DE69517023T2

DE69517023T2 - Natrium-halogen-entladungslampe

Info

Publication number: DE69517023T2
Application number: DE69517023T
Authority: DE
Inventors: Mohan Rajaram; Edward Scott; Anthony Shrawder
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: EP0757778B1; JPH09512384A; DE69517023D1; CN1089943C; EP0757778A1; WO1996026535A1; US5729090A; CN1146257A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Natrium enthaltende Lampen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine neue und verbesserte Bogenentladungskammer, die Natriumdiffusion widersteht. Die Erfindung ist insbesondere geeignet, um die Natriumionendiffusion durch die Bogenkammer von Natrium enthaltenden Metallhalogenidlampen zu verlangsamen.
In der Beschreibung werden zahlreiche Bezugnahmen gemacht auf die Verwendung der Bogenentladungskammer in einer Natrium enthaltenden Metallhalogenidlampe und es werden gewisse bekannte Natriummetallhalogenid-Bogenentladungslampen erörtert.
Metallhalogenid-Bogenentladungslampen, in denen die Bogenentladungskammer gemäß dieser Erfindung geeignet sind, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist, sind in den US- Patentschriften 4,047,067 und 4,918, 352 (mit Elektroden) und 5,032,762 (elektrodenlos) gezeigt. Metallhalogenidlampen dieses Typs sind im allgemeinen von einer Bogenentladungskammer gebildet, die von einer Schutzhülle umgeben ist. Die Bogenkammer enthält eine Füllung von Licht emittierenden Metallen, einschließlich Natrium und Elementen der Seltenen Erden, wie beispielsweise Scandium, Indium, Dysprosium, Neodym, Praseodym, Cer und Thorium in der Form von Halogeniden, optional Quecksilber und optional ein Inertgas, wie beispielsweise Krypton oder Argon. US- Patentschrift 4,798,995 beschreibt eine Zusammensetzung für die Metallhalogeniddosis, die für die vorliegende Erfindung besonders geeignet ist. EP-A-0,178,026 beschreibt eine Lampe, die eine Füllung mit Natriumdampf enthält, wobei die Lampe eine Bogenkammer mit einer Wand aus gebranntem Sili ciumdioxid oder gebranntem Quarz aufweist, gekennzeichnet durch das Fehlen von Alkalimetalloxiden, abgesehen von kleinen Mengen an Verunreinigungen.
Unglücklicherweise ist die Lebensdauer dieser Lampen häufig durch den Verlust von dem Natriumanteil der Metallhalogenidfüllung während des Lampenbetriebs aufgrund von Natriumionendiffusionen begrenzt. Insbesondere ist das typische gebrannte Siliciumdioxid oder der gebrannte Quarz relativ porös gegenüber einem Natriumion, und während des Lampenbetriebs gelangen energiereiche Natriumionen von dem Bogenplasma durch die Siliciumdioxid- oder Quarzwand hindurch und kondensieren in dem Bereich zwischen der Bogenkammer und dem äußeren Mantel oder der Hülle der Lampe. Das verloren gegangene Natrium ist dann nicht verfügbar für die Bogenentladung und kann nicht mehr zu seiner charakteristischen Emissionen beitragen, wodurch die Lichtabgabe sich graduell verschlechtert und die Farbe sich von weiß in Richtung auf blau verschiebt. Zusätzlich wird der Bogen mehr eingeschnürt, und in einer horizontal betriebenen Lampe kann sich der Bogen gegen die Bogenkammerwand biegen und diese erweichen. Natriumverlust kann auch bewirken, dass die Betriebsspannung der Lampe bis zu einem Punkt ansteigt, wo der Bogen von der Vorschaltanordnung nicht länger aufrecht erhalten werden kann, und daraus entsteht ein katastrophaler Fehler.
In einem Versuch, die Wirkungen von Natriumdiffusion durch die Bogenentladungskammer zu verringern, hat der Stand der Technik üblicherweise auf einen Überzug der Kammer mit Materialien vertraut, die gegenüber einer Natriumdiffusion beständig sind. Versuche, Natriumdiffusionsprobleme zu lösen, haben die Abscheidung von Aluminiumsilikat- und Titansilikatschichten auf den außenseitigen Oberflächen der Bogenröhre umfasst, wie es in den US-Patentschriften 4,047, 067 bzw. 4,017,163 beschrieben ist. Alternativ werden gemäß der US-Reissue-Patentschrift 30, 165 die inneren Oberflächen von der Bogenröhre mit gläsernen Metallphosphaten und Arsenaten überzogen. Im Gegensatz dazu beschreibt die US-Patentschrift 3,984,590 einen Aluminiumphosphatüberzug, während die US-Patentschrift 5,032,762 Berylliumoxidüberzüge beschreibt.
Diese Methoden haben zwar mit Erfolg die Minimierung der Natriumdiffusion erfüllt, aber diese Methoden erfordern auch zusätzliche Rohmaterialien und Fertigungsschritte. Es würde demzufolge in der Technik wünschenswert sein, eine vereinfachte, kosteneffektive Art und Weise der Verringerung von Natriumdiffusion zu haben.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, eine neue und verbesserte Bogenentladungskammer zu schaffen, die Natriumdiffusion minimiert.
Es ist ein Vorteil dieser Erfindung, eine neue und verbesserte Bogenentladungskammer zu schaffen, die eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Natriumdiffusion hat.
Es ist noch ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, eine natriumhaltige Lampe mit einer längeren Lebensdauer und höherer Qualität zu schaffen.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte, geringe Kosten erfordernde, auf einfache Weise zu fertigende, langlebige Metallhalogenid- Bogenentladungslampe zu schaffen, die ein vermindertes Vermögen für Natriumdiffusion hat.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung ausgeführt und sind teilweise deutlich erkennbar aus der Beschreibung oder können durch Ausführung der Erfindung gelernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können durch die Instrumentierungen und Kombinationen realisiert und erzielt werden, die in den beigefügten Ansprüchen besonders hervorgehoben sind.
Um die vorgenannten Aufgaben zu lösen und gemäß dem Zweck der Erfindung ist eine Natrium enthaltende Lampe gemäß dieser Erfindung von einer Bogenkammer aus gebranntem Quarz oder gebranntem Siliciumdioxid gebildet, die aus Siliciumdioxid oder Quarz gebildet ist, das weniger als etwa 0,05 Teile pro Million von Natrium enthält. Wie es im Rahmen dieser Anmeldung verwendet werden, stellt gebranntes Siliciumdioxid synthetischen Siliciumdioxidsand dar, gebrannter Quarz umfasst vergüteten Quarzsand und beide können als Gläser bezeichnet werden.
Die in der Lampe enthaltene Füllung umfasst Natriumhalogenid.
Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung aus gebranntem Siliciumdioxid oder gebranntem Quarz, die die Bogenkammer der Natrium enthaltenden Lampe bildet, enthält weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Lithium, weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Kalium, weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Cäsium, weniger als etwa 0,2 Teile pro Million von Eisen und weniger als etwa 0,05 Teile pro Million von Chrom.
Weiterhin vorzugsweise enthält die Bogenkammerzusammensetzung weniger als 0,025 Teile pro Million von Natrium, weniger als etwa 0,7 Teile pro Million von Lithium, weniger als etwa 0,07 Teile pro Million von Kalium, weniger als etwa 0,07 Teile pro Million von Cäsium und weniger als etwa 0,10 Teile pro Million von Eisen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es wird nun im Detail auf das vorliegende bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung Bezug genommen, wobei ein Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von einer Metallhalogenid-Bogenentladungslampe mit einer Bogenentladungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 2 eine grafische Darstellung des spezifischen Widerstands von verschiedenen Zusammensetzungen von gebranntem Quarz innerhalb des Schutzumfanges dieser Erfindung und von Vergleichsbeispielen ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der zu sehen ist, dass die Lampe 10 von einem äußeren Kolben 12, der aus einem lichtdurchlässigen gläsernen Material, wie beispielsweise Glas, hergestellt ist, und einer lichtdurchlässigen Bogenkammer 14 gebildet ist, die aus gebranntem Siliciumdioxid oder gebranntem Quarz mit einem Natriumgehalt von weniger als etwa 0,05 Teilen pro Million hergestellt ist. Die Lampe 10 weist ferner einen Sockel 16 mit geeigneten elektrischen Kontaktstücken zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit den Elektroden in der Bogenkammer 14 auf. Obwohl die in Fig. 1 gezeigte Lampe eine mit Elektroden versehene Lampe ist, ist die erfindungsgemäße Kammer in gleicher Weise auf eine elektrodenlose Metallhalogenid- Bogenentladungslampe anwendbar.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bogenkammer 14 innerhalb des Mantels 12 durch Rahmenteile in ihrer Lage gehalten, die ein Federklemmen-Metallband 18 aufweisen, das eine Vertiefung 20 in dem Mantel 12 umgibt. Eine Halterung 22 ist an dem Band 18 punktgeschweißt und auch an einem Bandteil 24 punktgeschweißt. Das Bandteil 24 ist sicher und mechanisch um den Quetschdichtungsbereich der Bogenkammer 14 befestigt. Das andere Ende von der Bogenkammer ist durch ein Halterungsteil 26 befestigt, das an dem einen Ende an einem elektrisch leitfähigen Anschluss 28 punktgeschweißt ist und an dem anderen Ende an einem. Bandteil 30 angeschweißt ist. Das Bandteil 30 ist mechanisch sicher um den zweiten Quetschdichtungsbereich 17 von der Bogenkammer 14 befestigt. Leitende Teile 32 und 34 sind an dem einen Ende an den Halterungsteilen 26 bzw. 22 und an dem anderen Ende an Einführungsleitern 36 bzw. 38 der entsprechenden Elektroden (nicht gezeigt) der Bogenkammer 14 punktgeschweißt. Ein elektrisch leitendes Teil 40 ist an einem Widerstand 42 und an einem Stromleiter 44 punktgeschweißt. Das andere Ende des Widerstandes 42 ist mit dem Einführungsleiter 46 von einer Starterelektrode (nicht gezeigt) verbunden. Abgesehen von dem Leiter 44 und den Einführungsleitern 36,38 und 46, die aus Molybdän hergestellt sind, und des tatsächlichen Widerstandabschnittes des Widerstandes 42 sind alle Rahmenteile aus einem Nickel-platierten Stahl hergestellt die Lampe enthält auch ein Getterband 30', das mit einem Metalllegierungsmaterial überzogen ist, primär um Wasserstoff aus dem Innenraum des Lampenkolbens zu holen oder zu absorbieren.
In dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Bogenentladungslampe 14 aus einem gebrannten Quarz oder gebranntem Siliciumdioxid gebildet, das weniger als etwa 0,05 Teile pro Million von Natrium enthält. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Quarz oder das Siliciumdioxid weniger als 0,10 Teile pro Million von Lithium, Kalium, Cäsium und/oder Eisen. In einem weiterhin bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Quarz oder das Siliciumdioxid weniger als etwa 0,07 Teile pro Million von Lithium, Kalium, Cäsium, Eisen und/oder Chrom. Selbstverständlich kann der Quarz oder das Silicium dioxid andere Elemente enthalten, wie beispielsweise Aluminium, Arsen, Bor, Kalzium, Kadmium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Nickel, Phosphor, Antimon und Zirkon. Viele davon sind mit Spurenwerten als Verunreinigungen aus der Fertigung des Glases vorhanden. Jedoch würden große Mengen von diesen Übergangsmetallen eine unerwünschte Wirkung auf die Farbe der Bogenkammer haben und sollten vermieden werden.
Ein gebrannter Quarz, der die Anforderungen der Erfindung erfüllt, enthält einen stark gereinigten, vergüteten Sand. Gebrannter Quarz dieses Typs ist von dem GE Quarz- Department unter dem Handelsnamen GE 244 verfügbar. Gebranntes Siliciumdioxid hoher Reinheit, das in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist über verschiedene synthetische Prozesse erhältlich, die Tetraethylorthosilikat- Hydrolyse und SiCl&sub4; Verbrennungsreaktionen umfassen. Gebrannte Siliciumdioxide dieser Typen sind von der General Electric Company als Glas mit dem Handelsnamen GE 021 verfügbar. Diese Gläser sind bisher bei Halbleiter- Fertigungsanwendungen verwendet worden.
Ohne durch Theorie eingeschränkt zu sein, wird angenommen, dass die in einem Glas vorhandenen Alkalimetalle als Migrationskanäle wirken, durch die ein Natriumion in der Lampenfüllung durch die Quarz- oder Siliciumdioxidwände diffundieren kann. Wie oben beschrieben ist, zerstört diese Diffusion aus der eine hohe Energie und hohe Temperatur aufweisenden Innenwand zu der äußeren Wand der Bogenkammer die Lampenfunktion. Dementsprechend wird angenommen, dass eine Minimierung dieser Kanäle durch Verringerung der Natriumionenkonzentration eine Bogenkammer, die gegenüber Natriumdiffusion beständig ist, und eine verbesserte Lampe zur Folge hat. Es wird auch angenommen, dass innerhalb der Gruppe von Alkalimetallen Natrium in dem Quarz oder Siliciumdioxid den größten Beitrag zu der Natriumdiffusion liefert.
Um die Theorie weiter zu vereinfachen, aber nicht die Erfindung einzuschränken, zeigen die folgenden Beispiele vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung.

Beispiel I

Es wurden drei Gläser aus gebranntem Siliciumdioxid mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen für Natriumdiffusionscharakteristiken bewertet. Tabelle 1
Jedes dieser Gläser aus gebranntem Siliciumdioxid wurde von der General Electric Company, Quartz Department, Campbell Road, Willoughby, Ohio, erhalten. Glas 1 war GE Glas Type 214; Glas 2 war GE Glas Type 244 LD; und Glas 3 war GE Glas Type 021. Jede dieser Glaszusammensetzungen wurde zu rechteckigen Proben geformt, die durch Schmelzen von dem Silici- undioxid/Quarz in Molybdänfolienschiffchen bei 1800º unter einer Wasserstoffatmosphäre in einem Hochtemperatur-Brew- Ofen hergestellt waren. Jede rechteckige Bramme wurde analysiert unter Verwendung der ASTM D257-78 Methode, um den Volumenwiderstand von dem gebrannterx Material zu ermitteln. Leitfähigkeit oder alternativ spezifischer Widerstand sind in der Technik dahingehend akzeptiert, dass sie das Potenzial für Natriumdiffusion in einer bestimmten Glaszusammensetzung darstellen. Darüber hinaus gilt, je kleiner der Wi derstand oder je höher die Leitfähigkeit, desto größer ist die Natriumdiffusion. Der logarithmische spezifische Widerstand für jede Probe ist in Tabelle 2 gezeigt. Diese Ergebnisse sind auch grafisch durch Fig. 2 dargestellt. Tabelle 2
Aus Tabelle 2 und Fig. 2 ist ersichtlich, dass eine Zusammensetzung von gebranntem Glas mit einem Natriumgehalt unter 0,05 Teilen pro Million einen überlegenen Volumenwiderstand zeigt. Dementsprechend hat Glas 3 mit einem Natriumgehalt unter etwa 0,05 Teilen pro Million das kleinste Natriumdiffusionspotenzial. Es sei darauf hingewiesen, dass Glas 1 in die meisten Metallhalogenidlampen inkorporiert ist, die heute verkauft werden.

Beispiel II

Vierundvierzig 400 Watt natriumhaltige Metallhalogenidlampen wurden aus Glas Nr. 1 hergestellt und fünfzehn 400 Watt natriumhaltige Metallhalogenidlampen wurden aus Glas Nr. 3 hergestellt. Genauer gesagt, wurde Quarz mit den entsprechenden Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 zu Lampen geformt, die im Design ähnlich der Lampe war, das in der US- Patentschrift 4,798,995 beschrieben ist, wobei ein Standard-Lampenmontageverfahren verwendet wurde und jede Lampe eine Bogenröhre mit 8mm Innendurchmesser und 10mm Außendurchmesser aufwies, die gemäß dem Verfahren geformt wurde, das in der US-Patentschrift 3,764,286 beschrieben ist, die durch diese Bezugnahme in das vorliegende Patent inkorporiert wird. In jeder Lampe enthielt die Bogenröhre eine 30 mg-Dosis, die von 89,7 Gewichtsprozent NaI, 8,5 Gewichtsprozent ScI&sub3; und 1,8 Gewichtsprozent ThI&sub4; gebildet war. Die Lampen wurden für 100 Stunden betrieben und die Leistungen wurden ermittelt unter Verwendung eines integrierten Kugelfotometers. Lampen, die Glas Nr. 3 verwendeten, um das Bogenröhrenmaterial zu bilden, zeigten eine durchschnittliche Steigerung von 600 Lumen gegenüber ähnlichen Lampen, die mit Glas Nr. 1 verarbeitet waren (Tabelle 3). Ein zusätzlicher Lumengewinn wird erwartet durch eine langsamere Geschwindigkeit an Natriumverlust aus der Bogenröhre während des Lampenbetriebs.

Tabelle 3

Leistungsfähigkeit von 400 Watt Metallhalogenidlampen unter Verwendung von hochreinem Quarz

Quarz Durchschnittliche Lumenabgabe (bei 100 Stunden)
Glas Nr. 1 44620
Glas Nr. 3 45223
Es wird somit deutlich, dass gemäß der Erfindung eine Bogenkammer für eine Natrium enthaltende Lampe geschaffen worden ist, die die oben angegebenen Aufgaben, Ziele und Vorteile voll erfüllt.

Claims

1. Lampe enthaltend eine Füllung, die Natriumhalogenid enthält, wobei die Lampe eine Bogenkammer mit einer Bogenkammerwand aus gebranntem Siliciumdioxyd oder gebranntem Quarz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand weniger als etwa 0,05 Teile pro Million von Natrium enthält.

2. Lampe nach Anspruch 1, wobei das Siliciumdioxyd oder das Quarz von weniger als etwa 0,025 Teile pro Million von Natrium gebildet ist.

3. Lampe nach Anspruch 1, wobei das Siliciumdioxyd oder das Quarz weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Lithium, weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Kalium und weniger als etwa 0,1 Teile pro Million von Cäsium enthält.

4. Lampe nach Anspruch 1, wobei das gebrannte Silicium oder Quarz weniger als etwa 0,2 Teile pro Million von Eisen und weniger als etwa 0,05 Teile pro Million von Chrom enthält.

5. Lampe nach Anspruch 4, wobei das gebrannte Siliciumdioxyd oder Quarz weniger als etwa 0,10 Teile pro Million von Eisen enthält.

6. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Füllung ferner Quecksilber aufweist.

7. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Füllung wenigstens ein Halogenid von wenigstens einem Element enthält, das aus der aus Scandium, Indium, Dysprosium, Neodym, Praseodym, Cer und Thorium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

8. Lampe nach Anspruch 7, wobei das Halogenid ein Jodid ist.

9. Lampe nach Anspruch 1, wobei das Natriumhalogenid Natriumjodid ist.

10. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Füllung ferner ein inertes Startergas aufweist, das aus der aus Krypton, Argon, Neon und Xenon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.