DE202008007162U1 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Abstract

Hochdruckentladungslampe für die Allgemeinbeleuchtung mit einem keramischen Entladungsgefäß, das ein Entladungsvolumen umgibt, wobei Elektroden sich in das vom Entladungsgefäß umhüllte Entladungsvolumen erstrecken, und wobei eine Füllung, die Metallhalogenide enthält, im Entladungsvolumen untergebracht ist, wobei das Entladungsgefäß von einem Außenkolben umgeben ist und es darin durch ein Gestell gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung folgende Bestandteile enthält:
Hg: 2 bis 40 mg;
Xe: 0,1 bis 3 bar;
NaJ: 3 bis 70 Gew.-%;
SEJ3: 3 bis 53 Gew.-%
TlJ: 1,2 bis 28 Gew.-%;
CaJ2: 2 bis 71 Gew.-%, wobei außerdem das Entladungsgefäß folgende Kontur besitzt:
die Kontur besitzt ein im wesentlichen gerades zylindrisches Mittelteil der Länge L und dem Innenradius R sowie zwei im wesentlichen halbkugelförmige Endstücke mit demselben Radius R,
• die Länge des zylindrischen Mittelteils ist kleiner oder gleich seinem Innenradius: L ≤ R,
• die Innenlänge des Entladungsgefäßes ist mindestens...

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß, insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung.
• Stand der Technik
• Die US 5 059 865 offenbart eine Hochdruckentladungslampe, bei der eine Metallhalogenidfüllung zusammen mit Xenon als Füllgas für ein Entladungsgefäß aus Quarzglas verwendet wird. Dieser Lampentyp ist für Autolampen gedacht und stellt eine Kombination aus Xenonhochdrucklampe (für die ersten Minuten) und Metallhalogenidlampe für den Dauerbetrieb dar, um die Anforderungen an eine Autolampe erfüllen zu können.
• Die DE 103 12 290 , WO 2005/088673 und EP 883 160 verwenden ein keramisches Entladungsgefäß mit einer Hg-freien Metallhalogenidfüllung. Xenon wird dabei mit mindestens 1 bar Fülldruck eingesetzt. Gleichzeitig dient Na-Jodid als Metallhalogenidfüllung.
• Andererseits sind auch Natriumhochdrucklampen mit hohem Xenondruck bekannt, siehe DE 196 40 850 .
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe für die Allgemein beleuchtung bereitzustellen, mit der eine möglichst hohe Lichtausbeute erzielt wird.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
• Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
• Die erfindungsgemäße Metallhalogenidlampe verwendet zum einen eine bauchige Geometrie eines keramischen Entladungsgefäßes, wie sie für sich genommen an sich bekannt ist, siehe hierzu US5936351 . Diese Gefäßform vermeidet kalte Ecken, wie sie bei keramischen Entladungsgefäßen für Natriumhochdrucklampen verwendet werden. Das Entladungsgefäß ist isotherm, so dass die Temperatur des cold spots erhöht werden kann, ohne dass dabei die Keramik überhitzt wird.
• Dies ermöglicht es, den Dampfdruck von NaJ (Natriumjodid) zu erhöhen. Das Entladungsgefäß ist außerdem ohne massive Stopfen ausgeführt, denn diese würden zu einer verstärkten Wärmestrahlung führen.
• Die Füllung enthält Hg, so dass eine bessere Lichtausbeute und Maintenance längere Lebensdauer und ein einfacheres Zünden als bei Hg-freien Lampen erreicht wird. Die Zündung erfolgt lediglich bei typischen 4,5 kV. Bei Hg-freien Lampen dient ein hoher Xenonfülldruck zur Erhöhung der Brennspannung.
• Dagegen lässt sich mit bewusstem Einsatz von Hg bei gleichzeitig moderatem Xenonfülldruck von 0,1 bis 3 bar, bevorzugt 0,3 bis 0,6 bar, die Lichtausbeute erhöhen, und zwar um bis zu 11 lm/W. Im Bereich höherer Fülldrucke von etwa 1 bis 3 bar lassen sich besonders hohe Lichtausbeuten erzielen, im Bereich relativ niedriger Fülldrücke gelingt die Zündung besonders zuverlässig.
• Dies erfolgt im wesentlichen dadurch, dass die bauchige Geometrie es gestattet, den Dampfdruck des NaJ zu erhöhen, wodurch sich verstärkt Na-Xe Excimere bilden, die sehr effizient Licht abstrahlen können. Weitere Jodide dienen dazu, die Farbwiedergabe zu verbessern, so dass eine Lichtquelle für die Allgemeinbeleuchtung für höchste Ansprüche zur Verfügung steht.
• Das Entladungsgefäß besteht typisch aus aluminiumhaltiger Keramik wie PCA oder auch YAG, AlN, oder AlYO3. Die Keramik ist bevorzugt dotiert, wie an sich bekannt.
• Die Farbwiedergabe derartiger Lampen liegt deutlich über Ra = 80 und die Farbtemperatur bei typisch 2800 bis 3100 K (warmweiß) bis hin zu 3800 bis 4400 K (neutralweiß). Die Farbtemperatur kann durch geeignete Füllungszusätze noch weiter angehoben werden. Das Na-Xe-Excimer bewirkt eine Erhöhung der Strahlungsleistung im grünen Spektralbereich.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
• 1 eine Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß;
• 2 ein Entladungsgefäß im Detail;
• 3 ein Spektrum der Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß aus 1.
• Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
• 1 zeigt schematisch eine Metallhalogenidlampe 1. Sie besteht aus einem Entladungsgefäß 2 aus Keramik, in das zwei Elektroden 3 eingeführt sind. Das Entladungsgefäß hat einen zentralen Teil 5 und zwei Enden 4. An den Enden sitzen zwei Abdichtungen 6, die hier als Kapillaren ausgeführt sind. Bevorzugt ist das Entladungsgefäß und die Abdichtungen integral aus einem Material wie PCA hergestellt, wie in 2 gezeigt.
• Das Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umgeben. Das Entladungsgefäß 2 ist im Außenkolben mittels eines Gestells 8 gehaltert.
• 2 zeigt ein integrales Entladungsgefäß 12 im Detail mit der Bemaßung für den Radius R der Halbschale an den Enden 4, den geraden Abschnitt 10 der Länge L zwischen den Halbschalen und den Elektrodenabstand EA.
• Das in 2 gezeigte keramische Entladungsgefäß 2 ist beispielsweise für eine 70 W-Lampe gedacht. Es besteht aus einem zylindrischen geraden Mittelteil 10 mit der Länge L = 2 mm und zwei halbkugelförmigen Endstücken 4 mit dem Radius R = 4 mm. Die Gesamtlänge des Innenvolumens ist 10 mm. Die Wandstärke des Entladungsgefäßes ist im geraden Abschnitt 0,9 mm. Der maximale Außendurchmesser ist 9,8 mm. An den Endstücken 4 erstrecken sich axial jeweils zylindrische, integrale Ansatzstücke nach außen. Sie haben die Funktion von Kapillaren 16. Auf diese Weise wird eine ideale Isothermie erzeugt.
• In den Kapillaren ist, ähnlich wie in EP-A 587 238 beschrieben, jeweils ein Elektrodensystem eingesetzt, wobei der Elektrodenabstand 7,5 mm beträgt. Die im Entladungsvolumen enthaltene Füllung enthält Hg, Xe sowie eine Mischung der Metallhalogenide NaJ und TlJ mit Seltenerd-Jodiden, wie z. B. DyJ3, TmJ3 und HoJ3, oder CeJ3 wie sie üblicherweise für Lampen mit hoher Wandbelastung eingesetzt werden. Damit wird eine anfängliche Farbtemperatur von 3030 +/– 80 K in vertikaler und 2980 +/– 80 K in horizontaler Brennlage erzielt. Der Temperaturunterschied zwischen cold-spot und hot-spot beträgt bei dieser Lampe nur noch 20°C im Gegensatz zu 70°C bei konventionellen zylindrischen Lampen mit rechtwinklig angesetzten Endflächen.
• Die Wandbelastung dieses Entladungsgefäßes beträgt etwa 28 W/cm². Das Innenvolumen des Entladungsgefäßes ist 370 μl.
• Es können neutralweiße oder auch warmweiße Lichtfarben dargestellt werden. In weiteren ähnlich aufgebauten Ausführungsbeispielen ist die Lampenleistung höher gewählt. Bei 100 W Leistung ist L = 2,5 mm und R = 4,5 mm. Bei 150 W Leistung ist L = 2 mm und R = 6 mm. Bei 250 W Leistung ist je nach Lichtfarbe L typisch gewählt zwischen L = 2 bis L = 6 mm und R typisch gewählt zwischen R = 7,0 mm bis R = 9 mm.
• Ein typisches Verhältnis von L/R = 0,2 bis 0,8. L sollte aber bevorzugt mindestens 2 mm betragen.
• Um die Erfordernisse, denen die oben dargestellte Kontur genügt, noch befriedigend zu erfüllen, genügt auch eine näherungsweise Einhaltung der oben angegebenen Abmessungsvorschriften mit maximal 15% Abweichung.
• Daher ist für den Grenzfall kleiner Längen des Mittelteils (L etwa gleich 0,5 R) die Beschreibung der Innenkontur mittels einer elliptischen Formel mit den Halbach sen a und b möglich, da diese Näherung auf 15% genau ist.
• Unter der Voraussetzung, dass die kleine Halbachse a der Ellipse so gewählt ist, dass die Abweichung von der idealen Kontur (mit Radius R und Länge L des Mittelteils) höchstens 15% ist: R ≤ a ≤ 1,1 R,und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die große Halbachse b als b = R + L/2 dargestellt werden kann, ergibt sich dabei ein Verhältnis für die Halbachsen des Ellipsoids von: b/a ≤ 1,25.
• Die restlichen Bemessungsregeln hinsichtlich Elektrodenabstand und Wandbelastung gelten dabei unverändert weiter.
• Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist eine 70 W-Lampe, bei der die Innenkontur 10 des Entladungsgefäßes 9 als geschlossenes Ellipsoid geformt ist mit den Abmessungen a = 4,4 mm sowie b = 5 mm, ausgehend von einem Design mit R = 4 mm. Somit ist b/a = 1,14. Die Endstücke 11 sind integral aus einem einzigen Keramikformteil hergestellt, das aus Aluminiumoxid besteht. Die Wandstärke nimmt von der Mitte, wo sie 0,8 mm beträgt, zu den Enden allmählich auf das Doppelte zu.
• Allgemein soll das keramische Entladungsgefäß so gestaltet sein, dass die Kontur der Innenwand des Entladungsgefäßes ein Innenvolumen V definiert, und dass das Entladungsgefäß eine Längsachse sowie zwei Enden mit Öffnungen besitzt, wobei in den Enden elektrische Durchführungen gasdicht angebracht sind, die mit zwei Elektroden elektrisch verbunden sind, die sich im Innenvolumen in einem gegebenen Elektrodenabstand EA gegenüberstehen, wobei die Kontur der Innenwand die folgende Geometrie aufweist:
• • die Kontur besitzt ein im wesentlichen gerades zylindrisches Mittelteil der Länge L und dem Innenradius R sowie zwei im wesentlichen halbkugelförmige Endstücke mit demselben Radius R,
• • die Länge des zylindrischen Mittelteils ist kleiner oder gleich seinem Innenradius: L ≤ R,
• • die Innenlänge des Entladungsgefäßes ist mindestens 10% größer als der Elektrodenabstand EA: 2 R + L ≥ 1.1 EA,
• • der Durchmesser (2 R) des Entladungsgefäßes muss mindestens eine Länge von 80% des Elektrodenabstands EA besitzen; gleichzeitig darf er höchstens eine Länge von 150% des Elektrodenabstands EA besitzen: 1.5 EA ≥ R ≥ 0.4 EA.
• Tab. 1 zeigt einen Vergleich zwischen verschiedenen Füllungen bei einem gegebenem Entladungsgefäß. Die erste Füllung ist konventionell mit 0,1 bar Argon. Die zweite Füllung enthält 0,5 bar Xenon statt dem Argon und die dritte Füllung 1 bar Xenon. Angegeben ist der Lichtstrom Φ, die Effizienz η, und die Farbtemperatur tn.

  Muster	Füllung	Φ (lm)	η	tn (°C)
  1	0,1 bar Ar	25150	101	2976
  2	0,5 bar Xe	27045	108	2876
  3	1 bar Xe	27888	112	2874

• In 3 ist das Spektrum einer Lampe gemäß Muster 1 mit dem Spektrum einer Lampe gemäß Muster 2 verglichen. Man erkennt deutlich den Beitrag des Na-Xe-Excimers, der eine Erhöhung der Strahlungsleistung im grünen Spektralbereich bewirkt (gestrichelte Kurve).
• Eine typische Füllung enthält 2 bis 40 mg Hg. Für 250 W Leistung werden 8 bis 30 mg Hg verwendet.
  Xe: 0,1 bis 3 bar,
• Als Metallhalogenide enthält die Füllung folgende Bestandteile:
  NaJ: 3 bis 70 Gew.-%,
  Seltenerdjodid SEJ3, hier Jodide von Ce, Dy, Tm, Ho allein oder in Mischung: 3 bis 53 Gew.-%,
  TlJ: 1,2 bis 28 Gew.-%,
  CaJ2: 2 bis 71 Gew.-%.
• Bevorzugt ist L kleiner gleich 0,75 R gewählt. Insbesondere sollte L ≥ 0,1 R gewählt werden.
• Die Innenkontur des Entladungsgefäßes kann auch durch ein Rotationsellipsoid mit den Halbachsen a und b beschrieben werden, wobei R = a = 1,37 R und b = R + L/2.
• Ein weiter Vorteil liegt in der besseren Lichtstrom-Maintenance mit Xenonfüllung:
  Die Gruppe Gr 1 einer 250 W-Lampe mit neutralweißer Füllung wurde mit 120 mbar Ar gefüllt, die Gruppe Gr 2 mit 380 mbar Xenon, siehe Tabelle 2. Dort bedeutet σ(G) die Standardabweichung der jeweils in Klammern benannten Größe G, Δ(G) die Differenz zwischen dem 1000-Std und dem 100-Std-Wert der Größe G, also Δ(G) = G(1000 h) – G(100 h), Q(G) ist der Quotient zwischen dem 1000-Std und dem 100-Std-Wert der Größe G: G(1000 h)/G(100 h). Bei 2500 h zeigt sich ein höherer Lichtstrom Φ von 25,6 klm gegenüber 23,6 klm und eine bessere Maintenance von 90% gegenüber 85%. tn ist die Farbtemperatur, ul ist die Lampenspannung in Volt, uls die Widerzündspitzenspannung in Volt, dc ist der Abstand zum Planck'schen Kurvenzug. Tab. 2

  Gruppe/2500 h	Δ ul	Δ uls	Φ (klm)	Q (Φ)	Δ (tn)	Δ (dc)	σ (tn)	σ (dc)
  Gr 1	4	11	23,6	85%	38	–1,1	66	0,5
  Gr 2	5	12	25,6	90%	42	–0,5	34	0,2

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• - US 5059865 [0002]
• - DE 10312290 [0003]
• - WO 2005/088673 [0003]
• - EP 883160 [0003]
• - DE 19640850 [0004]
• - US 5936351 [0008]
• - EP 587238 A [0023]

Claims (5)

1. Hochdruckentladungslampe für die Allgemeinbeleuchtung mit einem keramischen Entladungsgefäß, das ein Entladungsvolumen umgibt, wobei Elektroden sich in das vom Entladungsgefäß umhüllte Entladungsvolumen erstrecken, und wobei eine Füllung, die Metallhalogenide enthält, im Entladungsvolumen untergebracht ist, wobei das Entladungsgefäß von einem Außenkolben umgeben ist und es darin durch ein Gestell gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung folgende Bestandteile enthält: Hg: 2 bis 40 mg; Xe: 0,1 bis 3 bar; NaJ: 3 bis 70 Gew.-%; SEJ3: 3 bis 53 Gew.-% TlJ: 1,2 bis 28 Gew.-%; CaJ2: 2 bis 71 Gew.-%, wobei außerdem das Entladungsgefäß folgende Kontur besitzt: die Kontur besitzt ein im wesentlichen gerades zylindrisches Mittelteil der Länge L und dem Innenradius R sowie zwei im wesentlichen halbkugelförmige Endstücke mit demselben Radius R, • die Länge des zylindrischen Mittelteils ist kleiner oder gleich seinem Innenradius: L ≤ R, • die Innenlänge des Entladungsgefäßes ist mindestens 10% größer als der Elektrodenabstand EA: 2 R + L ≥ 1.1 EA,• der Durchmesser (2 R) des Entladungsgefäßes muss mindestens eine Länge von 80% des Elektrodenabstands EA besitzen; gleichzeitig darf er höchstens eine Länge von 150% des Elektrodenabstands EA besitzen: EA ≥ R ≥ 0.4 EA.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandbelastung des Entladungsgefäßes zwischen 18 und 45 W/cm² liegt.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass L ≤ 0.75 R.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass L ≥ 0,1 R.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur durch ein Rotationsellipsoid mit den Halbachsen a und b beschrieben wird, wobei R ≤ a ≤ 1,37 R und b = R + L/2.