-
"Hochdruck-Metalldampfentladungslampe" Die Erfindung betrifft eine
Hochdruck-Metalldampfentladungslampe aus einern )ichtdurchlassigen Aluminiumoxid-Rohrkörper,
der ein Puffergas, Leuchtstoffe und ein Edelgas als Startgas einschließt.
-
In den letzten Jahren wurden gegen Alkalimetalldampf bei hohen Temperaturen
und hohen Drücken widerstandsfähige Rohrkörper für Leuchtstofflampen aus lichtdurchlässigen
Aluminiumoxidrohren entwikkelt. Mittels eines solchen Rohrkörpers wird z.B. schon
eine Hochdruck-Natriumdampflampe hergestellt, deren Luminiszenz durch Entladung
von unter hohem Druck stehendem Natriumdampf erzeugt wird. Bei einem Natriumdampfdruck
von 100 bis 200 Torr im Rohrkörper emittiert diese Hochdruck-Natriumdampflampe eine
gelblichweiße Lumineszenz mit einem kontinuierlichen, sich über den gesarn ten sichtbaren
Bereich erstreckenden Spektrum und weist gegenüber den herkömmlichen Niederdruck-Natriumdampflampen,
die durch die hauptsächlich auf die Natrium-D-Spektrallinie zurückgehende gelbe
Lumineszenz
gekennzeichnet sind, einen erheblich verbesseten abge-(Farbeindruck) strahlten Farbbereich/auf.
Diesem verbesserten Verhalten der vorgenannten Hochdruck-Natriumdampflampe steht
jedoch eine Farbtemperatur von etwa 21000K und ein Index des abgestralilten Farbbereiches
von etwa 50 gegenüber und sie weist einen für allgemeine Beleuchtungszweckc noch
nicht ausreichenden abgestrahlten Farbbereich auf.
-
Es wurde deshalb versucht, den adgestrahlten Farbbereich mitteSEImhdruck-Entladungslampen
zu verbessern, die als Leuchtsotoffe außer dem vorgenannten Natrium Metallhalogenide,
wie die Halogenide von Indium, Thallium, Zinn, Scandium oder Dysprosium, enthalten.
Wenn diese Metallhalogenide jedoch im Rohrkörper der Lampe hohen Tempe raturen und
hohen Drückern ausgesetzt werden, neigen die Metallbestand teile dieser Metallhalogenide
in solchen Hochdruck-Entladungs lampen dazu, mit einigen Materialien in den Rohrwänden
zu reagieren und sich mit diesen Materialien zu veibinden . Dies führt dazu, daß
solche Hochdruck-Entladungslampen gegen Störungen anfällig sind, d.h. daß sie nach
längerer Betriebszeit ihre Leuchtfarbe verändern und daß die zunehmende Menge an
abgespaltenem Halogen im Rohrkörper der Lampe zu schlechten Einschalteigenschaften
und zum plötzlichen Verlöschen des Lichts rührt, was die Verbreitung dieser Lampen
als allgemeine Lichtquellen behindert.
-
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Hochdruck-Metalldampfentladungslampen
mit langer Lebensdauer, stabilen Entladungseigenschaften und einem guten abgestrahlten
Farbbereich (Index des abgestrahlten Farbbereiches oberhalb 55) zur Verfügung zu
stellen,
die sich zur Verwendung als allgemeine Lichtquelle eignen.
-
Die -Erfindung betrifft demgemäß eine Hochdruck-Metalldampfentladungslampe
aus einem lichtdurchlässigen Aluminiumoxid-Rohrkörper, der ein Puffergas5 Leuchtstoffe
und ein Edelgas als Startgas einschließt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie
ein Gemisch aus 1,80 x 10-7 bis 9,27 x 10-6 Grammolekül eines Scandiumhalogenids
wie Scandiumjodid, Scandiumbromid oder Scandiumchlorid, je cm3 mindestens Innenraum
des Rohrkörpers und aus der/3,lfachen Menge an freiem Scandium, berechnet als Atomverhältnis
von freiem Scandium zu dem im Halogenid gebunden vorliegenden Scandium, als Leuchtstoff
enthält Die erfindungsgemäße Hochdruck-Metalldampfentladungslampe weist gegenüber
Scandium als Leuchtstoff enthaltenden Lampen Verbesse -rungen und eine längere Aufrechterhaltung
der Leuchteigenschaften des Scandiums auf.
-
Die erfindungsgemäße Hochdruck-Metalldampfentladungslampe weist an
beiden Enden des lichtdurchlässigen Aluminiumoxidrohres Entladungselektroden auf
und enthält eine solche Menge Quecksilber als Puffergas, daß in der Lampe während
der gesamten Betriebszeit ein Quecksilberdruck von 2 bis 10 atm. aufrecht erhalten
wird.
-
Neben dem Quecksilber-Puffergas enthält die Lampe ein Edelgas, wie
Xenon, mit einem Druck von etwa 20 Torr bei Raumtemperatur.
-
Anstelle von Xenon können als Startgas auch andere Edelgase, wie Neon
und Argon, verwendet werden
Das als Leuchtstoff geeignetste Scandiurnhalogenid
ist Scandiumjodid; es können jedoch auch Scandiumbromid und Scandiumchlorid als
Leuchtstoffe eingesetzt werden.
-
Setzt man dem Leuchtstoff außer den beschriebenen Mengen der vorgenannten
Scandiumhalogenide und an freiem Scandium geeignete Mengen eines IIalogenids mindestens
eines Elements aus der Alkali metallgruppe (Natrium, Lithium, Cäsium), der Titangruppe
(Titan, Hafnium, Thorium) Zirkon/, der Niobiumgruppe (Vanadium, Niobium), der Seltenen-Erden-Gruppe
(Dysprosium, Lanthan, Thulium, Samarium, Holmium), so führt das zu einer weiteren
Verbesserung des abgestrahlten Farbbereiches der erfindungsgenläßen Lampe.
-
Fig. 1 stellt die Seitenansicht eines Schnitts durch die erfindungsgemäße
Entladungslampe dar, bei der an beiden Enden eineslkhtdurchlässigen Aluminiumoxid-Rohrkörpers
1 Niob-Röhren 2 und 7 zur Einführung der Elektroden luftdicht eingebaut sind, wobei
die Füllung der Lampe hauptsächlich aus Scandiumjodid (Sc und freiem Scandium (Sc)
besteht. Der Aluminiumoxid-Rohrkörper 1 weist einen Innendurchmesser von 15 bis
20 mm und ein Innenvolumen von 12,4 bis 22 cm3 auf. Die Oberflächen der Niob-Röhren
zur Einführung der Elektroden 2 und 3 im Rohrkörper 1 sind mittels eines üblichen
gegen Halogen widerstandsfähigen Zements luftdicht verkittet ,und als Entladungselektroden
4 und 5 werden Wolframspiralen verwendet, die einen gegenseitigen Abstand (Bogenlänge)
la von 50 mm aufweisen.
-
Um die Eigenschaften der Entladungslampen systematisch zu analysieren,
werden eine Anzahl von Lampen hergestellt, die alle einen Aluminiumoxid-Rohrkörper
1 mit einem Innendurchmesser von 15 mm und einem Innenvolumen von 15 cm3 aufweisen,
in dem 50 mg Quecksilber und 20 Torr (bei Raumtemperatur) Xenon eingeschlossen sind.
-
Die Mengen an eingeschlossenem Scandlumjodid (ScI ) bzw. an freiem
Scandium (Sc) schwanken jedoch von 0,5 bis 70 fig bzw. von 0 bis 40 mg. Die Lampen
werden dann unter den für 4oo Watt vorgeschriebenen Standardbedingurigen in Betrieb
genotnmen und ihre Entladungseigenschaften geprüft. Die dabei erhaltenen Errnebnjsse
sind nachstehend zusammengefaßt.
-
(1) Wird der Scandiumjodid (ScI)-Zusatz erhöht, so verstärkt sich
eine rot gefärbte Lumineszenz, andererselts steigt jedoch die für die erneute Zündung
der Lampe erforderliche Spannung (d.h.
-
die Mindestspannung, die nach dem Ausschalten der Lampe für eine erneute
Zündung ausreicht) und außerdem nehmen mit erhöhtem Scandiumjodidgehalt Verlöschungserscheinungen
(d.h. ein unerwartetes plötzliches Verlöschen der Lampe während ihres Betriebs)
sogar während kurzer Betriebsperioden an Häufigkeit zu.
-
(2) Mit zunehmendem Zusatz an freiem Scandium weisen diese Entladungslampen
jedoch eine zunehmende Stabilität der wünschenswerten ursprünglichen Eigenschaften
über eine längere Betriebszeit auf.
-
Die unter (1) beschriebene zunehmende rot gefärbte Lumineszenz bei
zunehmendem Scandiumjodidgehalt weist darauf hin, daß die Leuchtstärke der Scandium-Spektrallinie
wachst und deshalb die
Abstrahlungskomponente im roten Bereich zunimmt,
d.h. die Lampe als Lichtquelle einen guten abgesWrahlten Farbbereich zeigt. Nnciererseits
führen die hohen Temperaturen und hohen Damprdrücke der in Betrieb befindlichen
Lampe dazu, daß das im Rohrkörper 1 der Lampe eingeschlossene Scandium des Scandiumjodids
mit dem Aluminiumoxid-Bestandteil des Rohrkörpers reagiert, wodurch die Scandiumkomponente
vermindert wird. Die Verminderungr der Scandiumkomponente führt zu einer Abnahme
der Starke des Scandiumspektrums während des Betriebs der Lampe, wozu noch die Erscheinung
kommt, daß mit dem Abnehmen der Scan4urkomponente der Gehalt an freigesetztem Jod
im Rohrkörper zunimmt, was zu einer allmählichen Erhöhung der für eine erneute Zündung
der Lampe erforderlichen Spannung führt.
-
Die genaue Prüfung der Reaktion zwischen dem Aluminiumoxid des Rohrkörpers
und dem Scandium zeigt, daß ein zunehmender Scandiumjodidgehalt der Lampenfüllung
zu einer erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit führt, woraus abgeleitet wird, daß die
Reaktionsgeschwindigkeit des Scandiums mit dem Aluminiumoxid mit höher werdendem
Scandium-Dampfdruck zunimmt.
-
Die unter (2) beschriebene Neigung der Lampe, bei einem zunehmenden
Gehalt an freiem Scandium die anfänglichen Eigenschaften über längere Zeitperioden
beizubehalten, zeigt, daß das zugesetzte Scandium mit dem während des Betriebs der
Lampe freigesetzten Jod reagiert und zu einem konstanten Scandiumjodid-Dampfdruck
im Rohrkörper der Lampe führt. Da der Dampfdruck des freien Scandiums erheblich
niedriger als der Dampfdruck von Scandiumjodid ist, verdampft das freie Scandium
inder Lampe von selbst nur in sehr geringem Ausmaß. Da Scandium bei hohen Temperaturen
gut mit dem gasförmigen
Jod reagiert, führt das Vorhandensein einer
überschüssigen Menge an freiem Scandium zu einem konstanten Dampfdruck von Scandiumj
odid in der Entladungslampe und verhindert gleichzeitig das Freisetzen von freiem
Jod im Rohrkörper.
-
Aufgrund der vorgenannten Eigenschaften ist es zur Herstellung einer
Entladungslampe mit einem für die praktische Verwendung ausreichenden Leistungsverhalten
erforderlich, die geeigneten Höchst-und Mindestmengen an Scandiumjodid bzw. an freiem
Scandium genau zu bestimmen. Gemäß empirischen Untersuchungen muß Scandiumj odid
in einer Menge von 1,80 x 10 7 bis 9,27 x 10 6 Grammolekül je cm5 des Innenvolumens
des Rohrkörpers der Lampe und freies Scandium in mindestens der 3,1fachen Menge,
berechnet als Atomverhältnis zu dem im Halogenid gebunden vorliegenden von freiem
Scandium/ Scandium, d.h. in einer Konzentration von 5,58 x 10-7 bis 2,98 x 10-5
Grammatomen Scandium je 1 cm3 Innenvolumen des Rohrkörpers, vorliegen.
-
Beträgt die Scandiurnjodidmenge weniger als die vorgenannte Mindestmenge
von 1,80 x 10 7 Grammolekül je 1 cm3 Innenvolumen des Rohrkörpers , so reicht die
Abstrahlung des Scandiumspektrums nicht zur Verbesserung des abgestrahlten Farbbereiches
aus, und der allgemeine Index des abgestrahlten Farbbereiches beträgt höchstens
55, was keinen zufriedenstellenden Wert für eine als allgemeine Beleuchtungsquelle
verwendete Lampe darstellt. Überschreitet die zugesetzte Menge an Scandiumjodid
den vorgenannten Höchstwert von 9,27 x 10-5 Grammolekül je 1 cm3 Innenvolumen des
Rohrkörpers, so rührt das zu einer schweren Korrosiun der Elektroden durch Jod und
damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Entladungslampe.
Erreicht
die zugesetzte Menge an freiem Scandium nicht die 3,lfache Menge des enthaltenen
Scandiumjodids (als Atomverhältnis), so zeigt die Lampe innerhalb einer verhältnismäßig
kurzen Zeitperiode von z.B. weniger als 500 Stunden eine Abschwnchung der Abstralilung
des Scandiumspektrums. Überschreitet die Konzentration an freiem Scandium den 3,lfachen
Wert der enthaltenen Scandiumjodidmenge, so findet auch nach einer Betriebszeit
von mehr als 3000 Stunden keine Abschwächung der Abstrahlung des Scandiumspektrums
statt. Daraus wird empirisch geschlossen, daß der vorgenannte 3,lfache Scandiumgchalt
einen kritischen Wert für die E:gellJchaften des Abstrahlungsspektrums darstellt.
Dies kann, wie nachstehend beschrieben, erklärt werden. Beim Betrieb der Lampe wird
ein Gleichgewicht des Dampfdrucks zwischen dem festen, an das Aluminiumoxid der
Wände des Rohrkörpers - gebunden - und dem in Dampfform im Rohrkörper der Entladungslampe
vorliegenden Scandium nach etwa 500 Betriebsstunden erreicht. Zu diesem Zeitpunkt
beträgt die Menge des an das Aluminiumoxid des Rohrkörpers gebundenen Scandiums
die 3, lfache Menge des im Scandiumjodid vorliegenden Scandiums (als Atomverhältnis)
und nach dem Erreichen des Gleichgewichts nimmt die Menge an freiem Scandium, das
durch Reaktion mit dem Aluminiumoxid verlorengeht, erheblich ab.
-
Eingehende Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung einer Scandiumjodidmenge
von 5,4 x 10 7 bis 4,6 x 10 6 Grammolekülen je 1 cm3 des Innenvolumens des Rohrkörpers
und einer Menge an freiem Scandium, die mindestens der 4,2fachen Menge des Scandiumjodids
entspricht (als Atomverhältnis) eine Entladungslampe erhalten wird, die einen hohen
Wirkungsgrad undeinengutenabgestrahlten
Farbbereich sowie eine
LeuchtsErke von über 70 lm/W und einen allgemeinen Index des abgestrahlten Farbbereiches
von über 70 für Zeitperioden von mehr als 6000 Stunden aufweist.
-
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
-
Beispiel 1 Eine Lampe des vorgenannten Typs mit einem Innendurchmesser
von 15 mm, einem InnenvollJmen von 15 cm3 und einem Elektrodenabstand von 50 mm,
die eine Füllung von 30 mg Quecksilber, 6,8 mg Scandiumjodid, 10 mg Scandium und
20 Torr (bei Raumtemperatur) Xenon aufweist, hält die vorgenannten Eigenschaften
der Entladungslampe (Leuchks0bke von über 70 lm/W,allgemeiner Index des abgestrahlten
Farbbereiches von über 70) für 10 000 Stunden aufrecht. Diese Lampe zeigt außerdem
ein ausgezeichnetes Leistungsverhalten, d.h.
-
sie weist praktisch keinen Wechsel des abgestrahlten Farbspektrums
auf. In diesem Fall entspricht der Zusatz von 10 mg freiem Scandium der etwa 14fachen
Menge der enthaltenen 6,8 mg Scandiumjodid (als Atomverhältnis).
-
Auch ein Zusetzen der über 30fachen Menge an freiem Scandium der vorgenannten
6,8 mg Scandiumjodid (als Atomverhältnis) führt zu keiner Verbesserung der Eigenschaften
der Entladungslampe sondern nur zu einer Verminderung der Leuchtstärke durcheine
auf das vorhandene freie Metall zurückgehende Schattenwirkung.
-
Der abgestrahlte Farbberei ch der erfindungsgemäßen Entladungslampe
kann weiter durch Zusetzen anderer !tetallhalofrcnide neben dem vorgenannten Scandiumiodid
und freiem Scandium zur Füllung des Rohrkörpers verbessert werden. In diesem Fall
dürfen jedoch nur solche Metallhalogenid-Zu.-atzmi i;tel zugesetzt werden, die nicht
durch das beim Betrieb der Lampe von der Wand des Aluminiumoxid-Rohrkörpers abgedampfte
Aluminium reduziert werden. Aus diesem Grund können die bei herkömmlichen Rohrkörpern
aus- geschlnolzencm Quarz verwendeten Metallhalogenide, wie Thalliumjodid (Tli),
Indiumjodid (InI3) und Zinnjodid (SnI2)nicht als Zusatzmittel verwendet werden.
Die Stärke des abgestrahlten Spektrums dieser Metallhalogenide schwächt sich während
des Betriebs der Lampe ab und führt dazu, daß sich das von der Lampe abgestrahlte
Farbspektrum im Zeitablauf verschiebt. Es wurde jedoch gefunden, daß Halogenide
der Alkalimetalle, von Metallen der Titangruppe, der Niobiumgruppe und der Seltenen
Erden als Zusatzmittel gut geeignet sind.
-
Bei den weiteren Beispielen von 400 Watt (Standard) Entladungslampen
werden jeweils Aluminiumoxid-Rohrkörper mit einem Innendurchmesser von 15 mm und
einem Innenvolumen von 15 cm3 verwendet, die eine Füllung von 30 mg Quecksilber,
20 Torr (bei Raumtemperatur) Xenon, 6,8 mg Scandiumjodid, 3 bis 10 mg freies Scandium
(die etwa 4,2- bis 14fache Menge des in der Füllung enthaltenen Scandiumjodids)
mit den in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Metallhalogeniden in den dort
beschriebenen Mengen aufweisen.
-
Der abgestrahlte Farbbereich und das Leistungsverhalten der Lampen
werden gemessen, und die Ergebnisse sind in der
nachstehenden Tabelle
zusammengefaßt.
-
Tabelle
| Lampe, Metallhalogenid-Zusatzmittel Anfangseigenschaften der |
| Nr. (Menge in mg) entladungslampe |
| allgemeiner Index Leistungs- |
| des abgestrahlten verhalten |
| Parbbereiches der Lampe |
| (lm/W) |
| 1 NaI (10-20) 75 70 |
| 2 LiI (10-20) 74 67 |
| 3 TiI4 (10-20) 79 65 |
| 4 ZrI4 (10-20) 78 65 |
| 5 NbI5 (10-20) 72 70 |
| 6 -HoI3 (5-15) 75 67 |
| 7 Dyl3 (5-15) 73 68 |
| 8 TmI3 (5-15) 74 69 |
| 9 ThI4 (3-20) 75 69 |
| 10 NaI (10-20) + TiI4 (10-20) | 83 66 |
| 11 NaI (10-20) + ZrI4 (10-20) 1 82 67 |
| 12 Nal (10-20) + NbI5 (10-20) | 78 69 |
| 13 NaI (10-20) + SmI3 (10-20) 1 78 70 |
| 14 NaI (10-20) + DyI3 (10-20) | 78 70 |
| 15 NaI (10-20) + TmI3 (10-20) 79 69 |
| 16 NaI (10-20) + HoI3 (10-20) 8o 68 |
| 17 NaI (10-20) + LiI (10-20) 79 69 |
| 18 NaI (10-20)+TiI4(10-20)+LiI(10-20) 88 63 |
| 19 Nal (10-20)+TiI4(10-20)+DyI3(5-15) 84 65 |
Die in mg angegebenen Mengen der Zusatzmittel stellen außerdem
die für die Lampen geeigneten Vengenbereiche dar.
-
Die Lampen Nr. 1 bis 9 enthalten ein einziges Additiv, die Lampen
Nr. 10 bis 17 enthalten zwei Additive, die Lampen Nr. 18 und 19 enthalten drei Additive.
-
Die vorbeschriebenen Messungen führen zu den nachstehend beschriebenen
Schlußfolgerungen: (1) Der einen Wert von etwa 70 aufweisende allgemeine Index des
abgestrahlten Farbbereiches einer Lampe, die nur 6,5 mg Scandiumjodid und 2,9 mg
freies Scandium aufweist, läßt sich durch Zusetzen von weiteren Metallhalogenid-Zusatzmitteln
gemäß Tabelle auf Werte von 72 bis 88 verbessern.
-
(2) Das Zusetzen von aus Halogeniden der Alkalimetalle bestehenden
Zusatzmitteln ist wünschenswert, da es vorteilhafterweise zur Stabilisierung des
Leuchtbogens im Leuchtkörper, zu einer Herabsetzung der für die erneute Zündung
der Lampe erforderlichen Spannung und zu einer Verbesserung des abgestrahlten Farbbereiches
führt. Insbesondere Natriumjodid (NaI) stellt unter Berücksichtigung des Leistungsverhaltens
der Lampe ein besonders geeignetes Zusatzmittel dar.
-
(3) Das Spektrum von Titanhalogeniden deckt gerade den Wellenlängenbereich
ab, der nicht durch das Abstrahlungsspektrum von Scandiumjodid abgedeckt wird und
weist aus diesem Grund eine bemerkenswerte Wirksamkeit hinsichtlich des abgestrahlten
Farbbereiches auf.
-
Wie schon vorstehend beschrieben, sind als Halogenide für die Füllung
der erfindungsgemäßen Entladungslampe besonders Jodide geeignet; es können jedoch
auch andere Halogenide mit Ausnahme der Fluoride, nämlich Bromide und Chloride,
verwendet werden.
-
Auch der Zusatz dieser Halogenide verlängert die Lebensdauer dieser
Entladungslampen im Vergleich zu herkömmlichen Entladungslampen, die eine geeignete
Menge an Scandiumhalogenid enthalten, in erheblicher Weise. Die Jodide rühren von
allen Halogeniden zur geringsten Korrosion und Abnutzung der Metallelektroden.
-
Wird geschmolzenes Quarzglas für den Rohrkörper verwendet, so verschwindet
das freie Scandium bei hohen Temperaturen aufgrund einer heftigen Reaktion mit dem
Quarz, was zu einer schnellen Schwärzung des Rohrkörpers führt. Solche Lampen weisen
deshalb nicht die gewünschten Entladungseigenschaften auf.
-
Fig. 2 zeigt das LeistungsverhaltendLr erfindungsgemäßen Entladungslampe
von Beispiel 1 in Kurve I und im Gegensatz dazu in Kurve II ein charakteristisches
Beispiel einer Entladungslampe, die kein freies Scandium enthält. In diesem Diagramm
ist auf der Ordinate (y) der allgemeine Index des abgestrahlten Farbbereiches und
auf der Abszisse (x) die Lebensdauer der Lampe in Stunden aufgetragen. Aus diesem
Vergleich geht hervor, daß die erfindungsge maße Entladungslampe eine erheblich
höhere Lebensdauer als herkömmXfhen Entladungslampen aufweist.