DE10254969A1

DE10254969A1 - Hochdruckentladungslampe mit Quecksilberchlorid bei begrenztem Chlorgehalt

Info

Publication number: DE10254969A1
Application number: DE10254969A
Authority: DE
Inventors: Achim Körber; Rainer Dr. Hilbig; Robert Dr. Scholl; Johannes Dr. Baier; Ghaleb Dr. Natour
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-03
Also published as: AU2003302242A1; US7282862B2; US20060091812A1; WO2004049386A3; US20080007179A1; JP2006507645A; WO2004049386A2; CN1717771A; AU2003302242A8; EP1568064A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Füllung enthaltend DOLLAR A - ein Edelgas, beispielsweise Argon, DOLLAR A - Quecksilber und DOLLAR A - Chlor, DOLLAR A wobei die Füllmengen von Quecksilber [Hg] und Chlor [Cl] folgenden Bedingungen genügen: DOLLAR A - [Hg] È [Cl] >= 200(mumol/cm·3·)·2·, DOLLAR A - [Cl] 10 mumol/cm·3·. DOLLAR A Durch die Bedingung [Hg] È [Cl] >= 200(mumol/cm·3·)·2· werden in der Entladung ausreichende HgCl-Dampfdrucke erreicht, um signifikante Strahlungsanteile des B·2·SIGMA·+· - X·2·SIGMA·+·-Bandensystems dieses Moleküls zu erzeugen. Die Bedingung [Cl] 10 mumol/cm·3· dient zur Begrenzung der chemischen Aggressivität der Chlorfüllung, insbesondere zur Begrenzung der Wand- und Elektrodenangriffe, und damit zur Erreichung hoher Lampenlebensdauern. Die Zugabe chlorbindender Metalle, insbesondere von Germanium, führt zu einer weiteren Verbesserung der Strahlungs- und Lebensdauereigenschaften der Lampe.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Füllung enthaltend ein Edelgas, beispielsweise Argon, Quecksilber und Chlor.
Quecksilberhochdrucklampen werden wegen ihrer hohen Energieeffizienz in einer Vielzahl von Beleuchtungsanwendungen wie z. B. in der Straßenbeleuchtung eingesetzt. Während das Quecksilberatom ein Linienstrahler schlechter Farbwiedergabe ist, kann durch Erhöhung des Quecksilberdruckes in Höchstdrucklampen oder durch die Zugabe von Molekülstrahlern wie z. B. Metallhalogeniden der Kontinuumsanteil der emittierten Strahlung signifikant erhöht werden. Solche Lampen besitzen dann gute Farbwiedergabeeigenschaften bei hoher Effizienz und eignen sich auch z. B. für Anwendungen wie die Beleuchtung von Geschäftsauslagen oder Studiobeleuchtungen.
Aus der GB 12,53,948 B ist beispielsweise eine Quecksilberhochdrucklampe mit Elektroden bekannt, deren Füllung aus Quecksilber und einem Edelgas zum Starten Aluminiumtrichlorid AlCl3 zur Verbesserung der Farbwiedergabe zugegeben ist. Diese Lampe besitzt einen hohen Kontinuumsanteil der emittierten Strahlung und zeigt eine gute Farbwiedergabe. Auf Grund der chemischen Aggressivität des AlCl3 kann für den Lampenkolben jedoch kein reines Quarzglas SiO2 verwendet werden und auch die Wolframelektroden werden angegriffen. Die GB 12,53,948 B schlägt daher zum einen vor, den Lampenkolben aus dichtgesintertem, polykristallinem Aluminiumoxid Al2O3, kurz DGA oder PCA, zu fertigen oder einen Quarzglaskolben zumindest mit einer inneren Schutzschicht aus PCA zu überziehen. Zum anderen schlägt sie vor, die Wolframtransporte und damit den Angriff der Wolframelektroden durch die Zugabe von Überschussmetall, insbesondere Aluminium im Überschuss, zu begrenzen, wobei vorzugsweise weiterhin noch etwas Metalljodid, insbesondere AlI3, zugegeben werden kann.
Zur Erklärung der Wirkungsweise dieser Füllungszugaben präsentiert die GB 12,53,948 B einige mögliche chemische Gleichgleichgewichtsreaktionen, erläutert die Bedeutung von Sauerstoffverunreinigungen in der Lampe und gibt einige zugehörige Materialdaten. Weiterhin werden einige Ausführungsbeispiele zugehöriger Lampen offenbart. Bezüglich dieser Aspekte wird hiermit der Inhalt dieser Schrift in die vorliegende Anmeldung durch Bezugnahme mit eingeschlossen.
Während die GB 12,53,948 B also eine Lampe hoher Effizienz und guter Farbwiedergabe angibt, verbleiben doch die Probleme des Angriffs der Kolbenwand und der Elektroden, welche die Verwendung einer chlorbeständigen Innenwand erzwingen und durch die verbliebenen Wolframtransporte die Lebensdauer der Lampe begrenzen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe anzugeben, die bei hoher Effizienz und guter Farbwiedergabe diese Probleme weitgehend vermeidet und daher eine hohe Lebensdauer erreicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Füllung enthaltend

– ein Edelgas, beispielsweise Argon,
– Quecksilber und
– Chlor,

– [Hg]·[Cl] ≥ 200 (μmol/cm³)²,
– [Cl] ≤ 10 μmol/cm³.

Die Erfindung basiert zum einen auf der Erkenntnis, dass durch die Bedingung [Hg]·[Cl] ≥ 200 (μmol/cm³)² in der Entladung ausreichende HgCl-Dampfdrucke erreicht werden, um signifikante Strahlungsanteile des B²Σ⁺ – X²Σ⁺ -Bandensystems dieses Moleküls zu erzeugen. Damit erhält man bei guter Effizienz einen hohen Konti nuumsanteil der erzeugten Strahlung und damit die gewünschte gute Farbwiedergabe. Zum anderen dient die Bedingung [Cl] ≤ 10 μmol/cm³ zur Begrenzung der chemischen Aggressivität der Chlorfüllung, insbesondere zur Begrenzung der Wand- und Elektrodenangriffe, und damit zur Erreichung hoher Lampenlebensdauern. Während also aus dem Stand der Technik wie z. B. aus der GB 12,53,948 B bereits Hochdrucklampen mit Füllungen aus u. a. Quecksilber und Chlor bekannt sind, liegt die Erkenntnis der Erfindung darin, für einen prominenten Anteil der HgCl-Strahlung zu sorgen und gleichzeitig die Aggressivität der Chlorfüllung zu begrenzen.
Unter den in dieser Anmeldung verwendeten Füllmengen sind dabei immer die auf die Atome bezogenen Summenfüllmengen zu verstehen. Moleküle sind also entsprechend ihrer Stöchiometrie umzurechnen, 1 mol Hg2 entspricht also beispielsweise einer Füllmenge von [Hg] = 2 mol, und 1 mol Hg2 und 1 mol HgCl entsprechen den Mengen [Hg] = 3 mol und [Cl] = 1 mol.
Des Weiteren ist es für den Fachmann offensichtlich, dass solche Füllmengenbeziehungen dazu dienen, die Dampfdruckverhältnisse in der Lampe, d. h. die Gasphasenzusammensetzung, und die Materialtransporte innerhalb der gewünschten Bereiche einzustellen. So führt die Bedingung [Hg]·[Cl] ≥ 200 (μmol/cm³)² z. B. dazu, dass im strahlenden Bereich der Entladung bei 4000 K im thermodynamischen Gleichgewicht ein Quecksilberchloriddampfdruck von ungefähr p_HgCl ≥ 2 mbar vorliegt.
Diese Gasphasenzusammensetzung stellt sich aber natürlich nur dann ein, wenn in der Füllung keine weiteren Substanzen existieren, welche die Zusammensetzungsverhältnisse verschieben. So gibt es z. B. eine Reihe von Metallen wie beispielsweise Barium, Magnesium, Natrium und Silber, die auch bei höheren Temperaturen relativ stabile Chloride, also beispielsweise BaCl2, MgCl2, NaCl und AgCl, bilden. So betragen beispielsweise für BaCl2 bei 1200 K die Dampfdrucke nur p_Ba = 0.0016 mbar und p_Cl + p_Cl2 = 0.0032 mbar , womit der Beitrag dieser Verbindung zu den typischen Chlorsummendampfdrucken von z. B. 0.35 bar in erfindungsgemäßen Lampen völlig vernachlässigbar wäre, diese Substanzen also quasi als Chlorgetter wirkten. Während das Vorhandensein gewisser Mengen solcher Substanzen in der Füllung, beispielsweise als Verunreinigung, also durchaus akzeptabel ist, da die gebildeten Verbindungen sich z. B. als feste Substanzen an unkritischen Stellen der Lampe absetzen, beeinflussen sie selbstverständlich die nötigen Füllmengen der aktiven Substanzen, also beispielsweise von Hg und Cl.
Die in dieser Anmeldung genannten quantitativen Angaben zu den Füllmengen beziehen sich daher auf den, typischerweise nur unter Laboratoriumsverhältnissen präparierbaren, Zustand relativ sauberer Lampen, die im wesentlichen, d. h. bis auf schwer vermeidbare Verunreinigungen wie z. B. gewisse Sauerstoffspuren, nur die genannten aktiven Substanzen enthalten. Unter Produktionsbedingungen und/oder absichtlicher Zugabe weiterer Füllzusätze sind die quantitativen Angaben daher entsprechend anzupassen. Dabei steht dem Fachmann für eine solche Anpassung einmal das im Stand der Technik vorhandene Wissen zu den thermodynamischen Gleichgewichten in der Lampenchemie zur Verfügung. Zum anderen kann er direkte messtechnische Vergleiche, beispielsweise des emittierten Lichtspektrums und der Lebensdauereigenschaften, mit, z. B. im Laboratorium gefertigten, sauberen Lampen anstellen, um das erfindungsgemäße Funktionieren einer produzierten Lampe sicher zu stellen.
Durch das weitere Zusetzen eines Metalls, vorzugsweise eines, das stabilere Chloridverbindungen bildet als Quecksilber, und insbesondere eines aus der Gruppe Aluminium, Arsen, Wismut, Kobalt, Gallium, Germanium, Indium, Blei, Zinn, Thallium und Vanadium, und insbesondere durch das Zusetzen von Germanium lassen sich die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Lampe nochmals verbessern. Dabei können diese Metalle sowohl in reiner Form als auch in Form von Mischlegierungen oder in Form geeigneter Verbindungen, welche die Metalle im Lampenbetrieb freisetzen, ohne ansonsten den Lampenbetrieb zu stören, zugegeben werden. Ein solches Metall wirkt dabei als Chlorbinder, d. h. es bindet in den im Lampenbetrieb kälteren Regionen der Lampe Chlor, wodurch sich mehrere positive Effekte ergeben.
Zum einen wird dadurch die chemische Aggressivität des Chlors, d. h. der Wand- und Elektrodenangriff, weiter verringert. Zum anderen wird dadurch in den kälteren Lampenregionen der Gehalt von HgCl in der Gasphase heruntergesetzt, da die Metalle mit dem Quecksilber als Chlorbinder konkurrieren. Eine geringere HgCl-Konzentration in den äußeren, kälteren Lampenregionen verringert jedoch die Selbstabsorption der in den heißen Lampenregionen erzeugten HgCl-Strahlung, sorgt also für eine Erhöhung der von der Lampe insgesamt emittierten HgCl-Strahlung. Des Weiteren ist bei der Verwendung von Wolframelektroden noch zu bedenken, dass WCl2 an der kältesten Stelle der Lampe als Festkörper ausfallen kann, d. h. dass Wolfram im Laufe des Lampenlebens quasi als Chlorgetter wirkt, und damit mit der Zeit immer weniger Chlor zur Bildung von HgCl zur Verfügung steht, d. h. dem strahlungserzeugenden Prozess entzogen wird. Da das Zusetzen der oben genannten Metalle wie schon gesagt die Wolframtransporte zur Wand und damit auch zur kältesten Stelle verringert sowie die Metalle mit dem Wolfram um die Chloridbildung konkurrieren, die Metallchloride aber gasförmig sind, vermindert sich dadurch die Bildung des festen WCl2, womit das Chlor denen für die Strahlungserzeugung wichtigen Prozessen zumindest nicht mehr so stark entzogen wird.
Die günstigen Wirkungen der genannten chlorbindenden Metalle treten in besonders vorteilhafter Ausprägung ein, wenn die Füllung diese Metalle im stöchiometrischen Überschuss zum Chlor enthält, so dass das Chlor in ausreichendem quantitativem Maße gebunden werden kann. Für einen stöchiometrischen Überschuss muss die Summe [M] der Füllmengen der chlorbindenden Metalle die Bedingung erfüllen: [M]/[Cl] ≥ 1/W_M , wobei W_M die mittlere Wertigkeit der chlorbindenden Metalle bezeichnet. Die Summe [M] der Füllmengen der chlorbindenden Metalle ist dabei wie oben erläutert als die auf die Atome bezogene Summenfüllmenge aller dieser Metalle zu verstehen. Z. B. entsprächen 1 mol Al plus 2 mol GeCl2 einer Summenfüllmenge von [M] = 3 mol chlorbindende Metalle. Die mittlere Wertigkeit W_M der chlorbindenden Metalle errechnet sich als arithmetisches Mittel aus den Wertigkeiten der einzelnen Metalle in der Mischung, gewichtet mit ihrem Mischungsverhältnis. Im obigen Beispiel von 1 mol Al plus 2 mol GeCl2 ergibt sich aus der Dreiwertigkeit von Al in AlCl3 und der Zweiwertigkeit von Ge in GeCl2 sowie dem Verhältnis Al : Ge = 1 : 2 die mittlere Wertigkeit zu W_M = (1·3 + 2·2)/3 = 7/3. Dabei ist in dieser Rechnung vereinfachend nur die im Lampenbetrieb überwiegende zweiwertige Variante von Ge in GeCl2 berücksichtigt. Für eine genauere Berechnung sind auch die übrigen Wertigkeiten von Ge in den weiteren Germaniumchloridvarianten GeCl, GeCl3 und GeCl4 sowie das Mischungsverhältnis dieser Varianten im thermodynamischen Gleichgewicht in den für die Lampe relevanten Temperaturregionen zu berücksichtigen, wobei insbesondere das einwertige Ge in GeCl als nächst häufigere Variante nach GeCl2 in der Lampe von Bedeutung ist.
Aus technologischen Gründen bezüglich der Druckfestigkeit des Lampenkolbens und ggf. der Elektrodendurchführungen bei Betriebsbedingungen von z. B. einer Temperatur der kältesten Stelle von 1250 K sind Betriebsdrücke größer als 400 bar z. B. wegen der Explosionsgefahr des Lampengefäßes schwer beherrschbar. Daher ist die Füllmenge [Hg] von Quecksilber vorzugsweise auf [Hg] ≤ 2000 μmol/cm³ zu begrenzen. Da wegen des geforderten HgCl-Dampfdruckes das Produkt aus Hg- und Cl-Füllmengen wie bereits gesagt mindestens 200 (μmol/cm³)² betragen soll, ergibt sich aus der Maximalmenge von [Hg] ≤ 2000 μmol/cm³ eine entsprechende Bedingung für die Minimalfüllmenge von Cl zu [Cl] ≥ 0.1 μmol/cm³ . Übrigens ergibt sich aus der wegen der Begrenzung der Cl-Aggressivität gefordert Maximalmenge von Cl, [Cl] ≤ 10 μmol/cm³, und der Bedingung an das Produkt der Hg- und Cl-Füllmengen auch eine Bedingung an die Minimalmenge von Hg zu [Hg] ≥ 20 μmol/cm³.
Wegen der erfindungsgemäß begrenzten Aggressivität der Chlorfüllung kann das Entladungsgefäß auch aus Quarzglas gefertigt werden. Aber natürlich sind auch oxidische Keramiken und insbesondere das bereits erwähnte dichtgesinterte, polykristalline Aluminiumoxid DGA verwendbar. Ebenso können wegen der begrenzten Aggressivität zur Energieeinkopplung ins Lampengefäß metallische Elektroden und insbesondere Wolframelektroden eingesetzt werden. In einer Weiterentwicklung kann man die Elektroden auch aus mehreren Metallen, insbesondere aus Wolfram und Rhenium zusammensetzen.
Weiterhin lassen sich auch beschichtete Elektroden einsetzen, insbesondere solche gebildet aus einem Wolframkern und einer zu mindestens 90 Gewichtsprozent aus Rhenium bestehenden Beschichtung. Bezüglich solcher zusammengesetzter oder beschichteter Elektroden wird auf die EP 0 909 457 A1 , die US 6,169,365 B1 und die US 6,060,829 A verwiesen, die bezüglich dieser Gegenstände durch Bezugnahme in diese Anmeldung mit einbezogen werden. Alternativ kann die Energieeinkopplung in die Lampe aber auch elektrodenlos z. B. durch ein elektromagnetisches Wechselfeld im Hochfrequenz- oder Mikrowellenbereich, insbesondere im Bereich 0.5–500 MHz oder 500 MHz–50 GHz, erfolgen. Während man dadurch die durch die Existenz von Elektroden verursachten Probleme vermeidet und damit einen erweiterten Designbereich für die Lampe bekommt, ergeben sich auf der anderen Seite jedoch andere Probleme wie z. B. höhere Kosten und begrenzte Effizienzen des Generators für das elektromagnetische Wechselfeld.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin aber auch auf eine Beleuchtungseinheit, welche mit einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe ausgestattet ist. Diese Beleuchtungseinheit kann insbesondere auch das elektrische Vorschaltgerät zur Energieversorgung der Lampe umfassen, im Falle einer elektrodenlosen Energieeinkopplung mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes also beispielsweise auch einen Generator zur Erzeugung dieses Wechselfeldes.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele und insbesondere an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 die sich aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung ergebenden Partialdrücke von HgCl gegenüber der Temperatur,
2 die sich aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung ergebenden summierten Partialdrücke von Wolfram gegenüber der Temperatur,
3 bis 10 Spektren von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Hochdrucklampen.
Die 1 zeigt die sich aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung ergebenden Partialdrücke von HgCl in der Gasphase gegenüber der Temperatur. D. h., die Hochachse des Diagramms zeigt den HgCl-Partialdruck in bar und die Rechtsachse die Temperatur in K. Der Verlauf der oberen Kurve 1 im Diagramm zeigt den HgCl-Partialdruck, wie er sich aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung ergibt, wenn 140 μmol/cm³ Hg und 10 μmol/cm³ Cl gefüllt wurden. Die untere Kurve 2 ergibt sich entsprechend, wenn bei Zimmertemperatur zusätzlich zu den 140 μmol/cm³ Hg und 10 μmol/cm³ Cl noch 7.5 μmol/cm³ Ge zugesetzt wurde. Man erkennt aus dem Vergleich dieser beiden Kurven, dass im heißen, strahlenden Bereich der Entladung, d. h. etwa oberhalb von 3500 K, der Zusatz von Ge den HgCl-Partialdruck deutlich erhöht, da durch die Verhinderung der Kondensation von festem WCl2 der Entzug von Cl für die Entladung vermieden wird, während er ihn bei den niedrigeren Temperaturen der wandnahen Randschichten der Gasfüllung, also etwa zwischen 1200 und 3000 K, deutlich herabsetzt. Der Zusatz von Ge ist also in zweierlei Hinsicht vorteilhaft: Zum einen erhöht er die HgCl-Konzentration im strahlenden Zentrum der Entladung, was zur Entstehung höherer HgCl-Kontinuumsstrahlung führt, und zum anderen sorgt er für eine Verringerung der HgCl-Konzentration in den nicht strahlenden Randbereichen der Lampenfüllung, womit in diesen Schichten die Selbstabsorption der in den strahlenden Bereichen erzeugten HgCl-Strahlung vermindert wird.
Neben dem Germanium gibt es noch eine Reihe weiterer Stoffe, die in den kälteren Lampenregionen Chloride bilden, die stabiler als das eine Dissoziationsenergie von 101 kJ/mol aufweisende HgCl sind. Entsprechende Metallchloride sind in der nachfolgenden Tabelle zusammen mit ihren Dissoziationsenergien aufgeführt:
2 zeigt die sich aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung ergebenden summierten Partialdrücke SpW von Wolfram gegenüber der Temperatur. D. h., die Hochachse des Diagramms zeigt die Summe der Partialdrücke aller Wolframverbindungen in der Gasphase in bar und die Rechtsachse die Temperatur in K. Dabei wird der Partialdruck einer Wolframverbindung in der Summe wieder auf die atomare Wolframmenge bezogen, d. h. der Wolframgehalt geht mit seiner Stöchiometrie ein. Die Verbindung W2Cl10 würde also beispielsweise mit dem Faktor 2 für W2 in den Wolframsummendruck eingehen. Die Kurven 5 bis 8 ergeben sich jeweils aus einer thermodynamischen Gleichgewichtsrechnung, bei der Wolfram als unbegrenztes Festkörperreservoir vorhanden ist und die folgenden weiteren Stoffe in den folgenden in μmol/cm³ angegebenen Mengen gefüllt wurden (Sample-And-Hold Berechnungsmodus):
Solche Kurven werden üblicherweise dazu verwendet, gewisse Voraussagen über die in der Lampe auftretenden Wolframtransporte zu machen. Dazu wird angenommen, dass das Wolfram aus Gebieten mit hohem Wolframsummendruck zu Gebieten mit niedrigem Wolframsummendruck transportiert wird. Bei Kurve 5 würde beispielsweise Wolfram aus Gebieten um die 2200 K zu Gebieten mit niedrigerer und mit höherer Temperatur transportiert. Weiter nimmt man an, dass Wolframsummendrucke oberhalb von einigen mbar typischerweise zu zu hohen Wolframtransportraten führen, welche die Lampenlebensdauer auf wenige Stunden begrenzen, was für viele Anwendungen unakzeptabel ist. So würde beispielsweise bei Kurve 5 das Wolfram aus dem Elektrodenbereich, der ca. 2200 K heiß ist, zu den kälteren (und auch zu den heißeren) Stellen auf der Elektrode und der Lampenwand wegtransportiert. Diese im mittleren Bereich der Elektrode befindliche Stelle würde daher immer dünner werden und die Elektrode würde schließlich an dieser Stelle durch diesen sogenannten „Biberfraß" brechen.
Durch den Vergleich der Kurve 6 mit der Kurve 5 erkennt man, dass der Zusatz von Ge bereits ein sehr wirksames Mittel ist, den Wolframsummendruck deutlich zu senken, in diesem Beispiel unter ca. 3 mbar, womit sich bereits Lampenlebensdauer ergeben, die für einige Applikationen akzeptabel sind. Der Wolframsummendruck lässt sich jedoch durch eine Verringerung der Chlorfüllmenge weiter absenken, wobei wegen der Bedingung an das Produkt der Hg- und Cl-Füllmengen von [Hg]μ[Cl] ≥ 200 (μmol/cm³)² die Hg-Füllmenge entsprechend anzuheben ist. So ergeben sich in Kurve 7 bereits Wolframsummendrücke unter ca. 0.4 mbar und in Kurve 8 unter ca. 0.2 mbar, die zu entsprechend längeren Lampenlebensdauern führen. Wegen der geringeren Chlorfüllmengen bei den Kurven 7 und 8 kann auch der Germaniumzusatz bei diesen Füllungen verringert werden.
An dieser Stelle sei auch nochmals auf die „Getterwirkung" des Wolframs für Chlor in den kälteren Lampenbereichen hingewiesen. Die Verringerung der Wolframtransportraten durch die Verminderung der Chlorfüllmenge und/oder den Zusatz von Metallen wie Germanium verlangsamt das Ansammeln von Wolfram in den kälteren Lampenbezirken deutlich. Dies verlangsamt dann entsprechend die Bildung von WCl2 und dessen Ausfall als Festkörper, und damit die negative Wirkung des Chlorentzugs für die Strahlungserzeugung. Damit verbessert sich die „Strahlungsmaintenance" der Lampe während der Lebensdauer deutlich, d. h. der Abfall der erzeugten Strahlungsleistung über die Lebensdauer wird erheblich verringert.
Die 3 bis 10 zeigen Spektren von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Hochdrucklampen. Entlang der Rechtsachsen dieser Figuren ist die Wellenlängen der emittierten Strahlung in nm aufgetragen und entlang ihrer Hochachsen die Strahlungsintensität in W/nm.
Die Daten der Ausführungsbeispiele zu den 3 bis 6 sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
In den Spektren dieser Ausführungsbeispiele ist, bis auf 3, klar die B-X-Molekülemission des HgCl zu erkennen, während keine GeCl-Emission und nur schwache Ge-Linien bei 422.7 nm und 468.6 nm auftreten. Bei der Lampe von 3, deren Cl-Konzentration von 9.7 μmol/cm³ bereits am oberen Rand des erfindungsgemäßen Bereiches bis 10 μmol/cm³ liegt, wird deutlich, dass ohne den Zusatz eines chlorbindenden Stoffes die HgCl-Emission kaum noch beobachtet werden kann, während diese nach Zusatz von 7.5 μmol/cm³ Ge, s. 4, deutlich hervortritt. Damit einher geht dann auch eine deutliche Erhöhung der Lampeneffizienz von 61 auf 124 lm/W.
Die Füllungen der Lampen mit den Spektren aus den 3 bis 6 entsprechen weitgehend den in 2 gerechneten Wolframsummendrücken der Kurven 5 bis 8. Deutlich sind die Vorteile des Zusatzes von Germanium als Chlorbinder und das Absenken des Chlorgehaltes, bei ggf. gleichzeitiger Erhöhung der Hg-Füllmenge, zu erkennen. Durch Feineinstellung der Füllmengen lassen sich so hocheffiziente Lampen guter Farbwiedergabe und langer Lebensdauer erhalten. So zeigt beispielsweise der Vergleich des Ausführungsbeispiels gemäß 5 mit dem gemäß 4 die deutlich erhöhte Lebensdauer bei immer noch sehr guter Effizienz. Entsprechend wird wegen des deutlich geringeren Chlorgehaltes bei der Lampe gemäß 6, deren Füllung Kurve 8 aus 2 entspricht, eine weitere Lebensdauerverlängerung erwartet, während sie wegen der Ähnlichkeit des Spektrums zur Lampe gemäß 5 eine ähnliche Effizienz und Farbwiedergabe wie diese besitzt. Bisher wurden aber noch keine Lebensdauertests, sondern nur Kurzzeitexperimente über wenige Stunden durchgeführt.
An Stelle von oder zusätzlich zu Germanium als Chlorbinder sind auch andere, chemisch ähnlich wirkende Metalle als Chlorbinder verwendbar. Dabei kommen wie bereits erwähnt vorzugsweise Metalle in Betracht, die stabilere Chloridverbindungen bilden als Quecksilber, und insbesondere, neben Germanium, Aluminium, Arsen, Wismut, Kobalt, Gallium, Indium, Blei, Zinn, Thallium und Vanadium. Die folgende Tabelle der Ausführungsbeispiele zu den 7 bis 9 enthält erste Ergebnisse zu der Verwendung von Ga, Al und Sn als Chlorbinder. In diesen Experimenten wurden dabei noch sehr hohe Chlor mengen deutlich oberhalb der erfindungsgemäßen Obergrenze von [Cl] ≤ 10 μmol/cm³ eingesetzt, um auf jeden Fall, am Anfang der Lampenlebensdauer, ausreichende HgCI-Dampfdrucke in der Entladung zu erreichen. Die technisch völlig unzureichenden Lebensdauern von ungefähr einer Stunde belegen jedoch deutlich, dass solch hohe Chlormengen in Produkten nicht verwendet werden können.
Während bisher also zwar experimentell noch keine Lampe solcher Füllung mit hoher Lebensdauer demonstriert wurde, so zeigen doch die Vergleiche der Ausführungsformen zu den 7 bis 9 den positiven Einfluss der Verringerung der Chlormenge und des erhöhten Zusatzes der Chlorbinder. Die Entwicklung einer solchen Lampe hoher Lebensdauer ist somit also nur eine Frage weiterer systematischer Experimente und liegt somit im Bereich üblichen fachmännischen Handelns.
10 zeigt das Spektrum eines elektrodenlosen Ausführungsbeispiels, dessen Daten in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind. Wegen der hier wegfallenden Problematik eines Elektrodenangriffs wurde auch in diesem ersten Experiment mit einer erhöhten Chlormenge oberhalb der erfindungsgemäßen Obergrenze von [Cl] ≤ 10 μmol/cm³ gearbeitet. Ebenfalls wurde auf den Einsatz eines Chlorbinders verzichtet. Der Zusatz von Schwefel zur Lampenfüllung erfolgte zur Untersuchung seiner Auswirkung auf das Lampenspektrum. Diese Auswirkung wird allerdings als gering eingeschätzt.
Diese elektrodenlose Lampe zeigt eine hohe Lampeneffizienz von 150 lm/W. Für die Bewertung der Systemeffizienz ist jedoch die im Vergleich zu Vorschaltgeräten mit Elektroden versehener Lampen niedrige Effizienz der Mikrowellenerzeugung zu berücksichtigen. Weiter geht der hohe Preis des Mikrowellenresonators negativ in die Lampenkosten ein. Lebensdauerexperimente wurden mit dieser Lampe bisher noch nicht durchgeführt, die Kurzzeitbrennzeiten betrugen nur wenige Stunden. Allerdings wird bei hohen Chlormengen, wenn auch die Elektrodenprobleme wegfallen, bei entsprechend langen Brennzeiten ein Chlorangriff auf die Kolbenwand erwartet, wie dies bereits in der GB 12,53,948 B erwähnt ist. Daher wird auch für solche Lampen von einer deutlichen Lebensdauerverlängerung durch die erfindungsgemäße Verringerung der Chlormenge ausgegangen.

Claims

Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Füllung enthaltend – ein Edelgas, beispielsweise Argon, – Quecksilber und – Chlor, wobei die Füllmengen von Quecksilber [Hg] und Chlor [Cl] folgenden Bedingungen genügen: – [Hg]·[Cl] ≥ 200 (μmol/cm³)² , – [Cl] ≤ 10 μmol/cm³.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung weiterhin ein Metall, vorzugsweise eines, das stabilere Chloridverbindungen bildet als Quecksilber, und insbesondere eines aus der Gruppe Aluminium, Arsen, Wismut, Kobalt, Gallium, Germanium, Indium, Blei, Zinn, Thallium und Vanadium, als Chlorbinder enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung Germanium als chlorbindendes Metall enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe [M] der Füllmengen der chlorbindenden Metalle die Bedingung erfüllt: – [M]/[Cl] ≥ 1/W_M, wobei W_M die mittlere Wertigkeit der chlorbindenden Metalle bezeichnet.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllmenge von Quecksilber [Hg] die Bedingung erfüllt: – [Hg] ≤ 2000 μmol/cm³.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus – Quarz oder – einer oxidischen Keramik, insbesondere dichtgesintertem Aluminiumoxid, besteht.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe zur Einkopplung elektrischer Leistung in die Hochdruckentladungslampe – metallische Elektroden, insbesondere solche aus Wolfram, oder – zusammengesetzte Elektroden, insbesondere solche aus Wolfram und Rhenium, oder – beschichtete Elektroden, insbesondere solche gebildet aus einem Wolframkern und einer zu mindestens 90 Gewichtsprozent aus Rhenium bestehenden Beschichtung, umfasst.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das Entladungsgefäß von elliptischer Form ist, aus Quarz besteht, und sein Innendurchmesser 11 mm und seine Innenlänge 16 mm betragen, – dass die Hochdruckentladungslampe zur Einkopplung elektrischer Leistung in die Hochdruckentladungslampe Wolframelektroden umfasst, und – dass die Füllung 4.2 μmol/cm³ Argon, 375 μmol/cm³ Quecksilber, 1.8 μmol/cm³ Chlor und 2.5 μmol/cm³ Germanium enthält.
Beleuchtungseinheit mit einer Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit zur Einkopplung elektrischer Leistung in die Hochdruckentladungslampe – einen Generator zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes im Hochfrequenz- oder Mikrowellenbereich, insbesondere im Bereich 0.5–500 MHz oder 500 MHz–50 GHz, umfasst.