DE3210809A1

DE3210809A1 - Hochleistungs-miniatur-metallhalogenid-bogenentladungslampe

Info

Publication number: DE3210809A1
Application number: DE19823210809
Authority: DE
Inventors: William Harold Novelty Ohio Lake; Robert Harold Solon Ohio Springer; Philip Joseph Hyde Park Mass. White
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1982-11-11
Also published as: GB2095894B; CA1170307A; BR8201831A; US4387319A; FR2502843B1; FR2502843A1; GB2095894A; JPH02818B2; JPS57174844A; DE3210809C2

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein Hochleistungs-Metallhalogenid-Entladungslampen, deren Füllung Quecksilber und Lic?t-emittierende Metallhalogenide umfaßt sowie mehr im besonderen Miniaturlampen dieser Art, die Quecksilber und Natrium- sowie Scandiumjodid enthalten und einen kurzen Bogenspalt aufweisen.

Die Schaffung von Metallhalogenid-Lampen durch Zusatz der Halogenide verschiedener Licht-emittierender Metalle zu Quecksilberdampflampen hohen Druckes zur Modifizierung der Farbe und zur Erhöhung der Betriebsleistung sind in der US-PS 3 234 421 beschrieben. Seither sind solche Metallhalogenid-Lampen in weitem Umfang für allgemeine Beleuchtung in der Industrie und auf Straßen benutzt worden. Die Konstruktion und Betriebsweise; dieser Lampen ist im IES Lighting Handbook, 5. Auflage, 1972, Seiten 8-34, veröffentlicht durch die Illuminating Engineering Society, beschrieben.

Die Metallhalogenid-Lampe arbeitet im allgemeinen mit einer im wesentlich vollständig verdampften Quecksilberladung und einem nicht-verdampften Überschuß, der hauptsächlich aus Metalljodiden in flüssiger Form besteht. Eine begünstigte Füllung umfaßt die Jodide von Natrium, Scandium und Thorium. Die Betriebsbedingungen müssen zusammen mit der geometrischen Auslegung in des Lampenkolbens ausreichend hohe Temperaturen, insbesondere in den Enden des Kolbens gestatten, um eine beträchtliche Menge der Jodide, insbesondere des NaJ zu verdampfen. Im allgemeinen erfordert dies Minimaltemperaturen unter Betriebsbedingungen in der Größenordnung von 7OO°C.

In der US-PS 4 161 672 sind Metallhalogenid-Miniatur-Bogenentladungslampen beschrieben, die dünnwandige Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid mit kleinen Enddiohtungen aufweisen und die in Entladungsvolumina von 1 cm oder weniger eine hohe

Leistungsfähigkeit erzielen. Diese Miniatur-Bogenentladungslampen sind besonders brauchbar als die Hauptlichtquelle in Beleuchtungseinheiten, die eine funktionelle Ähnlichkeit zu Glühlampen aufweisen. Für solche Anwendungen ist eine geringe Farbtemperatur, die derjenigen der Glühlampe von etwa 2900 K angepaßt ist, besonders erwünscht. DiG Farbtemperatur der gegenwärtigem Metal1-halogonld-Lampen, die eine Dosis von NaJ/ScJ^/ThJ . enthalten, liegt für eine klare Lampe üblicherweise bei etwa 4200 K oder darüber. Durch das Aufbringen eines Leuchtstoffes, der die untere Seite des Spektrums begünstigt, auf den äußeren Kolben, kann die wirksame Farbtemperatur auf 3800 K vermindert werden, doch vermindert dies gleichzeitig die Leistungsfähigkeit und erfüllt trotzdem den Zweck nicht.

Es ist möglich, die Farbtemperatur von NaJ enthaltenden Lampen dadurch zu vermindern, daß man die relative Natriumkonzentration im Bogen erhöht. Dies ist möglich durch Verändern der physischen Konstruktionsparameter, wie der Größe des Entladungsrohres, dos Verhältnisses von Länge zu Durchmesser und der Elektrodenlänge. Die Wirkung der physischen Konstruktionsänderungen muß derart sein, daß die Temperatur des unverdampften Halogenids erhöht wird, was den Natriumdampfdruck erhöht und eine Lampe mit geringerer Farbtemperatur ergibt. Wegen der reaktiven Temperatur der eingesetzten Metallhalogenide erhöht die höhere durchschnittliche Wandtemperatur jedoch die Geschwindigkeit der nachteiligen chemischen Reaktionen, die zu einer schlechten Beibehaltung der Lampenleistung und einer kurzen Lebensdauer der Lampe führen können. Diese unerwünschten Wirkungen werden durch kleine Kolbenvolumina in Miniaturlampen verstärkt.

Ein anderer Mechanismus, der zum Vermindern der Farbtemperatur in NaJ enthaltenden Lampen benutzt werden kann, ist eine ausreichend hohe Quecksilberdichte im Entladungsraum, um die Natrium-D-Linie (589nm) in den roten Bereich des Spektrums zu verbreitern. Doch erfüllt auch dieser Mechanismus bei Metallhalo-

genid-Minaturlampen nicht den Zweck, eine Farbtemperatur von 29OO°K zu erreichen. Mit der Verwendung einer thoriumhaltigen Wolframkathode versucht man in einer Lampe eine verbesserte Beibehaltung der Leistung zu erreichen. Eine solche Kathode wird gebildet, indem man eine Wolframkathode, die allgemein aus einem Wolframstab besteht, um den ein Wolframdraht gewickelt i.s t, in einer thorium j odidhaltigen Atmosphäre betreibt. Unter den richtigen Bedingungen bildet sich von dem Thoriumjodid der liainponfüllung ein The riuitif leck auf dem distalen Ende der Elektrode. Dieses Thorium dient dann als Elektronenemitter, der durch einen Transportzyklus dauernd erneuert wird, der das vorhandene Halogen einschließt und das von der Elektrode verlorengehende Thorium dorthin zurückführt- Die thoriumhaltige Wolframkathode und das Verfahren ihres Betriebes sind in dem Buch "Electric Discharge Lamps" von John F. Waymouth, M.I.T. Press, 1971 im Kapitel 9 beschrieben. Der richtige Thoriumtransport wird unterdrückt, wenn während des Betriebes in der Lampenatmosphäre überschüssiges oder freies Jod vorhanden ist. Eine Abhilfe besteht in der Zugabe eines Getters in Form eines Metalles, dessen freie Bildungsenergie eines Jodids negativer sein muß, als die von llcjj aber weniger negativ als die von ThJ.. Vorgeschlagen als Getter sind die Metalle Cadmium, Zink, Kupfer, Silber, Indium, Blei, Mangan, Zinn und Thallium.

Es wurde festgestellt, daß bei Metallhalogenid-Miniaturlampen, d. h. Lampen mit einem Kolbenvolumen mit weniger als 1 cm und einem Bogenspalt von weniger als 1 cm Länge, die Zugabe von Cadmium oder Zink als Getter den Thorium-Transportzyklus so fördert, daß die Kathode deformiert wird und sich die Länge des Bogenspaltes ändert. In einer Lampe mit kurzem Bogenspalt und somit hohem Spannungsgradienten führt dies zu einer relativ großen Änderung im Bogenspannungsabfall, die nicht toleriert werden kann.

Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem Thoriumjodid aus der Füllung der Lampe weggelassen wird.

Es wurde festgestellt, daß die Zugabe metallischen Cadmiums oder Zinks zu Miniaturbogenlampen, die NaJ und ScJ_ zusammen mit ausreichend Quecksilber enthalten, um die Natrium-D-Linie in den roten Bereich zu verbreitern, die Farbtemperatur auf die erwünschten 2900 K absenkt. Dies wird erreicht ohne Veränderungen in der physischen Konstruktion oder eine Zunahme der Wandtemperatur. Alternativ kann der Zusatz dazu benutzt werden, bei verminderter Wandtemperatur eine erwünschte Farbtemperatur aufrechtzuerhalten.

Das Cadmium oder Zink sollte in einem molaren Verhältnis von 0,04 bis 1,0 zum vorhandenen ScJ- zugesetzt werden. Es wurde

W festgestellt, daß das zugesetzte Cadmium oder Zink nur wenig durch eine direkte Cadmium- oder Zink-Strahlung zur sichtbaren Strahlung beiträgt, daß es jedoch den Ausgleich zwischen der Natrium-und Scandium-Strahlung im sichtbaren Spektralbereich dadurch modifiziert, daß die für den Bogen verfügbare Menge an ScJ., vermindert wird, wodurch das effektive Verhältnis von NaJ zu ScJ- erhöht wird. Eine genaue Untersuchung der Dampfdrucke der obigen Metalle zeigt, daß die Dampfdrucke von Cadmium und Zink bei 1100 K hoch genug sind, um als Metalle in Gasphasenreaktionen wichtig zu sein und aufgrund dieses Mechanismus eine brauchbare Verminderung der Farbtemperatur zu ergeben.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine vergrößerte Ansicht einer Metallhalogenid-Minia-

tur-Bogenentladungslampe, in der die Erfindung verkörpert sein kann,

Figur 2 eine graphische Darstellung der Wirkung der Cadmiumzufjabe auf die Färb temperatur.

Figur 3 eine graphische Darstellung der Wirkung der Cadmiumtemperatur auf die Lichtabgabe und

Figur 4 eine grafische Darstellung der Wirkung der Cadniiumzugabe auf die Beibehaltung der Lumenabqabe.

Das Bogenentladungsrohr 1 für eine Hochdruck-Metallhalogenidlampe, in der die Erfindung verkörpert sein kann, ist in Figur 1 gezeigt, und dieses Rohr entspricht in der Art der in der US-PS 4 161 6 72 beschriebenen Metallhalogenid-Miniaturlampe. Ein solches Bogenentladungsrohr ist normalerweise in einem Außenkolben enthalten, um es von der Atmosphäre abzuschirmen. Das Bogenentladungsrohr besteht aus Quarz oder geschmolzenem Siliziumdioxid, und es umfaßt einen zentralen ellipsoidalen Kolbenteil 2, der durch Ausdehnung des Quartzrohres gebildet sein kann sowie Halsteile 3 und 3', die durch Zusammenfallenlassen oder Vakuumabdichten des Rohres um Molybdänfolienteile 4, 4" der Elektrodenzuleitungen gebildet werden können. Die Entladungskammer bzw. der KoI-bonteil 2 hat ein Volumen von weniger als 1 cm . Für ein Bogenentladungsrohr mit einer Leistung von 32 Watt und einem inneren Durchmesser von etwa 0,65 cm in der kleineren Abmessung kann das Volumen der Entladungskammer im Bereich von 0,11 bis 0,19 cm liegen. An die Folien geschweißte Leitungsdrähte 5 und 5' erstrecken sich durch die Hälse nach außen, während Elektrodenschäfte 6 und 6', die an die gegenüberliegenden Enden der Folien geschweißt sind, sich durch die Hälse in den Kolbenteil erstrecken.

Die dargestellte Lampe soll nur in einer Richtung betrieben werden und der Schaft 6', der ein abgerundetes Endstück 7 aufweist, genügt für eine Anode. Die Kathode umfaßt eine hohle Wolframwendcl 8, die auf das Ende des Schaftes 6 gesetzt IhI und die an ihrem distalen Endstück in einem kurzen stiftähnlichen Einsatz 9 endet.

Obwohl das dargestellte Entladungsrohr für Gleichstrombetrieb ist, kann die Erfindung ebenso gut in Wechselstrom-betriebenen Lampen Anwendung finden.

Eine geeignete Füllung für den Kolben umfaßt Argon oder ein anderes inertes Gas mit einem Druck von einigen Torr bis zu wenigen

hundert Torr, das als Zündgas dient sowie eine Ladung aus Quecksilber und den Metallhalogeniden NaJ und ScJ₃.

Versuche wurdenunternommen mit NaJ-Konzentrationen im Bereich

3 3

von 0,005 g/cm bis zu 0,5 g/cm sowie ScJ-^-Konzentrationen im Bereich von 0,0008 g/cm bis zu 0,008 g/cm und dabei wurde fest stellt, daß die Zugabe von Cadmium die effektive Farbtemperatur innerhalb dieser Bereiche verringert.

Um den Vorteil der die Farbtemperatur verringernden Wirkung der Verbreiterung der Natrium-D-Linie zu nutzen, sollte eine Queck-Silberkonzentration im Bereich von 0,015 bis 0,05 g/cm benutzt werden.

Eine typische Füllung für ein Entladungsrohr mit einer Leistung

3 von 32 Watt und einem Volumen von etwa 0,15 cm umfaßt 5,0 mg Hg, 0,52 mg ScJ.,, 3,48 mg NaJ, wobei die entsprechenden Konzentra-

tionen in g/cm für Hg 0,033, für ScJ₃ 0,0035 und NaJ 0,023 betragen. Der Argonfülldruck beträgt etwa 120 Torr.

Figur 2, in der die Farbtemperatur in Grad K gegen das molare Verhältnis von Cadmium zu Scandiumtrijodid aufgetragen ist, zeigt das Ausmaß, zu dem die erfindungsgemäße Zugabe von metallischem Cadmium zu der Füllung von Bogenentladungsrohren, die NaJ und ScJ₃ enthalten, die Farbtemperatur vermindert. Die Daten, die für die Figur 2 benutzt worden sind, hängen von den relativen Dichten der Lampenfüllung ab, nicht aber von der spezifischen Gestalt oder Geometrie der Entladungsrohre. Die Daten wurden mit drei verschiedenen Kolbengrößen, vier verschiedenen Metallhalogenid-Mengen, sechs verschiedenen Quecksilber-Dosen und drei verschiedenen Hg/Cd-Amalgam-Konzentrationen ermittelt. Ein molares Verhältnis von Cd zu ScJ₃ von etwa 0,5 ergibt eine Farbtemperatur von 2900 K, die in etwa der einer Glühlampe entspricht. Die Wirkung auf die Farbtemperatur wird durch die Anwesenheit von Thorium in den Lampen der obengenannten Art nicht verhindert. Die Thoriummenge muß jedoch begrenzt sein, um die Elektrodenverformung zu verhindern. Eine geringe Thoriummenge, die durch

den Einsatz von thoriertem Wolframdraht für die Elektroden in die Lampenatmosphäre eingeführt werden kann, ist annehmbar.

Die nützliche Wirkung des Cadmiums auf die Farbtemperatur bringt einen geringen Verlust hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Lampe mit sich. Figur 3 zeigt die prozentuale Veränderung der Lumenabgabe, die sich aus der Zugabe von Cadmium zur Füllung des Bogenrohres ergibt. Diese prozentuale Veränderung der Lumenabgabe ^ %L kann folgendermaßen bestimmt werden:

Lumen mit Cd - Lumen ohne Cd _1n £ %L = X IUU

Lumen ohne Cd

Der Figur 3 läßt sich entnehmen, daß das Lumenniveau mit steigendem Cd/ScJ^-Verhältnis abnimmt. Diese Tatsache ist ein begrenzender Faktor für die Menge Cadmium, die sinnvollerweise zugesetzt werden kann.

Die verbesserte Aufrechterhaltung der Lumenabgabe, die sich aus der Cadmiumzugabe zur Füllung ergibt, zeigt sich durch gleichzeitige Betrachtung der Figuren 3 und 4. Figur 3 ist zu entnehmen, daß der Lumenverlust, gemessen bei 100 Stunden für ein Cd/ScJ-.-Verhältnis von etwa O,5,null beträgt. In Figur 4 bildet dieser Punkt den gemeinsamen Ursprung für zwei Kurven, nämlich eine mit und eine ohne Cadmiumzusatz. Daraus ergibt sich, daß das Cadmium eine wirkliche Verbesserung hinsichtlich der Aufrechterhaltung der Lumenabgabe bewirkt, wobei der Unterschied mit steigender Lebensdauer immer größer wird. So ist z. B. die Beibehaltung der Lumenabgabe bei 2000 Stunden Brennzeit mit Cadmiumzusatz gegenüber einer Lampe ohne Cadmiumzusatz besser als 5 %.

Für generelle Beleuchtungszwecke ist nur ein begrenzter Bereich von Färbtemperaturen von Interesse. So haben insbesondere Farbtemperaturen unterhalb von 2400 K geringen kommerziellen Wert und das dafür erforderliche Cd/ScJ_-Verhältnis beträgt etwa 1. Bei diesem Verhältnis beträgt der zusätzliche Lumenverlust bei 100 Stunden Brennzeit etwa 5 %, wie sich aus der Figur 3 ergibt. Diese beiden Faktoren bestimmen daher eine obere brauchbare Grenze

von etwa 1 ,0 für das Molverhältnis von Cd zu ScJ., in der erfindungsgemäßen Lampe.

Eine untere brauchbare Grenze für die zugegebene Cadmiummenge ist durch Farbvariationen bestimmt, die sich aus chemischen Reaktionen und Herstellungsfaktoren ergeben, die auf die Halogeniddosis einwirken. Es wurde festgestellt, daß mindestens 0,04 Mol Cadmium pro Mol ScJ-. erforderlich sind, um die obengenannten Probleme zu vermeiden.

Das überraschende Zusammenfallen der Verminderung der Farbtemperatur und der verbesserten Beibehaltung der Lumenabgabe, erzielt durch die vorliegende Erfindung, ist wahrscheinlich folgendermaßen zu erklären:

Die Zugabe von Cadmium zu einer Lampe, die in der Füllung ScJ₃ enthält, führt zur Bildung von CdJ2 und Sc nach der folgenden Gleichung:

|cd(g) + ScJ₃(g)^|cdJ₂(g) + Sc(g), (1)

worin (g) auf den gasförmigen Zustand hinweist. Im Gleichgewichtszustand gilt für die Gleichung (1) die folgende Formel

3/2

^(P CdJ ) (P )

.K = ^SC , (2)

^G1 3/2

^(PCd> ^(PSCJ₃)

worin P für den Druck der jeweiligen Komponente steht, der geeigneterweise in Atmosphären gemessen wird. Für die Zugabe von Zink gelten analoge Gleichungen.

Bei 1100 K, was etwa die Betriebswandtemperatur für eine Metallhalogenid-Miniaturbogenlampe ist, beträgt die Gleichgwichtskon-

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stante K_G1 für das Cadmium-System 1,3 χ 10 und für das Zink-

—8
system 3,8 χ 10

Das nach der Gleichung (1) gebildete Scandium wird auf den Wandungen des Entladungsrohres abgeschieden, da der Dampfdruck des Scandiums bei 11OO°K nur 2 χ 10 Atmosphären beträgt.

Für Miniatur-Bogenentladungslampen mit einer Leistung von 32 Watt, wie sie in Figur 1 dargestellt sind, betragen die typischen anfänglichen Dosenmengen für Natriumjodid, Scandiumjodid und Cadmium:

NaJ = 3,48 χ 10~³ g oder 2,32 χ 10~⁵ Mol ScJ₃= 0,52 χ 1O~ g oder 1,22 χ 10~ Mol Cd = 5,65 χ 10~⁵ g oder 5,03 χ 10~⁷ Mol

Würde das gesamte Cadmium in CdJ₂ umgewandelt werden, dann wäre der Verlust an ScJ _ nicht ausreichend, um den Dampfdruck des Scj unter den Dampfdruck von reinem ScJ₃ in der Lampe abzusenken.

Da die Werte für P_c und P der Gleichung (2) bekannt sind, kann die Menge CdJ₃, die gebildet werden wird, errechnet werden. Für das obige typische Miniaturbogenentladungsrohr beträgt die Menge des gebildeten CdJ₂ etwa 4,38 χ 10 Mol. Die anfänglichen und abschließenden Mengen der reagierenden Bestandteile sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.

Menge bei 1100°K

2,32 χ 10~⁵ Mol 9,5 χ 10" Mol

0,9 X 1O~⁷ Mol 4,4 χ 10" Mol

24,4

— 1 1
2,0 χ 10 Atmosphären.

	ρ	Anfängliche	,32	χ 10~⁵	Tabelle I
		2	,22	χ 10~⁶	Menge
NaJ		1	,03	χ 10~⁷	Mol
ScJ₃		5		0	Mol
Cd			19,0	Mol
CdJ₂			0
/ScJ₃

Sc

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Die in der vorstehenden Tabelle zusammengefaßten Daten führen zu den folgenden Schlußfolgerungen:

1. Die Zugabe von Cadmium zu einem Entladungsrohr, das in der Füllung NaJ und ScJ., enthält, führt zu einer Steigerung des effektiven Verhältnisses von NaJ zu ScJ-. von 19,0 zu 24,4 und dies resultiert in einer Verschiebung zu tieferen (wärmeren) Farbtemperaturen, ohne daß die Temperatur der Wandung des Entladungsrohres zunimmt.

2. Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes der Umsetzung nach der obigen Gleichung (1) bleibt noch elementares Cadmium in der Gasphase. Dieses überschüssige Cadmium vermindert die Menge freien Jods nahe den aus Siliziumdioxid bestehenden Wandungen durch Bildung von Cadmiumjodid und verhindert so den Transport von Siliziumjodid zu den Elektroden.

Somit haben die durch die vorliegende Erfindung erzielten praktischen Verbesserungen hinsichtlich der verminderten Farbtemperatur und der verbesserten Beibehaltung der Lumenabgabe, obwohl die überraschend sind, doch eine gesunde Basis in den dargestellten Abläufen.

Claims

Patentansprüche

Hochleistungs-Miniatur-Metallhalogenid-Bogenentladungslampe mit einem Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid, der ein Volumen von nicht mehr als 1 cm begrenzt und in den Kolben abgedichtet eingelassene Zuleitungen, die mit im Abstand voneinander angeordneten Wolfram-Elektroden verbunden sind, wobei die Wolframelektroden zwischen sich einen Bogenspalt bilden, dessen Länge 1 cm nicht übersteigt, gekennzeichnet durch eine die Entladung unterstützende Füllung in dem Kolben, die Quecksilber, Natriumjodid und Scandium-Trijodid sowie ein inertes Zündgas umfaßt,

wobei der Kolben nur solches Thorium enthält, das durch den Einsatz von thoriertem Wolfram für die Elektroden eingeführt wird und
weiter durch Cadmium oder Zink in dem Kolben in einem molaren

Verhältnis zum ScJ₃ im Bereich von 0,04 bis 1,0.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die NaJ-Konzentration im Bereich von 0,005 bis 0,05 g/cm und die ScJ_-Konzentration im Be-

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reich von 0,0008 bis 0,008 g/cm liegt.
3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quecksilber-Konzentration im Bereich von 0,015 bis 0,05 g/cm liegt.
4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das molare Verhältnis von Cadmium oder Zink zum ScJ _ etwa 0,5 beträgt.