geringeren elektrischen Strom beaufschlagt wird und dadurch die thermische Belastung der Stromzuführungen für die Gasentladungselektroden der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe reduziert wird. Letzteres wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe aus.
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Insbesondere Vanadium in Halogenidform als Füllungszusatz zum Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe hat den Vorteil einer guten Maintenance und ermöglicht einen stabilen Farbort des von der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe emittierten weißen Lichts über die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe.
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Vorzugsweise enthält das Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe Vanadiumhalogenid, wobei der Anteil von Vanadiumhalogenid vorzugsweise einen Wert von kleiner oder gleich 6,0 Gewichtsprozent besitzt bezogen auf die gesamte Menge der Halogenide im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe.
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Alternativ oder zusätzlich zu Vanadiumhalogenid kann Galliumhalogenid als Füllungszusatz im Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe enthalten sein, wobei der Anteil von Galliumhalogenid vorzugsweise kleiner oder gleich 15,0 Gewichtsprozent besitzt bezogen auf die gesamte Menge der Halogenide im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe.
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Die Zugabe von Galliumhalogenid hat die gleichen Vorteile wie die Zugabe von Vanadiumhalogenid. Galliumhalogenid besitzt aber einen geringeren Schmelzpunkt als die Halogenide von Natrium, Scandium und Zink. Deshalb kann Galliumhalogenid nicht zusammen mit den vorgenannten Halogeniden in Form einer gemeinsamen, alle Halogenide beinhaltenden Halogenidpille dosiert werden, sondern muss separat von den vorgenannten Halogeniden, beispielsweise in Form einer separaten Galliumhalogenidpille, dosiert werden. Aus diesem Grund ist Vanadiumhalogenid gegenüber Galliumhalogenid bevorzugt.
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Das Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe enthält vorteilhafterweise zusätzlich Indiumhalogenid, wobei der Anteil von Indiumhalogenid einen Wert von kleiner oder gleich 4,0 Gewichtsprozent besitzt bezogen auf die gesamte Menge der Halogenide im Entladungsraum. Die Zugabe von Indiumhalogenid ermöglicht eine weitere Erhöhung der Farbtemperatur des von der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe emittierten weißen Lichts.
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Vorteilhafterweise liegt der Anteil des Zinkhalogenids im Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe bei einem Wert im Bereich von 8 bis 20 Gewichtsprozent bezogen auf die gesamte Menge der Halogenide im Entladungsraum, um eine ausreichend hohe Brennspannung der Hochdruckentladungslampe zu gewährleisten.
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Vorzugsweise liegt der Kaltfülldruck von Xenon bei der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe im Bereich von 1,0 bis 2,0 Megapascal, um gute Zündeigenschaften und eine sofortige Emission von weißem Licht unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladung in der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe zu gewährleisten.
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Die Halogenide im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe sind vorzugsweise als Jodide ausgebildet, weil Jodide keine nennenswerte Korrosion der Elektroden und keine chemische Reaktion mit dem Material des Entladungsgefäßes verursachen.
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Vorzugsweise besitzt die gesamte Menge der Halogenide im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe einen Wert im Bereich von 8,9 bis 17,8 Mikrogramm pro 1 Kubikmillimeter des Volumens des Entladungsraums.
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III. Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Hochdruckentladungslampe gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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2 eine schematische Darstellung des Außenkolbens und des Entladungsgefäßes der in 1 abgebildeten Hochdruckentladungslampe
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3 die Abhängigkeit des Lichtstroms, gemessen in Prozent und bezogen auf den anfänglichen Lichtstrom, von der Betriebsdauer, gemessen in Stunden, für eine Gruppe von Hochdruckentladungslampen gemäß dem Stand der Technik (Kurve 1) und für zwei Gruppen von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen mit unterschiedlicher Zusammensetzung des Entladungsmediums (Kurven 2 und 3)
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4 die Abhängigkeit der Farbtemperatur, gemessen in Kelvin, von der Betriebsdauer, gemessen in Stunden, für eine Gruppe von Hochdruckentladungslampen gemäß dem Stand der Technik (Kurve 1) und für zwei Gruppen von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen mit unterschiedlicher Zusammensetzung des Entladungsmediums (Kurven 2 und 3)
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5 die Abhängigkeit der Brennspannung, gemessen in Volt, für eine Gruppe von Hochdruckentladungslampen gemäß dem Stand der Technik (Kurve 1) und für zwei Gruppen von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen mit unterschiedlicher Zusammensetzung des Entladungsmediums (Kurven 2 und 3). Der Begriff Brennspannung bezeichnet die Betriebsspannung einer Hochdruckentladungslampe im quasistationären Betrieb, nach Beendigung von Zünd- und Anlaufphase
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Für die Kurve
1 in den
3 bis
5 wurde eine erste Gruppe von Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen, deren Entladungsmedium die folgende Zusammensetzung hatte, untersucht und Mittelwerte über die Messwerte der Lampen der ersten Gruppe gebildet:
| Natriumjodid (NaI): | 6,8 µg/mm3 | (53,0 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 4,9 µg/mm3 | (38,2 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 1,1 µg/mm3 | (8,6 Gewichtsprozent) |
| Indiumjodid (InI): | 0,03 µg/mm3 | (0,2 Gewichtsprozent) |
| Xenon: | 1,51 Megapascal | (Kaltfülldruck) |
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Für die Kurve
2 in den
3 bis
5 wurde eine zweite Gruppe von Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen, deren Entladungsmedium die folgende Zusammensetzung hatte, untersucht und Mittelwerte über die Messwerte der Lampen der zweiten Gruppe gebildet:
| Natriumjodid (NaI): | 6,0 µg/mm3 | (50,2 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 4,2 µg/mm3 | (35,1 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 1,4 µg/mm3 | (11,7 Gewichtsprozent) |
| Vanadiumjodid (VI3): | 0,36 µg/mm3 | (3,0 Gewichtsprozent) |
| Xenon: | 1,51 Megapascal | (Kaltfülldruck) |
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Für die Kurve
3 in den
3 bis
5 wurde eine dritte Gruppe von Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen, deren Entladungsmedium die folgende Zusammensetzung hatte, untersucht und Mittelwerte über die Messwerte der Lampen der dritten Gruppe gebildet:
| Natriumjodid (NaI): | 9,0 µg/mm3 | (50,1 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 6,3 µg/mm3 | (35,1 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 2,1 µg/mm3 | (11,7 Gewichtsprozent) |
| Vanadiumjodid (VI3): | 0,55 µg/mm3 | (3,1 Gewichtsprozent) |
| Xenon: | 1,51 Megapascal | (Kaltfülldruck) |
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IV. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es sich um quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von jeweils nominal 35 Watt. Diese Lampen unterscheiden sich nur durch die Zusammensetzung ihres Entladungsmediums. In allen anderen Details stimmen die Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen gemäß den drei bevorzugten Ausführungsbeispielen überein.
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Die Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen sind jeweils für den Einsatz in einem Fahrzeugfrontscheinwerfer vorgesehen. Sie besitzen jeweils ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas mit einem Volumen des Entladungsraums 106 von 22,5 mm3, in dem Elektroden 11, 12 und ein Entladungsmedium zum Erzeugen einer Gasentladung gasdicht eingeschlossen sind. Im Bereich des Entladungsraumes 106 ist die Außenkontur des Entladungsgefäßes 10 ellipsoidförmig ausgebildet und seine Innenkontur ist im Bereich zwischen den Elektroden 11, 12 kreiszylindrisch ausgebildet.
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In der Mitte des Entladungsraumes 106 beträgt der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes 2,55 mm und sein Außendurchmesser beträgt dort 6,3 mm. Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 sind jeweils mittels einer im Quarzglas des Entladungsgefäßes 10 eingeschmolzenen Molybdänfolie 103, 104 abgedichtet. Die Molybdänfolien 103, 104 besitzen jeweils eine Länge von 6,5 mm, eine Breite von 2 mm und eine Dicke von 25 µm. Im Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden sich zwei Elektroden 11, 12, zwischen denen sich während des Lampenbetriebes der für die Lichtemission verantwortliche Entladungsbogen ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen aus Wolfram. Ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser beträgt 0,33 mm. Die Länge der Elektroden 11, 12 beträgt jeweils 7,5 mm. Der optische bzw. optisch wirksame Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt ca. 4,1 mm. Die Elektroden 11, 12 sind jeweils über eine der im Quarzglas des Entladungsgefäßes eingeschmolzene Molybdänfolie 103, 104 und die sockelferne Stromzuführung 13 sowie die Stromrückführung 17 bzw. über die sockelseitige Stromzuführung 14 elektrisch leitend mit einem elektrischen Anschluss des Lampensockels 15 verbunden. Das Entladungsgefäß 10 wird von einem gläsernen Außenkolben 16 umhüllt, der mit den Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 verschmolzen ist. Der Außenkolben 16 bzw. die vom Außenkolben 16 und dem Entladungsgefäß 10 gebildete Baueinheit wird mittels einer Metallklammer 20 und eines Metallrings 21, der durch Schweißlaschen 22 mit der Metallklammer 20 verbunden ist, am Lampensockel 15 fixiert. Das Entladungsgefäß 10 weist sockelseitig eine rohrartige Verlängerung 105 aus Quarzglas auf, in der die sockelseitige Stromzuführung 14 verläuft. Die Stromzuführungen 14, 17 sind elektrisch leitend mit einer im Innenraum des Lampensockels 15 angeordneten Zündvorrichtung (nicht abgebildet) verbunden, die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe dient. Der Lampensockel 15 besteht im Wesentlichen aus Kunststoff und ist von einem metallischen Gehäuse umgeben, um die elektromagnetische Abschirmung der Zündvorrichtung zu verbessern. Am Lampensockel 15 ist ein Stecker 23 zur elektrischen Verbindung der Hochdruckentladungslampe mit einem Betriebsgerät angeordnet.
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Der der Stromrückführung
17 zugewandte Oberflächenbereich des Entladungsgefäßes
10 ist mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Beschichtung
107 versehen, die als Zündhilfe dient. Die Beschichtung
107 besteht aus dotiertem Zinnoxid, beispielsweise aus mit Fluor oder Antimon dotiertem Zinnoxid oder beispielsweise aus mit Bor und beziehungsweise oder Lithium dotiertem Zinnoxid. Diese Hochdruckentladungslampe wird in horizontaler Lage betrieben, das heißt, mit in einer horizontalen Ebene angeordneten Elektroden
11,
12, wobei die Lampe derart ausgerichtet ist, dass die Stromrückführung
17 unterhalb des Entladungsgefäßes
30 und des Außenkolbens
16 verläuft. Details dieser Beschichtung
107 sind in der
EP 1 632 985 A1 beschrieben. Der Außenkolben
16 besteht aus Quarzglas, das mit Ultraviolette Strahlung absorbierenden Stoffen dotiert ist, wie zum Beispiel Ceroxid und Titanoxid. Geeignete Glaszusammensetzungen für das Außenkolbenglas sind in der
WO 94/28576 A1 und in der
WO 2012/072398 A1 offenbart. Zusätzlich kann das Glasmaterial des Außenkolbens
16 mit färbenden Zusätzen wie zum Beispiel Europiumoxid oder Neodymoxid versehen sein, um beispielsweise die Farbtemperatur und den Farbort des von der Hochdruckentladungslampe emittierten weißen Lichts zu beeinflussen.
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Das in dem Entladungsgefäß eingeschlossene Entladungsmedium besteht bei allen drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung aus Xenon mit einem Kaltfülldruck, das heißt einem bei einer Temperatur von 25°C gemessenen Fülldruck, von 1,40 Megapascal und den Jodiden von Natrium, Scandium, Zink, Indium und Vanadium.
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Die Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen gemäß den drei Ausführungsbeispielen der Erfindung unterscheiden sich in der Zusammensetzung ihrer Halogenidkomponenten.
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Halogenidkomponenten der Hochdruckentladungslampe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung:
| Natriumjodid (NaI): | 6,4 µg/mm3 | (53,3 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 3,8 µg/mm3 | (31,7 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 1,6 µg/mm3 | (13,3 Gewichtsprozent) |
| Indiumjodid (InI): | 0,07 µg/mm3 | (0,6 Gewichtsprozent) |
| Vanadiumjodid (VI3): | 0,13 µg/mm3 | (1,1 Gewichtsprozent) |
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Das Entladungsmedium der Hochdruckentladungslampe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält außer den vorgenannten Bestandteilen und Xenon keine weiteren Komponenten, sodass die Summe der Gewichtsanteile von Natriumjodid, Scandiumjodid, Zinkjodid, Vanadiumjodid und Indiumjodid die gesamte Menge, das heißt 100 Gewichtsprozent, der Halogenide im Entladungsraum 106 ergibt. Die gesamte Menge der Halogenide beträgt 12 µg/mm3, wobei in der vorliegenden Anmeldung die Abkürzung µg/mm3 für Mikrogramm pro 1 Kubikmillimeter des Volumens des Entladungsraums 106 steht.
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Halogenidkomponenten der Hochdruckentladungslampe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung:
| Natriumjodid (NaI): | 6,4 µg/mm3 | (52,8 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 3,8 µg/mm3 | (31,4 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 1,6 µg/mm3 | (13,3 Gewichtsprozent) |
| Indiumjodid (InI): | 0,04 µg/mm3 | (0,3 Gewichtsprozent) |
| Vanadiumjodid (VI3): | 0,27 µg/mm3 | (2,2 Gewichtsprozent) |
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Das Entladungsmedium der Hochdruckentladungslampe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält außer den vorgenannten Bestandteilen und Xenon keine weiteren Komponenten, sodass die Summe der Gewichtsanteile von Natriumjodid, Scandiumjodid, Zinkjodid, Vanadiumjodid und Indiumjodid die gesamte Menge, das heißt 100 Gewichtsprozent, der Halogenide im Entladungsraum 106 ergibt. Die gesamte Menge der Halogenide beträgt 12,11 µg/mm3.
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Halogenidkomponenten der Hochdruckentladungslampe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung:
| Natriumjodid (NaI): | 5,3 µg/mm3 | (44,3 Gewichtsprozent) |
| Scandiumjodid (ScI3): | 4,9 µg/mm3 | (40,9 Gewichtsprozent) |
| Zinkjodid (ZnI2): | 1,6 µg/mm3 | (13,4 Gewichtsprozent) |
| Indiumjodid (InI): | 0,04 µg/mm3 | (0,3 Gewichtsprozent) |
| Vanadiumjodid (VI3): | 0,13 µg/mm3 | (1,1 Gewichtsprozent) |
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Das Entladungsmedium der Hochdruckentladungslampe gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält außer den vorgenannten Bestandteilen und Xenon keine weiteren Komponenten, sodass die Summe der Gewichtsanteile von Natriumjodid, Scandiumjodid, Zinkjodid, Vanadiumjodid und Indiumjodid die gesamte Menge, das heißt 100 Gewichtsprozent, der Halogenide im Entladungsraum 106 ergibt. Die gesamte Menge der Halogenide beträgt 11,97 µg/mm3.
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Die Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden jeweils unmittelbar nach der Zündung der Gasentladung im Entladungsgefäß mit dem drei- bis fünffachen ihrer Nennleistung bzw. ihres Nennstroms betrieben, um ein schnelles Verdampfen der Halogenide in dem Entladungsmedium zu gewährleisten. Unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladung wird diese fast ausschließlich vom Xenon getragen, da nur das Xenon zu diesem Zeitpunkt gasförmig im Entladungsgefäß vorliegt. Die Hochdruckentladungslampen arbeiten zu diesem Zeitpunkt und während der so genannten Anlaufphase, während der die Halogenide des Entladungsmediums in die Dampfphase übergehen, daher jeweils wie eine Xenon-Höchstdruckentladungslampe, bei der sowohl die Lichtemission als auch die elektrische Eigenschaften der Entladung, insbesondere der Spannungsabfall über der Entladungsstrecke, allein vom Xenon und dem Elektrodenabstand bestimmt werden. Erst wenn die oben genannten Halogenide bzw. Jodide des Entladungsmediums verdampft sind und diese an der Entladung teilnehmen, ist ein quasistationärer Betriebszustand erreicht, in dem die Lampen jeweils mit ihrer Nennleistung von 35 Watt und einer Brennspannung von ca. 42 Volt betrieben werden. Der Begriff Brennspannung bezeichnet demzufolge die Betriebsspannung einer Hochdruckentladungslampe im quasistationären Betrieb, nach Beendigung von Zünd- und Anlaufphase.
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Der zeitliche Verlauf der Werte für Lichtstrom, Farbtemperatur und Brennspannung der Halogenmetalldampf-Hochdruckentladungslampen gemäß den drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ähnlich zur Kurve 3 in den 3 bis 5 bzw. sogar günstiger.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Beispielsweise kann der Lampensockel derart ausgebildet sein, dass er in seinem Innenraum zusätzlich zur Zündvorrichtung auch Komponenten der Betriebsvorrichtung oder sogar die komplette Betriebsvorrichtung für die Hochdruckentladungslampe enthält. Alternativ kann der Lampensockel auch ohne Zündvorrichtung ausgebildet sein und die Zündvorrichtung außerhalb des Lampensockels als Bestandteil eines externen Betriebsgeräts der Hochdruckentladungslampe ausgebildet sein. Ferner können auch die Abmessungen der Elektroden und anderer Lampenteile von denen des bevorzugten Ausführungsbeispiels abweichen. Die Zündhilfsbeschichtung 107 ist optional und kann gegebenenfalls entfallen oder auf eine andere Weise ausgeführt sein als bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/057903 A1 [0002]
- EP 1632985 A1 [0029]
- WO 94/28576 A1 [0029]
- WO 2012/072398 A1 [0029]
