DE4318905A1 - Metallhalogenidentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenident­ ladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Diese Lampen eignen sich für die Allge­ meinbeleuchtung und für Film- und Fernsehaufnahmen wie auch für Projektionszwecke.

Eine derartige Lampe ist aus der US-PS 5 003 214 be­ kannt, wobei die Außenoberfläche des Entladungsgefäßes vollständig mit einem wärmereflektierenden Mate­ rial matt beschichtet ist, dessen Transmission im sichtbaren Spektralbereich mindestens 90% beträgt. Als Material wird SiO₂ bevorzugt, mit Schichtdicken zwischen 0,1 und 10 µm. Damit läßt sich bei kleinwat­ tigen Lampen, wie für Mattierungen allgemein aus der DE-PS 26 19 674 bekannt, eine Farbtemperaturerniedri­ gung von etwa 250 K bei WDL-Lampen (Farbtemperatur ca. 3000 K) erzielen. Als theoretische Alternative wird u. a. auch TiO₂ erwähnt.

Zum Auftragen der Beschichtung wird ein Pulverbe­ schichtungsverfahren mit einer Gasflamme und ein Tauchverfahren angegeben.

Aus der US-PS 4 985 275 ist ein Herstellverfahren für Quarzglaskolben für Entladungslampen (insbesondere Xenonlampen) bekannt, bei der die Innenwand eines Kolbenrohres bis zu einer Tiefe von 10 µm mit Titan­ oxid dotiert wird, das zuerst als Schicht aufgetragen und dann durch Wärmebehandlung in die innere Oberflä­ che eindiffundiert wird. Durch diese TiO₂-haltige Schicht werden UV-Strahlen mit einer Wellenlänge kleiner 200 nm vollständig absorbiert.

In den EP-A 383 634 und 389 717 wird eine Beschich­ tung aus Zinkoxid oder aus einer Mischung von Zink­ oxid und Titanoxid ebenfalls zur Absorption von UV- Strahlung verwendet. Eine reine TiO₂-Schicht ist hier unerwünscht, weil sie eine Absorption im sichtbaren (insbesondere blauen) Spektralbereich zur Folge hät­ te, was die Farbwiedergabe verschlechtert. Das haupt­ sächliche Anwendungsgebiet der Beschichtungen sind Leuchtstofflampen, bei denen bekanntlich Kolbentempe­ raturen von ca. 50°C auftreten. Die Beschichtung wird hier mittels eines Sprühverfahrens auf die Außenflä­ che des Kolbens aufgetragen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Metallhalogenidlampen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei denen eine Metalloxidschicht mit einge­ schränkter Transmission im kurzwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums, insbesondere im blauen Bereich (kleiner als 450 nm), zur Verbesserung der Lampen­ eigenschaften verwendet wird. Insbesondere sollen die Farbeigenschaften dieser Lampen verbessert werden. Weiterhin sollen die Nachteile natriumhaltiger Fül­ lungen eliminiert werden.

Eine weitere Aufgabe ist es, die UV-Transmission von gattungsgemäßen Lampen zu regulieren.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lampe anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 bzw. 12 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung basiert auf der überraschenden Ein­ sicht, daß die bisher als unerwünscht betrachtete Filterwirkung einer TiO₂- (bzw. CeO₂-)Beschichtung im kurzwelligen sichtbaren Spektralbereich, vornehmlich im violetten und blauen Spektralbereich unterhalb 450 nm, zur Verbesserung der Farbeigenschaften, insbeson­ dere Farbort und Farbwiedergabe, bei bestimmten Lam­ pen genutzt werden kann.

Dies wird insbesondere erleichtert durch eine geziel­ te Ausnutzung einer besonderen Eigenschaft dieser beiden Oxide. Bei hohen Temperaturen verschiebt sich deren Absorptionskante nämlich zu höheren Wellenlän­ gen. Das bedeutet, daß z. B. die Schichtdicken bei Be­ rücksichtigung dieses Effektes reduziert werden kön­ nen, so daß sich die Transmission der Schicht erhöht, während bestimmte Lampeneigenschaften (z. B. Lichtaus­ beute) kaum verschlechtert oder sogar verbessert wer­ den. Während die IR- und UV-absorbierenden Eigen­ schaften der Oxide des Titans und des Cer schon lange im Lampenbau genutzt werden, ist die mangelhafte Transmission im Sichtbaren bisher stets nachteilig betrachtet worden (siehe EP-A 389 717).

Die Erfindung nutzt die besondere Filterwirkung die­ ser Oxide im kurzwelligen Spektralbereich bei hohen Temperaturen (< 600°C) aus. Dieser Effekt tritt so­ wohl bei klaren als auch matten Beschichtungen auf.

Durch Verändern der Schichtdicke und/oder Schichtart (klar/matt) kann die Absorption der kurzwelligen Strahlung gezielt verändert werden. Diese Absorption vermindert nicht nur den Anteil der UV-Strahlung, sondern auch den kurzwelligen Anteil der sichtbaren Strahlung (vornehmlich unter 450 nm, aber auch län­ gerwellige Strahlung), und senkt damit die Farbtem­ peratur.

Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, vorgegebene Farbeigenschaften auch beim Betrieb mit verminderter Leistung beizubehalten. Beispielsweise kann eine ur­ sprüngliche 70-W-Lampe ohne Beschichtung bei Verwen­ dung einer geeigneten Beschichtung mit 50 W betrieben werden ohne daß sich die Farbeigenschaften ver­ schlechtern.

Das Konzept der erfindungsgemäßen Beschichtung kann umgekehrt auch zur Änderung der Farbtemperatur bei gleicher Leistung verwendet werden. Es ist so extrem leistungsfähig, daß es nicht nur möglich ist, die Farbtemperatur innerhalb einer Lichtfarbe bequem zu erniedrigen (z. B. um 500 K innerhalb der Lichtfarbe WDL, die einer Farbtemperatur von ca. 2600-3300 K entspricht), sondern auch von einer Lichtfarbe auf die andere abzusenken (z. B. von NDL auf WDL; erstere entspricht Farbtemperaturen von ca. 3600-4500 K) und trotzdem dafür ein einheitliches Füllungssystem zu verwenden. Es lassen sich sogar Farbtemperaturer­ niedrigungen von mehr als 1200 K durch diese Be­ schichtung erzeugen. Dies hat weitreichende Konse­ quenz im Hinblick auf die besonders problematischen Natriumhalogenide in den Füllungsbestandteilen. Aus den "Technisch-wissenschaftlichen Abhandlungen der OSRAM-Gesellschaft" (TWAOG), Band 12, Springer Ver­ lag, Heidelberg, 1986, S. 11 ff, insbesondere S. 14 und 15, ist bekannt, daß Na-Ionen durch das Quarzglas des Kolbens nach außen diffundieren. Ursache ist das Auslösen von Elektronen an Gestellteilen im Außenkol­ ben durch Photoeffekt. Bei natriumhaltigen Füllungen kann daher eine akzeptable Lebensdauer nur durch auf­ wendige Maßnahmen erzielt werden. Während bisher nur bei hohen Farbtemperaturen (etwa 5300 K entsprechend der Lichtfarbe D) auf NaJ verzichtet werden kann und statt dessen eine CsJ-haltige Füllung verwendet wird, ist es bisher nicht gelungen, bei niedrigeren Farb­ temperaturen (insbesondere bei den wärmeren Lichtfar­ ben WDL und NDL, entsprechend einer Farbtemperatur von ca. 3000 K bzw. 4300 K) auf NaJ zu verzichten.

Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, Farbtem­ peraturen der Lichtfarbe NDL mit CsJ-haltigen Fül­ lungen unter Verzicht auf NaJ zu verwirklichen, was einen Durchbruch in der Fortentwicklung von Metall­ halogenidlampen mit NDL-Lichtfarben gleichkommt. Be­ kannte Füllungen für eine tageslichtähnliche Licht­ farbe D (z. B. Jodide des Cs und des Tl und die Metal­ le Dy, Ho und Tm) können daher aufgrund einer ent­ sprechenden Beschichtung für niedrige Farbtemperatu­ ren (Lichtfarbe NDL) eingesetzt werden.

Weitere Vorteile ergeben sich insbesondere bei na­ triumhaltigen Füllungen (für WDL und evtl. NDL). Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtung steht hier im Vordergrund, daß das für den Photo­ effekt verantwortliche Licht kurzer Wellenlängen von der Beschichtung weitgehend absorbiert wird, so daß die Lebensdauer verlängert wird, da der Na-Verlust verzögert wird und so die Füllung kaum noch aufge­ zehrt wird. Zudem läßt sich jetzt auch bei niedri­ gen Farbtemperaturen der Natriumanteil an der Fül­ lung reduzieren, so daß die bisher nur für hohe Farb­ temperaturen verwendeten Seltenen Erd-(SE)-Halogenide (insbesondere Dy, Ho, Tm) eingesetzt werden können. Dadurch wird die Farbwiedergabe verbessert.

Die erfindungsgemäße Beschichtung läßt sich grund­ sätzlich auf zwei Arten realisieren, nämlich durch matte Schichten, bei denen ausschließlich die Absorp­ tion im blauen Spektralbereich im Vordergrund steht, oder durch klare Schichten mit zusätzlich besonders effektiver UV-Absorption.

Eine sehr effektive Möglichkeit ist die Verwendung matter Schichten, die neben der Filterwirkung zusätz­ lich lichtstreuende Eigenschaften aufweisen. Diese Schichten können durch ein unten näher erläutertes Verfahren wischfest auf die Außenoberfläche des Ent­ ladungsgefäßes aufgebracht werden. Das typische Schichtgewicht, bezogen auf TiO₂, liegt dabei vor­ teilhaft zwischen 0,05 und 0,3 mg/cm², entsprechend einer Schichtdicke von grob geschätzt 0,2 bis 1,3 µm. Entsprechende Wert für Cer-haltige Schichten lassen sich aus dem Vergleich der Atomgewichte ermitteln.

Der besondere Clou matter Schichten ist, daß sich durch die dabei auftretende Vielfachreflexion die Weglänge effektiv vergrößert. Dadurch steigt die Betriebstemperatur des Brenners. Dadurch steigt der Halogendampfdruck, wodurch die Lichtausbeute erhöht wird, was die Absorption, die mit der Dicke der Schicht zunimmt, wieder kompensieren kann. Eine matte Schicht verbessert darüberhinaus die Gleichmäßigkeit der Lichtabstrahlung und gleichzeitig die Farbmi­ schung. Damit ist gemeint, daß verschiedene Zonen im Entladungsbogen verschiedene Farbeindrücke hervorru­ fen würden, die jetzt durch die Vielfachstreuung ver­ mischt werden. Eine derartige Eigenschaft ist beson­ ders beim Einsatz in Leuchten wichtig.

Durch die Erhöhung des Dampfdruckes infolge der er­ höhten Betriebstemperatur sinkt die Farbtemperatur, während die Lichtausbeute steigt. Bei geeigneter Ab­ stimmung kann daher eine Mattierung trotzdem insge­ samt zu einer Verbesserung der Lichtausbeute führen, wenn die temperaturbedingte Verbesserung der Licht­ ausbeute die Absorptionsverluste übersteigt.

Eine zweite Möglichkeit ist die Verwendung klarer Schichten, was im Endergebnis einer Dotierung der randnahen Schichten der Außenoberfläche des Quarz­ glases entspricht. Dadurch werden im Vergleich zur US-PS 4 985 275 (abgesehen von der anderen Ziel­ setzung) drei gravierende Nachteile vermieden:

• a) die Herstellung wird vereinfacht, da die Außen­ oberfläche des Kolbenrohres leichter zugänglich ist;
• b) das Aufheizen der Kolbenwand erfolgt im Betrieb gleichmäßiger und effektiver, da die Strahlung erst durch die Kolbenwand dringt und dann absorbiert wird und nicht bereits an der Innenseite der Kolbenwand abgeblockt wird;
• c) schließlich wird eine Reaktion der Beschichtung mit dem Füllmaterial vermieden, was besonders bei na­ triumhaltigen Füllungen ein Problem darstellt.

Ein typisches Schichtgewicht bei klaren Schichten liegt zwischen 0,05 und 0,60 mg/cm², entsprechend einer Schichtdicke von grob geschätzt 0,2 bis 2,6 µm. Es kann im Einzelfall jedoch auch höher liegen. Das bevorzugte maximale Schichtgewicht bei matten Schichten (0,4 mg/cm²) wird durch die zunehmende Ab­ sorption bzw. bei klaren Schichten durch die bei der Dotierung auftretende Obergrenze festgelegt. Das mi­ nimale Schichtgewicht ergibt sich durch den Verlust einer merklichen Filterwirkung. Die Beschichtungen lassen sich sowohl bei einseitigen als auch bei zweiseitigen Metallhalogenidlampen, unabhängig von der Wattstufe, einsetzen. Häufig wird dabei ein zu­ sätzlicher Außenkolben zur Vermeidung von Wärmever­ lusten verwendet. Die Schichtdicke im Einzelfall wird von der Betriebstemperatur an der Außenoberfläche des Entladungsgefäßes mit bestimmt. Um mit möglichst dün­ nen -und daher im kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektralbereiches nur schwach absorbierenden- Schich­ ten trotzdem eine möglichst hohe Filterwirkung durch die Temperaturverschiebung der Absorptionskante zu erreichen, ist eine Mindesttemperatur der Schicht von 600°C erwünscht. Als praktische Obergrenze ergeben sich derzeit etwa 980°C, da oberhalb dieses Wertes das Quarzglas des Entladungsgefäßes entglast.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß unter Umständen, je nach Schichtverteilung und Füllungsart, auf die üblichen separaten Wärmestau-Kalotten aus ZrO₂ oder ähnlichem Material verzichtet werden kann, was die Herstellung weiter vereinfacht und die Ab­ strahlcharakteristik verbessert.

Bevorzugt ist die Beschichtung auf der gesamten Außenoberfläche des Entladungsgefäßes, zumindest aber bei Verwendung von zwei Wärmestaukalotten- zwischen den einander gegenüberliegenden Rändern der beiden Kalotten angebracht. Die TiO₂-Schicht kann aber auch problemlos auf die ZrO₂-Wärmestauschichten aufgetra­ gen werden.

Die Herstellung der hier vorgestellten Beschichtungen ist grundsätzlich auf mehrere Arten möglich:
Zum einen kann die Beschichtung nachträglich auf das bereits gefüllte und verschlossene Entladungsgefäß außen aufgetragen werden.

In an sich bekannter Weise wird hierzu eine Suspen­ sion eines oxidischen Pulvers (titan- bzw. cerhaltig) in einem Nitrocellulosebinder hergestellt. Die primä­ re Korngrößenverteilung des Pulvers hat z. B. ihren Schwerpunkt bei 30 nm entsprechend einer BET-Ober­ fläche von 50 m²/g.

Das fertige Entladungsgefäß wird in die Suspension getaucht oder damit besprüht. Anschließend wird das Entladungsgefäß bei hoher Temperatur eingebrannt, wo­ bei außerdem der Binder verdampft. Damit lassen sich matte, aber nicht besonders wischfeste Beschichtungen realisieren.

Eine vorteilhafte Alternative besteht darin, das oxi­ dische Pulver (ohne Binder) mittels eines Pulver­ spritzverfahrens auf das Entladungsgefäß aufzubrin­ gen. Es handelt sich dabei um ein Flammspritzverfah­ ren, bei dem das Pulver direkt auf den Kolben aufge­ bracht wird. Auf den Einbrennvorgang kann daher ver­ zichtet werden. Damit lassen sich matte Beschichtun­ gen erzeugen, die zudem sehr gut wischfest sind.

Besonders vorteilhaft ist jedoch folgendes Aufbring­ verfahren:
Bei der modernen rationellen Lampenherstellung er­ folgt die Herstellung der Entladungsgefäßes auf hoch­ gradig automatisierten Körperformmaschinen. Hierzu wird ausdrücklich auf die EP-A 369 370 und 369 371 bezug genommen. Dabei wird aus glatten Rohren durch Stauchen und Formblasen das Entladungsgefäß geformt. Vorteilhaft erfolgt die Beschichtung der Außenober­ fläche als Zwischenschritt vor der Fertigstellung des Entladungsgefäßes.

Dabei kann der glatte Rohrabschnitt zunächst be­ schichtet werden. Dies geschieht wie beim fertigen Entladungsgefäß durch Sprühen, Spritzen, Tauchen, Drucken oder wieder mittels eines Pulverspritzverfah­ rens. Dabei ist darauf zu achten, daß die Rohrenden frei bleiben, da hier später die Molybdänfolien-Ein­ quetschung erfolgt.

Das anschließende Stauchen und Formblasen des Rohres bei hohen Temperaturen (bis 2000°C) führt implizit den Einbrennvorgang mit aus und führt zu Entladungs­ gefäßen mit klaren Schichten.

Alternativ wird zunächst das Stauchen und Formblasen des glatten Rohres durchgeführt und anschließend das vorgeformte Rohr, insbesondere durch Spritzen oder mittels Pulverspritzverfahren, beschichtet und zwar lediglich im geformten Bereich des Rohlings. Vorteil­ haft wird die Beschichtung noch zu einem Zeitpunkt aufgetragen, an dem der Rohling noch aufgeheizt ist, also z. B. direkt nach dem Vorformen.

Eine matte Beschichtung wird nun erzielt, indem der beschichtete Rohling bei ca. 500°C gesintert wird. Eine klare Beschichtung wird erreicht, indem der be­ schichtete Rohling bei hohen Temperaturen (ca. 1200-1500°C) aufgeschmolzen wird, so daß die Oxidschicht in die Außenoberfläche des Rohlings eindiffundiert, wobei das Quarzglas eine graduelle Dotierung erhält. Anschließend kann, falls gewünscht, das endgültige Formblasen erfolgen. Anschließend wird der Rohling zum Entladungsgefäß weiterverarbeitet, indem der Roh­ ling gefüllt und abgedichtet wird.

Durch die angegebenen Verfahren lassen sich relativ dünne Schichten erzeugen, die dennoch hochgradig wirksam sind. Insbesondere bleibt der Entladungsraum frei von TiO₂ bzw. Ce₂O₃. Auch die Quarzglaseigen­ schaften entsprechen denen von undotiertem bzw. unbe­ schichtetem Quarzglas, was gerade bei der Anwendung bei Metallhalogenidentladungslampen von großem Vor­ teil ist.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine einseitig gequetschte Metallhalogenid­ entladungslampe mit erfindungsgemäßer Be­ schichtung,

Fig. 2 eine zweiseitig gequetschte Metallhaloge­ nidentladungslampe mit erfindungsgemäßer Beschichtung,

Fig. 3 den Farbort als Funktion der Schichtdicke für Lampen gemäß Fig. 2,

Fig. 4 ausgewählte Lampeneigenschaften als Funk­ tion der Schichtdicke für Lampen gemäß Fig. 2,

Fig. 5 die Transmission (in Prozent) verschiedener Beschichtungen als Funktion der Wellenlänge (in nm) in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 6 den Vergleich des Spektrums eines Entla­ dungsgefäßes mit und ohne Beschichtung für matte (6a) und klare Schichten (6b),

Fig. 7 den Vergleich der Strahlungsleistung für verschiedene kurzwellige Strahlungsbereiche bei klaren und matten Schichten.

Die in Fig. 1 gezeigte einseitig gequetschte Metall­ halogenidentladungslampe 1 mit einer Leistung von 150 W und der Lichtfarbe WDL besteht aus einem einseitig gequetschten Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das eng von einem ebenfalls einseitig gequetschten Außenkol­ ben 3 aus Hartglas umgeben ist. Der Raum zwischen den beiden Gefäßen 2 und 3 ist evakuiert und enthält einen Getter 14′. Das Innenvolumen des Entladungsge­ fäßes enthält zwei abgewinkelte Elektroden 4, die über Folien 5 in der Quetschung 10 mit Stromzuführun­ gen 6 im Innenraum des Außenkolbens verbunden sind. Diese enden wiederum an Folien 7 in der Quetschung des Außenkolbens, von denen wiederum äußere Stromzu­ führungen 8 zur externen Stromversorgung nach außen geführt sind. Das Entladungsgefäß 2 ist fast voll­ ständig mit einer matten Beschichtung 9 aus TiO₂ um­ mantelt, deren Temperatur im Betrieb der Lampe bei etwa 930°C liegt.

Die Füllung besteht beispielsweise aus einem Natrium- Selten Erd-System (Na-SE) mit folgenden Metallhaloge­ niden (Angaben in Gew.-%) : 40% NaJ, 20% TmJ₃, 15% DyJ₃, 20% TlJ und 5% HfJ₄. Der Einfluß der TiO₂-Be­ schichtung wird durch einen Vergleich der Lichtwerte für ein Entladungsgefäß (ohne Außenkolben) gemäß Ta­ belle 1 eindrucksvoll dokumentiert. Der Farbwieder­ gabeindex (Ra) verbessert sich von 41 auf 70, wobei sich gleichzeitig sogar der Lichtstrom von ca. 12 000 auf ca. 13 000 lm verbessert (Versuchsreihe a und b von Tabelle 1). Durch den Einbau in einen Außenkolben verbessern sich die Werte noch weiter (Versuchsreihe c).

Tabelle 1

150-W-Lampe/WDL/einseitig

Durch die Konvektionskühlung erreicht das freibren­ nende Entladungsgefäß (Versuch a) nur sehr mangel­ hafte Farbeigenschaften bei sehr hoher Farbtempera­ tur. Durch die Beschichtung, z. B. mittels Tauchen, gelingt eine starke Farbtemperaturerniedrigung, ver­ bunden mit einer Verbesserung der Farbwiedergabe (Versuch b). In der fertigen Lampe mit Außenkolben (Versuch c) werden durch die nochmals verbesserte Thermik lichttechnische Daten erreicht, die bisher unerreichbar waren.

Die Filterwirkung im kurzwelligen Bereich des Spek­ trums zeigt sich vornehmlich unterhalb 450 nm, in geringerem Umfang auch bis 560 nm. Dafür tritt umge­ kehrt eine Erhöhung der Strahlungsleistung im lang­ welligen Bereich auf, von dem vor allem der Rotanteil (von 5% auf 16,4%) profitiert. Er verbessert sich bei dem im Außenkolben evakuiert angebrachten Entla­ dungsgefäß (Zeile c von Tabelle 1) noch weiter auf 24,5%.

Die in Fig. 2 dargestellte 70-W-Lampe 11 besteht aus einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß 12 aus Quarzglas, das von einem zweiseitig gesockelten eva­ kuierten Außenkolben 13 umgeben ist. Die Elektroden 14, 15 sind mittels Folien 16, 17 gasdicht in das Entladungsgefäß 12 eingeschmolzen und über die Strom­ zuführungen 18, 19, die Dichtungsfolien 20, 21 des Außenkolbens 13 und über weitere kurze Stromzuführun­ gen mit den elektrischen Anschlüssen der Keramik­ sockel 22, 23 verbunden. In eine Quetschung des Ent­ ladungsgefäßes 12 ist zusätzlich - über ein Draht­ stück - ein auf einem Metallplättchen aufgebrachtes Gettermaterial 24 potentialfrei eingeschmolzen. Die Enden 25, 26 des Entladungsgefäßes 12 sind bis zu einem Teil der Quetschung mit einem wärmereflektie­ renden Belag aus ZrO₂ in Gestalt zweier Kalotten versehen, deren gegenseitiger Abstand 9 mm beträgt. Der dazwischenliegende faßförmige, zentrale Abschnitt 27 des Entladungsgefäßes ist mit einer matten TiO₂- Beschichtung 27a versehen. Die Trennlinie zwischen den Schichten ist lediglich gestrichelt dargestellt, da sie mit bloßem Auge nicht zu erkennen ist.

Eine Alternative ist ein Entladungsgefäß, bei dem auf separate, an den Enden befindliche Wärmestaubeläge vollständig verzichtet wird und statt dessen die TiO₂-Beschichtung das gesamte Entladungsgefäß (wieder bis zu einem Teil der Quetschung, vergl. Fig. 2) umfaßt (vgl. Tabelle 3, Versuchsreihe c). Dabei wird der Vorteil der einfacheren Herstellung durch einen Verzicht auf eine verbesserte Farbwiedergabe ermög­ licht.

Bei einer dritten, relativ einfach herzustellenden Ausführungsform ist das Entladungsgefäß zusätzlich zu den ZrO₂-Wärmestaubelägen vollständig mit TiO₂ be­ schichtet. Diese Variante entspricht ebenfalls der Darstellung in Fig. 2, wobei die TiO₂-Beschichtung 27a, 27b, 27c auf dem zentralen Abschnitt 27 sowie auf den Wärmestaubelägen an den Enden 25, 26 ein­ schließlich einem Teil der Quetschung aufgetragen ist. Für diese Konstellation, mit einem Kalottenab­ stand von 9 mm, zeigt Fig. 3 den Farbort der Lampe als Funktion einer TiO₂-Schichtdicke zwischen 0 (Meßpunkt a) und 0,30 mg/cm² (Meßpunkt e). Damit kann die ursprüngliche Farbtemperatur von etwa 3800 K auf unter 3000 K gesenkt werden (gestrichelte Linie). Der optimale Farbort, der auf der Planckkurve P (durchge­ zogene Linie) liegt und einer Farbtemperatur von 3300 K entspricht, wird durch ein Schichtgewicht von etwa 0,08 mg/cm² erreicht und entspricht den Farbkoordi­ naten x = 0,417 und y = 0,396.

In Tabelle 2 sind die Schichtgewichte der in Fig. 3 eingetragenen Meßpunkte zusammengefaßt.

Tabelle 2

In Fig. 4 sind verschiedene Parameter des Ausfüh­ rungsbeispiels aus Fig. 2 als Funktion des Schicht­ gewichts dargestellt. Es zeigt sich, daß es möglich ist, den UV-Anteil (Fig. 4a zeigt den UV-A-Anteil) und den Anteil der kurzwelligen sichtbaren Strahlung (Fig. 4b zeigt den Anteil bis 545 nm) bereits bei Schichtgewichten von 0,10 mg/cm² TiO₂ erheblich zu reduzieren, während der Rotanteil (Fig. 4c) und die x- bzw. y-Koordinate des Farbortes (Fig. 4d und 4e) sich erhöhen. Die Lichtausbeute η (Fig. 4f) nimmt zwar bei hohen Schichtgewichten (mehr als 0,15 mg/cm²) merklich ab, beim optimalen Wert von 0,08 mg/cm² ist die Einbuße jedoch noch vernachlässigbar.

In Tabelle 3 sind weitere Messungen mit dem System gemäß Fig. 2 zusammengefaßt. Es verwendet eine an sich bekannte Natrium-Seltenerd-Füllung (als Seltene Erden werden Ho, Tm, Dy verwendet), die zusätzlich Tl enthält, wobei als Halogen nur Jod verwendet wird. Die Füllung enthält folgende Metallhalogenide (in Gew.-%): NaJ 32,5%, DyJ₃ 19,5%, HoJ₃ 19,5%, TmJ₃ 19,5% und TlJ 9,0%. Normalerweise wird damit die Lichtfarbe NDL entsprechend einer Farbtemperatur in der Größenordnung von ca. 4200-4500 K erzeugt, wenn keine TiO₂-Beschichtung verwendet wird. Durch die Än­ derung des Abstandes der beiden ZrO₂-Kalotten kann die Farbtemperatur leicht variiert werden (erste Mes­ sung bei den Versuchsreihen a bzw. b der Tabelle 3). Wird eine TiO₂-Beschichtung mit einem Gewicht von 0,19 mg/cm² aufgetragen, kann das gleiche Füllungs­ system für die Lichtfarbe WDL bei einer Farbtempera­ tur von ca. 3050 K verwendet werden, entsprechend einer Absenkung um ca. 1200 K (zweite Messung bei den Versuchsreihen a bzw. b). Bei einer weiteren Ver­ suchsreihe (Messung c) wurden die Wärmestaubeläge vollständig durch eine TiO₂-Beschichtung ersetzt, wobei die Farbtemperatur ähnlich stark absinkt. Die Betriebstemperatur der Beschichtung bleibt dabei konstant bei ca. 930°C. In Fig. 5 ist dieser Effekt für eine vorgegebene TiO₂-Schichtdicke von 0,30 mg/cm² für Temperaturen der Schicht von 25°C und 930°C (matt bzw. klar) schematisch dargestellt. Er läßt sich indirekt aus dem Spektrum der Lampen be­ stimmen. Außerdem ist dieser Effekt für eine klare Schicht, die aus CeO₂ und TiO₂ im Verhältnis 4 : 1 be­ steht, bei Raumtemperatur und 800°C dargestellt.

Das unterschiedliche Verhalten klarer und matter Schichten läßt sich ebenfalls an diesem Ausführungs­ beispiel demonstrieren, wobei das Entladungsgefäß vollständig mit TiO₂ beschichtet ist, ohne Wärmestau­ kalotten.

Diese Lampe verhält sich gemäß Tabelle 4 unterschied­ lich, je nachdem ob sie mit einer klaren oder matten TiO₂-Beschichtung versehen wird. Die Farbtemperatur­ absenkung ist bei einer klaren Schicht wesentlich ge­ ringer (Δ Tn = -200 K) als bei einer matten Schicht Δ Tn = -1000 K).

Dies liegt daran, daß die Absorptionskante für die klar eingebrannte Schicht (Versuch a) bei etwa 450 nm endet, während sie für die matte Schicht (nicht ein­ gebrannt) bei ca. 550 nm endet. Demgemäß ist der Ein­ fluß der matten Schicht auf die spektrale Strahlungs­ leistung stärker (Fig. 6a) als bei der klaren Schicht (Fig. 6b). Der Farbort wird gemäß Tabelle 4 zu höheren x- und y-Werten verschoben. Der Lichtstrom Φ wird kleiner. Die Farbwiedergabe (Ra) bleibt in beiden Fällen praktisch unverändert gut (Ra = 80 bzw. 86).

Der Einfluß der unterschiedlichen Absorptionskante bei klarer und matter Schicht ist auch bei einem Ver­ gleich der Strahlungsanteile sehr deutlich erkennbar. In Fig. 7 sind die Strahlungsanteile (in Watt) für Wellenlängen kleiner 545 nm (Fig. 7a) bzw. für das UV-A, UV-B und UV-C (Fig. 7b-7d) in Abhängigkeit vom Schichtgewicht für matte Schichten (durchgezogene Linie) und klare Schichten (gestrichelte Linie) ge­ zeigt. Während im UV-Bereich sich beide Schichten praktisch identisch verhalten, ist die matte Schicht bei der Absorption des blauen Spektralbereiches (Fig. 7a) deutlich effektiver, in Übereinstimmung mit der weiter ins Langwellige reichenden Absorptionskan­ te. Mit den hier beschriebenen Filtern läßt sich eine typische Reduktion des kurzwelligen Strahlungsanteils um 20-30% erreichen.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung wird anhand der Tabelle 5 demonstriert. Dabei wird die bekannte WDL-Füllung, die beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, für eine zwei­ seitige 70-W-Lampe verwendet. Die Beschichtung wird dabei im wesentlichen nur zur Verbesserung der Le­ bensdauer eingesetzt, indem der Na-Verlust durch die Filterwirkung der Beschichtung für kurzwellige Strah­ lung eingeschränkt wird. Abhängig von der Schicht­ dicke steigt die Lebensdauer dieser Lampe von ur­ sprünglich 6000 Stunden um bis zu 50% an, wobei auf eine Verbesserung des Ra-Wertes verzichtet wird. Die­ se Anwendung ist in kommerzieller Hinsicht auch des­ wegen besonders interessant, weil sich damit extrem niedrige Farbtemperaturen (2700 K), wie sie bisher für diesen Lampentyp unerreichbar schienen, erzielen lassen.

Der Mechanismus der Lebensdauerverbesserung beruht konkret auf zwei Effekten:
Am Lebensdaueranfang der Lampe kommt es darauf an, die UV-C-Strahlung möglichst effektiv abzuschirmen, da diese die Elektronenaustrittsarbeit für die Mo­ lybdän-Stromzuführungen (4,15 eV) übersteigt. Durch die unvermeidliche Diffusion des Natriums in den Außenkolben lagern sich Natrium-Ionen auf den Molyb­ dän-Stromzuführungen ab. Dadurch wird die effektive Austrittsarbeit auf 2,2 eV (ca. 540 nm) verringert. Es ist daher während des Betriebes der Lampe (ins­ besondere gegen Ende der Lebensdauer) genauso wich­ tig, die längerwellige Strahlung bis in den blauen Spektralbereich zu absorbieren. Dies gelingt erstmals durch die erfindungsgemäße Beschichtung ohne Einbußen bei anderen Lampeneigenschaften.

Eine interessante Anwendungsmöglichkeit ist auch, die Beschichtung für Lampen mit bekannten NaSc- oder NaSn- Füllungssystemen zu verwenden. Bei derartigen Systemen empfiehlt sich eine Wandtemperatur von ca. 700-750°C, so daß hier die Absorptionskante der Be­ schichtung weniger weit in den langwelligen Spektral­ bereich hineinreicht.

Gemäß der Erfindung können also gezielt verschiedene Füllungssysteme mit unterschiedlichen Kolbenwandtem­ peraturen und dementsprechend unterschiedlichem Ab­ sorptionsverhalten der Beschichtung entwickelt wer­ den. Zusätzliche Parameter sind dabei die Schicht­ dicke und die Verwendung klarer oder matter Schich­ ten.

Ceroxid (Ce₂O₃, unter Umständen auch CeO₂) verhält sich sehr ähnlich wie TiO₂. Die dabei anzuwendenden Schichtdicken stimmen daher weitgehend mit den für TiO₂ geltenden Empfehlungen überein. Die entspre­ chenden Schichtgewichte müssen jedoch ca. doppelt bis dreifach so hoch angesetzt werden.

Analoges gilt für Mischungen aus beiden Schichtarten.

Tabelle 3

70-W-Lampe/NDL/zweiseitig

Tabelle 4

HOI-TS 70 W/NDL (zweiseitig)

Tabelle 5

70-W-Lampe/WDL/zweiseitig

Claims (14)

1. Metallhalogenidentladungslampe mit einem Entla­ dungsgefäß (2; 12) aus Quarzglas, in das zwei Elek­ troden (4; 14, 15) gasdicht eingeführt sind und des­ sen Entladungsvolumen eine Füllung aus Zündgas, Quecksilber und weiteren Zusätzen, darunter minde­ stens ein Metallhalogenid, enthält, wobei zumindest ein Teil der Außenoberfläche des Entladungsgefäßes eine Beschichtung (9; 27a, 27b) aus Oxiden des Titan und/oder Cers besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Filterwirkung im kurzwelligen Be­ reich des sichtbaren Spektrums die Beschichtung im Betrieb der Lampe eine Temperatur von mindestens 600°C aufweist und das Gewicht der Beschichtung ma­ ximal 0,60 mg/cm² beträgt, bezogen auf eine Schicht aus TiO₂.

2. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Titandioxid (TiO₂) besteht.

3. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht derart auf­ getragen ist, daß die Filterwirkung vornehmlich im Wellenlängenbereich unter 450 nm auftritt.

4. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung matt ist und das Gewicht der Beschichtung maximal 0,40 mg/cm² beträgt.

5. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Beschich­ tung mindestens 0,05 mg/cm² beträgt.

6. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf der gesamten Außenoberfläche der Wand des Entladungsvo­ lumens aufgetragen ist.

7. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche zu­ sätzlich Wärmestaubeschichtungen aufweist.

8. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) von einem Außenkolben (3) umgeben ist.

9. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Farbtemperatur von ca. 4300 K (Lichtfarbe NDL) mittels einer Halogenid- Füllung erzielt wird, die Cäsium als Alkalimetall enthält.

10. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Farbtemperatur von größenordnungsmäßig 3000 K entsprechende Licht­ farbe WDL mittels einer Halogenid-Füllung erzielt wird, die Seltene Erden und als Alkalimetall Natrium enthält.

11. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung licht­ streuende Eigenschaften besitzt.

12. Verfahren zur Herstellung von Lampen gemäß An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich­ tung der Außenoberfläche des Entladungsgefäßes als Zwischenschritt bei der Herstellung des Entladungs­ gefäßes aus einem Glasrohr erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung durch Pulverspritzen aufge­ bracht und dann bei ca. 500°C angesintert wird, wo­ durch eine matte Schicht entsteht.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung durch Pulverspritzen aufge­ bracht und dann bei ca. 1200-1700°C angeschmolzen wird, wodurch eine klare Schicht entsteht, bei der das Oxid als Dotierung in die äußeren Schichten des Glasrohres eindringt.