DE3842483A1

DE3842483A1 - Metalldampfentladungslampe

Info

Publication number: DE3842483A1
Application number: DE3842483A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Matsuura; Kazuo Honda; Hisanori Sano; Shinji Inukai
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1989-06-29
Also published as: KR910009664B1; GB8829303D0; KR890011003A; US4998036A; GB2211347A; GB2211347B

Description

Die Erfindung betrifft eine einseitig (oder am einen Ende) verschmolzene Metalldampfentladungslampe, insbeson dere eine derartige Miniatur-Metallhalogenidlampe.

Hochleistungs-Entladungslampen werden herkömmlicherweise für Außen- und Fabrikbeleuchtung eingesetzt, doch werden sie zunehmend auch für Innen(raum)beleuchtungszwecke in Bauwerken mit niedriger Deckenhöhe, wie Ladengeschäfte, verwendet. Als Hochleistungs-Entladungslampe wird häufig insbesondere eine Metallhalogenidlampe in miniaturisierter Form im Hinblick auf ihre hohe Lichtausbeute und ihre hohe Farbleistung (rendition) auf den angegebenen Ein satzgebieten verwendet. Für die Miniaturisierung von Hoch leistungslampen befinden sich derzeit einseitig ver schmolzene Quarzdoppelkolbenlampen in Entwicklung, weil es sich als schwierig erwiesen hat, den genannten Zweck mit beidseitig verschmolzenen Kolbenkonstruktionen zu er füllen.

Eine derartige Lampe bietet den Vorteil, daß sie miniaturi siert werden kann, weil ihre Lichtbogen- und Außenröhren an einem einzigen Ende verschlossen bzw. verschmolzen sind; außerdem besitzt sie eine ausgezeichnete Wärmebe ständigkeit, weil die (der) Außenröhre oder -kolben eben falls aus Quarzglas besteht.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer Lichtbogenröhre für eine einseitig verschmolzene Metall halogenidlampe.

Gemäß Fig. 1 umfaßt der Lichtbogenröhren-Kolben 4 einen im wesentlichen sphärischen Entladungsabschnitt 5, der einen Entladungsbereich 1 festlegt, und einen Schmelzab schnitt 6 an der einen Seite. Der Kolben 4 enthält ein Edelgas, Quecksilber und ein Metallhalogenid in vorbe stimmten Mengen für Startzwecke. Innerhalb des Entladungs bereichs 1 sind Elektroden 7 a, 7 b einander gegenüber stehend angeordnet und an ihren Endabschnitten mit in den Schmelzabschnitt 6 eingelassenen Metallfolien 8 a bzw. 8 b verbunden. Mit dem jeweiligen einen Ende an die Metall folien 8 a, 8 b angeschlossene Zuleitungen 9 a bzw. 9 b sind mit ihren anderen Enden einem externen elektrischen Strom kreis zugeordnet. Im Entladungsabschnitt 5 sind hinter den Elektroden 7 a, 7 b festgelegte Abschnitte 12 a bzw. 12 b in der Nähe von Schulterabschnitten 6 a bzw. 6 b des Schmelz abschnitts 6 angeordnet. Durch Einbeziehung der Licht bogenröhre in den Außenkolben aus Quarzglas ist es mög lich, eine Metallhalogenidlampe zu realisieren.

Wenn die Metallhalogenidlampe eingeschaltet wird, ent steht über die bzw. zwischen den Elektroden 7 a, 7 b ein Lichtbogen. Der Lichtbogen ist dabei nicht der Innenwand der Abschnitte 12 a, 12 b zugewandt, so daß die Innenwand der Abschnitte 12 a, 12 b im Vergleich zu dem dem Licht bogen zugewandten (bzw. von ihm beaufschlagten) Abschnitt weniger Wärme empfängt und daher die kühlste Zone der Innenwand des Kolbens 4 darstellt. Die Temperatur dieser kühlsten Zone wird weiterhin durch Wärmeabsorption oder -aufnahme von den anschließenden Schulterabschnitten 6 a, 6 b herabgesetzt. Infolgedessen verringert sich der durch die Temperatur in der kühlsten Zone bestimmte Druck in der Lichtbogenröhre, was einen ungünstigen Einfluß auf die Lampeneigenschaften, wie Lichtausbeute und Farb(abgabe) leistung (color rendition) hat.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer ein seitig verschmolzenen Metalldampfentladungslampe, bei wel cher ein Temperaturabfall an der kühlsten Zone eines Kolbens vermieden wird und die Lampeneigenschaften, wie Lichtausbeute und Farbleistung, verbessert sind.

Diese Aufgabe wird bei einer einseitig verschmolzenen Metalldampfentladungslampe, umfassend eine Lichtbogen röhre mit einem Kolben, der einen einen Entladungsbereich festlegenden Entladungsabschnitt und einen Schmelzab schnitt mit einem neben dem Entladungsabschnitt gelegenen Schulterabschnitt aufweist, und zwei Elektroden, die an den einen Enden zwei einander gegenüberstehende Elektroden teile aufweisen und die sich aus dem Schmelzabschnitt zum Entladungsbereich hin erstrecken, sowie eine(n) die Licht bogenröhre umschließende(n) Außenröhre oder -kolben, er findungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Querschnittsform des Kolbens einen Einschnürungspunkt an einer Grenzfläche zwischen dem Entladungsabschnitt und dem Schmelzabschnitt aufweist, daß eine die Zentren der beiden Elektrodenteile verbindende Gerade ℓ einen Winkel von 15-45° gegenüber einer Geraden L festlegt, welche den Einschnürungspunkt mit einem Mittelpunkt der Geraden ℓ verbindet und der Schulterabschnitt in bezug auf die Gerade L (als Referenz) an einer von der Seite der Geraden ℓ abgewandten Seite angeordnet ist.

Bei einer Metalldampfentladungslampe mit dem oben ge schilderten Aufbau liegt der Schulterabschnitt des Licht bogen-Schmelzabschnitts an einer von der kühlsten Zone an der Innenfläche des Kolbens, die hinter dem Spitzenteil der Elektrode angeordnet ist, entfernten Stelle, wodurch ein weiteres Abkühlen der kühlsten Zone vermieden wird. Der Wärmeverlust über den Schmelzabschnitt kann verringert werden, weil es dabei möglich ist, die Gesamtoberfläche des Schmelzabschnitts zu verkleinern. Auf diese Weise wird ein Druckabfall in der Lichtbogenröhre verhindert; infolgedessen wird eine Metalldampfentladungslampe ausge zeichneter Lampeneigenschaften gewährleistet.

Durch Einstellung der Größe eines Verhältnisses I(Ampere)/d(mm) derart, daß sie der Beziehung 2,4 ≦d/I≦ 3,27 genügt, kann der Lumen- bzw. Lichtleistungserhal tungsfaktor unabhängig davon erhöht sein, daß die Beziehung W _L (Watt)/S (cm²) eine Größe von 20-70 aufweist. Vor stehend sind mit I (Ampere) ein Lampenstrom bei mit sta biler Leistung (level) leuchtender Lampe, mit d (mm) der Drahtdurchmesser der Elektrode, mit W _L(Watt) eine Ein gangs(strom)leistung und mit S (cm²) eine Innenoberfläche der Lichtbogenröhren bezeichnet. Demzufolge kann die Be triebslebensdauer der Lampe verbessert sein.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer herkömmlichen, ein seitig verschmolzenen Miniatur-Metallhalogenid lampe,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer einseitig verschmolzenen Miniatur-Metallhalogenidlampe gemäß der Er findung und

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt ansicht einer Lichtbogenröhre (arc tube) der Lampe nach Fig. 2.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine 150 W-Metall halogenidlampe gemäß der Erfindung, während Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Längsschnitt durch eine Lichtbogenröhre der Metallhalogenidlampe gemäß Fig. 2 zeigt. Gemäß Fig. 2 ist die Lichtbogenröhre 12 in eine Außenröhre bzw. einen Außenkolben 11 aus Quarzglas eingeschlossen. Ein nicht dargestellter Metallsockel ist auf den am einen Ende des Außenkolbens 11 ausgebildeten Schmelzabschnitt 13 (kappenartig) aufgesetzt.

Ein Lichtbogenröhren-Kolben 14 aus Quarzglas bildet eine Umhüllung für die Lichtbogenröhre 12 und umfaßt einen im wesentlichen blasenartigen oder elliptischen Entladungs abschnitt 15, der einen Entladungsraum 15 a festlegt, und einen nur am einen Ende angeformten Schmelzabschnitt 16, wobei das Volumen des Kolbens 14 0,5 cm³ beträgt. Im Ent ladungsraum 15 a sind zwei Elektroden 17 a, 17 b vorgesehen, deren Spitzenteile 17 c bzw. 17 d in einem Abstand von etwa 6,5 mm voneinander angeordnet sind. Der andere Endab schnitt jeder Elektrode 17 a, 17 b ist in den Schmelzab schnitt 16 eingeschmolzen. Die Elektroden 17 a und 17 b be stehen aus einem thorierten Wolframdraht eines Durch messers von z.B. 0,6 mm, wobei ihre Spitzenteile 17 c, 17 d gewendelt sind. Die anderen, in den Schmelzabschnitt 16 eingeschmolzenen Endabschnitte der Elektroden 17 a und 17 b sind mit Metallfolien 18 a bzw. 18 b verbunden, die aus z.B. Molybdän bestehen und in den Schmelzabschnitt 16 eingelassen sind. Lichtbogenröhren-Zuleitungen 19 a, 19 b sind innerhalb des Schmelzabschnitts 16 an die Metall folien 18 a bzw. 18 b angeschlossen und aus dem Schmelzab schnitt 16 in den Außenkolben-Schmelzabschnitt 13 heraus geführt, wo die Zuleitungen 19 a, 19 b an Metallfolien 20 a bzw. 20 b angeschlossen sind. Außenkolben-Zuleitungen 21 a, 21 b sind an die Metallfolien 20 a bzw. 20 b angeschlossen.

Die Spitzenteile 17 c und 17 d der Elektroden 17 a bzw. 17 b brauchen nicht unbedingt, wie angegeben, wendelförmig zu sein, sondern können auch linear ausgebildet sein. Die Spitzenteile 17 c und 17 d können mit den Elektroden 17 a bzw. 17 b materialeinheitlich oder getrennt von ihnen aus gebildet sein. Im letzteren Fall sind die Spitzenteile 17 c und 17 d auf zweckmäßige Weise mit den Elektroden 17 a bzw. 17 b verbunden.

Die Lichtbogenröhre 12 enthält ein Edelgas, Quecksilber und ein Metallhalogenid in vorbestimmten Mengen für Start zwecke. Als Metallhalogenid kann z.B. SnI₂, TℓI, NaI, LiI, InI, NaBr und LiBr verwendet werden.

Der Lichtbogenröhren-Kolben 14 besitzt eine solche Quer schnittsform, daß er einen Einschnürungspunkt A an einer Grenzfläche zwischen dem Entladungsabschnitt 15 und dem Schmelzabschnitt 16 festlegt. Eine das Zentrum des Spitzen teils 17 c der Elektrode 17 a mit dem Zentrum des Spitzen teils 17 d der Elektrode 17 b verbindende Gerade ℓ liegt unter einem Winkel R von 35° zu einer Geraden L, die zwi schen dem Einschnürungspunkt A und einem Mittelpunkt C der Geraden (oder Linie) ℓ verläuft wobei ein Schulter abschnitt 16 a des Schmelzabschnitts 16 in bezug auf die Gerade L als Referenzlinie auf einer von der Seite der Geraden ℓ abgewandten Seite liegt. Das gleiche gilt auch für den anderen Schulterabschnitt (16 b).

Wenn die beschriebene Metallhalogenidlampe leuchtet, tritt kein Temperaturabfall an bzw. in den kühlsten Zonen (12 a, 12 b) auf, weil durch die Schulterabschnitte 16 a und 16 b weniger Wärme absorbiert wird, d.h. weil die Ab schnitte 12 a, 12 b am Entladungsabschnitt, die hinter den Elektroden 17 a, 17 b liegen, die kühlsten Zonen der Innen fläche des Lichtbogenröhren-Kolbens darstellen und in einer von den Schulterabschnitten 16 a, 16 b des Schmelzab schnitts 16 entfernten Position angeordnet sind. Weiterhin wird der Wärmeverlust über die Gesamtoberfläche des Schmelzabschnitts 16 hinweg kleiner, weil der angegebene Winkel R eine Größe von 35° besitzt und damit die Gesamt oberfläche des Schmelzabschnitts 16 verkleinert ist. Durch diese beiden Funktionen (bzw. Faktoren) wird unter Verbesserung der Lampeneigenschaften ein Druckabfall in der Lichtbogenröhre verhindert.

Die Lichtausbeute der vorstehend beschriebenen Lampe wurde für unterschiedliche Winkel R gemessen; die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.

R (°)
Lichtausbeute (ℓm/W)
45
86
35	84
15	80
0	72

Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Lichtausbeute mit sich vergrößerndem Winkel R verbessert wird; beispielsweise ist die Lichtausbeute bei R = 15° höher als bei R=0°.

Bei einem Winkel R von mehr als 45° muß allerdings die seitliche bzw. Querbreite des Schmelzabschnitts 16 ver kleinert werden; in diesem Fall verlagert sich beim Ver schmelzvorgang geschmolzener Quarz in zunehmender Menge einwärts, so daß es unmöglich wird, die Molybdänfolien 18 a und 18 b in der richtigen Position einzuschmelzen, weil ein Fließen im geschmolzenen Quarz auftritt. Es ist somit schwierig, einen für die gewünschten, zu erzielenden Lampeneigenschaften erforderlichen Elektroden-Elektroden- Abstand sicherzustellen, wobei im ungünstigsten Fall eher ein Kurzschluß über die bzw. zwischen den Molybdänfolien 18 a und 18 b auftritt. Aus diesem Grund ist es erforder lich, den angegebenen Winkel R bei 15°-45° zu halten.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen, beidseitig verschmol zenen Lampe wird die erfindungsgemäße, einseitig ver schmolzene Miniatur-Metalldampfentladungslampe bei hoher Lampenlast oder -belastung, d.h. unter erschwerter Be dingung, zum Aufleuchten gebracht, wodurch die Lichtaus beute verbessert wird. Dies bedeutet, daß die einseitig verschmolzene Miniatur-Metalldampfentladungslampe bei hoher Last bzw. Belastung von WL(Watt)/S (cm²) = etwa 20-70 leuchtet, wobei mit WL(Watt) die Eingangsleistung und mit S (cm²) die Innenoberfläche der Lichtbogenröhre bezeichnet sind. Unter einer solchen erschwerten Bedingung tritt eine frühzeitige Schwärzung in der Lichtbogenröhre auf, wodurch der Lumen- oder Lichtleistungserhaltungsfak tor unter Verkürzung der Betriebslebensdauer der Lampe herabgesetzt wird.

Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Lampe beträgt der Lampenstrom I, bei dem die Lampe mit stabiler Lei stung leuchtet, z.B. 1,8 A, wobei die Lampeneingangs oder -aufnahmeleistung W 150 W beträgt. Da S = 3,5 cm² gilt, beträgt die Lampenlast oder -belastung pro Innen oberflächeneinheit der Lichtbogenröhre etwa 43 W/cm², und dieser Wert ist mehr als doppelt so groß wie derjenige der herkömmlichen, beidseitig verschmolzenen Metall halogenidlampe. Der Grund hierfür besteht darin, daß zur Verbesserung der Lichtausbeute die Röhren- oder Kolben wandbelastung größer gewählt ist als bei der herkömm lichen, beidseitig verschmolzenen Lampe. Dies führt zu dem vorstehend angegebenen Nachteil.

Erfindungsgemäß wurden verschiedene Versuche mit dem Ziel der Verbesserung des Lichterhaltungsfaktors (lumen maintenance factor) durchgeführt, wobei festgestellt wurde, daß der Drahtdurchmesser der Elektrode einen größeren Einfluß auf den Lichtleistungserhaltungsfaktor ausübt.

Mit größerem Drahtdurchmesser der Elektrode vergrößert sich im allgemeinen die Wärmekapazität, so daß die Elek trodentemperatur abnimmt und die Streuung von Elektroden material auf die Röhren- bzw. Kolbenwand gemildert wird. Auf diese Weise kann die "Schwärzung" verringert werden. Wenn der Drahtdurchmesser zu groß wird, verringert sich bekanntlich die Elektrodentemperatur zu einem übermäßigen Grad, so daß beispielsweise die Lampe erlischt oder der Halogenkreislauf nachteilig beeinflußt wird.

Erfindungsgemäß wurden verschiedene Versuche mit der an gegebenen 150 W-Metallhalogenidlampe durchgeführt und eine Beziehung des Drahtdurchmessers der Elektroden zum Lichtleistungserhaltungsfaktor nach einer Leuchtdauer der Lampe von 1000 Stunden untersucht. Die Versuchsergeb nisse sind in nachstehender Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2

Wenn gemäß Tabelle 2 der Drahtdurchmesser d der Elektrode mit mehr als 0,55 mm gewählt wird, d.h. wenn das Verhält nis I (Ampere)/d (mm) von Lampenstrom zu Elektrodendraht durchmesser bei mit Nennleistung leuchtender Lampe auf unter 3,27 eingestellt ist, kann der Lichtleistungserhal tungsfaktor nach 1000stündiger Leuchtdauer der Lampe auf einer praktischen Größe von mehr als 80% gehalten werden.

Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß der Elektroden drahtdurchmesser d nicht über einen Grenzwert hinaus ver größert werden kann, weil sich mit zunehmendem Elektroden drahtdurchmesser d die Wärmekapazität der Elektrode ver größert, so daß die Lampe möglicherweise zu einem Er löschen neigt. Unter Berücksichtigung des Erlöschens der Lampe aufgrund einer Änderung oder Schwankung in der Stromquellenspannung ist es vom praktischen Standpunkt wünschenswert, daß das Verhältnis Löschspannung/Nennspan nung unter 90% liegt. Demzufolge ist es nötig, daß der I/d-Wert mehr als 2,4 beträgt.

Der oben genannte Nachteil kann ausgeschaltet werden, in dem das Verhältnis I (Ampere)/d (mm) bei mit stabiler Lei stung leuchtender Lampe so gewählt wird, daß es folgender Beziehung genügt:

2,4 ≦ I/d ≦ 3,27

Diese Beziehung gilt nicht nur für eine 150 W-Metall halogenidlampe, sondern auch für Lampen anderer Nennlei stungen.

Wie vorstehend beschrieben, kann bei der erfindungsgemäßen Metalldampfentladungslampe ein Temperaturabfall in der kühlsten Zone an der Innenfläche des Lichtbogenröhren- Kolbens vermieden oder verhindert werden, so daß der in der Lichtbogenröhre herrschende Druck stets auf einer zweckmäßigen Größe gehalten werden kann. Auf diese Weise wird somit eine Metalldampfentladungslampe ausgezeichneter Lampen- bzw. Leuchteigenschaften realisiert.

Durch Einstellung des Verhältnisses I/d auf eine vorbe stimmte Größe kann - wie erwähnt - insbesondere der Licht leistungserhaltungsfaktor unabhängig von einer hohen Last oder Belastung von 20-70 verbessert werden. Demzufolge kann die Betriebslebensdauer der Lampe verlängert werden.

Claims

1. Einseitig verschmolzene Metalldampfentladungslampe, umfassend
eine Lichtbogenröhre (12) mit einem Kolben, der einen einen Entladungsbereich festlegenden Entladungsab schnitt (15) und einen Schmelzabschnitt (16) mit einem neben dem Entladungsabschnitt (15) gelegenen Schulter abschnitt (16 a, 16 b) aufweist, und zwei Elektroden (17 a, 17 b), die an den einen Enden zwei einander gegen überstehende Elektrodenteile (17 c, 17 d) aufweisen und die sich aus dem Schmelzabschnitt (16) zum Entladungs bereich hin erstrecken, sowie
eine(n) die Lichtbogenröhre umschließende(n) Außenröhre oder -kolben,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Querschnittsform des Kolbens einen Einschnürungspunkt (A) an einer Grenz fläche zwischen dem Entladungsabschnitt (15) und dem Schmelzabschnitt (16) aufweist, daß eine die Zentren der beiden Elektrodenteile verbindende Gerade ℓ einen Winkel von 15-45° gegenüber einer Geraden L fest legt, welche den Einschnürungspunkt (A) mit einem Mit telpunkt (C) der Geraden ℓ verbindet, und der Schulter abschnitt (16 a, 16 b) in bezug auf die Gerade L (als Referenz) an einer von der Seite der Geraden ℓ abge wandten Seite angeordnet ist.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenröhre (arc tube) (12) ein Edelgas, Queck silber und ein Metallhalogenid enthält.

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhalogenid aus der Gruppe SnI₂, TlI, NaI, LiI, InI, NaBr und LiBr gewählt ist.

4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile (17 c, 17 d) wendelförmig ausgebildet sind.

5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile (17 c, 17 d) linear bzw. geradlinig aus gebildet sind.

6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Endabschnitte der Elektroden (18 a, 18 b) in den Schmelzabschnitt (16) des Kolbens eingeschmolzen sind.

7. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schmelzabschnitt zwei Metallfolien (18 a, 18 b) ein gelassen sind, die mit den anderen Enden der Elek troden (17 a, 17 b) verbunden sind, und daß zwei Außen kolben-Zuleitungen (19 a, 19 b) am einen Ende mit den jeweiligen Metallfolien (18 a, 18 b) verbunden und mit ihren anderen Enden aus der Lichtbogenröhre (12) heraus geführt sind.

8. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17 a, 17 b) und die Elektrodenteile (17 c, 17 d) materialeinheitlich (miteinander) ausgebildet sind.

9. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (17 a, 17 b) und die Elektrodenteile (17 c, 17 d) voneinander getrennt ausgebildet und miteinander verschweißt sind.

10. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Größe eines Verhältnisses WL(Watt)/S (cm²) 20-70 beträgt und eine Größe (eines Verhältnisses) I (Ampere)/ d (mm) folgender Gleichung bzw. Beziehung genügt: 2,4 ≦ I/d ≦ 3,27,wobei bedeuten:
WL (Watt) = Eingangs- oder Aufnahmeleistung
S (cm²) = Innenoberfläche der Lichtbogenröhre (12)
I (Ampere) = Lampenstrom bei mit stabiler Leistung leuchtender Lampe
d (mm) = Drahtdurchmesser der Elektrodenteile (17 c, 17 d).