DE3733217C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallhalogenid-Entladungslampe hoher Inten­ sität gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Lampe läßt sich der DE-OS 30 42 291 bzw. der ihr entsprechenden US-PS 43 60 756 entnehmen.

Metallhalogenid-Entladungslampen verwenden den Zusatz von Halogeniden von verschiedenen lichtemittierenden Metallen zu Quecksilber in dem Endladungskolben einer Hochdruck-Entladungslampe, um die Farbtemperatur des von der Lampe emittierten Lichts zu verändern und um den Betriebswirkungsgrad des von der Lampe abgegebenen Lichtes zu vergrößern, wie es in der US-PS 32 34 421 beschrieben ist. Die Elektroden von bekannten Metallhalogenid-Entladungslampen enthalten typisch eine Thorium-Wolfram- Elektrode, die dadurch gebildet ist, daß eine Wolframspule, um als ein Wärmeradiator zu dienen, um einen Wolframstab gewickelt wird, wobei eine Thorium oder Thoriumoxid enthaltende Verbindung in den Windungen der Spule vorhanden ist. Unter richtigen Bedingungen, wenn er in einer Thoriumjodid enthaltenden Atmosphäre arbeitet, erhält der Wolframstab einen Thoriumpunkt an seinem entfernten Ende, der als ein guter Elektronenemitter dient und der durch einen Transportzyklus kontinuierlich erneuert wird, der das in der Atmosphäre enthaltene Halogen einschließt, das zu der Kathode jedes Thorium zurückführt, das durch irgendeinen Prozeß verlorengegangen ist. Die Thorium-Wolfram-Elektrode und ihr Arbeitsverfahren sind in "Electric Discharge Lamps" von John F. Waymouth, MIT Press, 1971, Kapitel 9, beschrieben. Dort ist eine Analyse der Arbeitsweise der Lampenelektroden in der Gegenwart von Thorium dahingehend beschrieben, daß ein Überzug auf der Spitze der Lampenelektroden erzeugt wird. Wenn die Elektrode nicht mit Thorium überzogen ist, ist die Arbeitsfunktion der Elektrode höher aufgrund des Freiliegens des Wolframs und des daraus resultierenden direkten Kontaktes zwischen dem Lichtbogen und dem Wolfram, wodurch die Elektrode heißer werden muß, um den Lichtbogenstrom zu unterhalten, was eine schlechtere Lichtausbeute, insbesondere bei kleiner bemessenen Lampen bewirkt. Die höhere Temperatur bewirkt, daß die Lichtbogenröhre aufgrund des Wolframverlustes von den Elektroden schwarz wird, was eine schlechte Lichtausbeute zur Folge hat.

In der eingangs genannten US-PS 43 60 756 ist eine Zusammensetzung von Füllmaterialien beschrieben, die eine Verminderung des freien Jods innerhalb der Lichtbogenröhre in ihrer Atmosphäre während des Lampenbetriebs zur Folge hat, um eine Schicht aus Thorium auf der Elektrodenspitze während des Betriebs beizubehalten. Die vorgenannte US-Patentschrift beschreibt den Zusatz von Gettern (beispielsweise Kadmium und Zink), um den Aufbau von Jod innerhalb der Lichtbogenröhre zu begrenzen und dadurch eine Verstärkung des Thoriumtransportzyklus herbeizuführen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Metallhalogenid-Entladungslampe hoher Intensität der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Lichtausbeute und Lampenlebensdauer aufweist. Weiterhin soll eine spezielle Dosis an Thoriumjodid in dem Entladungskolben geschaffen werden, damit während des normalen Betriebszyklus einer solchen Metallhalogenidlampe hoher Intensität der Wolframverlust von der Elektrode unterdrückt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Der Entladungskolben enthält damit eine ausreichende Menge an Thoriumjodid, um die Gegenwart von Thoriummetall oder Thoriumoxid auf den Bogenelektroden-Oberflächen sicherzustellen, um den Wolframtransport von den Elektrodenoberflächen möglichst lange während der Lampenlebensdauer zu sperren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht von einer Metallhalogenid-Entladungslampe hoher Intensität gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Teilschnitt eines Entladungskolbens der in Fig. 1 dargestellten Lampe und

Fig. 3 eine schematische, vergrößerte Ansicht von einer Elektrode der Lampe gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Metallhalogenid-Entladungslampe 10 hoher Intensität, die einen Außenkolben 12 aus Glasmaterial, wie beispielsweise ein Glas mit einer geeigneten Zusammen­ setzung für eine Hochintensitäts-Entladungslampe, und einen Sockel 14 mit geeigneten elektrischen Kontaktstücken aufweist, um eine elektrische Verbindung mit einer üblichen Schraubfassung herzustellen. Der Raum innerhalb des Außenkolbens 12 ist evakuiert oder mit Stickstoffgas bis zu einem Druck von etwa 0,5 bar gefüllt. Der Sockel 14 umgibt den Lampenfuß 16, durch den elektrisch leitende Anschlußdrähte 18 und 20 hindurchführen. Der Anschlußdraht 18 ist mit einer Halterungsstange 22 verbunden, an dem ein Halteteil 24 befestigt ist. Ein elektrisch leitender Einführungsdraht 26, der an dem einen Ende mit dem Halteteil 24 verbunden ist, ist mit einem Folienteil 28 verbunden, das mit dem Einführungsleiter 30 der Elektrode 32 in Verbindung steht. Ein Stützleiter 34 ist mit dem Anschluß 20 verbunden und steht direkt mit dem Einführungsdraht 36 in Verbindung, der mit dem Folienteil 38 verbunden ist, das mit dem Einführungsleiter 40 der Elektrode 42 in Verbindung steht. Ein Verankerungsvorsprung 44 ist an dem unteren Ende des Außenkolbens 12 vorgesehen, so daß darauf eine metallische Hülse 46 angeordnet sein kann, um einen Stab 48 zu haltern, der durch ein Haltestück 50 mit dem Fuß 52 des Entladungskolbens 54 verbunden ist. Die Füße 52 und 56 des Entladungskolbens sind um die Folienteile 28 und 38 herum abgedichtet, um den Innenraum des Entladungskolbens abzudichten.

Der Entladungskolben 54, der in Fig. 2 genauer dargestellt ist, weist einen inneren Kolben aus Glasmaterial auf, wie beispielsweise dünnwandiges, geschmolzenes Siliziumdioxid, das an den entsprechenden Enden abgedichtet ist, wie vorstehend beschrieben, wobei die Elektroden 32 und 42 von den entsprechenden Enden in den Innenraum hineinragen. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Entladungskolben 54 weist der Kolbenmantel ein im wesentlichen halbkugelförmiges Ende 60 mit einem vorbestimmten Radius und ein im wesentlichen halbkugelförmiges Ende 70 auf, dessen Radius größer als der Radius des Endes 60 ist und das damit durch eine konische bzw. verjüngte Wand 72 mit der Form eines im wesentlichen kreisförmigen Drehbogens verbunden ist. Obwohl nur der asymmetrische Entladungskolben gezeigt ist, sei doch darauf hingewiesen, daß in gleicher Weise Lampen mit Entladungskolben verwendet werden können, die eine kreiszylindrische Geometrie haben, bei denen der Radius entlang der Längsachse des Entladungskolbens im wesentlichen konstant ist. Eine geeignete Füllung ist in dem Entladungskolben 54 angeordnet, um während des Betriebs der Lampe für ein den Lichtbogen führendes Medium zu sorgen. Der Einführungsleiter 30 ist bei 62 in dem Entladungskolbenende abgedichtet, und der Einführungsleiter 40 ist in ähnlicher Weise in dem gegenüberliegenden Ende des Entladungskolbens abgedichtet. Die Wolframdrahtelektroden 32 und 42 sind zu der in Fig. 2 gezeigten Form gewickelt und ragen ein vorbestimmtes Stück in den Innenraum des Entladungskolbens hinein, so daß die Verdampfung der Füllmaterialien während des Lampenbetriebs auf dem geeigneten Wert gehalten wird. Die Elektrode 42 ist stark vergrößert in Fig. 3 gezeigt, wobei darauf hingewiesen sei, daß beide Elektroden 32 und 42 in dem Entladungskolben in ähnlicher Weise aufgebaut sind und ähnlich arbeiten. Die Spitze 80 der Wolframelektrode ist mit einer Schicht 82 aus Thorium überzogen. Die Spule 84 aus Wolfram umgibt den Stab 86 der Elektrode 42 und dient dazu, Wärme abzustrahlen und die Elektrode zu kühlen. Ein Infrarot reflektierender Überzug 66 kann auf der äußeren Oberfläche 86 von dem einen Ende des Entladungskolbens 54 angeordnet sein, um dazu beizutragen, daß die Füllmaterialien während des Lampen­ betriebs im Dampfzustand bleiben.

Gemäß der Erfindung wird die Verdampfungsrate des Thoriumjodids an der Wand des Entladungskolbens aufrechterhalten, um so die Gegenwart der Thoriummetallschicht 82 auf der Oberfläche der Elektrodenspitze 80 während des Lampenbetriebs möglichst lange sicherzustellen, um dem Verlust von Wolfram von der Elektrodenoberfläche entgegenzuwirken. Eine ähnliche Schicht aus Thorium ist auf der Elektrodenspitze 64 vorgesehen. Die Elektrode ist aus Wolfram und Thoriummetall oder Thoriumoxid (ThO₂) hergestellt, und die Metallhalogenid-Dosis enthält eine Menge an Thoriumtetrajodid (ThI₄). Während des Betriebs der Lampe verdampfen die Metallhalogenide einschließlich des Thoriumtetrajodids in dem Lichtbogen und kondensieren auf der inneren Oberfläche der Wände des Entladungskolbens, um einen Film zu bilden, der durch Pünktchen 74 angedeutet ist. Die Menge der Überdeckung der inneren Wandoberfläche des Entladungskolbens hängt von der Menge an Füllmaterial innerhalb des Entladungskolbens, die während des Betriebs der Entladungslampe verdampft werden kann, und der Geometrie des Entladungskolbens ab. Die Zusammensetzung der Füllung bestimmt die Materialien in dem Kondensat, das das Innere der Entladungskolbenwände überzieht. Die Füllung enthält normalerweise ein Amalgam von Quecksilber, beispielsweise mit etwa 0 bis etwa 5 Mol-% Kadmiumamalgam, und eine Menge an Metallhalogeniden, normalerweise eine Kombination von Jodiden, beispielsweise Natriumjodid, Scandiumjodid und Thoriumjodid mit vorbestimmten Gewichtsprozenten, plus einer Inertgasfüllung als Zündgas. Die Gesamtmenge der Metall­ halogenide ist so gewählt, daß ein Überschuß an Halogeniden gegenüber der Menge gebildet ist, die während des normalen Betriebs der Lampe verdampft wird, so daß ein gewisser Teil der Metallhalogenide auf der inneren Oberfläche der Entladungskolbenwand kondensiert.

Während des normalen Lampenbetriebs besteht ein Transportzyklus zwischen dem Thoriumtetrajodid (ThI₄) auf den Entladungskolbenwänden und dem Thoriummetall oder Thoriumoxid (ThO₂), das Teil der Lampenelektroden ist. Wenn genügend Thoriumtetrajodid auf den Entladungskolbenwänden abgeschieden ist, wird ein Teil davon kontinuierlich verdampft und bildet eine Quelle für eine Abscheidung von Thoriummetall auf den Lampenelektroden, um einen Überzug aus Thorium auf den Wolframelektroden beizu­ behalten. Eine Aktivierung des Transportzyklus erfordert, daß die Verdampfungsrate von der Elektrodenspitze an Thoriummetall oder ThI_x (x < 4) kleiner ist als die Verdampfungsrate an Thoriumtetrajodid (ThI₄) an den Wänden. Erfindungsgemäß wird während der Lebensdauer der Lampe die Verdampfungsrate an Thoriumtetrajodid (ThI₄) an der Wand größer gehalten als die Rate der Thoriumabfuhr an der Elektrode, insbesondere bei einem Aufbau von Jod aufgrund eines unvermeidbaren Metallverlustes und der Reaktion in dem Entladungskolben während der Lampenlebensdauer, wodurch die Rate bzw. die Geschwindigkeit des Wolframverlustes von der Elektrode verkleinert wird. Eine Verbesserung des Lichtstroms wird dadurch erhalten, daß eine spezielle Menge an ThI₄ zu der Metallhalogenid-Dosis hinzugesetzt wird, um die physikalischen und chemischen Mechanismen zu unterstützen, die dazu führen, daß während der Lampenlebensdauer mehr als übliche Mengen an Thorium auf beiden Elektroden abgeschieden werden. Wenn die Menge an Thoriumtetrajodid pro Ampere Bogenstrom etwa 0,9 mg/A beträgt, werden wesentliche Verbesserungen in der Aufrechterhaltung des Lichtstroms realisiert gegenüber Entladungskolben mit einer ThI₄-Konzentration von etwa 0,4 mg/A. Es wurde beobachtet, daß sich die Verbesserung der Beibehaltung des Lichtstroms abflacht, wenn die ThI₄- Konzentration auf den Bereich von etwa 1,0 mg/A bis etwa 1,5 mg/A für Entladungskolben mit etwa gleichen Gesamtmengen der Metallhalogenid-Dosis ansteigt. Die Größe der Thoriumdosis in der Lampe beeinflußt die Beibehaltung des Lichtstroms, entweder weil die Gegenwart einer Thoriummasse im Gegensatz zu nur einer einzigen Schicht den Wolframverlust weiter unterdrückt und/oder weil ein gewisser Teil des Thoriums zunächst mit den unvermeidlichen Verunreinigungen in dem Entladungskolben reagiert. In jedem Fall gilt aber, daß je mehr Thorium in dem Entladungskolben für einen Transport zur Verfügung steht, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß eine ausreichende Menge zur Elektrodenspitze transportiert wird, um eine massige Abscheidung oder wenigstens eine Überzugsschicht aus Thorium auf der Elektrode sicherzustellen. Die Menge an transportiertem Thorium wird bestimmt durch den Dampfdruck des Thoriums an der Endladungskolbenwand, der seinerseits durch die Oberflächentemperatur des Kondensats auf der Endladungskolbenwand und auch durch die Zusammensetzung des Kondensats bestimmt wird.

Eine Vergrößerung der relativen Konzentration an ThI₄ in der Metallhalogenid-Dosis hat die Tendenz, die ThI₄-Verdampfungs­ geschwindigkeit an der Wand zu vergrößern und den Transport an Thorium zur Elektrode zu begünstigen, bis ein Jodaufbau während der Zeit vom Verlust oder einer Reaktion von anderen Lampenmetallen (beispielsweise Natrium und Scandium) eine Thoriumkondensation auf der Elektrode unterdrückt. Eine Vergrößerung der Gesamtgröße der Metallhalogenid-Dosis stellt sicher, daß genügend Kondensat vorhanden ist, um kleine Risse und andere kalte Teile des Entladungskolbens zu füllen und trotzdem für genügend Kondensat zu sorgen, um sicherzustellen, daß sich eine volle Überdeckung nicht nur lokalisiert über die innere Oberfläche der Entladungskolbenwand bis zu dem Punkt der oberen Elektrode erstreckt, wenn geeignete Entladungskolbengeometrien vorhanden sind. Eine vollständige Überdeckung der Entladungskolbenwand mit Metallhalogenid-Kondensat verhindert eine Abscheidung von Wolframverbindungen auf dem Entladungskolben und die daraus resultierende Verdunkelung der Wand. Eine Überschußdosis stellt auch sicher, daß genügend Thoriumtetra­ jodid auf den Wänden vorhanden ist, um den Thoriumtransport­ zyklus zu unterhalten und einen Überzug aus Thorium auf der Lampenoberfläche beizubehalten. Die Gegenwart von Thorium auf der Elektrodenspitze verkleinert den Wolframverlust, indem es als eine Sperre oder Barriere wirkt und/oder die Elektrodenspitzentemperatur senkt als eine Folge der abgesenkten Arbeit. Eine große Wandüberdeckung aus Kondensat dient als ein Reservoir an Thorium auf der Oberseite des Entladungskolbens, um die Thoriumkonzentration nahe der oberen Elektrode zu vergrößern, um den Thoriumüberzug auf der oberen Elektrode während des Lampenbetriebs zu verbessern. Es wurde gefunden, daß eine Metallhalogenid-Dosis, die eine Menge an Thoriumtetrajodid (ThI₄) in dem Bereich von 3,8 Gew.-% bis zu einer scheinbaren Sättigungsgrenze von 6,0 Gew.-% Metallhalogenid enthält, unabhängig von anderen Lampendesignfaktoren die Beibehaltung des Lichtstroms verbessert gegenüber einer ThI₄-Konzentration von etwa 1,8%. Bei einer Konzentration oberhalb der Sättigungsgrenze kann eine unerwünschte chemische Reaktion zwischen Thorium und anderen Materialien oder Chemikalien des Entladungskolbens entstehen. Für Metallhalogenid-Entladungslampen in dem Bereich von etwa 30 bis etwa 1000 Watt, die mit einem Lichtbogenstrom in dem Bereich von etwa 0,5 A bis zu etwa 3,5 A und bei Spannungen von etwa 80 bis etwa 270 V arbeiten, sorgt die Verwendung einer Metallhalogenid-Dosis mit einer ausreichenden Menge an ThI₄, um ein Verhältnis der Menge an ThI₄ zum Lichtbogenstrom der Lampe in dem Bereich von etwa 0,9 mg/A bis etwa 1,5 mg/A auszubilden, für eine Beibehaltung des Thoriumtransportzyklus und dadurch für eine Verbesserung des Lichtstroms der Lampe (kleinerer Verminderungsfaktor).

In einem speziellen Ausführungsbeispiel sorgte eine Metallhalogenid-Dosiszusammensetzung, die Natriumjodid (NaI) von etwa 85,1 Gew.-%, Scandiumjodid (ScI₃) von etwa 11,1 Gew.-% und Thoriumjodid (ThI₄) von etwa 3,8 Gew.-% enthielt, für eine wesentlich verbesserte Beibehaltung des Lichtstroms unter Verwendung von Standardelektroden in einer Hochintensitäts-Metallhalogenid-Entladungslampe im Vergleich zu einer Dosis, die etwa 85,9% NaI, 12,3% ScI₃ und 1,8% ThI₄ enthielt. Es wurde ein Versuch durchgeführt, um 80 Watt- und 100 Watt-Metallhalogenidlampen mit einer ThI₄- Konzentration in der Metallhalogenid-Dosis von etwa 3,8 Gew.-% mit ähnlichen Lampen zu vergleichen, die eine ThI₄-Konzentration von etwa 1,8 Gew.-% enthielten. Nach 2000 Stunden Dauerbrand zeigten die Lampen mit einer ThI₄-Konzentration von 3,8% eine Beibehaltung des Lichtstroms, die 11,3% höher war als bei den Lampen, die die geringere ThI₄-Konzentration aufwiesen. Dies geschah in einem Fabrikversuch mit verschiedenen Faktoren einschließlich eines Vergleichs der Beibehaltung des Lichtstroms in Abhängigkeit von der ThI₄-Konzentration. Ein ähnliches Experiment wurde durchgeführt unter Verwendung von 125-Watt-Metallhalogenidlampen für einen Betrieb von 3000 Stunden, wobei ein Drittel der Lampen kontinuierlich für 3000 Stunden brannte und zwei Drittel der Lampen in einem Rhythmus von 11 Stunden eingeschaltet und einer Stunde ausgeschaltet für eine Gesamtzeit von 3000 Stunden arbeiteten. Die 125-Watt-Lampen mit einer ThI₄ -Konzentration von 3,8 Gew.-% oder etwa 0,9 mg/A Lichtbogenstrom zeigten einen Vorteil der mittleren Lichtstromerhaltung bei 3000 Stunden von etwa 12,6% gegenüber den Lampen mit einer ThI₄-Konzentration von etwa 1,8 Gew.-% oder etwa 0,4 mg/A.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine wesentliche Verbesserung in der Lichtstromerhaltung von Metallhalogenid-Entladungslampen durch die Erfindung erreicht wurde, wonach verschiedene Faktoren des Metallhalogenid- Lampendesign verwendet werden, um den Thoriumtransportzyklus zu verbessern und zu unterstützen.

Claims (3)

1. Metallhalogenid-Entladungslampe hoher Intensität mit einem hermetisch gekapselten, lichtdurchlässigen, gläsernen Entladungskolben (54), Wolfram und Thorium oder Thoriumoxid umfassenden Elektroden (32, 42), die in den Enden des Entladungskolbens abgedichtet eingeführt sind, Einführungsleitern (30, 40), die durch Quetschdichtungen an den Enden des Entladungskolbens hindurchführen und die Elektroden mit einer elektrischen Energiequelle verbinden, und einem die Entladung unterhaltenden Medium, das in dem Entladungskolben angeordnet ist und eine Menge an Amalgam, das bis zu etwa 5 Mol.-% Cadmium enthalten kann, eine Menge eines inerten Gases als Zündgas und eine Metallhalogenid-Dosis umfaßt, die eine Kombination von Metallhalogeniden einschließlich Thoriumtetrajodid aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhandene Menge an Thoriumtetrajodid die während des normalen Betriebes verdampfte Menge übersteigt und im Bereich von 3,8 bis 6,0 Gew.-% der gesamten Metallhalogenid-Dosis sowie im Bereich von 0,9 bis 1,5 mg pro A Bogenstrom liegt, um einen Thoriumüberzug auf mindestens dem Endabschnitt der Spitze der Elektroden aufrecht zu erhalten.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenid-Dosis eine Mischung von Thoriumtetrajodid, Natriumjodid und Scandiumjodid umfaßt.

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenid-Dosis aus 85,1 Gew.-% Natriumjodid, 11,1 Gew.-% Scandiumjodid und 3,8 Gew.-% Thoriumtetrajodid besteht.