DE1940539C3 - Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe mit Zusatz von Halogeniden der Seltenen Erden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe mit Zusatz von Halogeniden der Seltenen Erden und mit einem Entladungsgefäß aus hochtemperaturfestem, lichdurchlässigem Material als einzigen Kolben.

Bekannt sind zur Zeit im wesentlichen zwei verschiedene Typen von Hochdruckentladungslampen mit Metallhalogenidfüllung. Die vorwiegend für allgemeine Beleuchtungszwecke, wie z. B. für die Straßenbeleuchtung, verwendete Lampentype (DE-PS 11 84 008) ist eine Weiterentwicklung der bis dahin für diesen Zweck verwendeten Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampen und besteht aus einem rohrförmigen Entladungsgefäß aus Quarzglas mit je einer an seinen Enden eingeschmolzenen bzw. eingequetschten Stromzuführung. Der Elektrodenabstand beträgt ungefähr mm. Die Lampen haben eine Bogenleistung von unter 100 W/cm bei einer Wandbelastung um 10 W/cm². Als Füllung werden meist neben Quecksilber und einem Zündgas die Halogenide, vorzugsweise die Jodide, des Natriums und Thalliums, aber auch die von Seltenen Erden, wie Dysprosium, Holmium, Erbium oder Thulium, verwendet (NL-PA 68 03 988, GB-PS 38 913, US-PS 33 34 261). Das Entladungsgefäß, der sogenannte Brenner, ist zur Verminderung der Wärmeverluste von einem mit gasgefüllten oder evakuierten Hüllgefäß umschlossen, das einseitig gesockelt ist. Die Lampen haben eine über 50 ml/W, doch meist unter Im/W liegende Lichtausbeute und eine Lebensdauer von mehreren 1000 Stunden. Mit diesen Lampen ist, selbst wenn sie Seltene Erdhalogenide enthalten, kein quasi-kontinuierliches Spektrum zu erhalten und dementsprechend der Farbwiedergabeindex nicht so hoch. Durch die Seltenen Erdhalogenide wird hierbei lediglich das übliche Linienspektrum aufgefüllt

Die Lampen des anderen Typs werden für Projektionszwecke und im Signalwesen verwendet und sind im Hinblick auf ihr Anwendungsgebiet eine Weiterentwicklung der bis dahin für diesen Zweck verwendeten Xenonhochdruckentladungslampen; sie sollen hohe Leuchtdichten aufweisen und haben deshalb kurze Bögen. Die Lampen werden mit sehr hohen Wandbelastungen von weit mehr als 100 W/cm², beispielsweise mit 400 bis 1000 W/cm², betrieben. Die Wandstärke des Entladungsgefäßes beträgt 3 bis 5 mm, wobei sein Innendurchmesser geringer oder gleich der Wandstärke ist der Elektrodenabstand liegt meist unter 10 mm. Die Lampen sind sogenannte Einliomponentenlampen und enthalten außer einem Grundgas als zum Leuchten anregbare Füllung die Halogenide beispielsweise des Indiums oder Galliums oder Aluminiums und oft noch zusätzlich Quecksilber als Puffergas, aber nicht als anzuregendes Element. Ein Hüllkolben entfällt bei diesen Lampen (US-PS 32 59 777, NL-PA 67 10 944). Die Lampen nach der US-PS 32 59 777 sind wandstabilisiert Das Entladungsgefäß ist über den ganzen Querschnitt von der Entladung ausgefüllt. Da die Lampen keine Halogenide der Seltenen Erden enthalten, müssen sie — um ein kontinuierliches Spektrum zu zeigen — hochbelastet betrieben werden. Bekannt ist auch eine Projektionslampe, die Scandiumhalogenid als anregbares Element enthält (DE-PS 11 77 248). Die Lampe ist im Betrieb lageabhängig und hat eine Bogenleistung von über 1600 W/cm; diese Bogenleistung ist erforderlich, um eine ausreichende Erwärmung der bei diesen Lampen vorhandenen großen Toträume und damit einen ausreichenden Dampfdruck für die Strahlungserzeugung zu erhalten. Die Lichtausbeute dieser Einkomponentenlafhpen erreicht über 90 lm/W, ihre Lebensdauer beträgt einige 100 Stunden. Doch beträgt der Farbwiedergabeindex, der sich aus der spektralen Strahldichteverteilung errechnen läßt, nur etwa 60.

Ferner ist eine Lampe bekanntgeworden (DE-AS 11 53 453), die eine dem natürlichen Licht ähnliche Farbverteilung und eine hohe Lichtausbeute haben soll. Das anzuregende Metallhalogenid besteht aus in der Schmelze farblos durchsichtigem Halogenid der Seltenen Erden, wobei auch im Betrieb der Lampe eine Metallhalogenidschmelze vorhanden ist. Es handelt sich bei der Lampe um eine wandstabilisierte Entladung. Bei einer Ausführung dieser Lampe liegt eine Entladungskapillare vor, bei der anderen Ausführung wird der Bogen durch ein Magnetfeld gegen die untere Wand des Entladungsgefäßes gedrückt und somit mit Hilfe des Magnetfeldes von der Wand stabilisiert. Durch die Ablenkung wird der Bogen verlängert, so daß sich eine geringer^ Bogenleistung (kleiner 150 W/cm) ergibt als sich aus dem Elektrodenabstand errechnen würde. Eine in der üblichen Weise berechnete Wandbelastung, die als Maß für die Lebensdauer dient, ist bei diesen Lampen nicht anzugeben. Durch den nach unten gedrückten Bogen wird das Quarzglasentladungsgefäß partiell stark überhitzt, so daß die Extremwerte der kältesten und der wärmsten Stelle über die gesamte Lampenoberfläche stark vom Mittelwert abweichen. An den Berülirungsstellen des stark konzentrierten Bogens

mit nur einem Teil der Wand ist die Wandbelastung jedenfalls sehr hoch, so daß hierdurch und auf Grund, der stärkeren Reaktion der Lampenfüllung mit der-Gefäßwand die Lebensdauer der Lampe stark negativ beeinflußt wird. Infolge des zur Funktion der Lampe notwendigen Magnetfeldes und des Vorliegens einer Schmelze ist die Lampe lageabhängig und auch nicht um ihre Achse drehbar sowie von Netzspannungsschwankungen beeinflußbar. Änderungen des Lampenstromes haben infolge dadurch bedingter ungleichmäßiger Berührung von Bogen und Schmelze Rückwirkungen auf die Verdampfungsrate des Bodenkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampe zu schaffen, die eine Weiterentwicklung der Lampen des erstgenannten Typs darstellt und gleichzeitig aber Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf die Lichtausbeute, des zweitgenannten Typs aufweist. Ein weiteres Ziel ist die optimale Dimensionierung solch einer Lampe.

Die Quecksilberdampf-Hochdruckentla^ungslampe mit Zusatz von Halogeniden der Seltenen Erden und mit einem Entladungsgefäß auch hochtemperaturfestem, lichtdurchlässigem Material als einzigen Kolben ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wandbelastung zwischen 10 und 100 W/cm² die Bogenleistung zwischen 150 und 1000 W/cm beträgt, das Gewichtsverhältnis des Halogens zum Metall zwischen 2 und 10 liegt und daß das Entladungsgefäß annähernd ellipsoidförmig ausgebildet ist. Günstig ist, wenn die Wandbelastung zwischen 20 bis 60 W/cm² und die Bogenleistung zwischen 150 und 850 W/cm beträgt und der Zusatz aus den Halogeniden von Holmium und/oder Thulium besteht

Es ist bekannt, daß die Lichtausbeutc mit der spezifischen Belastung in Watt pro Zentimeter Bogenlänge wächst, d. h., daß bei gleicher Leistungsaufnahme und Verringerung des Elektrodenabstandes eine Lichtausbeutesteigerung zu erwarten ist. Überraschenderweise ist aber die mit den Lampen mit einem mittleren Elektrodenabstand gemäß der Erfindung erzielbare Lichtausbeute bedeutend höher und erreicht 90 bis 130 Im/W je nach Leistungsaufnahme der Lampe. Eine höhere Leistungsaufnahme bei konstant gehaltenen Abmessungen der Lampe bedeutet aber, daß die Wandbelastung der Lampe steigt und damit die Lebensdauer der Lampe abnimmt. Unerwarteterweise hat es sich aber gezeigt, daß der Haiogenkreislauf bereits bei den — gegenüber den oben beschriebenen Kurzbogenlampen — geringen Wandbelastungen der erfindungsgemäßen Lampen auftritt, im Gegensatz zu den bisher bekannten Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampen mit Metallhalogenidzusätzen, bei denen der Halogenkreislauf noch kaum wirksam ist. Die Erfindung zeigt, daß es durch Wahl der spezifischen Bogenleistung und der Wandbelastung möglich ist, ein Maximum an Lichtausbeute zu erhalten. Dabei ist noch zu beachten, daß zur Erzielung des Kreisprozesses ein Halogen-Überschuß in der Lampe zwar vorhanden sein, andererseits aber so gering gewählt werden muß, daß die Lichtausbeute nicht verschlechtert wird. Aus den vorstehenden Ausführungen über die hohe Wandbelastung ist es verständlich, daß der wärmestauende Hüllkolben entfallen muß, was gleichzeitig die Lampenherstellung einfacher und preiswerter werden läßt Außerdem ermöglicht die Ausführung der Lampe mit beidseitiger Sockelung, die die Verwendung höherer Zündspannung erlaubt, die Wiederzündung der betriebswarmen Lampe.

Es sei noch besonders betont, daß die Lampe gemäß der Erfindung in jeder Lage betrieben werden kann, also lageunabhängig ist, und keine zusätzlichen Hi'fsmittel zur Stabilisierung benötigt

Als Zusatz zum Quecksilber, vorzugsweise 2 bis

10 mg/cm³, hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die Halogenverbindungen, vorzugsweise die Jodide, von Thulium oder Holmium in einer Menge von 0,25 bis

11 mg/cm³, vorzugsweise 0,5 bis 4 mg/cm³, in das Entladungsgefäß zu füllen. Außerdem hat es sich gezeigt, daß ein Jodüberschuß von bis zu 50% der zum Seltenen Erdmetall äquivalenten Menge Jodes notwendig ist, um den Kreisprozeß und damit eine hohe Lebensdauer zu gewährleisten. Man erreicht damit z. B. im Falle des Thuliumjodidzusatzes bei einer Farbtemperatur von 6000 K einen hohen Farbwiedergabeindex von etwa 92, was die Lampe vorzüglich für Aufnahmen beim Farbfernsehen und für die Farbfotografie geeignet macht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Das Entladungsgefäß 1 besteht aus einem wasserstoffarmen Quarzglas, das innen mit einer Schutzschicht 2, vorzugsweise aus Boroxid, überzogen sein kann. Der maximale Innendurchmesser des Entladungsgefäßes beträgt 15 mm, das Volumen 2,3 cm³. An jedem Ende des Entladungsgefäßes befindet sich eine stiftförmige, nicht aktivierte Elektrode 3, 4 aus Wolfram mit einem Durchmesser von 0,9 mm. Der Elektrodenabstand beträgt 12 mm. Die Enden des Entladungsgefäßes sind mit einem reflektierenden Belag 5 versehen. Die Sockel 6 und 7 werden mit der Spannungsquelle verbunden. Die Füllung des Entladungsgefäßes 1 besteht aus einem Grundgas als Zündhilfe, z. B. Argon von 50 Torr, 1,5 mg Thulium, 4 mg Quecksilber und 7 mg HgJ₂, wobei das Gewichtsverhältnis vom Jod zum Thulium 2,3 beträgt. Das Hg-Jodid reagiert im Entladungsgefäß mit dem Thulium nach der Formel 2 Tm+ 3 HgJ₂ -► 2 TmJ₃+ 3 Hg. Die Konstruktionsdaten und düe Füllmengen gelten für eine Leistungsaufnahme der Lampe von 500 W. Die Brennspannung beträgt etwa 80 V, der Strom 7,5 A. Der Lichtstrom beträgt 45 klm, die Lichtausbeute 90 Im/W. Die Farbtemperatur 6000 K, der Farbort x/y = 0,32/032, der Farbwiedergabeindex 92. Bei Lampen mit einer Leistungsaufnahme von 600 W ergab sich eine Lichtausbeute von 110 Im/W und bei Lampen mit einer Leistungsaufnahme von 5 kW eine Lichtausbeute von 130 lm/W.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe mit Zusatz von Halogeniden der Seltenen Erden und mit einem Entladungsgefäß aus hochtemperaturfestem, lichtdurchlässigem Material als einzigen Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wandbelastung zwischen 10 und 100 W/cm² die Bogenleistung zwischen 150 und 1000 W/cm beträgt, das Gewichtsverhältnis des Halogens zum Metall zwischen 2 und 10 liegt und daß das Entladungsgefäß annähernd ellipsoidförmig ausgebildet ist

2. Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wandbelastung zwischen 20 bis 60 W/cm² die Bogenleistung zwischen 150 und 850 W/cm beträgt

3. Quecksilberdampf-Hochdruckentladungstampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus den Halogeniden von Holmium und/oder Thulium besteht

4. Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß außer einem Edelgas als Zündgas 0,25 bis 11 mg/cm³ Thuliumjodid, 2 bis 10 mg/cm³ Quecksilber und einen Jodüberschuß von bis zu 50% der zum Seltenen Erdmetall äquivalenten Menge Jodes enthält

5. Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Entladungsgefäß außer einem Edelgas als Zündgas 0,25 bis 11 mg/cm³ Holmiumjodid, 2 bis 10 mg/cm³ Quecksilber und einen Jodüberschuß von bis zu 50% der zum Seltenen Erdmetall äquivalenten Menge Jodes enthält