DE4013039A1 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentla­ dungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Lampen werden bevorzugt in der Allgemein­ beleuchtung eingesetzt. Sie besitzen eher niedrige Leistungsaufnahmen von ca. 35 bis 400 W, u. U. auch mehr. Typische Leistungsstufen sind 35, 70 oder 150 W. Die Lampen sind normalerweise zweiseitig gequetscht und von einem Außenkolben umgeben. Es sind jedoch auch einseitig gequetschte Ausführungen möglich.

Diese Lampen sind in drei verschiedenen Lichtfarben erhältlich:

• - eine warmweiße Lichtfarbe (WDL) entsprechend einer Farbtemperatur von ca. 3100 K, die sich besonders für die Innenbeleuchtung und bei rela­ tiv kleinen Leistungsstufen (z. B. 70 W) eignet
• - eine neutralweiße Lichtfarbe (NDL) entsprechend einer Farbtemperatur von typisch 4300 K, die sich ebenfalls für die Innenraumbeleuchtung, insbesondere bei mittleren Leistungsstufen (z. B. 150-400 W), eignet
• - eine tageslichtähnliche Lichtfarbe (D) entspre­ chend einer Farbtemperatur von mindestens 5000 K, die speziell für Außenbeleuchtung und mittlere bis höhere Leistungsstufen (z. B. 250 W und mehr) gedacht ist.

Kriterien für die Tauglichkeit in der Allgemeinbe­ leuchtung sind insbesondere eine lange Lebensdauer (6000 Std.) und eine möglichst gute Farbwiedergabe, die sich in einem hohen Ra-Index ausdrückt. Der Gesamtfarbindex Ra₈ soll bei mindestens 85 liegen. Daneben steht derzeit die Verbesserung des Einzel­ index R9 für die Wiedergabe im roten Spektralbe­ reich im Blickpunkt des Interesses. Es ist bisher nicht gelungen, einen zufriedenstellenden Kompromiß zwischen langer Lebensdauer und guter Farbwiederga­ be auch im roten Spektralbereich zu finden. Dies gilt insbesondere für Füllungen mit warmer Licht­ farbe.

Aus den "Technisch-wissenschaftlichen Abhandlungen der OSRAM-Gesellschaft" (TWAOG), Bd. 12, Springer Verlag, Heidelberg, 1986, S. 11 ff, sind Füllungen für zweiseitig gequetschte Metallhalogenid-Entla­ dungslampen mit einer Leistung zwischen 70 und 250 W bei den drei obengenannten Lichtfarben be­ kannt. Während für die D- und NDL-Lichtfarbe eine Füllung aus Quecksilber und den Jodiden von Dyspro­ sium, Holmium, Thulium sowie Natrium bzw. Cäsium und schließlich Thallium verwendet wird (s. a. DE-PS 21 06 447), findet bei der WDL-Lichtfarbe eine Füllung aus Quecksilber und den Jodiden bzw. Bromiden von Zinn, Indium, Lithium, Natrium und Thallium Anwendung (s. a. DE-PS 26 55 167). Bei der 70 W-Lampe mit WDL-Füllung werden deshalb keine Seltenerd-Halogenide verwendet, weil sich zeigte, daß die warmweiße Lichtfarbe (WDL) mit Seltenen Erden (SE) - unter Verwendung von Natrium- und Thallium-Zusätzen - erst bei so hohen Wandbelastun­ gen (< 20 W/cm²) erreicht würde, daß die Lampenle­ bensdauer durch chemische Reaktionen der Füllsub­ stanzen mit dem Quarzglas beeinträchtigt würde.

Es ist zum einen unbefriedigend, verschiedene Füllungen für die unterschiedlichen Lichtfarben verwenden zu müssen, zum anderen läßt die Farbwie­ dergabe im Roten bei diesen Füllungen zum Teil sehr zu wünschen übrig. Sie liegt beispielsweise für die WDL-Lichtfarbe in etwa bei R9=-90 und für die NDL-Lichtfarbe bei R9=-30. Weitere Nachteile dieser Lampen sind ein relativ niedriger Gesamt­ farbindex für WDL-Lampen (Ra₈=75), eine niedri­ ge Lichtausbeute (ca. 68 lm/W), insbesondere bei WDL- und NDL-Lampen, und schließlich eine hohe Streuung der Farbtemperatur bei allen drei Licht­ farben. Eine Natrium-Zinn-Füllung hat zudem den Nachteil, daß sie zu einer verstärkten Elektroden­ korrosion führen könnte, was durch eine spezielle Elektrodenkonstruktion verhindert werden muß (TWAOG, Bd. 12, S. 65 ff).

In der EP-OS 2 15 524 wird vorgeschlagen, diese Probleme dadurch zu lösen, daß ein keramisches Entladungsgefäß verwendet wird. Außerdem müssen mehrere geometrische Beziehungen im Hinblick auf den Entladungsraum und die Elektroden eingehalten werden. Auf diese Weise ist es möglich, auch für niedrige Farbtemperaturen neben den bewährten Komponenten Natrium und Thallium entweder Indium oder Seltenerd-Metallhalogenide zu verwenden. Diese Lösung ist theoretisch zwar sehr elegant, in der Praxis jedoch schon allein dadurch unbefriedigend, daß die Verwendung keramischen Materials mit erheb­ lichen Problemen und Mehrkosten verbunden ist. Dies gilt insbesondere für die Dichtigkeit der Durchfüh­ rung und die Entwicklung von halogenbeständigen Glasloten und Stromzuführungen.

Schließlich ist aus der DE-OS 22 01 831 und der US-PS 37 98 487 eine auf Lichtausbeute optimierte Entladungslampe mit Quarzglaskolben bekannt, die als Füllung neben Quecksilber ein Praseodym-, Neodym- oder Cerhalogenid in einer Gesamtmenge von 1,4×10^-6 bis 5,4×10^-5 Mol/cm Elektrodenabstand sowie Cäsiumhalogenid in einer Menge von 3,5×10^-7 bis 5,4×10^-5 Mol/cm Elektrodenabstand enthält.

Die extrem hohe Lichtausbeute dieser Lampe (140 lm/W) ist jedoch zwangsläufig korreliert mit einem schlechten Gesamtfarbindex Ra₈ und insbeson­ dere mit einem sehr schlechten Rotindex R9. Darauf deuten auch die angegebenen "cold-spot"-Temperatu­ ren von lediglich ca. 600°C hin. Im Endeffekt zeigt diese Lampe einen starken Grünstich aufgrund der Cer-Strahlung im Wellenlängenbereich 480-580 nm. Eine solche Lampe ist daher für die Zwecke der Allgemeinbeleuchtung ungeeignet, wo die Optimierung der Farbwiedergabe auf Kosten der Lichtausbeute im Vordergrund steht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Füllung für eine Hochdruckquecksilberdampfentla­ dungslampe mit Metallhalogenidzusatz anzugeben, die sich in der Allgemeinbeleuchtung für einen weiten Bereich von Lichtfarben gleichermaßen eignet und insbesondere auch für warmweiße Lichtfarben angewendet werden kann und die eine gute Farbwie­ dergabe im roten Spektralbereich ermöglicht, ohne daß die Lebensdauer darunter leidet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Fül­ lung ist, daß sie nicht notwendigerweise auf kera­ mische Entladungsgefäße angewiesen ist, sondern sich auch für Quarzglaskolben eignet.

Ein weiterer besonders vorteilhafter Aspekt ist, daß mit dieser Füllung Lampen mit neutralweißer Lichtfarbe hergestellt werden können, bei denen das Natrium vollständig durch Cäsium ersetzt wird. Dadurch ist es erstmals möglich, diese Lampen mit einseitig gesockeltem Außenkolben auszurüsten, was bis jetzt durch gravierende Probleme mit der Natri­ umdiffusion verhindert wurde.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß das Thallium, das bisher zur Farbortkorrektur benutzt wurde, jetzt durch die Seltenen Erden Cer und/oder Praseodym und/oder Lanthan ersetzt wird. Thallium ist im Grünen ein Linienstrahler. Das hat zur Folge, daß bei Unterlast-Betrieb die Lampen grün wirken, weil die anderen Füllsubstanzen (im wesentlichen Seltene Erden, wie Dysprosium, Holmium, Thulium) im Vergleich zu Thallium einen wesentlich kleineren Dampfdruck bei vergleichbaren Temperaturen besitzen. Eine weitere Konsequenz dieser "Unverträglichkeit" ist die hohe Farbstreu­ ung dieser Lampen, die jetzt um mehr als die Hälfte reduziert worden ist. Der Ersatz des - überdies giftigen - Thalliums durch die Seltenen Erden Cer, Praseodym oder Lanthan hat den großen Vorteil, daß diese Elemente ebenfalls ein Viellinienspektrum und einen vergleichbaren Dampfdruck wie die anderen Seltenen Erden Dysprosium, Holmium, Thulium besit­ zen. Darüber hinaus scheinen die bisherigen Ergeb­ nisse zu beweisen, daß der negative Einfluß des Thalliums auf das Betriebsverhalten (insbesondere die Farbeigenschaften) in Fachkreisen unterschätzt worden ist. Es ist allerdings derzeit noch unklar, worauf dies konkret zurückzuführen ist. Erst durch die Erfindung ist es jedenfalls möglich geworden, Seltene Erdmetall-Füllungen insbesondere auch für warmweiße Lichtfarben zu verwenden und gleichzeitig - unter Verwendung eines Quarzglaskolbens - eine sehr hohe Lebensdauer von typisch 6000 Std. zu erzielen.

Dies schließt jedoch den Einsatz der erfindungsge­ mäßen Füllung bei einem keramischen Entladungsgefäß nicht aus. Bei einer cold-spot-Temperatur von 1000-1100°C läßt sich mit der erfindungsgemäßen Füllung ein Gesamtfarbindex von Ra₈=95 und ein Rotindex R9 von < 80 erzielen.

Schließlich eröffnet sich durch die Kombination der beiden Gruppen von Seltenerd-Metallen auch die Möglichkeit, das problematische Natriumhalogenid zumindest teilweise auch bei neutralweißen und warmweißen Lichtfarben durch Cäsium zu ersetzen und so einen günstigen Einfluß auf die das Quarz­ glas schädigenden Natrium-Seltenerd-Komplexe des Dysprosium oder Thulium zu nehmen. Für warmweiße Lichtfarben ist ein Molverhältnis AM-H : SE-H von 70 : 30 bis 90 : 10 besonders vorteilhaft, wobei als Alkalimetall überwiegend Natrium verwendet wird. Entsprechende Werte für neutralweiße bzw. tages­ lichtähnliche Lichtfarben sind 18 : 82 bis 55 : 45 resp. 10 : 90 bis 50 : 50, wobei als Alkalimetall für neutralweiße Lichtfarben Natrium und/oder Cäsium verwendet wird, während bei tageslichtähnlichen Lichtfarben vornehmlich Cäsium Anwendung findet. Vom Aspekt der Lichtausbeutesteigerung allein her gesehen, haben Messungen gezeigt, daß eine optimale Dampfdruckverstärkung durch Bildung komplexer Halogenidverbindungen bei einem Verhältnis AM-H : SE-H von 25 : 75 bis 50 : 50 erzielt wird.

Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn Dysprosium alleine oder Dysprosium und Thulium gemeinsam eingesetzt werden, da dies am besten zu einem Viellinienspektrum mit breitem Kontinuum führt. Eventuell kann überdies Holmium hinzugefügt werden. Bevorzugt wird Cer alleine als Seltenerd- Metall der "zweiten Gruppe" zur Farbkorrektur verwendet, da sein Farbort am weitesten oberhalb des Planck'schen Kurvenzugs liegt. Als Halogen wird bevorzugt Jod eingesetzt aus Gründen des hohen Dampfdrucks und der geringen Aggressivität der Füllung. Daneben ist aber auch die Verwendung von Brom vorgesehen.

Als weitere Zusatzstoffe für die Füllung eignen sich insbesondere die an sich bekannten HgJ₂ und/oder HgBr₂.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer zweiseitig gesockel­ ten Hochdruckentladungslampe mit zweiseitig gequetschtem Entladungsgefäß,

Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem Spektrum einer 70 W-Lampe mit vorbekannter (gestri­ chelt) und erfindungsgemäßer (durchgezogen) Füllung,

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer einseitig gesockel­ ten Hochdruckentladungslampe mit zweiseitig gequetschtem Entladungsgefäß.

Die in Fig. 1 dargestellte 70 W-Hochdruckentla­ dungslampe 1 besteht aus einem zweiseitig ge­ quetschten Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das von einem zweiseitig gesockelten evakuierten Außenkol­ ben 3 umschlossen ist. Die Elektroden 4, 5 - sche­ matisch dargestellt - sind mittels Folien 6, 7 gasdicht in das Entladungsgefäß 2 eingeschmolzen und über die Stromzuführungen 8, 9, die Dichtungs­ folien 10, 11 des Außenkolbens 3 und über weitere kurze Stromzuführungen mit den elektrischen An­ schlüssen der Keramiksockel (R7s) 12, 13 verbunden. In eine Quetschung des Entladungsgefäßes 2 ist zusätzlich - über ein Drahtstück - ein auf einem Metallplättchen aufgebrachtes Gettermaterial 14 potentialfrei eingeschmolzen. Die Enden 15, 16 des Entladungsgefäßes 2 sind mit einem wärmereflektie­ renden Belag versehen, so daß die cold spot-Tempe­ ratur über 870°C gehalten wird. Als Füllung ent­ hält das Entladungsgefäß 2 zur Erzielung einer warmweißen Lichtfarbe (WDL) mit einer Farbtempera­ tur von 3100 K neben 12 mg Quecksilber und Argon insgesamt 27 µmol der folgenden Metallhalogenide (molarer Anteil in % der Gesamtmetallhalogenide): 3% DyJ₃, 15% TmJ₃, 5% CeJ₃, 77% NaJ. Dies entspricht einem spezifischen Anteil der Metallha­ logenide von 3,9 µmol/mm Bogenlänge und einer spezifischen Bogenleistung von 10,7 W/mm.

Bei einem Volumen des Entladungsgefäßes von 0,7 cm³ und einem Elektrodenabstand von 7 mm beträgt die Wandbelastung 19 W/cm². Der Lichtstrom nimmt im Vergleich zu einer Lampe mit einer bekannten Fül­ lung mit den Halogeniden von Natrium, Zinn, Thalli­ um, Indium und Lithium um 8% auf 5400 lm zu. Die Lichtausbeute beträgt 72 lm/W statt 67 lm/W (7,5% Zunahme). Der Gesamtfarbindex liegt bei R_a8=85 statt vormals R_a8=76. Der Index R9 verbessert sich von -90 auf +15. Die Lebensdauer beträgt 6000 Std. Die Farbstreuung verringert sich von ±300 K auf ±100 K.

Fig. 2 zeigt eine Gegenüberstellung des Spektrums einer 70 W-Lampe mit der bekannten Natrium-Zinn- Füllung (gestrichelt) mit einer baugleichen Lampe, die die obige Natrium-Seltenerd-Füllung enthält. Die Gleichmäßigkeit des Spektrums ist erheblich verbessert. Starke Einzellinien, wie die von Thal­ lium (1), Natrium (2), Lithium (3), Indium (4) und Quecksilber (5) sind eliminiert bzw. stark nivel­ liert. Vor allem der Rotanteil ist deutlich erhöht (+50%) in Übereinstimmung mit dem verbesserten Farbwiedergabeindex. Dadurch werden alle gesättig­ ten Farben deutlich natürlicher wiedergegeben. Dies ist von besonderem Interesse bei der Innenraumbe­ leuchtung, Lebensmittelbeleuchtung und Schaufen­ sterbeleuchtung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine ähnlich aufgebaute 150 W-Lampe mit neutralweißer Lichtfarbe (NDL), deren Füllung neben Quecksilber und Argon insgesamt 14,5 µmol der folgenden Metallhalogenide aufweist (molarer Anteil in % der Gesamtmetallhalo­ genide): 32% DyJ₃, 24% TmJ₃, 10% CeJ₃ und 34% NaJ. Dies entspricht einem spezifischen Anteil der Metallha­ logenide von 1,5 µmol/mm Bogenlänge und einer spezifischen Bogenleistung von 15 W/mm.

Bei einer Farbtemperatur von 4300 K und einer Lichtausbeute von jetzt 85 lm/W (früher 75 lm/W) wird ein Lichtstrom von ca. 12500 lm und ein Farb­ wiedergabeindex von R_a8=92 statt früher R_a8=85 erzielt. Speziell im Roten wird die Farbwiedergabe von R9=-30 auf R9=+50 verbessert. Bei einem Brennervolumen von 2,6 cm³ und einem Elektrodenab­ stand von 18,0 mm beträgt die Wandbelastung 16 W/cm².

Auch diese Lampe erreicht eine Lebensdauer von 6000 Std. Die Farbstreuung verringert sich von ±300 K auf ±100 K. Die älteren Vergleichswerte beziehen sich auf eine Füllung, die als Metallhalo­ genide die Jodide von Dysprosium, Holmium, Thulium, Natrium und Thallium enthält.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine wiederum ähnlich aufgebaute 400 W-Lampe mit tageslichtähnli­ cher Lichtfarbe (D), deren Füllung neben Quecksil­ ber und Argon insgesamt 37 µmol der folgenden Metallhalogenide enthält (molarer Anteil in % der Gesamtmetallhalogenide: 40% DyJ₃, 23% TmJ₃, 13% CeJ₃ und 24% CsJ. Dies entspricht einem spezifischen Anteil der Metallha­ logenide von 1,15 µmol/mm Bogenlänge und einer spezifischen Bogenleistung von 12,5 W/mm.

Bei einer Farbtemperatur von 5600 K und einer Lichtausbeute von 90 lm/W (früher 75 lm/W) wird ein Farbwiedergabeindex von R_a8=91 und ein Rotindex von R9=+60 (früher +30) erzielt. Die Farbstreuung verringert sich von ±500 K auf ±250 K im Ver­ gleich zu einer Füllung, die als Metallhalogenide die Jodide von Dysprosium, Holmium, Thulium, Natri­ um und Thallium enthält. Das Entladungsgefäß benö­ tigt an seinen Enden keine Wärmestaubelage.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer 400 W-Lampe 1 mit neutralweißer Lichtfarbe zeigt Fig. 3, wobei für ähnliche Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet wurden. Im Unterschied zu Fig. 1 handelt es sich um ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß 2, das von einem zylindrischen (oder auch elliptischen) Außenkolben 3 aus Hartglas umschlossen ist, der einseitig gesockelt ist. Das eine Ende des Außenkolbens besitzt eine abgerundete Kuppe 17, während das andere Ende einen Schraubsoc­ kel 12 aufweist. Ein Haltegestell 18 fixiert das Entladungsgefäß 2 axial im Kolbeninnern. Das Halte­ gestell 18 besteht in an sich bekannter Weise aus zwei Zuleitungsdrähten, von denen der eine mit der sockelnahen Stromzuführung 8 des Entladungsgefäßes verbunden ist, während der zweite über einen massi­ ven Metallstützstab, der sich entlang des Entla­ dungsgefäßes 2 erstreckt, zur sockelfernen Stromzu­ führung 9 geführt ist und weiterhin ein Führungs­ element am sockelnahen Ende 15 des Entladungsgefä­ ßes (in Form eines Stanzblechteils) und eine Ab­ stützung in der Nähe der Kuppe 17 in Form eines Teilkreises besitzt. Das Entladungsgefäß 2 ist mit großflächigen Wärmestaubelägen an seinen beiden Enden 15, 16 ausgestattet. Die Füllung enthält neben Quecksilber und Argon insgesamt 37 µmol der folgenden Metallhalogenide (molarer Anteil in % der Gesamtmetallhalogenide): 42% DyJ₃, 24% TmJ₃, 14% CeJ₃ und 20 CsJ. Dies entspricht 1,25 µmol/mm Bogenlänge und einer spezi­ fischen Bogenleistung von 13 W/mm.

Claims (11)

1. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum mit einer ionisierbaren Füllung umschließt, die neben Edelgas und Quecksilber auch Halogenide von Selte­ nen Erden (SE-H) und Alkalimetallen (AM-H) enthält, wobei in diesem Entladungsgefäß Elektroden ange­ ordnet sind, die mit einem nach außen führenden Stromzuführungssystem verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung jeweils mindestens ein Halogenid einer ersten Gruppe von Seltenerd- Metallen, nämlich Dysprosium, Thulium, und ein Halogenid einer zweiten Gruppe von Seltenerd-Metal­ len, nämlich Cer, Praseodym, Lanthan, sowie außer­ dem ein Halogenid aus der Gruppe der Alkalimetalle Natrium, Cäsium enthält.

2. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine warm­ weiße Lichtfarbe durch ein molares Mischungsver­ hältnis AM-H : SE-H von 70 : 30 bis 90 : 10 erzielt wird, wobei das Alkalimetall überwiegend Natrium ist.

3. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine neu­ tralweiße Lichtfarbe durch ein molares Mischungs­ verhältnis AM-H : SE-H von 18 : 82 bis 55 : 45 erzielt wird, wobei das Alkalimetall Natrium und/oder Cäsium ist.

4. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine tages­ lichtähnliche Lichtfarbe durch ein molares Mischungsverhältnis AM-H : SE-H von 10 : 90 bis 50 : 50 erzielt wird, wobei das Alkalimetall vorzugsweise Cäsium ist.

5. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei­ seitig gequetschtes Entladungsgefäß axial in einem einseitig gesockelten Außenkolben gehaltert wird, wobei als Alkalimetall Cäsium verwendet wird.

6. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltenerd-Metallhalogenid der zweiten Gruppe ein Halogenid des Cer ist.

7. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Cerhalogenids am Gesamtmetallhalogenid zwischen 2 und 17 Mol-% beträgt.

8. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Seltenerd-Metallhalogenid der ersten Gruppe sowohl Dysprosium als auch Thulium verwendet wird.

9. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halogen überwiegend Jod verwendet wird.

10. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich HgJ₂ und/oder HgBr₂ enthält.

11. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich als erstes Seltenerd-Metallhalogenid Holmiumhaloge­ nid verwendet wird.