DE2408112B2 - Hochdruck-Dampfentladungslampe - Google Patents

Description

euen _kannten Hochdruck-Dampfentladungs-

»ei em^ _Gattungsbegriff enthält die Queck_c;i Wiillune zur Verbesserung der Farbwiedergabe X^-J^ _ein Scandiumhalogenid, wie ScJ₃, PLJ* _Vonz.B. etwa 1,1 mg pro cm» Innenvolum ^Menf_E^_{adu sge{äßes}. Die vorstehend geschilmen^™^ ,^_{n sich dadurch aber} nicht beinsbesondere nicht die uner_{des Le}uchtzusatzes mit dem

beheben,

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Dampfentladungslampe mit festen Metallelektroden und mit einem⁶ rohrförmigen lichtdurchlässigen Aluimmumoxid-Entladungsgefäß sowie «^ Piülung »us Quecksilber als Puffergas, einem Edelgas als Zundgas, einem Scandiumhalogenid und gegebenenfalls 4<> einem weiteren Metallhalogenid als Leuchteusatz

In den letzten Jahren wurden gegen AlkalnnetaU-dampf bei hohen Temperaturen und hohen Drucken

widerstandsfähige Entladungsgefaße aus kchtdurchlässigen Aluminiumoxidrohren entwickelt Mittels eines solchen Rohrkörpers wird z. B. schon eine Hochdruck-Natriumdampflampe hergesteUt, deren Lumineszenz durch Entladung von unter hohem Druck stehendem Natriumdampf erzeugt^wjrd Tto einem Natriumdampfdruck von 100 bis 200Torr un ^£ _empfohi_en worden, der Füllung von ζ™ _d f.Hochdrucklampen mit einer FülüuecK« _Zünd_g_{delgas und Quecksi}i_{ber a}l_s Leucht-

B Scandium zuzusetzen, vorzugsweise in

_{daß je} Zentimeter Lichtbogen ^g^ .^a^__s ^J _Grammat_om Scandium in

_d^_{f Fü}u_ung enthalten sind. Auch hier werden jedoch Störungen im Betrieb der Lampe beobachtet. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb,

^ensdauer «™ . (index der Farbwiederemer »2Jb55)S?V«iBgang zu stellen, die sich als allgemeine Lichtquelle eignen.

_betlf_{fft gem}äß eine HochdruckD g ^^,^ _{und mit einem}

Soi lichtdurchlässigen Aluminiumoxid-Ent-¹^_{6 einer} #_{ÜUung aus} Quecksilber _{Edel s ais Zündgas> einem}

_{id und} gegebenenfalls einem weite^ das dadurch gekennzeichnet ist, ^ ₁₀__{7 bis %21} . ₁₀-e Gramm_id . _{cm3 des} Entladungsmindestens die 3,lfache ^SSnettll, berechnet als Atomver-_{Scandium zu} dem im Halogenid -liegenden Scandium, als Leuchtzusatz

ren
dau

gegenüber den herkömmlichen Niederdruck-Natriumdampflampen, die durch die.hauptsachhch auf die Natrium-D-Spektrallmie .^£d«de gjbe Lumineszenz gekennzeichnet sind, eine erheblich v.r 4 6 ic^ ura

des m J^ ^

menge

_{die 4)}2f_ache

zu dem im Halogenid

sä j

reichende Farbwiedergabe auf

Neben dem Quecksilber-Puffergas enthält die

3 4

Xenon können als Zündgas auch andere Edelgase, halb die Abstrahlungskomponenie im roten Bereich wie Neon und Argon, verwendet werden. zunimmt, d.h. die Lampe als Lichtquelle eine gute

Das als Leuchtzusatz geeignetste Scandiumhalo- Farbwiedergabe zeigt. Andererseits führen die hohen genid ist Scandiumjodid; es können jedoch auch Temperaturen und hohen Dampfdrücke der in Be-Scandiumbromid und Scandiumehlorid eingesetzt 5 trieb befindlichen Lampe dazu, daß das im Rohrwerden, körper 1 der Lampe eingeschlossene Scandium des

Setzt man der Füllung außer den beschriebenen Scandiumjodids mit dem Aluminiumoxid-Bestandteil Mengen dfr vorgenannten Scandiumhalogenide und des Rohrkörpers reagiert, wodurch die Scandiuman freiem Scandium zusätzlich ein Halogenid min- komponente vermindert wird. Die Verminderung der destens eines Alkalimetalls (Natrium, Lithium, Cä- ίο Scandiumkomponente führt zu einer Abnahme der shim), eines Metalls der Titangruppe (Titan, Zirkon, Stärke des Scandiumspektrums während des Betriebs Hafnium, Thorium), eines Metalls der Niobium- der Lampe, wozu noch die Erscheinung kommt, daß gruppe (Vanadium, Niobium) und/oder eines Metalls mit dem Abnehmen der Scandiumkomponente der der Seltenen Eden (Dysprosium, Lanthan, Thulium, Gehalt an freigesetztem Jod im Rohrkörper zu-Ssanarium, Holmium) hinzu, so führt das zu einer 15 nimmt, was zu einer allmählichen Erhöhung der für weiteren Verbesserung der Farbwiedergabe der er- eine erneute Zündung der Lampe erforderlichen findungsgemäßen Lampe. Spannung führt Die genaue Prüfung der Reaktion

F i g. 1 stellt die Seitenansicht eines Schnitts durch zwischen dem Aluminiumoxid des Rohrkörpers und eine bevorzugte Ausführungsform einer Entladungs- dem Scandium zeigt, daß ein zunehmender Scanlampe nach der Erfindung dar, bei der an beiden ao diumjodidgehalt der Lampenfüllung zu einer erhöhten Enden eines lichtdurchlässigen Aluminuimoxid-Rohr- Reaktionsgeschwindigkeit führt, woraus abgeleitet körpers 1 Niob-Röhren 2 und 3 zur Einführung der wird, daß die Reaktionsgeschwindigkeit des Scan-Elektroden luftdicht eingebaut sind, wobei die Fül- diums mit dem Aluminiumoxid mit höher werdendem lung der Lampe hauptsächlich aus Scandiumjodid Scandium-Dampfdruck zunimmt.
(ScJj) und freiem Scandium (Sc) besteht. Der Alu- as Die unter (2) beschriebene Neigung der Lampe, miniumoxid-Rohrkörper 1 weist einen Innendurch- bei einem zunehmenden Gehalt an freiem Scandium messer von 15 bis 20 mm und ein Innenvolumen von die anfänglichen Eigenschaften über längere Zeit-12,4 bis 22cm^s auf. Die Oberflächen der Niob- perioden beizubehalten, zeigt, daß das zugesetzte Röhren zur Einführung der Elektroden 2 und 3 im Scandium mit dem während des Betriebs der Lampe Rohrkörper 1 sind mittels eines üblichen gegen Ha- 3° freigesetzten Jod reagiert und zu einem konstanten logen widerstandsfähigen Zements luftdicht verkittet, Scandiumjodid-Dampfdruck im Rohrkörper der und als Entladungselektroden 4 und 5 werden Wolf- Lampe führt. Da der Dampfdruck des freien Scanramwendeln verwendet, die einen gegenseitigen Ab- diums erheblich niedriger als der Dampfdruck von stand (Bogenlänge) 1 α von 50 mm aufweisen. Scandiumjodid ist, verdampft das freie Scandium in

Um die Eigenschaften der Entladungslampen 35 der Lampe von selbst nur in sehr geringem Ausmaß, systematisch zu analysieren, werden eine Anzahl von Da Scandium bei hohen Temperaturen gut mit dem Lampen hergestellt, die alle einen Aluminiumoxid- gasförmigen Jod reagiert, führt das Vorhandensein Rohrkörper 1 mit einem Innendurchmesser von einer überschüssigen Menge an freiem Scandium zu 15 mm und einem Innenvolumen von 15 cm³ auf- einem konstanten Dampfdruck von Scandiumjodid weisen, in dem 30 mg Quecksilber und 20 Torr (bei 4° in der Entladungslampe und verhindert gleichzeitig Raumtemperatur) Xenon eingeschlossen sind. Die das Freisetzen von freiem Jod im Rohrkörper.
Mengen an eingeschlossenem Scandiumjodid (ScI₃) Auf Grund der vorgenannten Eigenschaften ist es

bzw. an freiem Scandium (Sc) schwanken jedoch von zur Herstellung einer Entladungslampe mit einem 0,5 bis 70 mg bzw. von 0 bis 40 mg Die Lampen für die praktische Verwendung ausreichenden Leiwerden dann unter den für 400 Watt vorgeschriebe- 45 stungsverhalten erforderlich, die geeigneten Höchstnen Standardbedingungen in Betrieb genommen und und Mindestmengen an Scandiumjodid bzw. an ihre Entladungseigenschaften geprüft. Die dabei er- freiem Scandium genau zu bestimmen. Gemäß empihaltenen Ergebnisse sind nachstehend zusammen- rischer Untersuchungen muß Scandiumjodid in einer gefaßt. Menge von 1,80 · 10~⁷ bis 9,27 · 10~« Grammolekül

(1) Wird der Scandiumjodid-(ScI₃-)Zusatz erhöht, 50 je cm³ des Innenvolumens des Rohrkörpers der so "verstärkt sich die Strahlung im roten Spektral- Lampe und freies Scandium in mindestens der 3,1-bereich, andererseits steigt jedoch die für die erneute fachen Menge, berechnet als Atomverhältnis von Zündung der Lampe erforderliche Spannung (d.h. freiem Scandium zu dem im Halogenid gebunden die Mindestspannung, die nach dem Ausschalten der vorliegenden Scandium, d. h. in einer Konzentration Lampe für eine erneute Zündung ausreicht), und 55 von 5,58 · 10~⁷ bis 2,98 · 10"⁵ Grammatomen Scanaußerdem nehmen mit erhöhtem Scandiumjodid- dium je 1 cm³ Innenvolumen des Rohrkörpers, vorgehalt Verlöschungserscheinungen (d. h. ein unerwar- liegen.

tetes plötzliches Verlöschen der Lampe während Beträgt die Scandiumjodidmenge weniger als die

ihres Betriebs) sogar während kurzer Betriebsperio- vorgenannte Mindestmenge von 1,80 · IO-⁷ Grarnrnden an Häufigkeit zu. ⁶° molekül je 1 cm³ Innenvolumen des Rohrkörpers, so

(2) Mit zunehmendem Zusatz an freiem Scandium reicht die Abstrahlung des Scandiumspektrums nicht weisen die Entladungslampen jedoch eine zuneh- zur Verbesserung der Farbwiedergabe aus, und der mende Stabilität der wünschenswerten ursprünglichen allgemeine Index der Farbwiedergabe beträgt höch-Eigenschaften über eine längerer Betriebszeit auf. stens 55, was keinen zufriedenstellenden Wert für

Die unter (1) beschriebene zunehmende Strahlung 65 eine als allgemeine Beleuchtungsquelle verwendete im roten Spektralbereich bei zunehmendem Scan- Lampe darstellt. Überschreitet die zugesetzte Menge diumjodidgehalt weist darauf hin, daß die Leucht- an Scandiumjodid den vorgenannten Höchstwert von stärke der Scandium-Spektrallinie wächst und des- 9,27 · 10~⁶ Grammolekül je 1 cm³ Innenvolumen

des Rohrkörpers, so führt das zu einer schweren Korrosion der Elektroden durch Jod und damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Entladungslampe.

Erreicht die zugesetzte Menge an freiem Scandium nicht die 3,1 fache Menge des enthaltenen Scandiumjodids (als Atomverhältnis), so zeigt die Lampe innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeitperiode von z.B. weniger als 500 Stunden eine Abschwächung der Abstrahlung 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 3,1 fache Scandiumgehalt einen kritischen Wert für die Eigenschaften des Absirahiungsspektrums 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 3,1 fache 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 · 10~⁷ bis 4,6 · 10~^e 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 und eine gute Farbwiedergabe sowie eine Lichtausbeute von über 70 lm/W und einen allgemeinen Index der Farbwiedergabe 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 Innenvolumen von 15 cm^s 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 (Lichtausbeute von über 70 lm/W, allgemeiner Index der Farbwiedergabe von über 70) für 10000 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, sondem nur zu einer Verminderung der Lichtausbeute durch eine auf das vorhandene freie Metall zurückgehende Schattenwirkung.

Die Farbwiedergabe der Entladungslampe kann weiter durch Zusetzen anderer Metallhalogenide

so neben dem vorgenannten Scandiumjodid und freiem Scandium zur Füllung des Rohrkörpers verbessert werden. In diesem Fall dürfen jedoch nur solche Metallhalogenid-Zusatzmittel 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 geschmolzenem 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 Zeit-

ablauf verschiebt. Es wurde jedoch gefunden, da£ Halogenide der Alkalimetalle, von Metallen der Titangruppe, der Niobiumgruppe und der Seltener Erden als Zusatzmittel gut geeignet sind.

Bei den weiteren Beispielen von 400-Watt-Ent-

ladungslampen werden jeweils Aluminiumoxid-Rohrkörper mit einem Innendurchmesser von 15 mm unc einem Innenvolumen von 15 cm³ verwendet, die eim Füllung von 30 mg Quecksilber, 20 Torr (bei Raumtemperatur) Xenon, 6,8 m Scandiumjodid, 3 bi;

10 mg freies Scandium (die etwa 4,2- bis 14fach( Menge des in der Füllung enthaltenen Scandium jodids) mit den in der nachstehenden Tabelle auf geführten Metallhalogeniden in den dort beschriebe nen Mengen aufweisen. Die Farbwiedergabe und di<

Lichtausbeute der Lampen werden gemessen, und di( Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusam mengefaßt.

Lampe

Nr.

Metallhalogenid-Zusatzmittel

(Menge in mg)

Anfangseigenschaften der
Entladungslampe
allgemeiner Lichtaus-Index der beute der
Farbwieder- Lampe
gäbe (lm/W)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

NaI (10—20) LiI (10—20) TiI₄ (10—20) ZrI₄ (10—20) NbI₅ (10—20) Hol, (5-15) DI(SIS)

₈() TmI, (5—15) ThI₁ (3—20)

75	70
74	67
79	65
78	65
72	70
75	67
73	68
74	69
75	69

(Fortsetzung vorstehender Tabelle)

Lampe

Nr.

Metallhalogenid-Zusatzmittcl

(Menge in mg) Anfangseigenschaften der Entladungslampe allgemeiner Lichtaus-Index der beute der Farbwieder- Lampe gäbe am/W)

10
11
12
13
14
15
16
17

18
19

NaI (10—20)
NaI (10—20)

NaI (10—20) + NbI₅ (10—20) NaI (10—20) + SmI₃ (10—20) NaI (10—20) + DyI₃ (10—20) NaI (10—20) + TmI₃ (10—20) NaI (10—20)
NaI (10—20)

+ TiI₄ (10—20) + ZrI₄ (10—20)

+ HoI₃ (10—20) + LiI (10—20)

NaI (10—20) + TiI₄ (10—20) + LiI (10—20) NaI (10—20) + TiI₄ (10—20) + DyI₃ (5—15) 83
82
78
78
78
79
80
79

88
84

66 67 69 70 70 69 68 69

63 65

Die in mg angegebenen Mengen der Zusatzmittel stellen außerdem die für die Lampen geeigneten Mengenbereiche 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 der Farbwiedergabe 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 Lichtbogens im Entladungsgefäß, zu einer Herabsetzung der für die erneute Zündung der Lampe erforderlichen Spannung und zu einer Verbesserung der Farbwiedergabe führt. Insbesondere Natriumjodid (NaI) stellt unter Berücksichtigung der Lichtausbeute 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 der Farbwiedergabe auf.

Wie schon vorstehend beschrieben, sind als Halogenide für die Füllung der 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 führen 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 auf Grund 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 Leistungsverhalten der 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 der Farbwiedergabe und auf der Abszisse (x) die Lebensdauer der Lampe in Stunden aufgetragen. Aus diesem Vergleich gehl hervor, daß die Entladungslampe eine erheblich höhere Lebensdauer als herkömmliche Entladungslampen aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 509550/10

Claims (3)

is Patentanspruche:

1. Hochdruck-Dampfentiadungslampe mit festen Metallelektroden und mit einem rohrtorinigen lichtdurchlässigen Aluminiumoxid-Entladungsgefäß sowie einer Füllung aus Quecksüoer als Puffergas, einem Edelgas als Zündgas, einem Scandiumhalogenid und gegebenenfalls einem weiteren Metallhalogenid, dadurch gekennreichnet, daß die Füllung 1,80 ■ 10-' bis 9,27 · 10-e Grammolekül Scandiumhalogenid je cm» des Entladungsgefäßes und zusätzlich romdestens die 3,lfache Menge an ScaudiunimetaU, berechnet als Atomverhältnis von freiem Scandium zu dem im Halogenid gebunden vorhegenden Scandium, als Leuchtzusatz enthält

2. Hochdruck-Dampfentiadungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung 5,4 · 10"' bis 4,6 · ΙΟ-" Grammolekul « Scandiumhalogenid je cm» des Entladungsgefäß und mindestens die 4,2fache Menge an freiem Scandium, berechnet als Atomverhaltms von freiem Scandium zu dem im Halogenid gebunden vorliegenden Scandium, als Leuchtzusatz enthalt *

3. Hochdruck-Dampfentladungslampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Füllung zusätzlich ein Halogenid eines Aucanmetalls, eines Metalls der Titangruppe, ernes Metails der Niobiumgruppe und/oder der Seltenen 3* Erden enthält.

ten Natrium Metallhalogenide, wie die Halogenide von Indium, Thallium, Zinn, Scandium oder Dyspro- *"" _enthalten Bei den im Entladungsgefäß herrerbenden hohen Temperaturen und hohen Drücken ^°"_iMetallbestandteUe dieser Metallhalogenide ⁿ«B^c" ^. Komponenien im Material der AIu-³^ " _orid_Rohrkörper zu reagieren. Solche HochT^_k__Dampfenti_adungslampen sind daher gegen ^ P^_{n d h> daß sie nac}h längerer Be-JJ?™« _u°_huaxbe verändern und daß die zutneo^ abgespaltenem Halogen im Ent**^T schlechten Einschalteigenschaften _Dlötzijchen Verlöschen des Lichts führt, was reitung dieser Lampen als allgemeine Licht-