DE10245000A1

DE10245000A1 - Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für Entladungslampeneinheit

Info

Publication number: DE10245000A1
Application number: DE10245000A
Authority: DE
Inventors: Michio Takagaki; Shinichi Irisawa
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: US20030062839A1; JP2003173763A; DE10245000B4; US7038385B2

Abstract

Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, mit einem geschlossenen Glaskolben und einem Paar Elektrodenstäben, die in dem Glaskolben so angeordnet sind, dass sie einander gegenüberstehen. Der geschlossene Glaskolben enthält kein Quecksilber wie Lichtbogenröhren nach dem Stand der Technik, sondern enthält hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas, die in dem Glaskolben eingeschlossen sind. Gemäß Erfordernis kann vorbestimmtes Puffer-Metallhalogenid an Stelle von Quecksilber eingeschlossen sein, um das Absenken der Röhrenspannung in einem gewissen Ausmaß zu unterdrücken. Zusätzlich wird der Röhrenstrom I erhöht, um die Röhrenspannung hoch zu machen. Der Röhrenstrom (Einheit: A) und der Außendurchmesser d (Einheit: mm) jedes Elektrodenstabes werden so eingestellt, dass sie eine Beziehung 1,0 1/d 5,0 aufweisen. Folglich wird die Elektrodentemperatur auf einer optimalen Temperatur gehalten, obwohl solch ein erhöhter Röhrenstrom verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, und mehr im einzelnen eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, welche kein Quecksilber enthält, sondern hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas enthält, die in einem geschlossenen Glaskolben eingeschlossen sind.
Fig. 9 zeigt einen Entladungskolben, welcher eine Entladungslampeneinheit nach dem Stand der Technik ist, die als Lichtquelle einer Kfz-Lampe verwendet wird. Der Entladungskolben weist einen Aufbau auf, in dem eine Lichtbogenröhre 2, die einen geschlossenen Glaskolben 2a als lichtemittierenden Abschnitt aufweist, zusammengesetzt ist mit einem elektrisch isolierenden Einsteckkörper 1 aus Kunstharz. Ein hinterer Endabschnitt der Lichtbogenröhre 2 wird festgehalten durch ein Metalltragglied 8, das an dem elektrisch isolierenden Einsteckkörper 1 befestigt ist. Ein vorderer Endabschnitt der Lichtbogenröhre 2 wird gestützt durch eine Metallzuführhalterung 9, die auch als ein Stromleitungsweg dient, welcher sich von dem elektrisch isolierenden Einsteckkörper 1 erstreckt.
Die Lichtbogenröhre 2 weist einen Aufbau auf, in welchem hauptlichtemittierendes Metallhalogenid, Puffer-Quecksilber und Startedelgas eingeschlossen sind in dem geschlossenen Glaskolben 2a, der gehalten wird zwischen Quetschdichtungsabschnitten 2b und 2b, die an gegenüberliegenden Enden des Glaskolbens 2a gelegen sind, und der so mit einem Paar Elektrodenstäben 3 und 3 versehen ist, dass diese einander gegenüberliegen. Licht wird auf der Grundlage eines Lichtbogens emittiert, der zwischen den Elektrodenstäben 3 und 3 erzeugt wird. Der Entladungskolben ist einem Glühlampenkolben überlegen, da eine große Menge von emittiertem Licht, eine lange Lebensdauer, und so weiter, mit dem Entladungskolben erzielt werden können. Aus diesem Grund besteht heutzutage eine Tendenz dazu, einen Entladungskolben dieses Typs als Lichtquelle für einen Scheinwerfer oder eine Nebellampe eines Kraftfahrzeugs zu verwenden.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Zuführdraht, der aus jedem Quetschdichtungsabschnitt 2a herausgeführt ist. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Blatt aus Molybdänfolie zum Anschließen des Zuführdrahtes 4 und 4 an eine entsprechende Wolframelektrode 3. Ferner ist ein ultraviolett-abschirmendes Abdeckglas 6 einteilig mit dem Lichtbogenkörper 2 verschweißt, um dadurch einen Aufbau zu bilden, in dem der Glaskolben 2a umgeben ist von einem geschlossenen Raum, der durch das Abdeckglas 6 gebildet wird. Folglich wird der geschlossene Glaskolben 2a auf einer hohen Temperatur gehalten, während ultraviolette Strahlen in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich, der für den menschlichen Körper schädlich ist, ausgeblendet werden aus dem Licht, das von dem geschlossenen Glaskolben 2a emittiert wird.
Das in dem Glaskolben 2a des Standes der Technik eingeschlossene Quecksilber ist eine für die Umgebung toxische Substanz. Infolge der sozialen Notwendigkeit, die Ursache für globale Umweltverschmutzung so weit wie möglich zu reduzieren, ist es wünschenswert, eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre zu entwickeln.
Die folgenden Ergebnisse sind erhalten worden in dem Prozess der Forschung und Entwicklung einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre, die kein Quecksilber enthält.
Quecksilber wirkt hauptsächlich als Puffersubstanz zum Konstanthalten der Röhrenspannung, um die Menge von Elektronen zu reduzieren, die mit Elektroden kollidieren, um dadurch die Beschädigung der Elektroden zu puffern. Daher wird die Röhrenspannung reduziert, wenn Quecksilber aus den Substanzen entfernt wird, die in dem Glaskolben eingeschlossen sind. Das heißt, die für eine elektrische Entladung erforderliche Röhrenleistung kann nicht erhalten werden. Es ist daher erforderlich, einen Röhrenstrom zu vergrößern, um die Röhrenleistung zu erhöhen. Also nimmt die Belastung an jeder Elektrode entsprechend zu (die Stromdichte erhöht sich), so dass die Temperatur der Elektrode sich erhöht. Mit dieser Temperaturerhöhung treten die folgenden Probleme auf.
Erstens wird die Elektrode durch Wärme verformt, oder der Glaskolben wird schwarz nahe dem Fuß der Elektrode durch Zerstäubung in der Elektrodenfläche, oder die Elektrode wird deformiert; da die chemische Reaktion zwischen Wolfram als einem elektrodenbildenden Material und der eingeschlossenen Substanz (Halogenid) in der Elektrodenfläche auftritt. Daher wird der Helligkeitserhaltungsfaktor (das Nutzungsdauerverhalten) (lumen maintenance factor) gesenkt. Außerdem wird die Elektrode verbraucht, so dass der Lichtbogen schwindet (Schwund hat). Ferner springt das Glas auf Grund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Elektrode und dem Glas.
Die Erfinder erforschten die Anwendung von Metallhalogenid, das an Stelle von Quecksilber als Puffer wirkt. Tatsächlich wurde Metallhalogenid gefunden, das wirksam ist zum Erhöhen der Röhrenstrom in einem gewissen Ausmaß, aber es wurde kein Metallhalogenid gefunden, das als Puffer äquivalent dem Quecksilber wirkt. Das heißt, wenn dieses neue Puffer-Metallhalogenid einfach an Stelle von Quecksilber eingeschlossen wird, kann eine für die elektrische Entladung erforderliche und ausreichende Röhrenspannung nicht leicht (oder manchmal nie) erhalten werden. Daher soll die Erfindung eine Temperaturzunahme in den Elektroden (oder Probleme, die durch die Temperaturzunahme verursacht werden) vermeiden unter der Bedingung, dass eine Lichtbogenröhre mit einem erhöhten Röhrenstrom verwendet wird.
Dann ist die Elektrodentemperatur proportional zu der Stromdichte und dem Elektrodenflächenbereich. Dementsprechend wird, wenn jeder Elektrodenstab so ausgebildet ist, dass er eine gleichförmige Dicke aufweist, die Elektrodentemperatur T (Einheit °C) ausgedrückt durch T = k₁ (4I/πd²) πdL = k₁LI/d, worin d (Einheit mm) den Außendurchmesser jedes Elektrodenstabes bezeichnet, L (Einheit mm) die vorstehende Länge des Elektrodenstabes in den geschlossenen Glaskolben bezeichnet, I (Einheit A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₁ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Das heißt, wenn die vorstehende Länge L des Elektrodenstabes in den geschlossenen Glaskolben 12 konstant ist, kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/d (Einheit A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d des Elektrodenstabes.
Wenn zum Beispiel ein sphärischer Abschnitt mit einem größeren Durchmesser als dem Schaftdurchmesser an dem Vorderende eines Elektrodenstabes ausgebildet ist, ist der Elektrodenstab nicht so geformt, dass er eine gleichförmige Dicke aufweist. In solch einem Fall wird die Beziehung T = 4k₁ LI/d nicht hergestellt. Daher beachtete der Erfinder das Volumen einer Elektrode für den Fall, in dem der Elektrodenstab keine gleichförmige Dicke aufweist. Das heißt, die Wärmekapazität der Elektrode hängt weitgehend von dem Volumen der Elektrode ab. Wenn das Volumen der Elektrode klein ist, ist die Wärmekapazität der Elektrode klein, so dass sich das Problem ergibt, dass die Elektrode verformt wird oder der Glaskolben schwarz wird. Im Gegensatz dazu ist die Wärmekapazität umso größer, je größer das Volumen dieser Elektrode ist. In diesem Fall ist es schwierig, die Elektrode zu beschädigen, selbst wenn der Röhrenstrom zunimmt. Wenn jedoch das Volumen der Elektrode zu groß ist, fällt die Elektrodentemperatur ab, so dass der Lichtbogen schwindet. Die Elektrodentemperatur ist proportional zu dem Röhrenstrom, aber umgekehrt proportional zu dem Elektrodenvolumen. Dementsprechend erfüllt die Elektrodentemperatur T (Einheit: °C) die Beziehung T = k₂ I/V, worin V (Einheit: mm³) das Volumen jedes Elektrodenstabes in dem Glaskolben bezeichnet, I (Einheit: A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₂ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Also kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/V (Einheit: A/mm³) der Röhrenstromgröße I zu dem Elektrodenstabvolumen V.
Dann führten die Erfinder einen Operationstest an jeder Lichtbogenröhre aus, wobei sie die Röhrenstromgröße I und den Elektrodenstab-Außendurchmesser d veränderten in dem Fall, in dem die Lichtbogenröhre Elektrodenstäbe mit jeweils gleichförmiger Dick umfasste, und einen Operationstest an jeder Lichtbogenröhre, wobei sie die Röhrenstromgröße I und das Elektrodenstabvolumen V veränderten in dm Fall, in dem die Lichtbogenröhre Elektrodenstäbe umfasste, die jeweils keine gleichförmige Dicke aufwiesen, aber einen großen sphärischen Abschnitt, der an ihrem Vorderende gelegen war. So nahmen die Erfinder eine Untersuchung vor, ob die durch die Temperaturerhöhung in den Elektroden verursachten Probleme auftraten oder nicht, und ob der Lichtbogen schwand oder nicht. Folglich wurde bestätigt, dass die Probleme des Schwindens des Lichtbogens nicht auftraten, wenn das Verhältnis I/d der Röhrenstromgröße I zu dem Elektrodenstab-Außendurchmesser d (oder das Verhältnis I/V der Röhrenstromgröße I zu dem Elektrodenstabvolumen V) in einem vorbestimmten Bereich blieb. Also schlug der Erfinder die ungeprüfte Japanische Patentanmeldung Nr. 2001-299237 vor (Quecksilberfreie Lichtbogenröhre mit hauptlichtemittierendem Halogenid, Puffer-Metallhalogenid und Startedelgas, eingeschlossen in einem geschlossenem Glaskolben), auf welcher die vorliegende Erfindung basiert.
Die Erfinder führten auch andere Experimente durch. Folglich wurde bestätigt, dass selbst dann, wenn Puffer-Metallhalogenid nicht in einem geschlossenen Glaskolben eingeschlossen war, Charakteristiken ähnlich den Charakteristiken einer quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik erhalten werden konnten durch Verstellen des Fülldruckes von Edelgas oder der Füllmenge oder des Verhältnisses von hauptlichtemittierendem Metallhalogenid, das iri dem Glaskolben eingeschlossen war. Daher hat der Erfinder auch die ungeprüfte Japanische Patentanmeldung Nr. 2002-243879 vorgeschlagen, auf welcher die vorliegende Erfindung ebenfalls basiert.
Die Erfindung wurde entwickelt auf der Grundlage der Probleme des Standes der Technik und der Kenntnis der Erfinder. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, welche Charakteristiken erhalten kann, die im wesentlichen äquivalent oder besser sind als die Charakteristiken der Lichtbogenröhre nach dem Stand der Technik, indem ein erhöhter Röhrenstrom verwendet wurde, eine Elektrodentemperatur aber nicht zu hoch gemacht wurde.
(1) Um das oben genannte Ziel zu erreichen, wenn eine Lichtbogenröhre Elektrodenstäbe umfasst, die jeweils mit gleichförmiger Dicke ausgebildet sind, umfasst die quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit: einen geschlossenen Glaskolben, der zwischen Quetschdichtungsabschnittengehalten wird, die an gegenüberliegenden Enden des Glaskolbens gelegen sind, sowie ein Paar Elektrodenstäbe, die in dem Glaskolben so vorgesehen sind, dass Sie einander gegenüber stehen, wobei der Glaskolben hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas enthält, die in dem Glaskolben eingeschlossen sind, wobei ein Außendurchmesser d (Einheit: mm) jedes der Elektrodenstäbe und ein den Elektrodenstäben zugeführter Röhrenstrom I (Einheit: A) eine Beziehung 1,0 <= I/d <= 5,0 (Einheit: A/mm) erfüllten.
(2) Wenn eine Lichtbogenröhre Elektrodenstäbe umfasst, die jeweils nicht mit gleichförmiger Dicke ausgebildet sind, umfasst die quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit: einen geschlossenen Glaskolben, der zwischen Quetschdichtungsabschnitten gehalten wird, die an gegenüberliegenden Enden des Glaskolbens gelegen sind, sowie ein Paar Elektrodenstäbe, die in dem Glaskolben so vorgesehen sind, dass sie einander gegenüber stehen, wobei der Glaskolben hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas enthält, die in dem Glaskolben eingeschlossen sind, wobei ein Volumen V (Einheit: mm³) jedes der Elektrodenstäbe in dem Glaskolben und ein den Elektrodenstäben zugeführter Röhrenstrom I (Einheit: A) eine Beziehung 1,0 <= I/V <= 10,0 (Einheit: A/mm³) erfüllten.
(3) Puffer-Metallhalogenid kann, zusammen mit dem hauptlichtemittierenden Metallhalogenid und dem Startedelgas, in dem Glaskolben eingeschlossen sein in jedem der in (1) und (2) beschriebenen Fälle.
Betrieb: Als das hauptlichtemittierende Metallhalogenid und das Startedelgas können Natrium-Scandium-basierte Halogenide wie zum Beispiel NaI und ScI₃ als das erstere verwendet werden, und Xe kann als das letztere verwendet werden, auf die gleiche Weise wie in der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik.
Wenn Puffer-Metallhalogenid in dem Glaskolben an Stelle von Quecksilber eingeschlossen ist wie in (3), kann das Halogenid ein oder mehrere Halogenide umfassen einschließlich Al, Bi, Cr, Cs, Fe, Ga, In, Li, Mg, Ni, Nd, Sb, Sn, Ti, Tb, Tl und Zn. Wenn solches Metallhalogenid in dem Glaskolben eingeschlossen ist, wird die Röhrenspannung bis zu einem gewissen Grad abgehalten von einer starken Verminderung aufgrund dessen, dass kein Quecksilber n dem Glaskolben eingeschlossen ist. Es wird angestrebt, dass die Füllmenge des Puffer- Metallhalogenids einem Bereich von 3 × 10^-4 mg/µl bis 2 × 10^-2 mg/µl liegt.
Ferner kann, wenn kein Puffer-Metallhalogenid in dem Glaskolben eingeschlossen ist wie in (1) oder (2), die Füllmenge oder das Verhältnis des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids oder der Fülldruck des Startedelgases, die n dem Glaskolben eingeschlossen sind, verstellt werden. Auf diese Weise wird die Röhrenspannung in einem gewissen Grad von einer starken Reduzierung abgehalten aufgrund dessen, dass kein Quecksilber in dem Glaskolben eingeschlossen ist.
Ferner ist die Elektrodentemperatur proportional zu der Stromdichte und dem Elektrodenflächenbereich. Daher wird, wenn jeder der Elektrodenstäbe mit gleichförmiger Dicke ausgebildet ist, die Elektrodentemperatur T (Einheit °C) ausgedrückt durch T = k₁ (4I/πd²) πdL = k₁LI/d, worin d (Einheit mm) den Außendurchmesser jedes Elektrodenstabes bezeichnet, L (Einheit mm) die vorstehende Länge des Elektrodenstabes in den geschlossenen Glaskolben bezeichnet, I (Einheit A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₁ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Das heißt, wenn die vorstehende Länge L des Elektrodenstabes in den geschlossenen Glaskolben 12 konstant ist, kann also die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/d (Einheit A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d des Elektrodenstabes.
Betreffend in dem Glas erzeugte Sprünge, wie in Fig. 2 gezeigt, treten keine Sprünge auf, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 liegt. Sprünge treten möglicherweise auf, wenn das Verhältnis I/d 5,5 beträgt, und Sprünge treten sicher auf, wenn das Verhältnis I/d nicht niedriger als 6,0 ist. Andererseits, betreffend das Lichtbogenschwinden, schwindet kein Lichtbogen, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 3,0 bis 6,0 liegt. Möglicherweise schwindet der Lichtbogen, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 1,0 (einschließlich) bis 3,0 (ausschließlich) liegt. Der Lichtbogen schwindet sicher, wenn das Verhältnis I/d nicht höher als 0,5 ist. Ferner, betreffend die Elektrodendeformation, wird keine Elektrodendeformation beobachtet, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 liegt, aber die Elektroden werden sicher deformiert, wenn das Verhältnis I/d nicht niedriger als 5,5, ist. Ferner, betreffend das Schwarzwerden des Glaskolbens, wurde der Glaskolben nicht schwarz, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 liegt. Der Glaskolben kann möglicherweise schwarz werden, wenn das Verhältnis I/d 5,5 beträgt, und wird sicher schwarz, wenn das Verhältnis I/d nicht niedriger als 6,0 ist. Ferner, betreffend den Helligkeitserhaltungsfaktor, ist der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nicht niedriger als 70%, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 liegt, wogegen der Helligkeitserhaltungsfaktor einen niedrigen Wert kleiner als 70% annimmt, wenn das Verhältnis I/d nicht kleiner als 5,5 ist.
Um zu vermeiden, dass das Glas springt, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird oder dass der Helligkeitserhaltungsfaktor gesenkt wird, ist es dementsprechend erwünscht, dass das Verhältnis I/d in einem Bereich von 1,0 bis 5,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 bis 5,0.
Wenn dagegen ein sphärischer Abschnitt mit einem größeren Durchmesser als der Schaftdurchmesser an dem Vorderende jedes Elektrodenstabes ausgebildet ist, ist der Elektrodenstab nicht mit gleichförmiger Dicke geformt. In solch einem Fall wird die Beziehung T = 4k₁ LI/d nicht hergestellt. In solch einem Fall ist jedoch die Elektrodentemperatur proportional zu dem Röhrenstrom, aber umgekehrt proportional zu dem Elektrodenvolumen. Dementsprechend befriedigt die Elektrodentemperatur T (Einheit: °C) die Beziehung T = k₂ I/V, worin V (Einheit: mm³) das Volumen jedes Elektrodenstabes in dem Glaskolben bezeichnet, I (Einheit: A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₂ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Also kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/V (Einheit: A/mm³) der Röhrenstromgröße I zu dem Elektrodenstabvolumen V.
Betreffend Schwinden des Lichtbogens tritt, wie in Fig. 7 gezeigt, schwindet kein Lichtbogen, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 1,0 bis 100 liegt. Der Lichtbogen kann möglicherweise schwinden, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,2 (einschließlich) bis 1,0 (ausschließlich) liegt. Der Lichtbogen schwindet sicher, wenn das Verhältnis I/V nicht höher als 0,1 ist. Ferner, betreffend die Elektrodendeformation, wird keine Elektrodendeformation beobachtet, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,1 bis 25 liegt, aber eine Elektrode kann möglicherweise deformiert werden, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 50 (einschließlich) bis 100 (ausschließlich) liegt, und wird sicher deformiert, wenn das Verhältnis I/V nicht niedriger als 100 ist. Ferner, betreffend das Schwarzwerden des Glaskolbens, wird der Glaskolben überhaupt nicht schwarz, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,2 bis 10 liegt. Der Glaskolben kann möglicherweise schwarz werden, wenn das Verhältnis I/V kleiner als 0,2 ist oder in einem Bereich von 25 bis 75, und wird sicher schwarz, wenn das Verhältnis I/V nicht niedriger als 100 ist. Ferner, betreffend den Helligkeitserhaltungsfaktor, ist der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nicht niedriger als 70%, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,1 bis 75 liegt, aber der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nimmt einen niedrigen Wert unter 70% an, wenn das Verhältnis I/V niedriger als 100 ist.
Dementsprechend ist es vorzuziehen, dass das Verhältnis I/d in einem Bereich von 1,0 bis 10 liegt, um zu vermeiden, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird, oder dass der Helligkeitserhaltungsfaktor abgesenkt wird.
(4) Ferner können in einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, wie definiert in (1) oder (3), der Fülldruck P (Einheit: Atmosphäre) des in dem Glaskolben eingeschlossenen Startedelgases und der Außendurchmesser (Einheit: mm) jedes der Elektrodenstäbe eine Beziehung 2,0 <= Pd <= 6,0 erfüllen, vorzugsweise eine Beziehung 2,5 <= Pd <= 5,0.
Betrieb: In (1) (wenn jeder Elektrodenstab mit gleichförmiger Dicke gebildet ist,) ist das Verhältnis I/d des den Elektrodenstäben zugeführten Stromes I (Einheit: A) zu dem Außendurchmesser (Einheit: mm) jedes Elektrodenstabes beschränkt, um die Elektrodentemperatur zu kontrollieren. Andererseits ist in (4) das Produkt Pd des Edelgas-Fülldruckes P (Einheit: Atmosphäre) und des Elektrodenstab-Außendurchmessers d (Einheit: mm) beschränkt, um die Elektrodentemperatur zu kontrollieren.
Das heißt, die Röhrenleistung ist proportional zu der Röhrenspannung und dem Röhrenstrom, und die Röhrenspannung und der Fülldruck des Startedelgases in dem geschlossenen Glaskolben weisen eine Korrelation (Proportionalität) auf, wie in Fig. 3 gezeigt. Daher wird die Röhrenleistung W (Einheit: W) ausgedrückt durch W = k₃ PI, worin E (Einheit: V) die Röhrenspannung bezeichnet, I (Einheit: A) den Röhrenstrom bezeichnet, P (Einheit: Atmosphäre) den Fülldruck des Startedelgases bezeichnet und k₃ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Wenn die vorstehende Länge L jedes der Elektrodenstäbe konstant ist in dem Fall, in dem der Elektrodenstab so geformt ist, dass er eine gleichförmige Dicke aufweist, kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden (T = I/d) durch das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d des Elektrodenstabes. Also wird die Elektrodentemperatur T ausgedrückt durch T = W/(k₃Pd). Das heißt, die Elektrodentemperatur kann spezifiziert werden durch das Produkt Pd des Fülldruckes des Startedelgases und des Elektrodenstab-Außendurchmessers d unter der Bedingung, dass die Röhrenleistung W konstant ist.
Wie in Fig. 4 gezeigt, besteht hinsichtlich der Wärmedeformation der Elektroden kein Problem, wenn das Produkt Pd in dem Bereich von 2,5 bis 6,5 liegt, aber eine Elektrode kann möglicherweise deformiert werden, wenn das Produkt Pd 2,0 beträgt. Andererseits, was das Lichtbogenschwinden betrifft, besteht kein Problem, wenn das Produkt Pd in einem Bereich von 1,5 bis 5,0 liegt, aber der Lichtbogen kann möglicherweise schwinden, wenn das Produkt Pd in einem Bereich von 5,5 bis 6,0 liegt, und schwindet sicher, wenn das Produkt Pd nicht niedriger als 6,5 ist.
Um zu verhindern, dass die Elektroden durch Wärme deformiert werden, oder zu verhindern, dass der Lichtbogen schwindet, ist es deshalb erwünscht, dass das Produkt Pd in einem Bereich von 2,0 bis 6,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2,5 bis 5,0.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Tabelle der Ergebnisse von Operationstests, durchgeführt an Lichtbogenröhren gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Wert des Verhältnisses I/d der Größe des Röhrenstromes zu dem Durchmesser jedes Elektrodenstabes verändert wurde,
Fig. 3 ein Diagramm der Korrelation zwischen dem Edelgas-Fülldruck und der Röhrenspannung,
Fig. 4 eine Tabelle der Ergebnisse von Operationstests, durchgeführt an Lichtbogenröhren gemäß der ersten Ausführungsform, wobei der Wert des Produktes Pxd des Edelgas-Fülldruckes und des Durchmessers jedes Elektrodenstabes verändert wurde,
Fig. 5 einen Längsschnitt einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 einen Längsschnitt einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine Tabelle der Ergebnisse von Operationstests, durchgeführt an Lichtbogenröhren gemäß der dritten Ausführungsform, wobei der Wert des Verhältnisses I/V der Größe des Röhrenstromes zu dem Volumen jedes Elektrodenstabes verändert wurde,
Fig. 8 einen Längsschnitt einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 einen Längsschnitt einer Entladungslampeneinheit gemäß dem Stand der Technik, und
Fig. 10 ein Diagramm der Spektralkennlinie einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre, welche hauptlichtemittierende Metallhalogenide (NaI und ScI₃) enthält sowie Edelgas, das in einem geschlossenen Glaskolben eingeschlossen ist.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 weist die Lichtbogenröhre 10 einen Aufbau auf, in welchem ein zylindrisches ultraviolett-abschirmendes Abdeckglas 20 einteilig verschweißt (verschmolzen) ist mit einem Lichtbogenkörper 11 mit einem geschlossenen Glaskolben 12, der versehen ist mit einem Paar einander gegenüberliegender Elektroden 15a und 15b, so dass der geschlossene Glaskolben 12 umgeben ist von dem ultraviolett-abschirmenden Abdeckglas und mit diesem verschmolzen ist.
Der Lichtbogenkörper 11 ist verarbeitet aus einem kreisförmigen rohrförmigen Siliziumdioxid-Glasrohr und weist einen Aufbau auf, in welchem der geschlossene, zu einem Drehellipsoid geformte Glaskolben 12 in einer vorbestimmten Längsposition so ausgebildet ist, dass er zwischen Quetschdichtungsabschnitten 13a und 13b gehalten wird, die jeweils im Querschnitt wie ein Rechteck geformt sind. Rechteckige Blätter 16a und 16b aus Molybdänfolie sind an den jeweiligen Quetschdichtungsabschnitten 13a und 13b eingeschmolzen. Wolframelektroden 15a und 15b sind in dem Glaskolben 12 so vorgesehen, dass sie einander gegenüberstehen. Während die Wolframelektroden 15a und 15b (auf die hier als "Elektrodenstäbe" Bezug genommen wird) mit einer Seite der jeweiligen Blätter 16a und 16b aus Molybdänfolie verbunden sind, sind aus dem Lichtbogenkörper 11 herausgeführte Zuführdrähte 18a und 28b jeweils mit den anderen Seiten der Blätter 16a und 16b aus Molybdänfolie verbunden.
Das zylindrische ultraviolett-abschirmende Abdeckglas 20, das eine größere Öffnungsweite aufweist als der geschlossene Glaskolben 12, ist einteilig mit dem Lichtbogenkörper 11 verschweißt, so dass ein Bereich von dem Quetschdichtungsabschnitten 13a und 13b des Lichtbogenkörpers 11 bis zu dem geschlossenen Glaskolben 12 umgeben ist von dem ultraviolett-abschirmenden Abdeckglas 20, während ein kreisförmiger röhrenförmiger hinterer verlängerter Abschnitt 14b ein Nicht-Quetschdichtungsabschnitt des Lichtbogenkörpers 11ist, der von dem Abdeckglas 20 nach hinten vorragt. Das Abdeckglas 20 besteht aus Silizium, das mit TiO₂, CeO₂ und so weiter dotiert ist und eine ultraviolett-abschirmende Funktion aufweist. Das Abdeckglas 20 ist vorgesehen zum sicheren Ausblenden ultravioletter Strahlen in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich, der für den menschlichen Körper schädlich ist, aus dem Licht, das von dem geschlossenen Glaskolben 12 emittiert wird, welcher ein er Entladungsabschnitt ist.
Edelgas zum Starten, hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Puffer-Metallhalogenid sind in den Glaskolben 12 eingeschlossen. Der Fülldruck des Startedelgases ist so eingestellt, dass er in einem Bereich von 8 bis 20 Atmosphären liegt. So wird eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre gebildet, welche Charakteristiken zeigt, die im Wesentlichen den Charakteristiken der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre nach dem Stand der Technik äquivalent ist.
Das hauptlichtemittierende Metallhalogenid ist eine Substanz wie beispielsweise NaI und ScI₃, die hauptsächlich zur Lichtemission beitragen. Das Puffer-Metallhalogenid ist gebildet aus wenigstens einer Art von Metallhalogenid einschließlich der Halogenide Al, Bi, Cr, Cs, Fe, Ga, In, Li, Mg, Ni, Nd, Sb, Sn, Ti, Tb, Tl und Zn. Das Puffer-Metallhalogenid wirkt als eine Puffersubstanz zum Unterdrücken einer großen Verminderung der Röhrenspannung an Stelle von Quecksilber, das in der Lichtbogenröhre nach dem Stand der Technik eingeschlossen ist, und wirkt auch als eine lichtemittierende Substanz, die das Quecksilber ersetzt.
Weiterhin wird eine spezielle, nichtbeschränkende, Konfiguration der quecksilberfreien Lichtbogenröhre beschrieben.
Das innere Volumen des geschlossenen Glaskolbens 12 beträgt 20-50 µl, und die Distanz L1 zwischen den Elektroden beträgt 4,0-4,4 mm. Diese Werte sind gleich denen in quecksilberhaltigen Lichtbogenröhren nach dem Stand der Technik. Ferner ist es erwünscht, dass jeder der Elektrodenstäbe 15a und 15b eine gleichförmige Dicke in seiner Längsrichtung aufweist, wobei Längen L von 1-2 mm in den geschlossenen Glaskolben vorragen, während die geladene Menge des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids (NaI und ScI₃) in einem Bereich von 0,1 mg bis 0,6 mg liegt und die Menge des Puffer-Metallhalogenids in einem Bereich von 3 × 10^-4 mg/µl bis 2 × 10^-2 mg/µl liegt.
Zusätzlich ist träges Gas von 1 Atmosphäre oder niedriger (0,5 Atmosphären in der Ausführungsform, so hoch wie der Druck in dem Stand der Technik) eingeschlossen zwischen dem Lichtbogenkörper 11 und dem Abdeckglas 20, so ausgelegt, dass es eine wärmeisolierende Funktion zeigt gegen thermische Strahlung von dem geschlossenen Glaskolben 12, der ein elektrischer Entladungsabschnitt ist.
Dann verhindert das in dem geschlossenen Glaskolben 12 eingeschlossene Puffer-Metallhalogenid (wenigstens eine Art von Metallhalogenid, gewählt aus der Gruppe einschließlich Al, Bi, Cr, Cs, Fe, Ga, In, Li, Mg, Ni, Nd, Sb, Sn, Ti, Tl, Tb und Zn), dass die Röhrenspannung stark abgesenkt wird auf Grund dessen, dass kein Quecksilber eingeschlossen ist. Da der Fülldruck des Startedelgases ein höherer Druck (8-20 Atmosphären) ist als der Fülldruck (3-6 Atmosphären) in der Lichtbogenröhre nach dem Stand der Technik, erhöht sich insbesondere das Verhältnis, bei welchem als elektrische Entladung aus den Elektrodenstäben 15a und 15b freigegebene Elektronen mit den Molekülen von Edelgas kollidieren. Folglich wird die Temperatur im Inneren des Glaskolbens 12 im Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch, so dass der Dampfdruck des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids und der Dampfdruck des Puffer-Metallhalogenids hoch gemacht werden. Dementsprechend erhöht sich die Röhrenspannung.
Das eingeschlossene Puffer-Metallhalogenid erzeugt eine Emissionsfarbe ähnlich der Emissionsfarbe von Quecksilber und wirkt zur Kompensation der Reduzierung in der Menge von emittiertem (weißen) Licht in einem sichtbaren Bereich und Reduzierung in dem Lichtstrom, bewirkt durch nicht eingeschlossenes Quecksilber. Insbesondere, da der Fülldruck des Edelgases hoch ist (8 bis 20 Atmosphären) wird die Temperatur in dem Inneren des geschlossenen Glaskolbens 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch gemacht, wie oben beschrieben. Folglich wird der Dampfdruck des Puffer-Metallhalogenids hoch gemacht, so dass im wesentlichen der gleiche Weißgrad (Farbart [chromaticity]) erhalten werden kann wie bei der Farbe der Lichtes, das von der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik emittiert wird.
Die Spektralkennlinie der quecksilberfreien Lichtbogenröhre, die kein eingeschlossenes Puffer-Metallhalogenid aufweist, erzeugt eine Kurve, wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 10 wiedergegeben. Der Spektralkennlinie fehlt die Lichtintensität in Wellenlängenbereichen nahe 435 nm und 546 nm, verglichen mit der Spektralkennlinie der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik. Wenn jedoch das Puffer-Metallhalogenid in dem Glaskolben 12 eingeschlossen wird und der Dampfdruck des Puffer-Metallhalogenids hoch gemacht wird, kann im wesentlichen der gleiche Weißgrad (chromaticity) erhalten werden wie bei der Farbe der Lichtes, das von der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik emittiert wird, da die Lichtintensität in Wellenlängenbereichen nahe 435 nm und 546 nm zunimmt, um sich der Lichtintensität in Wellenlängenbereichen nahe 435 nm und 546 nm in der Spektralkennlinie der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik zu nähern (siehe die gestrichelte Linie in Fig. 10).
Da der Fülldruck des Startedelgases hoch ist (8 bis 20 Atmosphäre), wird die Temperatur im Inneren des geschlossenen Glaskolbens 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch gemacht, wie oben beschrieben. Folglich wird der Dampfdruck des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids (NaI und ScI₃) hoch gemacht, so dass der Lichtstrom zunimmt.
Da der Fülldruck des Startedelgases hoch ist (8 bis 20 Atmosphäre), nimmt die Gleichstrom-Widerstandskomponente (Impedanz) beim Starten zu, und die verbrauchte elektrische Leistung nimmt zu. Folglich steigt die Temperatur des geschlossenen Glaskolbens 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) rasch an, so dass die Vorderkante des Lichtstromes ausreichend gemacht wird. Das heißt, ein vorbestimmter Lichtstrom kann eine kurze Zeit nach dem Start der elektrischen Entladung erhalten werden.
Wenn die Temperatur im Inneren des geschlossenen Glaskolbens 12 hoch gemacht wird, steigt die Temperatur des Lichtbogens an. Folglich nimmt die zentrale Leuchtdichte des Lichtbogens zu, so dass der Lichtstrom zunimmt.
Außerdem weist das träge Gas in dem geschlossenen Raum, der durch das Abdeckglas 20 und den umgebenden Glaskolben 12 definiert ist, einen Druck von 1 Atmosphäre oder weniger auf (0,5 Atmosphären in der Ausführungsform, so hoch wie in dem Stand der Technik). Da die Moleküldichte des trägen Gases niedrig ist, ist es schwierig für die Wärme auf der Seite des geschlossenen Glaskolbens 12, aus dem Abdeckglas durch den geschlossenen Raum (die träge Gasschicht) zu der Außenseite zu entweichen. Also wird die Temperatur im Inneren des geschlossenen Glaskolbens 12 hoch gehalten.
Dementsprechend werden der Dampfdruck des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids, der Dampfdruck des Puffer-Metallhalogenids und der Dampfdruck des Edelgases in dem Glaskolben 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch gemacht. Folglich werden die Röhrenspannung, der Lichtstrom, das Ansteigen des Lichtstromes, die Farbart und so weiter verbessert. Also kann eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre erhalten werden, welche Charakteristiken nahe den Charakteristiken einer quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik aufweist.
Wenn andererseits das Puffer-Metallhalogenid an Stelle von Quecksilber einfach in dem geschlossenen Glaskolben 12 eingeschlossen wird zusammen mit dem Edelgas von hohem Druck (8-20 Atmosphären), kann vielleicht die Röhrenspannung nicht so ansteigen, dass sie so hoch ist wie die in der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik. Unter der Bedingung, dass in dieser Ausführungsform ein größerer Röhrenstrom als der der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre gelieferte Röhrenstrom geliefert wird, wird daher das Verhältnis I/d (Einheit A/mm) der Größe I (Einheit A) des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d (Einheit mm) jedes der Elektrodenstäbe 15a und 15b so eingestellt, dass es in einem Bereich von 1,0 bis 5,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 bis 5,0, um so zu verhindern, dass die Elektrodentemperatur außerhalb der Optimaltemperatur bleibt und Probleme verursacht, zum Beispiel zu verhindern, dass das Glas springt, der Lichtbogen schwindet (fade out), die Elektroden verformt werden, der Glaskolben schwarz wird oder der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor (lumen maintenance factor) gesenkt wird.
Das heißt, die Temperatur jeder Elektrode ist proportional zu der Stromdichte und dem Eletrodenflächenbereich. Dementsprechend wird die Elektrodentemperatur T (Einheit °C) ausgedrückt durch T = k₁ (4I/πd²) πdL = k₁LI/d, worin d (Einheit mm) den Außendurchmesser des Elektrodenstabes 15a (15b) bezeichnet, L (Einheit mm) die vorstehende Länge des Elekirodenstabes in den geschlossenen Glaskolben bezeichnet, I (Einheit A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₁ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Wenn die vorstehende Länge L des Elekirodenstabes 15a (15b) in den geschlossenen Glaskolben 12 konstant ist, kann also die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/d (Einheit A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d des Elektrodenstabes.
Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Auswertungstests an Lichtbogenröhren, durchgeführt vom Erfinder, wobei das Verhältnis (I/d) der Größe des Röhrenstromes zu dem Durchmesser jedes Elektrodenstabes verändert wird. Die Testergebnisse zeigen, wie sich die Rate des Auftretens von Sprüngen in den Quetschdichtungsabschnitten 13a und 13b, die Rate des Auftretens von Lichtbogenschwinden, die Rate des Auftretens von Elektrodendeformation, der Grad des Schwarzwerdens des Glaskolbens und der Helligkeitserhaltungsfaktor veränderten, wenn jede Lichtbogenröhre 1.500 Stunden lang durch Blinken in einem Modus eines EU-Wagenherstellers betrieben wurde.
Übrigens waren in jeder Lichtbogenröhre, die in den Tests von Fig. 2 verwendet wurde, NaI und ScI₃ (NaI : ScI₃ = 70 : 30 Gewichts-%) von 0,3 mg im Gesamtgewicht als hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und ZnI₂ von 0,05 mg als Puffer-Metallhalogenid eingeschlossen in dem geschlossenen Glaskolben 12 zusammen mit Xe-Gas von 10 Atmosphären in Fülldruck.
Wie in Fig. 2 gezeigt, konnte hinsichtlich Sprüngen, die in den Quetschdichtungsabschnitten 13a und 13b auftraten, kein Sprung beobachtet werden an einem Versuchsprodukt, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 lag. Das Auftreten von Sprüngen wurde beobachtet an einem Teil des Versuchsproduktes, wenn das Verhältnis I/d 5,5 betrug. Das Auftreten von Sprüngen wurde beobachtet an allen Versuchsprodukten, wenn das Verhältnis I/d nicht weniger als 6,0 betrug.
Was das Lichtbogenschwinden betrifft, trat kein Lichtbogenschwinden in einem Versuchsprodukt auf, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 1,0 (einschließlich) bis 3,0 (ausschließlich) lag, und trat in allen Versuchsprodukten auf, wenn das Verhältnis I/d nicht höher als 0,5 war.
Was die Elektrodendeformation betrifft, konnte keine Elektrodendeformation an einem Versuchsprodukt beobachtet werden, wenn Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 lag. Jedoch wurde Elektrodendeformation an allen Versuchsprodukten beobachtet, wenn das Verhältnis I/d nicht niedriger als 5,5 war.
Was das Schwarzwerden des Glaskolbens betrifft, konnte ein Schwarzwerden des Glaskolbens in keinem Versuchsprodukt bemerkt werden, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 lag. Schwarzwerden wurde in einem Teil des Versuchsprodukts beobachtet, wenn das Verhältnis I/d 5,5 betrug, und in allen Versuchsprodukten beobachtet, wenn Verhältnis I/d nicht niedriger als 6,0 war.
Ferner war, was den Helligkeitserhaltungsfaktor betrifft, der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nicht niedriger als 70%, wenn das Verhältnis I/d in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 lag. Jedoch nahm der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor einen niedrigen Wert unter 70% an, wenn das Verhältnis I/d niedriger als 5,5 war.
Dementsprechend wird in dieser Ausführungsform das Verhältnis I/d so eingestellt, dass es in einem Bereich von 1,0 bis 5,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 bis 5,0. Auf diese Weise werden solche Probleme wie das Auftreten von Sprüngen in den Quetschdichtungsabschnitten, das Auftreten von Sc des Lichtbogens, die Deformation der Elektroden, das Schwarzwerden des Glaskolbens oder das Absinken des Helligkeitserhaltungsfaktors vermieden.
Ferner wird in dieser Ausführungsform die Elektrodentemperatur auch kontrolliert durch Einstellen des Produktes Pxd des Fülldruckes (Einheit: Atmosphäre) des Startedelgases (Xe-Gas), das in dem Glaskolben 12 eingeschlossen ist, und des Außendurchmessers d (Einheit: mm) jedes der Elektrodenstäbe 15a und 15b so, dass es in einem Bereich von 2,0 bis 6,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2,5 bis 5,0.
Das heißt, die Röhrenleistung ist proportional zu der Röhrenspannung und dem Röhrenstrom, und die Röhrenspannung und der Fülldruck des Startedelgases in dem Glaskolben weisen eine Korrelation (Proportionalität) auf, wie in Fig. 3 gezeigt. Daher wird die Röhrenleistung W (Einheit: W) ausgedrückt durch W = k₃ PI, worin E (Einheit: V) die Röhrenspannung bezeichnet, I (Einheit: A) den Röhrenstrom bezeichnet, P (Einheit: Atmosphäre) den Fülldruck des Startedelgases bezeichnet und k₃ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Wenn die vorstehende Länge L jedes der Elektrodenstäbe konstant ist in dem Fall, in dem der Elektrodenstab so geformt ist, dass er eine gleichförmige Dicke aufweist, kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden (T = I/d) durch das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d des Elektrodenstabes. Also wird die Elektrodentemperatur T ausgedrückt durch T = W/(k₃Pd). Das heißt, die Elektrodentemperatur kann spezifiziert werden durch das Produkt des Fülldruckes des Startedelgases und des Elektrodenstab-Außendurchmessers d unter der Bedingung, dass die Röhrenleistung konstant ist bei stabiler elektrischer Entladung der Lichtbogenröhre.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse von Auswertungstests an Lichtbogenröhren, die vom Erfinder durchgeführt wurden, wobei der Fülldruck des Edelgases und der Durchmesser jedes Elektrodenstabes verändert werden. Die Testergebnisse zeigen, wie die Rate des Auftretens von Wärmedeformation der Elektroden und die Rate des Auftretens von Lichtbogenschwinden sich veränderten. Wie in Fig. 4 gezeigt, trat hinsichtlich der Wärmedeformation der Elektroden keine Deformation auf, wenn das Produkt Pd in dem Bereich von 2,5 bis 6,5 liegt. Deformation tritt möglicherweise auf, wenn das Produkt 2,0 beträgt. Andererseits, was das Lichtbogenschwinden betrifft, tritt kein Lichtbogenschwinden auf, wenn das Produkt Pd in einem Bereich von 1,5 bis 5,0 liegt. Lichtbogenschwinden kann möglicherweise auftreten, wenn das Produkt Pd in einem Bereich von 5,5 (einschließlich) bis 6,5 (ausschließlich) liegt, und der Lichtbogen schwindet sicher, wenn das Produkt Pd nicht niedriger als 6,5 ist.
Dementsprechend wird in dieser Ausführungsform das Produkt Pd so eingestellt, dass es in einem Bereich von 2,0 bis 6,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2,5 bis 5,0, um so zu vermeiden, dass die Elektroden durch Wärme deformiert werden oder der Lichtbogen schwindet. Auf diese Weise wird in dieser Ausführungsform die Elektrodentemperatur kontrolliert durch das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I (Einheit: A) des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d (Einheit: mm) der Elektrodenstäbe 15a und 15b sowie durch das Produkt Pd des Fülldruckes P von Xe-Gas, das in dem Glaskolben 12 eingeschlossen ist, und des Außendurchmessers d (Einheit: mm) jedes Elektrodenstabes 15a, 15b.
Fig. 5 zeigt eine Längsschnittansicht einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit genau dem gleichen Umrissaufbau wie den Abmessungen wie die erste Ausführungsform.
Das heißt, hauptlichtemittierendes Metallhalogenid, Puffer-Metallhalogenid und Startedelgas sind eingeschlossen in dem geschlossenen Glaskolben 12 in der Lichtbogenröhre gemäß der ersten Ausführungsform. Andererseits weist die Lichtbogenröhre gemäß der zweiten Ausführungsform einen Aufbau auf, in welchem hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas (von 8-20 Atmosphären im Fülldruck) in dem Glaskolben 12 eingeschlossen sind, während träges Gas (von 0,5 Atmosphären) nicht höher als 1 Atmosphäre eingeschlossen ist in einem geschlossenen Raum, der den Lichtbogenkörper 11 umgibt. Dementsprechend ist kein Puffer-Metallhalogenid in dem geschlossenen Glaskolben 12 eingeschlossen.
Dann werden NaI und ScI₃ verwendet als das hauptlichtemittierende Metallhalogenid, das in dem Glaskolben 12 eingeschlossen ist, auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform. Jedoch ist das Gesamtgewicht von NaI und ScI₃, zum Beispiel 0,1 mg, kleiner als das in der ersten Ausführungsform (Gesamtgewicht 0,3 mg). Das Verhältnis von NaI zu ScI₃ beträgt zum Beispiel NaI : ScI₃ 75 : 25 Gewichts-%, in welchem das Verhältnis von NaI höher ist als in der ersten Ausführungsform (NaI : ScI₃ = 70 : 30 Gewichtsprozent). Andererseits ist der Fülldruck von Xe-Gas als dem Startedelgas, zum Beispiel 12 Atmosphären, höher als der in der ersten Ausführungsform (10 Atmosphären). Die anderen Baukomponenten sind die gleichen wie die der Lichtbogenröhre in der ersten Ausführungsform und werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in der ersten Ausführungsform zum Zweck der Umgehung einer doppelten Beschreibung.
Dann ist das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I (Einheit: A) des Röhrenstromes zu dem Außendurchrnesser d (Einheit: mm) jedes Elektrodenstabes 15a, 15b so eingestellt, dass es in einem Bereich von 1,0 bis 5,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 3,0 bis 5,0, auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform, um so Probleme zu vermeiden, zum Beispiel zu vermeiden, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird oder der Helligkeitserhaltungsfaktor gesenkt wird.
Ferner wird das Produkt des Fülldruckes P (Einheit: Atmosphäre) des Startedelgases (Xe- Gas, das in dem Glaskolben 12 eingeschlossen ist, und des Außendurchmessers (Einheit: mm) jedes Elektrodenstabes 15a, 15b so eingestellt, dass es in einem Bereich von 2,0 bis 6,0 liegt, vorzugsweise in einem Bereich von 2,5 bis 5,0, auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform, um auf diese Weise auch zu vermeiden, dass die Elektroden durch Wärme deformiert werden oder der Lichtbogen schwindet.
Das heißt, in der zweiten Ausführungsform werden die Füllmenge und das Verhältnis (Massenverhältnis von NaI zu ScI₃) des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids (NaI und ScI₃) und der Fülldruck des Startedelgases (Xe-Gas), die in dem Glaskolben 12 eingeschlossen sind, so eingestellt, dass sie von denen in der ersten Ausführungsform verschieden sind. Auf diese Weise werden der Dampfdruck des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids und der Dampfdruck des Edelgases in dem Glaskolben 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch gemacht. Folglich werden die Röhrenspannung, der Lichtstrom, das Ansteigen des Lichtstromes, der Weißgrad und so weiter verbessert. So kann eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre erhalten werden mit Charakteristiken ähnlich den Charakteristiken einer quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik. Außerdem ist bestätigt worden, dass die so erhaltene quecksilberfreie Lichtbogenröhre die in den Fig. 2 und 4 gezeigten Charakteristiken erfüllt.
Fig. 6 und 7 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß der dritten Ausführungsform. Fig. 7 ist eine Tabelle der Ergebnisse von Operationstests, welche ausgeführt wurden, während das Verhältnis (I/V) der Größe des Röhrenstromes zu dem Volumen jedes Elektrodenstabes verändert wurde.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wurde jeder Elektrodenstab 15a, 15b zu einer Gestalt mit einer gleichförmigen Dicke in der Längsrichtung ausgebildet. Jeder Elektrodenstab 15a, 15b in der dritten Ausführungsform ist jedoch zu einer Gestalt ausgebildet, die einen sphärischen Abschnitt 15c1, 15d1 an seinem Vorderende aufweist. Der sphärische Abschnitt 15c1, 15d1 weist einen größeren Durchmesser auf als der Stabdurchmesser des Elektrodenstabes 15c, 15d.
Unter der Bedingung, dass ein größerer Röhrenstrom als der der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre zugeführte Röhrenstrom auch in der dritten Ausführungsform angelegt wird, wird das Verhältnis I/V (Einheit: A/mm²) der Größe I (Einheit: A) des Röhrenstromes zu dem Volumen V (Einheit: mm³) jedes Elektrodenstabes 15a, 15b in dem Glaskolben 12 so eingestellt, dass es in einem Bereich von 1,0 bis 10 liegt, um so zu vermeiden, dass die Elektrodentemperatur außerhalb der optimalen Temperatur bleibt und Probleme verursacht, zum Beispiel, zu verhindern, dass das Glas zerspringt, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird oder dass der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor gesenkt wird. Die übrigen Bauteile sind die gleichen wie die in der ersten Ausführungsform. Also werden nur die unterschiedlichen Punkte beschrieben, während die gleichen Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet werden zwecks Wegfalls einer doppelten Beschreibung.
Wenn jeder Elektrodenstab nicht so ausgebildet ist, dass er eine gleichförmige Dicke aufweist wie der in dieser Ausführungsform gezeigte Elektrodenstab 15c, 15d, in welchem ein sphärischer Abschnitt mit einem größeren Durchmesser als sein Schaftdurchmesser an seinem Vorderende ausgebildet ist, wird die Beziehung T = 4k₁ LI/d nicht hergestellt. In solch einem Fall ist jedoch die Elektrodentemperatur proportional zu dem Röhrenstrom, aber umgekehrt proportional zu dem Elektrodenvolumen. Dementsprechend befriedigt die Elektrodentemperatur T (Einheit: °C) die Beziehung T = k₂ I/V, worin V (Einheit: mm³) das Volumen jedes Elektrodenstabes in dem Glaskolben bezeichnet, I (Einheit: A) die Größe des Röhrenstromes bezeichnet und k₂ einen Proportionalitätsfaktor bezeichnet. Also kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden durch das Verhältnis I/V (Einheit: A/mm³) der Röhrenstromgröße I zu dem Elektrodenstabvolumen V.
Fig. 7 zeigt die Ergebnisse von Auswertungstests an Lichtbogenröhren, durchgeführt vom Erfinder, wobei das Verhältnis (I/V) der Größe des Röhrenstromes zu dem Durchmesser jedes Elektrodenstabes verändert wird. Die Testergebnisse zeigen, wie sich die Rate des Auftretens von Lichtbogenschwinden, die Rate des Auftretens von Elektrodendeformation, der Grad des Schwarzwerdens des Glaskolbens und der Helligkeitserhaltungsfaktor veränderten, wenn jede Lichtbogenröhre 1.500 Stunden lang durch Blinken in einem Modus eines EU-Wagenherstellers betrieben wurde.
Wie in Fig. 7 gezeigt, was das Lichtbogenschwinden betrifft, trat kein Lichtbogenschwinden in einem Versuchsprodukt auf, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 1,0 bis 100 lag. Lichtbogenschwinden trat in einem Teil der Versuchsprodukte auf, wenn das Verhältnis 1/V in einem Bereich von 0,2 (einschließlich) bis 1,0 (ausschließlich) lag, und trat in allen Versuchsprodukten auf, wenn das Verhältnis I/V nicht höher als 0,1 war.
Was ferner die Elektrodendeformation betrifft, wurde keine Elektrodendeformation in einem Versuchsprodukt beobachtet, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,1 bis 25 lag, jedoch wurde Elektrodendeformation in einem Teil der Versuchsprodukte beobachtet, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 50 (einschließlich) bis 100 (ausschließlich) lag, und wurde in allen Versuchsprodukten beobachtet, wenn das Verhältnis I/V nicht niedriger als 100 war.
Was ferner das Schwarzwerden des Glaskolbens betrifft, ist der Glaskolbens in einem Versuchsprodukt nicht schwarz geworden, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,2 bis 10 lag. Jedoch wurde der Glaskolben schwarz in einem Teil des Versuchsprodukts, wenn das Verhältnis I/V kleiner als 0,2 war, und wurde schwarz in allen Versuchsprodukten, wenn das Verhältnis I/V nicht niedriger als 100 war.
Ferner war, was den Helligkeitserhaltungsfaktor betrifft, der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nicht niedriger als 70%, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 0,1 bis 75 lag, aber der durchschnittliche Helligkeitserhaltungsfaktor nahm einen niedrigen Wert unter 70% an, wenn das Verhältnis I/V niedriger als 100 war.
Dementsprechend besteht, wenn das Verhältnis I/V in einem Bereich von 1,0 bis 10 liegt, keine Gefahr, dass die Elektrodentemperatur extrem niedrig oder extrem hoch wird. Also gibt es solche Probleme wie das Auftreten von Sprüngen in dem Glas der Quetschdichtungsabschnitte, das Auftreten von Schwinden des Lichtbogens, die Deformation der Elektroden, das Schwarzwerden des Glaskolbens oder das Absinken des Helligkeitserhaltungsfaktors überhaupt nicht.
Fig. 8 zeigt eine Längsschnittansicht einer quecksilberfreien Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, mit genau dem gleichen Umrissaufbau wie den Abmessungen wie die dritte Ausführungsform.
Das heißt, in dem geschlossenen Glaskolben 12 in der Lichtbogenröhre gemäß der dritten Ausführungsform sind hauptlichtemittierendes Metallhalogenid, Puffer-Metallhalogenid und Startedelgas eingeschlossen. Andererseits weist die Lichtbogenröhre gemäß der vierten Ausführungsform einen Aufbau auf, im welchem hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas (von 8-20 Atmosphären im Fülldruck) in dem Glaskolben 12 eingeschlossen sind, während träges Gas (von 0,5 Atmosphären) nicht höher als 1 Atmosphäre eingeschlossen ist in einem geschlossenen Raum, der den Lichtbogenkörper 11 umgibt. Dementsprechend ist kein Puffer-Metallhalogenid in dem geschlossenen Glaskolben 12 eingeschlossen. Die anderen Baukomponenten sind die gleichen wie die in der Lichtbogenröhre gemäß der dritten Ausführungsform und sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in der dritten Ausführungsform bezeichnet zwecks Wegfalls einer doppelten Beschreibung.
Das heißt, in der vierten Ausführungsform sind die geladene Menge und das Verhältnis der hauptlichtemittierenden Metallhalogenide (NaI und ScI₃) und der Fülldruck des Startedelgases (Xe-Gas), die in dem Glaskolben eingeschlossen sind, so eingestellt, dass sie verschieden sind von denen in der dritten Ausführungsform. Also werden der Dampfdruck des hauptlichtemittierenden Metallhalogenids und der Dampfdruck des Edelgases in dem Glaskolben 12 in Betrieb (bei elektrischer Entladung) hoch gemacht. Folglich werden die Röhrenspannung, der Lichtstrom, das Ansteigen des Lichtstromes, die Farbart und so weiter verbessert. Also kann eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre erhalten werden, welche Charakteristiken nahe den Charakteristiken einer quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik aufweist. Außerdem ist bestätigt worden, dass die so erhaltene quecksilberfreie Lichtbogenröhre die in Fig. 7 gezeigten Charakteristiken befriedigt.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, ist, wenn eine quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampe gemäß der Erfindung verwendet wird, ein vorbestimmtes Puffer-Metallhalogenid an Stelle von Quecksilber in einem geschlossenen Glaskolben gemäß der Notwendigkeit eingeschlossen, und der Röhrenstrom ist erhöht, um eine Röhrenspannung nahe der Röhrenspannung der Lichtbogenröhre des Standes der Technik zu erhalten. Entweder in dem Fall, in dem das Puffer-Metallhalogenid eingeschlossen ist, oder dem Fall, in dem das Puffer-Metallhalogenid nicht eingeschlossen ist, wird das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Durchmesser d jedes Elektrodenstabes oder das Verhältnis I/V (Einheit: A/mm³) der Größe I des Röhrenstromes und das Volumen V jedes Elektrodenstabes so eingestellt, dass es in einem vorbestimmten Bereich liegt. In solch einer Konfiguration werden die Elektroden auf optimaler Temperatur gehalten (optimale Temperatur, um zu vermeiden, dass das Glas springt, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird oder der Helligkeitserhaltungsfaktor gesenkt wird). Also kann eine umweltverträgliche quecksilberfreie Lichtbogenröhre erhalten werden mit Charakteristiken, die im wesentlichen äquivalent sind den Charakteristiken der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik.
Ferner wird gemäß der Erfindung die Elektrodentemperatur auch kontrolliert durch das Produkt des Fülldruckes des Startedelgases, das in dem Glaskolben eingeschlossen ist, und des Außendurchmessers jedes Elektrodenstabes. Dementsprechend werden die Elektroden sicher auf optimaler Temperatur gehalten (optimale Temperatur, um zu vermeiden, dass das Glas springt, dass der Lichtbogen schwindet, dass die Elektroden deformiert werden, dass der Glaskolben schwarz wird oder der Helligkeitserhaltungsfaktor gesenkt wird). Also kann eine umweltverträgliche quecksilberfreie Lichtbogenröhre erhalten werden mit Charakteristiken, die im wesentlichen äquivalent sind den Charakteristiken der quecksilberhaltigen Lichtbogenröhre des Standes der Technik.
Wenn ferner die Elektrodentemperatur T gesteuert wird durch das Verhältnis I/d (Einheit: A/mm) der Größe I des Röhrenstromes zu dem Außendurchmesser d jedes Elektrodenstabes, ist die Größe des Röhrenstromes I ein Faktor, der nicht genau erhalten werden kann, wenn die Versuchsprodukte nicht wirklich so gemacht sind, dass sie Elektrizität entladen. Es ist daher erforderlich, die Lichtbogenröhre zu konstruieren in Anbetracht solch eines unsicheren Teiles. Wenn andererseits die Elektrodentemperatur T durch das Produkt Pd des Fülldruckes des Edelgases und den Außendurchmesser d des Elektrodenstabes gesteuert wird, kann die Elektrodentemperatur T spezifiziert werden, ohne Versuchsprodukte zu erzeugen, unter der Bedingung, dass die Röhrenleistung (Nennwert 35 W) einer Kfz- Entladungslampeneinheit (Entladungskolben) konstant ist. Es wird daher einfacher, die Lichtbogenröhre zu konstruieren.

Claims

1. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, gekennzeichnet durch
einen geschlossenen Glaskolben, der zwischen Quetschdichtungsabschnittengehalten wird, die an gegenüberliegenden Enden des Glaskolbens gelegen sind, und
ein Paar Elektrodenstäbe, die in dem Glaskolben so vorgesehen sind, dass sie einander gegenüber stehen, wobei der Glaskolben hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas enthält, die in dem Glaskolben eingeschlossen sind,
wobei ein Außendurchmesser d jedes der Elektrodenstäbe und ein den Elektrodenstäben zugeführter Röhrenstrom I eine Beziehung 1,0 <= I/d <= 5,0 erfüllen.

2. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit, gekennzeichnet durch
einen geschlossenen Glaskolben, der zwischen Quetschdichtungsabschnittengehalten wird, die an gegenüberliegenden Enden des Glaskolbens gelegen sind, und
ein Paar Elektrodenstäbe, die in dem Glaskolben so vorgesehen sind, dass sie einander gegenüber stehen, wobei der Glaskolben hauptlichtemittierendes Metallhalogenid und Startedelgas enthält, die in dem Glaskolben eingeschlossen,
wobei ein Volumen V jedes der Elektrodenstäbe in dem Glaskolben und ein den Elektrodenstäben zugeführter Röhrenstrom I eine Beziehung 1,0 <= I/V <= 10,0 erfüllten.

3. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Puffer-Metallhalogenid, umfassend ein oder mehrere Halogenide einschließlich Al, Bi, Cr, Cs, Fe, Ga, In, Li, Mg, Ni, Nd, Sb, Sn, Ti, Tl, Tb und Zn in dem Glaskolben eingeschlossen ist.

4. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Puffer-Metallhalogenid, umfassend ein oder mehrere Halogenide einschließlich Al, Bi, Cr, Cs, Fe, Ga, In, Li, Mg, Ni, Nd, Sb, Sn, Ti, Tl, Tb und Zn in dem Glaskolben eingeschlossen ist.

5. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fülldruck P des in dem Glaskolben eingeschlossenen Startedelgases und der Außendurchmesser d jedes der Elektrodenstäbe eine Beziehung 2,0 <= Pd <= 6,0 erfüllen.

6. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fülldruck P des in dem Glaskolben eingeschlossenen Startedelgases und der Außendurchmesser d jedes der Elektrodenstäbe eine Beziehung 2, 5 <= Pd <= 5,0 erfüllen.

7. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fülldruck P des in dem Glaskolben eingeschlossenen Startedelgases und der Außendurchmesser d jedes der Elektrodenstäbe eine Beziehung 2,0 <= Pd <= 6,0 erfüllen.

8. Quecksilberfreie Lichtbogenröhre für eine Entladungslampeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fülldruck P des in dem Glaskolben eingeschlossenen Startedelgases und der Außendurchmesser d jedes der Elektrodenstäbe eine Beziehung 2, 5 <= Pd <= 5,0 erfüllen.