DE10354868A1

DE10354868A1 - Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit

Info

Publication number: DE10354868A1
Application number: DE10354868A
Authority: DE
Inventors: Michio Takagaki; Masaya Shido
Original assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Koito Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-11-25
Also published as: DE10354868B4; US20040150344A1; US7098596B2; JP2004172056A

Abstract

Eine Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampe ist für die Verwendung in einem Fahrzeugbeleuchtungssystem angegeben. Die Bogenentladungsröhre umfasst einen geschlossenen Glaskolben, der an gegenüberliegenden Enden quetschgedichtet ist. Die Innenenden einer ersten und einer zweiten Elektrode erstrecken sich von den Enden des geschlossenen Glaskolbens in denselben. Die Atmosphäre innerhalb des geschlossenen Glaskolbens umfasst ein Start-Edelgas, ein primäres lichtemittierendes Metallhalogenid und optional ein Puffer-Metallhalogenid. Der Abstand zwischen den Innenenden der Elektroden beträgt zwischen ungefähr 0,3 und 1,8 mm, und der Innendurchmesser des geschlossenen Glaskörpers an einem mittleren Teil beträgt zwischen ungefähr 1,5 und 2,7 mm. Dementsprechend wird eine stabile Entladung bei einer Leistung von zwischen 15 und 30 W erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit, die einen geschlossenen Glaskolben, in dem ein Paar von Elektroden angeordnet sind, und Quetschdichtungen auf beiden Seiten des geschlossenen Glaskolbens umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine mit niedriger Spannung betriebene Entladungslampeneinheit mit einem geschlossenen Glaskolben, der mit einem primären lichtemittierenden Metallhalogenid, einem optionalen Puffer-Metallhalogenid und einem Start-Edelgas gefüllt ist.
3 zeigt ein Entladungsleuchtmittel aus dem Stand der Technik, das in einer Entladungslampeneinheit als Lichtquelle für Fahrzeuglampen verwendet wird. Das Entladungsleuchtmittel aus dem Stand der Technik umfasst eine Bogenentladungsröhre 2 mit einem geschlossenen Glaskolben 2a (bzw. lichtemittierenden Teil), der einstöckig mit einem isolierenden Steckerkörper 1 aus Kunstharz ausgebildet ist. Das hintere Ende der Bogenentladungsröhre 2 wird durch eine Metallhalterung 8 gehalten, die an dem isolierenden Steckerkörper 1 fixiert ist, und das vordere Ende der Bogenentladungsröhre 2 wird durch eine Metall-Anschlusshalterung 9 gehalten, die sich von dem isolierenden Steckerkörper 1 erstreckt und als Strompfad dient.
Die Bogenentladungsröhre 2 ist an beiden Enden durch Quetschdichtungen 2b quetschend gedichtet. Der geschlossene Glaskolben 2a weist gegenüberliegende Elektroden 3 auf, die sich in die Enden des geschlossenen Glaskolbens der Bogenentladungsröhre 2 erstrecken, der mit einem Metallhalogenid als primärer lichtemittierender Substanz, Quecksilber als Puffergas und einem Edelgas als Startgas gefüllt ist.
Das Quecksilber in der Bogenentladungsröhre dient als Puffer, um eine vorgeschriebene Röhrenspannung aufrechtzuerhalten und die Kollision der Elektronen gegen die Elektroden zu puffern (d.h. zu reduzieren), um eine Beschädigung der Elektroden zu vermeiden. Das Quecksilber ist auch eine unterstützende lichtemittierende Substanz zum Erzeugen von weißem Licht.
In dem Entladungsleuchtmittel aus dem Stand der Technik wird Licht durch eine Bogenentladung zwischen den Elektroden 3 emittiert. Weil Bogenentladungsröhren mehr Licht erzeugen und eine längere Lebenszeit aufweisen als Glühlampen werden sie verstärkt als Lichtquelle für Scheinwerfer oder Nebelleuchten verwendet.
Bei dem Entladungsleuchtmittel aus dem Stand der Technik von 3 ist ein Anschlussdraht 4 an einem Ende der Quetschdichtung 2b vorgesehen. Eine quetschgedichtete Molybdänfolie 5 ist zwischen dem Anschlussdraht 4 und einer Wolframelektrode 3 verbunden. Die Bogenentladungsröhre 2 ist mit einem Glasschirm 6 verschweißt, der eine Ultraviolettabschirmung vorsieht und einen engen Raum erzeugt, der die oben genannten Elemente enthält. Der Glasschirm 6 blockiert aus der Bogenentladungsröhre 2 emittierte ultraviolette Strahlen in einem Wellenlängenbereich, der für den menschlichen Körper schädlich ist, und hält den Glaskolben 2a auf einer hohen Temperatur.
Das zuvor genannte Entladungsleuchtmittel aus dem Stand der Technik weist jedoch verschiedene Probleme und Nachteile auf. Weil der geschlossenen Glaskolben 2a aus dem Stand der Technik Quecksilber als Puffergas enthält, ist das Entladungsleuchtmittel schädlich für die Umwelt. Um dieses Problem zu beseitigen und die derzeitigen Umweltschutzanforderungen zu erfüllen, besteht ein Bedarf für die Entwicklung einer Bogenentladungsröhre, die kein umweltschädliches Quecksilber enthält, d.h. es besteht ein Bedarf für die Entwicklung einer Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre.
Leider konnte bei dem vorstehend genannten Kolben aus dem Stand der Technik aus mehreren Gründen nicht auf Quecksilber verzichtet werden. Wenn nämlich kein Quecksilber in dem geschlossenen Glaskolben vorgesehen wird, wird die Röhrenspannung reduziert, sodass ein größerer elektrischer Strom für die Aufrechterhaltung der Röhrenspannung erforderlich ist. Dies hätte eine höhere Last für die Elektroden zur Folge, was zu einer Reduktion der Leuchteffizient führen würde. Das Weglassen von Quecksilber aus dem geschlossenen Glaskolben 2a verhindert außerdem die Erzeugung von Licht mit einer gewünschten Chromatizität.

Um die vorstehend genannten und andere Probleme zu beseitigen, haben die vorliegenden Anmelder ein Metallhalogenid anstelle des Quecksilbers als Puffer verwendet, wobei dieselbe Chromatizität vorgesehen wird wie bei den zuvor genannten Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik. Dadurch wird eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre geschaffen, die ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber enthaltende Bogenentladungsröhren aufweist, wobei keine Änderungen an der Form und den Abmessungen erforderlich sind. Diese Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre umfasst einen geschlossenen Glaskolben, der mit einem primären lichtemittierenden Metallhalogenid, einem ausgewählten Puffer-Metallhalogenid und einem Start-Edelgas gefüllt ist. Der Druck des Edelgases beträgt ungefähr 8 bis 20 atm und ist damit höher als bei den Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik (3 bis 6 atm). Die Anmelder haben die japanische Patentanmeldung Nr. 2001-286252 eingereicht, deren Inhalt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.

Eine weitere Modifikation der vorstehend genannten Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre sah Eigenschaften vor, die denjenigen von Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik ohne Puffer-Metallhalogenid in dem geschlossenen Glaskolben ähnlich sind. Die Gesamtmenge und der Anteil eines vorgeschriebenen primären lichtemittierenden Metallhalogenids sowie der Druck des Start-Edelgases (ungefähr 8 bis 20 atm) in dem geschlossenen Glaskolben wurden aufrechterhalten. Auf der Basis dieser Modifikation reichten die Anmelder die japanische Patentanmeldung Nr. 2002-243489 ein, deren Inhalt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist und die Priorität gegenüber der oben genannten japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-286252 beansprucht.

Die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre von JPA 2002-243489 weist ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber enthaltende Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik auf, wobei auch der Stromverbrauch von ungefähr 35 W demjenigen von Quecksilber enthaltende Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik entspricht.

Benutzer verlangen jedoch eine Reduktion des Stromverbrauchs von Entladungsleuchtmitteln (Bogenentladungsröhren). Außerdem nimmt die Anzahl der elektrischen Teile und Zubehörteile in modernen Kraftfahrzeugen zu, wodurch der Gesamtstromverbrauch erhöht wird. Der erhöhte Stromverbrauch und die begleitende Steigerung der Länge und des Gewichts der Verkabelung wirken einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs entgegen. Obwohl der Stromverbrauch von Entladungsleuchtmitteln mit einer Bogenentladungsröhre als Lichtquelle (ungefähr 35 W) niedriger als der von Halogenlampen (ungefähr 60 W) ist, ist er immer noch höher als derjenige der meisten elektrischen Teile und Zubehörteile in einem Kraftfahrzeug. Es besteht deshalb ein Bedarf, den Stromverbrauch von Entladungsleuchtmitteln zu reduzieren.

Angesichts des oben genannten Bedarfs zur Stromeinsparung in einem Entladungsleuchtmittel mit dem Aufbau von JPA 2002-243489 haben die Anmelder Tests in Bezug auf eine Verminderung des zu der Bogenentladungsröhre zugeführten elektrischen Stroms gegenüber dem Nennwert durchgeführt, um den Stromverbrauch bei einer stetigen Beleuchtung von 35 bis 25 W zu senken. Dabei nahm die Röhrenspannung von 42 auf 40 V ab, nahm der Röhrenstrom von 0,830 auf 0,600 A ab, nahm der Lichtfluss von 3200 auf 2000 lm ab und nahm die Leuchteffizienz von 91 auf 80 lm/W ab. Die Chromatizität wurde auch herabgesetzt.

Dementsprechend kamen die Anmelder zu den folgenden Schlussfolgerungen in Bezug auf den Stand der Technik der Anmelder. Erstens setzt eine Reduktion des Stromverbrauchs in einem stetigen Leuchtmodus den Leuchtfluss herab, wodurch wiederum die Leuchteffizienz reduziert wird. Dies hat eine Reduktion der Helligkeit des Beleuchtungsbereichs zur Folge.

Weil zweitens eine geringfügige Reduktion der Röhrenspannung eine beträchtliche Reduktion des Röhrenstroms zur Folge hat, fällt die Elektrodentemperatur. Dadurch erhöht sich die erforderliche Wiederzündungsspannung, was zu einem Flickern der Lampe führt.

Drittens emittiert der Kolben ein bläuliches Licht, weil sich die Chromatizität von x: 0,380 und y: 0,390 zu x: 0,365 und y: 0,375 ändert.

Es besteht also ein Bedarf im Stand der Technik, um wenigstens die vorstehend genannten Probleme und Nachteile zu beseitigen.

Die vorliegende Erfindung beseitigt wenigstens die vorstehend genannten Probleme und Nachteile aus dem Stand der Technik und erfüllt die zuvor genannten Bedürfnisse. Insbesondere wurde die Größe des geschlossenen Glaskolbens reduziert, um den Entladungsraum kleiner zu machen, wobei der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden verkürzt wurde. Dadurch wurden die zuvor genannten Probleme aus dem Stand der Technik gelöst.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit anzugeben, die eine Entladung auf stabile Weise und mit niedrigem Stromverbrauch erzeugt.

Die vorstehend genannte Aufgabe der Erfindung wird durch eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit gelöst, die eine einen rundlichen geschlossenen Glaskolben, eine Quetschdichtung an jedem Ende des geschlossenen Glaskolbens und gegenüberliegende Elektroden in dem Glaskolben umfasst, wobei der Glaskolben mit wenigstens einem primären lichtemittierenden Metallhalogenid und einem Start-Edelgas sowie optional mit einem Puffer-Metallhalogenid gefüllt ist, der Druck des Start-Edelgases bei ungefähr 8 bis 20 atm liegt, der Innendurchmesser des Glaskolbens in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ungefähr 1,5 bis 2,7 mm beträgt, der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ungefähr 1,0 bis 1,4 mm beträgt, die Länge der sich in den Glaskolben erstreckenden Elektroden ungefähr 0,3 bis 1,8 mm beträgt, und eine stabile Entladung mit einem Stromverbrauch von ungefähr 15 bis 30 W erzeugt wird.

In der vorliegenden Erfindung wird der geschlossene Glaskolben mit einem Start-Edelgas mit einem Druck von ungefähr 8 bis 20 atm gefüllt, der wesentlich höher als bei Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik ist (3 bis 6 atm). Dadurch wird das Verhältnis erhöht, mit dem Elektronen, die aus den Elektroden in einer Entladung freigegeben werden, mit den Molekülen des Edelgases kollidieren, wodurch sich wiederum die Temperatur in dem Glaskolben während des Betriebs erhöht. Dementsprechend wird der Dampfdruck des primären lichtemittierenden Metallhalogenids (und optional des Puffer-Metallhalogenids) erhöht, um den Lichtfluss und die Röhrenspannung zu erhöhen.

Der in der Erfindung verwendete geschlossene Glaskolben weist eine wesentlich kleinere Innenachsenlänge auf als die Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik, wobei der Abstand zwischen dem Elektrodenspitzen ungefähr 1,0 bis 4,0 mm beträgt (kleiner als 4,2 mm, gemäß den ECE-Spezifikationen der Economic Commission for Europe) und wobei die Länge der sich in den Glaskolben erstreckenden Elektroden ungefähr 0,3 bis 1,8 mm beträgt (kleiner als die Länge von 1,0 bis 2,0 mm bei den Glaskolben aus dem Stand der Technik). Außerdem beträgt der Innendurchmesser des Glaskolbens in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden ungefähr 1,5 bis 2,7 mm, was wesentlich kleiner als der maximale Innendurchmesser der Gaskolben aus dem Stand der Technik ist. Der Glaskolben weist also eine kleinere Kapazität auf.

Obwohl die Röhrenspannung etwas vermindert wird, wird die Wärmeableitung von dem Glaskolben reduziert, wodurch der Dampfdruck des primären lichtemittierenden Metallhalogenids (und des optionalen Puffer-Metallhalogenids) in dem Kolben erhöht wird. Der Lichtfluss und die Leuchteffizienz werden also verbessert. Obwohl die zu der Bogenentladungsröhre zugeführte Leistung niedriger als 35 W ist, erreicht die Bogenentladungsröhre im wesentlichen die gleiche Leuchteffizienz, die bei 35 W erreicht wird. Daraus resultiert, dass das im Stand der Technik gegebene Problem der reduzierten Leuchteffizienz gelöst ist.

Weil die Wärmeableitung von dem Glaskolben reduziert ist, wird die hohe Elektrodentemperatur während des Betriebs (in einer Entladung) aufrechterhalten. Deshalb erhöht sich die Wiederzündungsspannung nicht, sodass das im Stand der Technik gegebene Problem des Flickern reduziert wird.

Der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen beträgt ungefähr 1,0 bis 4,0 mm (kleiner als die ECE-Spezifikationen), und die Länge der sich in den Glaskolben erstreckenden Elektroden beträgt ungefähr 0,3 bis 1,8 mm (kleiner als die Länge von 1,0 bis 2,0 mm der Glaskolben aus dem Stand der Technik). Bei dieser Konfiguration kondensiert das primäre lichtemittierende Metallhalogenid (z.B. NaI oder ScI₃) nicht am Fuß der Elektroden, wodurch die Leuchteffizienz verbessert wird.

Das im Stand der Technik gegebene Problem der aufgrund einer Leistungsverringerung vom weißen Bereich abweichenden Chromatizität wird gelöst, indem die Gesamtmenge des primären lichtemittierenden Metallhalogenids sowie des Puffer-Metallhalogenids in dem Glaskolben entsprechend begrenzt wird. Die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre kann also derart beschaffen sein, dass sie Licht mit im wesentlichen gleicher Chromatizität wie die Quecksilber enthaltenden Bogenröhren aus dem Stand der Technik oder die Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik der Anmelder emittieren.

Wenn der Glaskolben nicht mit dem Puffer-Metallhalogenid gefüllt ist, sieht die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre der Erfindung dieselbe Leistung vor wie die Quecksilber enthaltenden Röhren aus dem Stand der Technik oder die Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik der Anmelder, indem die Gesamtmenge bzw. das Verhältnis eines vorgeschriebenen primären lichtemittierenden Metallhalogenids und der Druck des Start-Edelgases (ungefähr 8 bis 20 atm) in dem geschlossenen Glaskolben angepasst werden.

In einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre der vorliegenden Erfindung ist das primäre lichtemittierende Metallhalogenid ein Na-Halogenid, ein Sc-Halogenid oder ein Dy-Halogenid. Das Puffer-Metallhalogenid ist ein Al-Halogenid, ein Ca-Halogenid, ein Ho-Halogenid, ein In-Halogenid, ein Tl-Halogenid, ein Tm-Halogenid und/oder ein Zn-Halogenid. Die Gesamtmenge der Metallhalogenide in dem Glaskolben beträgt also ungefähr 10 bis 30 mg/ml, und das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge der Metallhalogenide liegt bei ungefähr 0 bis 50 Gewichtsprozent.

Bevorzugte Puffer-Metallhalogenide sind Al-Halogenid, Cs-Halogenid, Ho-Halogenid, In-Halogenid, Tl-Halogenid, Tm-Halogenid und/oder Zn-Halogenid. Das Start-Edelgas umfasst Xe. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es können auch entsprechende Äquivalente mit den erforderlichen Eigenschaften verwendet werden.

Wie weiter oben genannt, kann auch ohne ein Puffer-Metallhalogenid die Röhrenspannung erhöht werden und können Reduktionen der Chromatizität und des Lichtflusses unterdrückt werden, indem die Menge oder das Verhältnis des primären lichtemittierenden Metallhalogenids und der Teildruck des Start-Edelgases angepasst werden. Trotzdem ist ein Puffer-Metallhalogenid zu bevorzugen (aber nicht erforderlich), um eine Erhöhung der Röhrenspannung und eine effektivere Kompensation für die Reduktion der Chromatizität im sichtbaren Bereich vorzusehen.

Insbesondere weil der Kolben einen hohen Start-Edelgasdruck (ungefähr 8 bis 20 atm) aufweist, wird bei der Entladung eine höhere Temperatur im Kolben erreicht, was eine Erhöhung des Dampfdrucks des Puffer-Metallhalogenids zur Folge hat. Das Puffer-Metallhalogenid emittiert Licht mit einer effektiv erhöhten Intensität bei verschiedenen Wellenlängen, wodurch die Abweichung der Chromatizität aufgrund der Leistungsverringerung korrigiert wird. Die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre mit dem primären lichtemittierenden Metallhalogenid und dem Puffer-Metallhalogenid emittiert also Licht mit im wesentlichen dem gleichen Weiß wie es bei Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik und Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik der Anmelder erhalten wird.

Wenn die Gesamtmenge der Metallhalogenide kleiner als 10 mg/ml ist, hat die Bogenentladungsröhre keine ausreichend erhöhte Röhrenspannung und keinen ausreichen erhöhten Lichtfluss. Dadurch wird auch die Lebensleistung wie etwa der Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktor verschlechtert. Wenn jedoch die Gesamtmenge der Metallhalogenide größer als ungefähr 30 mg/ml ist, können sich überschüssige Metallhalogenide in einem flüssigen Zustand am Boden des Kolbens ablagern, wobei das an diesen Stellen austretende Licht eine Farbunregelmäßigkeit oder ein Blenden verursachen kann.

Wenn das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge der Metallhalogenide ungefähr 50 Gewichtsprozent überschreitet, nimmt die Intensität des von dem Puffer-Metallhalogenids emittierten Lichts zu, während die Intensität des von dem primären lichtemittierenden Metallhalogenid emittierten Lichts abnimmt, was eine Reduktion des Lichtflusses, eine Abweichung von einem gewünschten Chromatizitätsbereich und eine Reduktion der Farbwiedergabe zur Folge hat. Deshalb sollte die Gesamtmenge der Metallhalogenide zwischen 10 und 30 mg/ml liegen und sollte das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge des Metallhalogenids ungefähr 0 bis 50 Gewichtsprozent betragen.

In einer anderen beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der Bogenentladungsröhre der vorliegenden Erfindung liegt das Verhältnis des Innendurchmessers D2 des Glaskolbens an den Spitzen der sich in den Glaskolben erstreckenden gegenüberliegenden Elektroden zu dem Innendurchmesser D1 des Glaskolbens in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (D2/D1) bei ungefähr 0,5 bis 1,0 und insbesondere bei 0,7 bis 0,9.

Experimente der Anmelder haben ergeben, dass das Verhältnis D2/Dl die Bogenform, die Entladungsstabilität, das Entglasungsphänomen und die Wiederzündungsspannung beeinflusst. Ein Verhältnis D2/D1 von ungefähr 0,4 bis 1,1 optimiert die Bogenform (Geradheit des Bogens), ein Verhältnis von ungefähr 0,5 bis 1,0 optimiert die Entladungsstabilität (stabile Entladung ohne Flickern), ein Verhältnis von ungefähr 0,5 bis 1,2 verhindert eine Entglasung der Glasröhre, und ein Verhältnis von ungefähr 0,5 oder höher optimiert die Wiederzündungsspannung. Um diese Anforderungen für eine korrekte Bogenform, Entladungsstabilität, Vermeidung der Entglasung und korrekte Wiederzündungsspannung zu erfüllen, liegt das Verhältnis D2/D1 vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,5 bis 1,0 und besser im Bereich von 0,7 bis 0,9.

In einer weiteren beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das Verhältnis eines angelegten Röhrenstroms I (Einheit: A) zum Außendurchmesser d (Einheit: mm) der sich in den Glaskolben erstreckenden Elektroden (I/d) bei ungefähr 1,0 bis 4,0 (A/mm).

Die Elektrodentemperatur T (0°) ist proportional zu der Stromdichte und der Elektrodenoberfläche und wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben, wobei vorausgesetzt wird, dass eine Elektrodenstange eine gleichmäßige Dicke aufweist: T = k1 (4I/πd2)πdL = k1LI/dwobei T eine Elektrodentemperatur (°C) ist, k₁ ein Proportionalitätsfaktor ist, I ein Röhrenstrom (A) ist, d der Außendurchmesser (mm) einer Elektrode ist und L die Länge der sich in den geschlossenen Glaskolben erstreckenden Elektrode ist.

Wenn mit anderen Worten die Länge L einer sich in den Glaskolben erstreckenden Elektrode fixiert ist, wird die Elektrodentemperatur T durch das Verhältnis des Röhrenstroms I zu dem Außendurchmesser der Elektrodenstange (A/mm) bestimmt.

Wenn die Elektrodentemperatur zu niedrig ist, erhöht sich die Wiederzündungsspannung, was zu einem Flickern führen kann. Wenn die Elektrodentemperatur dagegen zu hoch ist, treten verschiedene Probleme wie etwa eine thermische Verformung der Elektroden, eine Schwärzung des Glaskolbens am Fuß der Elektroden aufgrund eines Versprühens der Elektrodenoberfläche und eine chemische Reaktion zwischen Wolfram (Elektrodenmaterial) und den eingeschlossenen Substanzen (Halogenidbestandteilen) auf der Elektrodenoberfläche auf, was eine Verformung der Elektroden und eine Reduktion des Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktors (der Lebensleistung) zur Folge hat. Weiterhin kann eine Erschöpfung der Elektroden ein Auslöschen des Bogens zur Folge haben, und das Glas kann aufgrund des unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektrodenmaterials springen.

Indem das I/d-Verhältnis zwischen 1,0 und 4,0 (A/mm) eingestellt wird, wird die Elektrodentemperatur innerhalb eines gemäßigten Bereichs gehalten, um das auf eine niedrige Elektrodentemperatur zurückgeführte Flickern und auch die durch eine hohe Elektrodentemperatur verursachten Probleme wie etwa eine Schwärzung des Glaskolbens, eine Reduktion des Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktors, ein Auslöschen des Bogens und ein Springen des Glases zu vermeiden.

In einer weiteren beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung ist die Bogenentladungsröhre eine abgeschirmte Bogenentladungsröhre. In dieser Ausführungsform ist ein zylindrischer Glasschirm mit der Bogenentladungsröhre verschweißt, um einen geschlossenen Raum vorzusehen, in dem der Glaskolben eingeschlossen ist, wobei der geschlossene Raum mit einem Edelgas mit einem Druck von 1 atm oder niedriger gefüllt ist.

Weil gemäß dieser Ausführungsform das den geschlossenen Raum um den Glaskolben herum füllende Edelgas eine niedrige molekulare Dichte aufweist, wird die Wärmeleitung von dem Glaskolben zu dem Glasschirm über den geschlossenen Raum kontrolliert, sodass die Wärme in dem geschlossenen Glaskolben im wesentlichen nicht abgeleitet wird. Dadurch kann die Innentemperatur des Glaskolbens hoch gehalten werden, was vorteilhaft für das primäre lichtemittierende Metallhalogenid (und in einigen Fällen für das Puffer-Metallhalogenid) sowie das Start-Edelgas ist, um einen hohen Dampfdruck aufrechtzuerhalten und einen hohen Lichtfluss sowie eine hohe Röhrenspannung zu sichern. Die Leuchteffizienz wird weiter verbessert, um zur Beseitigung des oben beschriebenen Leuchteffizienzproblems beizutragen.

1 ist ein Längsquerschnitt einer Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre gemäß einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 ist ein Blockdiagramm einer Lichtschaltung zum Betreiben eines Entladungsleuchtmittels gemäß einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

3 ist ein Längsquerschnitt einer Entladungslampeneinheit aus dem Stand der Technik.

Im Folgenden wird eine beispielhafte und nicht einschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher mit Bezug auf 1 beschrieben, die einen Längsquerschnitt einer Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre gemäß einer beispielhafte und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre 10 umfasst einen Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 und einen zylindrischen UV-Schutz-Glasschirm 20, der mit dem Hauptkörper 11 verschweißt ist und diesen vollständig umgibt. Der Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 weist einen geschlossenen Glaskolben 12 auf, in den sich Enden eines Paar von Elektroden 15a, 15b einander gegenüber angeordnet erstrecken.

Der Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 ist aus einer Quarzglasröhre mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Der geschlossene Glaskolben 12 weist eine runde Form auf, und Quetschdichtungen 13a und 13b mit einem rechteckigen Querschnitt sind auf beiden Seiten des Glaskolbens 12 ausgebildet. Rechteckige Molybdänfolien 16a, 16b sind quetschend in den entsprechenden Quetschdichtungen 13a, 13b eingeschlossen. Ein Ende der Molybdänfolien 16a, 16b ist mit entsprechenden Wolframelektroden 15a, 15b verbunden.

Das andere Ende der Molybdänfolien 16a, 16b ist mit entsprechenden Anschlussdrähten 18a und 18b verbunden, die sich von dem Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 erstrecken.

Der zylindrische UV-Schutz-Glasschirm 20 weist einen größeren Innendurchmesser auf als der Außendurchmesser des geschlossenen Glaskolbens 12 und ist mit dem Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 verschweißt, sodass der Glaskolben 12 und die Quetschdichtungen 13a und 13b dichtend in den Glasschirm 20 eingefügt sind. Der Bogenentladungsröhren-Hauptkörper 11 weist eine rohrförmige Verlängerung 14b (nicht quetsch-gedichtet) mit einem kreisförmigen Querschnitt auf, der sich von dem hinteren Ende des Glasschirms 20 erstreckt.

Der Glasschirm 20 ist aus einem Quarzglas, das mit Verbindungen wie zum Beispiel TiO₂ und CeO₂ dotiert ist, und weist einen UV-Schutzeffekt auf, wobei er ultraviolette Strahlen mit für den menschlichen Körper schädlichen Wellenlängen aus dem von dem Entladungsglaskolben 12 emittierten Licht wesentlich reduziert.

Ein primäres lichtemittierendes Metallhalogenid, ein Puffer-Metallhalogenid und Xenon als Start-Edelgas sind dichtend in dem geschlossenen Glaskolben 12 eingeschlossen. Der Teildruck des Start-Edelgases beträgt ungefähr 8 bis 20 atm, sodass die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre 10 im wesentlichen ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber enthaltende Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik vorweisen kann.

Das primäre lichtemittierende Metallhalogenid, das primär die Funktion der Lichtemission erfüllt, ist wenigstens eine Verbindung aus den Halogeniden von Na, Sc und Dy. Das Puffer-Metallhalogenid dient zum Steuern der Farbe, um ein gewünschtes Licht (weißes Licht) zu erhalten, sowie zum Puffern. Das Puffer-Metallhalogenid ist wenigstens eine Verbindung aus den Halogeniden von Al, Cs, Ho, In, Tl, Tm und Zn. Die Gesamtmenge der Metallhalogenide (d.h. das primäre lichtemittierende Metallhalogenid plus das Puffer-Metallhalogenid) beträgt ungefähr 10 bis 30 mg/ml, und das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge des Metallhalogenids beträgt bis zu ungefähr 50 Gewichtsprozent.

Wenn die Gesamtmenge des Metallhalogenids weniger als ungefähr 10 mg/ml beträgt, werden keine ausreichende Röhrenspannung und kein ausreichender Lichtfluss erhalten, wodurch die Lebensleistung beeinträchtigt wird. Wenn alternativ hierzu die Gesamtmenge des Metallhalogenids ungefähr 30 mg/ml überschreitet, können sich überschüssige Halogenide in einem flüssigen Zustand am Boden des Kolbens ablagern, wobei das an diesen Stellen austretende Licht eine Farbunregelmäßigkeit oder ein Blenden verursachen kann.

Der Glaskolben 12 ist mit einem Start-Edelgas mit einem Druck von ungefähr 8 bis 20 atm gefüllt, der wesentlich höher als bei Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik ist (3 bis 6 atm). Dadurch wird das Verhältnis erhöht, mit dem Elektronen, die aus den Elektroden in einer Entladung freigegeben werden, mit den Molekülen des Edelgases kollidieren, wodurch sich wiederum die Temperatur in dem Glaskolben während des Betriebs erhöht. Dementsprechend erhöhen sich die Dampfdrücke des primären lichtemittierenden Metallhalogenids und des Puffer-Metallhalogenids, wodurch entsprechend der Lichtfluss und die Röhrenspannung erhöht werden.

Der Innendurchmesser des Glaskolbens 12 in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 15a und 15b beträgt ungefähr 1,5 bis 2,7 mm, der Abstand zwischen den Spitzen der sich in den Glaskolben 12 erstreckenden gegenüberliegenden Elektroden 15a, 15b beträgt ungefähr 1,0 bis 4,0 mm und die Länge der sich in den Glaskolben 12 erstreckenden Elektroden 15, 15b beträgt ungefähr 0,3 bis 1,8 mm. Bei einem derartigen Aufbau wird eine stabile Entladung mit einer niedrigen Leistung von ungefähr 15 bis 30 W erzeugt.

Der Glaskolben 12 weist eine kleinere Innenachsenlänge auf als die Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik, wobei der Abstand zwischen dem Spitzen der Elektroden 15a und 15b ungefähr 1,0 bis 4,0 mm beträgt (kleiner als 4,2 mm, gemäß den ECE-Spezifikationen). Die Länge der sich in den Glaskolben erstreckenden Elektroden beträgt ungefähr 0,3 bis 1,8 mm (kleiner als die Länge von 1,0 bis 2,0 mm bei den Glaskolben aus dem Stand der Technik).

Außerdem beträgt der Innendurchmesser des Glaskolbens 12 in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 15a, 15b ungefähr 1,5 bis 2,7 mm (kleiner als der maximale Innendurchmesser der Gaskolben aus dem Stand der Technik). Der Glaskolben 12 weist also eine kleinere Kapazität auf.

Obwohl die Röhrenspannung vermindert wird, wird die Wärmeableitung von dem Glaskolben 12 reduziert, wodurch die Dampfdrücke des primären lichtemittierenden Metallhalogenids und des optionalen Puffer-Metallhalogenids in dem Kolben erhöht werden. Der Lichtfluss und die Leuchteffizienz werden also verbessert. Obwohl die zu der Bogenentladungsröhre zugeführte Leistung ungefähr 15 bis 30 W beträgt und damit niedriger als 35 W ist, erreicht die Bogenentladungsröhre im wesentlichen die gleiche Leuchteffizienz, die bei 35 W erreicht wird.

Weil der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden 15a, 15b ungefähr 1,0 bis 4,0 mm beträgt (kleiner als die ECE-Spezifikationen) und die Länge der sich in den Glaskolben 12 erstreckenden Elektroden ungefähr 0,3 bis 1,8 mm beträgt (kleiner als die Länge von 1,0 bis 2,0 mm der Glaskolben aus dem Stand der Technik), kann das primäre lichtemittierende Metallhalogenid (z.B. NaI oder ScI₃) nicht am Fuß der Elektroden 15a, 15b kondensieren. Dadurch wird die Leuchteffizienz verbessert.

Indem die Mengen des primären lichtemittierenden Metallhalogenids und des Puffer-Metallhalogenids wie oben angegeben spezifiziert werden, würde ansonsten die Chromatizität der Lichtemission während eines Betriebs mit niedriger Leistung im Bereich von 15 bis 30 W blau gefärbt werden (x: 0,0365; y: 0,375). Dieses Problem wird jedoch im wesentlichen zu derselben Lichtstufe korrigiert, die aus Quecksilber enthaltenden Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik und aus Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik der Anmelder emittiert wird.

Der durch den Glaskolben 12 und den Glasschirm 20 definierte eingeschlossene Raum ist mit einem Edelgas mit einem Druck von ungefähr 1 atm oder weniger gefüllt, sodass der Raum als Isolator gegenüber der von dem Glaskolben 12 ausgestrahlten Wärme dient.

Das den geschlossenen Raum um den Glaskolben 12 herum füllende Edelgas weist eine niedrige molekulare Dichte auf. Deshalb wird die Wärmeleitung von dem Glaskolben 12 zu dem Glasschirm 20 über den geschlossenen Raum kontrolliert, sodass die Wärme in dem geschlossenen Glaskolben 12 im wesentlichen gehalten wird. Dadurch kann die hohe Innentemperatur des Glaskolbens 12 gehalten werden. Dadurch können die Dampfdrücke des primären lichtemittierenden Metallhalogenids, des Puffer-Metallhalogenids und des Start-Edelgases erhöht werden, um den Lichtfluss und die Röhrenspannung zu steigern. Dadurch wird die Leuchteffizienz weiter verbessert.

Das Verhältnis des Innendurchmesser D2 des Glaskolbens 12 an den Spitzen der gegenüberliegenden Elektroden 15a, 15b zu dem Innendurchmesser D1 des Glaskolbens 12 in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 15a und 15b (D2/D1) beträgt ungefähr 0,5 bis 1,0. Dieses Verhältnis erfüllt alle Anforderungen für eine korrekte Bogenform, eine Entladungsstabilität, eine Vermeidung einer Entglasung und eine gemäßigte Wiederzündungsspannung.

Es wurden Quecksilber-freie Bogenentladungsröhren mit verschiedenen D2/D1-Verhältnissen (n = 5) vorbereitet und getestet, um die Beziehung zwischen dem D2/D2-Verhältnis und der Bogenform, Entladungsstabilität, Entglasung des Glaskolbens und Wiederzündungsspannung zu untersuchen. Die erhaltenen Ergebnisse werden in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst. Es wird die Anzahl der zufriedenstellenden Proben in jeder Testgruppe von fünf Tests angegeben. A, B und C bedeuten jeweils „zufriedenstellend", „beinahe zufriedenstellend" und „nicht ausreichend".

Als Quecksilber-freie Bogenentladungsröhren wurde ein erster Probensatz getestet, bei dem der geschlossene Glaskolben 12 mit 0,3 mg einer 70:30-Mischung (nach Gewicht) aus NaI und ScI₃ als primärem lichtemittierendem Metallhalogenid, 0,05 mg ZnI₂ als Puffer-Metallhalogenid und 10 atm Xenongas als Start-Edelgas gefüllt war, sowie ein zweiter Probensatz, in dem der Glaskolben 12 mit 0,1 mg einer 75:25-Mischung (nach Gewicht) aus NaI und ScI₃ als primärem lichtemittierendem Metallhalogenid und 12 atm Xenongas als Start-Edelgas gefüllt war.

Tabelle 1

Die Tabelle 1 zeigt, dass das Verhältnis D2/D1 die Bogenform, die Entladungsstabilität, die Entglasung des Glaskolbens und die Wiederzündungsspannung beeinflusst. Insbesondere was die Bogenform betrifft, weist der Bogen bei einem D2/D1-Verhältnis kleiner als 0,4 eine große Krümmung auf, während der Längsmittelteil des Bogens bei einem D2/D1-Verhältnis von 1,2 oder größer nach innen gebogen ist. In beiden Fällen ist es schwierig, die Verteilung der Leuchtintensität aufgrund der mangelnden Geradheit des Bogens zu steuern. Was also die Bogenform betrifft, liegt das D2/D1-Verhältnis vorzugsweise in einem Bereich von 0,4 bis 1,1 und noch besser von 0,5 bis 0,9.

Was die Entladungsstabilität betrifft, ist die Wand des Glaskolbens bei einem D2/D1-Verhältnis von 0,4 oder kleiner zu nahe an den Elektroden, um die Temperaturen der Elektroden ausreichend zu erhöhen. Deshalb flickert der Bogen. Bei einem D2/Dl-Verhältnis von 1,1 oder größer kontaktiert der Längsmittelteil des Bogens die Kolbenwand, was ebenfalls ein Flickern zur Folge hat. Das D2/Dl-Verhältnis liegt also vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 1,0 und vorzugsweise zwischen 0, 6 und 0, 9.

Was die Entglasung des Glaskolbens betrifft, reagiert Scandium (Sc) bei einem D2/Dl-Verhältnis kleiner als 0,4 mit dem Glas und macht die Kolbenwand weiß, wodurch die Lichtdurchlässigkeit des Kolbens reduziert wird. Deshalb liegt das D2/D1-Verhältnis vorzugsweise bei 0,5 oder mehr und besser zwischen 0,7 und 0,9, um eine Entglasung des Glaskolbens zu vermeiden.

Was die Wiederzündungsspannung betrifft, ist die Kolbenwand bei einem D2/D1-Verhältnis von 0,4 oder kleiner zu nahe an den Elektroden, sodass die Elektrodentemperatur beim Einschalten der Polarität abfällt. Deshalb ist eine höhere Wiederzündungsspannung erforderlich, was zu einem Flickern führt. Deshalb liegt das D2/D1-Verhältnis vorzugsweise bei wenigstens 0,5 und noch besser bei 0,6 bis 1,0.

Damit also die Bogenentladungsröhre die vorstehenden Anforderungen in Bezug auf die Bogenform, die Entladungsstabilität, das Vermeiden der Entglasung und die Wiederzündungsspannung erfüllt, sollte das D2/D1-Verhältnis im Bereich zwischen 0,5 und 1,0 und insbesondere zwischen 0,7 und 0,9 liegen.

Wenn die Temperatur der Elektroden 15a, 15b zu niedrig ist, nimmt die Wiederzündungsspannung ab, was zu einem Flickern führen kann. Wenn dagegen die Elektrodentemperatur zu hoch ist, können unvorteilhafte Erscheinungen wie etwa ein Springen des Glases, ein Auslöschen des Bogens aufgrund einer Erschöpfung der Elektroden, eine thermische Verformung der Elektroden, ein Schwärzen des Glaskolbens in der Nähe des Fußes der Elektroden aufgrund eines Versprühens der Elektrodenoberfläche, eine chemische Reaktion zwischen den Wolframelektroden und dem Halogengas mit einer dadurch bedingten Verformung der Elektroden auftreten, die eine Reduktion des durchschnittlichen Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktors zur Folge haben.

Deshalb wird in der beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Temperatur der Elektroden 15a, 15b innerhalb eines gemäßigten Bereichs gehalten, indem das Verhältnis des Röhrenstroms I zu dem Außendurchmesser d der Elektrodenstangen 15a, 15b, d.h. I/d (A/mm) innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1,0 bis 4,0 und insbesondere von 2,0 bis 3,5 angepasst wird.

Wie zuvor genannt, ist die Elektrodentemperatur T (°C) proportional zu der Stromdichte und der Elektrodenfläche, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird: T = k1 (4I/πd2)πdL = k1LI/dwobei die Symbole die weiter oben definierten Bedeutungen haben. Die Elektrodentemperatur T wird also durch das Verhältnis des Röhrenstroms I zu dem Außendurchmesser d der Elektrodenstange bestimmt (A/mm), wobei vorausgesetzt wird, dass die Länge L einer sich innerhalb des Glaskolbens erstreckenden Elektrode fixiert ist.

Um den Einfluss des I/d-Verhältnisses auf die Bogenröhrenleistung zu bestätigen, haben die Erfinder dieselben ersten und zweiten Probensätze getestet wie in dem zuvor beschriebenen Test, wobei jedoch das I/d-Verhältnis variiert wurde. Nachdem die zu testenden Bogenentladungsröhren (n = 5) 1500 Stunden lang in einem EU-Kraftfahrzeughersteller-Blinkmodus betrieben wurden, wurde die Anzahl der Bogenentladungsröhren berechnet, (1) deren Quetschsiegel 13a, 13b gebrochen sind (2) die flickerten, (3) deren Elektroden sich verformten oder (4) deren Glaskolben angeschwärzt wurde, wobei dann ein durchschnittlicher Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktor (LMF; %) berechnet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben, wobei A, B und C jeweils dieselben Bedeutungen aufeisen wie in Tabelle 1.

Tabelle 2

Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde bei keiner der getesteten Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 2,0 bis 5,0 ein Flickern festgestellt. Ein Flickern trat bei einigen Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 1,5 oder weniger auf, und bei allen Bogenentladungsröhren mit einem I/d von 0,5 oder weniger. Keine der Bogenentladungsröhren mit einem I/d von 0,5 bis 4,0 entwickelte einen Sprung in den Quetschdichtungen, während einige der Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 4,5 oder größer einen Sprung entwickelten.

Es konnte keine Elektrodenverformung bei den Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis zwischen 0,5 bis 3,5 festgestellt werden, wobei einige der Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 4,0 oder größer eine Elektrodenverformung aufwiesen. Alle Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 5,0 der größer wiesen eine Elektrodenverformung auf.

Keine der Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis zwischen 0,5 und 3,5 wiesen eine Kolbenschwärzung auf. Einige der Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 4,0 wiesen eine Schwärzung des Kolbens auf, und alle Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 5,0 oder größer wiesen eine Schwärzung des Kolbens auf.

Die Bogenentladungsröhren mit einem I/d-Verhältnis von 0,5 bis 0,4 wiesen einen durchschnittlichen Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktor von 70% oder mehr auf. Diejenigen mit einem I/d-Verhältnis von 4,5 oder größer wiesen einen durchschnittlichen Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktor von weniger als 70% auf.

Diese Beobachtungen zeigen, dass Probleme wie etwa ein Flickern, eine Entwicklung von Sprüngen in den Quetschdichtungen, eine Elektrodenverformung, ein Schwärzen des Glaskolbens und eine Reduktion des Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktors vermieden werden können, indem das I/d-Verhältnis in einem Bereich von ungefähr 1,0 bis 4,0 und insbesondere von 2,0 bis 3,5 angepasst wird.

2 ist ein Blockdiagramm, das eine Wechselstrom-Lichtschaltung zum Betreiben des Entladungsleuchtmittels mit einer Bogenentladungsröhre gemäß einer beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Lichtschaltung umfasst einen Schaltregler 30 zum Umwandeln einer Batteriespannung zu einer Röhrenspannung, eine Steuerschaltung (CKT) 32 zum Feststellen der Röhrenspannung und des Röhrenstroms des Entladungsleuchtmittels sowie zum Steuern der Ausgabe des Schaltreglers 30 durch ein Rückkopplungssystem, um die Röhrenspannung des Entladungsleuchtmittels zu regeln, einen DC/AC-Wandler 34 zum Umwandeln der Gleichstromausgabe aus dem Schaltregler 30 zu einem Wechselstrom (Quadratwelle), und eine Starterschaltung 36. Eine Filterschaltung (CKT) 31 entfernt Rauschen aus der Stromausgabe zu dem Schaltregler 30.

Weil gemäß dem in 2 gezeigten AC-Lichtsystem ein elektrischer Strom alternierend zu dem Paar von Elektroden zugeführt wird (eine positive Spannung alterniert zwischen den zwei Elektroden), ist die Verteilung von positiven Ionen eines Metalls (z.B. Na oder Sc) in dem geschlossenen Glaskolben symmetrisch um die Längsachse des Kolbens. Deshalb emittiert die in diesem System betriebene Bogenentladungsröhre Licht mit einer symmetrischen und gleichmäßigen Färbung.

Die oben beschriebenen ersten und zweiten Proben wiesen während des Betriebs in dem AC-Lichtsystem von 2 eine Röhrenspannung von 40 V, einen Lichtfluss von 2100 lm, eine Leuchteffizienz von 85 lm/W und eine Chromatizität von (x: 0,380; y: 0,385) auf. Diese Eigenschaften entsprechen mit Ausnahme des Lichtflusses im wesentlichen den im 35 W betriebenen Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik der Anmelder (japanische Patentanmeldung Nr. 2002-243489).

Die vorliegende Erfindung bietet verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum Beispiel weist die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre der vorliegenden Erfindung eine kleinere Glasröhrenkapazität und einen kürzeren Abstand zwischen den Elektroden auf als die bekanten Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren. Also auch bei Betrieb in einem DC-Lichtsystem sind die positiven Ionen des Metalls (z.B. Na oder Sc) in dem Glaskolben beinahe gleichmäßig verteilt und nicht um die negative Elektrode konzentriert. Dadurch wird eine vorteilhafte Lichtintensitätsverteilung mit reduzierter Farbtrennung für einen Scheinwerfer vorgesehen.

Wenn die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre der Erfindung in einem DC-Lichtsystem betrieben wird, kann eine Lichtschaltung mit dem Aufbau von 2 betrieben werden, wobei jedoch die durch gebrochene Linien angegebenen Pfade anstelle des DC/AC-Wandlers 34 verwendet werden. Gemäß dem DC- Lichtsystem, in dem ein elektrischer Strom immer in einer Richtung zugeführt wird, ist die Beleuchtungsfarbe weniger symmetrisch (und neigt zu einer Trennung), weil die Verteilung der Metallionen jeweils in Nachbarschaft zu der positiven und negativen Elektrode variiert. Das DC-Lichtsystem ist deshalb allgemein schwierig einzusetzen.

Trotzdem kann die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre der vorliegenden Erfindung ohne praktische Probleme als Scheinwerfer in einem DC-Lichtsystem verwendet werden. Dabei wird eine kleiner Glaskolbenkapazität und ein kürzerer Abstand zwischen den Elektroden vorgesehen als bei den Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik. Die Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre der Erfindung erreicht eine beinahe gleichmäßige Verteilung der positiven Metallionen (z.B. Na oder Sc) in dem Glaskolben ohne Konzentration derselben um die negative Elektrode. Eine hervorragende Leuchtintensitätsverteilung kann dann ohne reduzierte Farbtrennung erhalten werden.

Das Entladungsleuchtmittel mit der Quecksilber-freien Bogenentladungsröhre der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft, weil es für ein DC- oder AC-Lichtsystem eingesetzt werden kann.

Die vorliegende Erfindung gibt eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre an, die eine stabile Entladung mit einer niedrigen Leistung von 15 bis 30 W erzeugt, um eine angemessene Helligkeit in einem Beleuchtungsbereich vorzusehen. Gemäß der Erfindung kann eine derartige Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre durch einen geschlossenen Glaskolben mit einer kleineren Kapazität und einem kürzeren Abstand zwischen den Elektroden vorgesehen werden, wobei der Glaskolben mit einem primären lichtemittierenden Metallhalogenid und einem Start-Edelgas als den wesentlichen Komponenten und einem Puffer-Metallhalogenid als optionaler Komponente gefüllt ist. Der Teildruck des Start-Edelgases in dem Glaskolben beträgt ungefähr 8 bis 20 atm und ist damit höher als bei Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik.

Die vorliegende Erfindung gibt in ihrer ersten beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform auch eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre an, die eine stabile Entladung mit einer niedrigeren Leistung (15 bis 30 W) erzeugt als die Quecksilber enthaltenden oder Quecksilber-freien Bogenentladungsröhren aus dem Stand der Technik, um einen Lichtfluss von 1500 bis 300 lm vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung gibt in ihrer zweiten beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform auch eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre an, deren geschlossener Glaskolben einen spezifischen Innenwandaufbau aufweist, um alle Anforderungen in Bezug auf Bogenform, Entladungsstabilität, Vermeidung einer Entglasung des Glaskolbens und Wiederzündungsspannung zu erfüllen.

Die vorliegende Erfindung gibt in ihrer dritten beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform auch eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre an, deren Elektroden bei einer entsprechenden Temperatur gehalten werden. Bei der Bogenentladungsröhre dieser Ausführungsform sind die Probleme aus dem Stand der Technik, wie etwa ein Flickern, ein Springen des Glases, ein Auslöschen eines Bogens, eine Verformung der Elektroden, eine Schwärzung des Glaskolbens und eine Reduktion des durchschnittlichen Beleuchtungsaufrechterhaltungsfaktors beseitigt.

Die vorliegende Erfindung gibt in ihrer vierten beispielhaften und nicht einschränkenden Ausführungsform auch eine Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für einen Betrieb mit geringer Leistung an, der einen verbesserten Lichtfluss und eine höhere Leuchteffizienz aufgrund des Wärmeisolationseffekts des geschlossenen Raums (gefüllt mit einem Edelgas bei oder unter atmosphärischem Druck) um den geschlossenen Glaskolben herum aufweist.

Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Umfang der Erfindung verlassen wird. Die vorliegende Erfindung umfasst also alle Modifikationen und Variationen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen enthalten sind.

Claims

Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit mit: einem rundlichen geschlossenen Glaskolben (12), Quetschdichtungen (13a, 13b) an den beiden Enden des geschlossenen Glaskolbens, und gegenüberliegenden Elektroden (15a, 15b), die in dem Glaskolben (12) angeordnet sind, wobei der Glaskolben (12) mit einem primären lichtemittierenden Metallhalogenid und einem Start-Edelgas gefüllt ist, wobei der Druck des Start-Edelgases bei zwischen 8 und 20 atm liegt, der Innendurchmesser des Glaskolbens (12) an einem mittleren Teil zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (15a, 15b) 1,5 bis 2,7 mm beträgt, der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (15a, 15b) 1,0 bis 4,0 mm beträgt, die Länge der sich in den Glaskolben (12) erstreckenden Elektroden (15a, 15b) 0,3 bis 1,8 mm beträgt und eine stabile Entladung mit einer Leistung von 15 bis 30 W erzeugt wird.
Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch ein Puffer-Metallhalogenid, wobei das primäre lichtemittierende Metallhalogenid wenigstens eines aus der Gruppe von Na-Halogenid, Sc-Halogenid und Dy-Halogenid ist, das Puffer-Metallhalogenid wenigstens eines aus der Gruppe von Al-Halogenid, Cs-Halogenid, Ho-Halogenid, In-Halogenid, Tl-Halogenid, Tm-Halogenid und Zn-Halogenid ist, die Gesamtmenge der Metallhalogenide in dem Glaskolben (12) 10 bis 30 mg/ml beträgt und das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge der Metallhalogenide bei 0 bis 50 Gewichtsprozent liegt.
Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers D2 des Glaskolbens (12) an den Spitzen der gegenüberliegenden Elektroden (15a, 15b) zu dem Innendurchmesser Dl des Glaskolbens (12) an dem mittleren Teil zwischen den gegenüberliegenden Elektroden (15a, 15b) (D2/D1) zwischen 0,5 und 1,0 liegt.
Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des zu der Bogenentladungsröhre (10) zugeführten Röhrenstroms I (Einheit A) zu dem Außendurchmesser d (Einheit: mm) der in den Glaskolben vorstehenden Elektroden (15a, 15b) (I/d) zwischen 1,0 und 4,0 (A/mm) liegt.
Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch einen zylindrischen Glasschirm (20), der mit der Bogenentladungsröhre (10) verschweißt ist, um einen geschlossenen Raum um den Glaskolben (12) herum vorzusehen, wobei der geschlossene Raum mit einem Edelgas mit einem Druck von 1 atm oder weniger gefüllt ist.
Quecksilber-freie Bogenentladungsröhre für eine Entladungslampeneinheit mit: einem geschlossenen Glaskolben (12), der ein erstes durch eine erste Quetschdichtung (13a) gefülltes Ende und ein zweites durch eine zweite Quetschdichtung (13b) gefülltes Ende aufweist, und einer ersten Elektrode (15a), die sich von dem ersten Ende in den geschlossenen Glaskolben (12) erstreckt, und einer zweiten Elektrode (15b), die sich von dem zweiten Ende in den geschlossenen Glaskolben (12) erstreckt, wobei der geschlossene Glaskolben (12) eine Mischung aus einem primären lichtemittierenden Halogenid und einem Start-Edelgas enthält, die Gesamtmenge der Metallhalogenide in der Mischung zwischen 10 und 30 mg/ml liegt und ungefähr 15 bis 30 W erforderlich sind, um die Bogenentladungsröhre (10) zu betreiben.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch: eine Lichtschaltung, die mit der ersten und der zweiten Elektrode (15a, 15b) verbunden ist, um die Bogenentladungsröhre (10) zu betreiben, mit: einem Schaltregler (30), der zwischen einer Batterie und der Bogenentladungsröhre (10) verbunden ist, um eine Batteriespannung von der Batterie zu einer Röhrenspannung zu wandeln, einer Steuerschaltung (32), die zwischen dem Schaltregler (30) und der Bogenentladungsröhre (10) verbunden ist, um die Röhrenspannung und den Röhrenstrom der Bogenentladungsröhre (10) als Rückkopplungssignal festzustellen und die durch den Schaltregler (30) ausgegebene Röhrenspannung in Reaktion auf das Rückkopplungssignal zu steuern, einer Starterschaltung (36), die die durch den Regler (30) gesteuerte Röhrenspannung empfängt und die Röhrenspannung zu der ersten Elektrode (15a) der Bogenentladungsröhre (10) ausgibt, und einem DC/AC-Wandler (34), der zwischen der Steuerschaltung (32) und der Starterschaltung (36) verbunden ist, um die durch den Schaltregler (30) ausgegebene Röhrenspannung von einem Gleichstromsignal zu einem Wechselstromsignal zu wandeln.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung weiterhin ein Puffer-Metallhalogenid umfasst, das wenigstens ein Halogenid aus der Gruppe von Al-Halogenid, Cs-Halogenid, Ho-Halogenid, In-Halogenid, Tl-Halogenid, Tm-Halogenid und Zn-Halogenid enthält, wobei das Verhältnis des Puffer-Metallhalogenids zu der Gesamtmenge der Metallhalogenide bei zwischen 0 und 50 Prozent liegt und wobei weiterhin das primäre lichtemittierende Metallhalogenid wenigstens ein Halogenid aus der Gruppe von Na-Halogenid, Sc-Halogenid und Dy-Halogenid umfasst.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (15a) mit einer Metallleitungshalterung verbunden ist und dass das zweite Ende mit einem isolierenden Steckerkörper einer Fahrzeuglampe verbunden ist, wobei die Entladungslampeneinheit in einem Fahrzeugbeleuchtungssystem verwendet wird.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch einen Schirm (20), der mit der Bogenentladungsröhre (10) verschweißt ist, wobei der Schirm (20) ultraviolettes Licht in einem Wellenlängenbereich abschirmt und eine Betriebstemperatur der Bogenentladungsröhre (10) aufrechterhält, wobei der Schirm (20) aus einem mit TiO₂ und/oder CeO₂ dotierten Quarzglas ausgebildet ist, der Wellenlängenbereich für den menschlichen Körper schädliche ultraviolette Strahlen enthält, und ein geschlossener Raum, der durch den geschlossenen Glaskolben (12) und den Glasschirm (20) definiert wird, mit einem Edelgas mit einem Druck von ungefähr 1 atm oder weniger gefüllt ist.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser an einem mittleren Teil des Glaskolbens (12) zwischen 1,5 mm und 2,7 mm liegt.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Elektrode (15a) und der zweiten Elektrode (15b), die sich in den Glaskolben (12) erstrecken, zwischen ungefähr 1,0 und 4,0 mm liegt.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Teils der ersten Elektrode (15a) und der zweiten Elektrode (15b), die sich in den Glaskolben (12) erstrecken, zwischen ungefähr 0,3 und 1,8 mm liegt.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Start-Edelgas Xenon ist, die erste und die zweite Elektrode (15a, 15b) jeweils Wolframelektroden sind und das Start-Edelgas einen Druck zwischen ungefähr 8 und 20 atm aufweist.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, weiterhin gekennzeichnet durch Molybdänfolien (16a, 16b), die in der ersten und zweiten Quetschdichtung (13a, 13b) eingeschlossen sind und jeweils mit den Außenenden der ersten und zweiten Elektrode (15a, 15b) verbunden sind, wobei der geschlossene Glaskolben (12) eine rundliche Form aufweist und die Quetschdichtungen (13a, 13b) im wesentlichen rechteckig sind.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers (D2) des geschlossenen Glaskolbens (12) an den Innenspitzen der sich in den geschlossenen Glaskolben (12) erstreckenden ersten und zweiten Elektrode (15a, 15b) zu dem Innendurchmesser (D1) des geschlossenen Glaskolbens (12) an einem mittleren Teil des geschlossenen Glaskolbens (12) zwischen ungefähr 0,7 und 0,9 liegt.
Bogenentladungsröhre nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des empfangenen Röhrenstroms (I) zu dem Außendurchmesser (d) der ersten und der zweiten Elektrode (15a, 15b) zwischen ungefähr 2,0 und 3,5 liegt.
Lichtschaltung zum Zuführen von elektrischem Strom zu einer Bogenentladungsröhre (10) für eine Entladungslampeneinheit, die einen geschlossenen Glaskolben (12) umfasst, der eine sich von einem ersten Ende in den geschlossenen Glaskolben (12) erstreckende erste Elektrode (15a) und eine sich von einem zweiten Ende in den geschlossenen Glaskolben erstreckende zweite Elektrode (15b) aufweist, wobei die Lichtschaltung umfasst: einen Schaltregler (30), der zwischen einer Batterie und der Bogenentladungsröhre (10) verbunden ist, um eine Batteriespannung von der Batterie zu einer Röhrenspannung zu wandeln, einer Steuerschaltung (32), die zwischen dem Schaltregler (30) und der Bogenentladungsröhre (10) verbunden ist, um die Röhrenspannung und den Röhrenstrom der Bogenentladungsröhre (10) als Rückkopplungssignal festzustellen und die durch den Schaltregler (30) ausgegebene Röhrenspannung in Reaktion auf das Rückkopplungssignal zu steuern, einer Starterschaltung (36), die die durch den Regler (30) gesteuerte Röhrenspannung empfängt und die Röhrenspannung zu der ersten Elektrode (15a) der Bogenentladungsröhre (10) ausgibt, wobei die Lichtschaltung mit der ersten der zweiten Elektrode (15a, 15b) verbunden ist und ungefähr 15 bis 30 W zu der Bogenentladungsröhre (10) ausgegeben werden.
Lichtschaltung nach Anspruch 18, weiterhin gekennzeichnet durch einen DC/AC-Wandler (34), der zwischen der Steuerschaltung (30) und der Starterschaltung (36) verbunden ist, um die durch den Schaltregler (30) ausgegebene Röhrenspannung von einem Gleichstrom zu einem Wechselstrom zu wandeln.
Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenspannungsausgabe durch die Starterschaltung (36) als eine Gleichspannung empfangen wird.