DE69733049T2 - Metallhalogenidlampe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Halogenmetalldampflampe, versehen mit einem Außenkolben, der ein Volumen V_bu hat, in dem ein Entladungsgefäß mit einem Volumen V_ob und einer Keramikwandung angeordnet ist, welches Gefäß Quecksilber, zumindest ein Halogenid und auch Ar als Edelgas, das einen Fülldruck P_ob hat, umfasst
• Eine Lampe der der eingangs erwähnten Art ist aus WO 95/28732 bekannt. Die bekannte Lampe, die eine hohe Lichtausbeute mit guten Farbeigenschaften (darunter ein allgemeiner Farbwiedergabe-Index R_a ≥ 80) kombiniert, ist sehr gut als Lichtquelle für unter anderem Innenbeleuchtung geeignet, auch wegen ihrer verhältnismäßig kleinen Abmessungen.
• Der Begriff "Keramikwandung" soll in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen so verstanden werden, dass er sowohl monokristallines Metalloxid (beispielsweise Saphir), dicht gesintertes polykristallines Metalloxid (beispielsweise Al₂O₃, YAG) als auch polykristallines dicht gesintertes Metallnitrid (beispielsweise AIN) abdeckt. Unter dem Begriff Fülldruck soll in der vorliegenden Patentschrift der Druck bei Raumtemperatur verstanden werden.
• Ein am Ende der Lebensdauer der bekannten Lampe auftretender möglicher Effekt ist ein starker Gleichstrom, der zu Beschädigung der elektrischen Anlage führt, mit der die Lampe betrieben wird. Dies stellt ein Problem dar, das die Erfindung lösen will.
• Erfindungsgemäß ist eine Lampe der eingangs erwähnten Art hierzu dadurch gekennzeichnet, dass der Fülldruck des Ar die Beziehung V_ob*P_ob/V_bu ≤ 6 mbar erfüllt, mit P_ob in mbar und V_ob und V_bu beide in mm³.
• Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Lampe ist, dass der Edelgasdruck in dem Außenkolben zumindest bei einer Undichtigkeit des Entladungsgefäßes stark begrenzt ist. Dem Risiko einer im Außenkolben auftretenden Bogenentladung und dem damit einhergehenden Auftreten eines starken Gleichstroms wird dadurch in hohem Maße entgegengewirkt. Undichtigkeiten des Entladungsgefäßes erwiesen sich in vielen Fällen als Ursache für das Ende der Lampenlebensdauer. Der Fülldruck des Edelgases wird jetzt vorzugsweise so gewählt, dass der Druck des Edelgases bei einem undichten Entladungsgefäß höchstens 6 mbar beträgt.
• Es zeigte sich sogar, dass eine solche Begrenzung des Edelgasdruckes, dass er einem Druck in dem Außenkolben von höchstens 4 mbar entspricht, das Auftreten einer Bogenentladung unmöglich macht; es ist nämlich nur eine Glimmentladung zwischen stromführenden Leitern möglich. Die Glimmentladung geht mit einem sehr schwachen Strom einher, was eine sehr günstige Eigenschaft ist. Dies gilt insbesondere bei einer Wechselspannungsversorgung von höchstens 250 V oder einer Versorgung durch ein Schaltnetzteil, das einen Spannungspegel liefert, der höchstens gleich der Spitzenspannung der genannten Wechselspannungsversorgung ist.
• Überraschenderweise zeigte sich, dass, obwohl die erfüllte Beziehung zu einem begrenzten Wert für den Edelgas-Fülldruck P_ob führt, die Zündeigenschaften der Lampe im Vergleich zu der bekannten Lampe nicht wesentlich beeinflusst werden. Das Edelgas wird wegen seines die Zündung fördernden Einflusses hinzugegeben, der im Allgemeinen mit zunehmendem Fülldruck stärker wird. Ein Fülldruck von 40 mbar oder weniger erwies sich als ungenügend, um die Zündung wirksam zu fördern.
• Durch Verwendung der Maßnahmen in allen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Lampen wird erreicht, dass das festgestellte Problem ungeachtet der praktischen Realisierung des Außenkolbens beseitigt ist, während auch realisiert wird, dass Lampen mit unterschiedlichen Außenkolbentypen nur geringfügig unterschiedliches Zündverhalten aufweisen. Für eine erhebliche Vereinfachung der Herstellung kann es vorteilhaft sein, den Edelgas-Fülldruck P_ob auf höchstens 170 mbar zu begrenzen.
• Die Eignung der Lampe für Innenbeleuchtung bedeutet, dass die Lampennennleistung gewöhnlich verhältnismäßig klein ist, in der Praxis vorzugsweise höchstens 150 W. Für praktische Anwendungen sind besonders Lampen mit Nennleistungen von unter anderem 100 W, 70 W, 50 W und 35 W und eventuell niedriger geeignet. Die Lampen können röhrenförmig sein oder mit Reflektorkolben versehen sein.
• Wegen der großen Kompaktheit des Entladungsgefäßes ist die Lampe für eine Anwendung als Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtbündels sehr gut geeignet. Eine Forderung hierbei ist jedoch, dass der Außenkolben eine gleichartige Kompaktheit aufweisen sollte, was wieder dazu führt, dass zum Entladungsgefäß führende Stromleiter in verhältnismäßig geringem Abstand voneinander liegen, insbesondere bei einem Reflektorkol ben und einem einfach gesockelten röhrenförmigen Kolben. Ein kleiner Abstand zwischen Stromleitern begünstigt im Allgemeinen das Entstehen einer Entladung.
• Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lampe ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 schematisch eine erfindungsgemäße Lampe und
• 2 das Entladungsgefäß der Lampe von 1 im Detail.
• 1 stellt eine Hochdruck-Entladungslampe dar, die mit einem Entladungsgefäß 3 mit einem Volumen V_ob und einer Keramikwandung versehen ist, welches einen Entladungsraum 11 umschließt. In einer praktischen Realisierung enthält das Entladungsgefäß eine Füllung, die Hg und zumindest ein Metallhalogenid sowie ein Edelgas mit einem Fülldruck P_ob umfasst. Das Entladungsgefäß ist an einer Seite mit einem hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 verschlossen, der einen zu einer in dem Entladungsgefäß angeordneten Elektrode 4, 5 führenden Stromdurchführleiter (2: 40, 41, 50, 51) eng umschließt und mit diesem mittels einer Schmelzkeramikdichtung (2: 10) an einem vom Entladungsraum abgewandten Ende gasdicht verbunden ist. Das Entladungsgefäß ist in einem Außenkolben 1 positioniert, der ein Volumen V_bu hat und der an einem Ende mit einem Lampensockel 2 versehen ist. Zwischen Elektroden 4, 5 verläuft eine Entladung, wenn sich die Lampe im Betriebszustand befindet. Elektrode 4 ist über einen Stromleiter 8 mit einem ersten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Elektrode 5 ist über einen Stromleiter 9 mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Das Entladungsgefäß, das in 2 mehr im Detail dargestellt ist (nicht maßstabsgetreu), hat eine Keramikwandung und ist aus einem zylindrischen Teil mit einem Innendurchmesser ID gebildet, der an beiden Seiten durch Endwandabschnitte 32a, 32b begrenzt wird, wobei jeder Endwandabschnitt 32a, 32b eine Endfläche 33a, 33b des Entladungsraums definiert. Die Endwandabschnitte haben je eine Öffnung, in der ein hervorstehender Keramikstopfen 34, 35 mittels einer Sinterverbindung S gasdicht in dem Endwandabschnitt 32a, 32b befestigt ist. Die hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 umschließen einen Stromdurchführleiter 40, 41, 50, 51 einer betreffenden Elektrode 4, 5, die eine Spitze 4b, 5b hat, eng. Der Stromdurchführleiter ist an der vom Entladungsraum abgewandten Seite mit dem hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 mittels einer Schmelzkeramikdichtung 10 gasdicht verbunden. Die Elektrodenspitzen 4b, 5b haben voneinander einen Abstand EA. Die Stromdurchführleiter umfassen je einen halogenidbeständigen Abschnitt 41, 51, beispielsweise in Form eines Mo-Al₂O₃-Cermet, und einen Abschnitt 40, 50, der an einem betreffenden Endstopfen 34, 35 mit Hilfe der Schmelzkeramikdichtung 10 gasdicht befestigt ist. Die Schmelzkeramikdichtung erstreckt sich über einen gewissen Abstand, beispielsweise ungefähr 1 mm, über das jeweilige Mo-Cermet 41, 51. Die Abschnitte 41, 51 können auch auf andere Weise gebildet sein als durch ein Mo-Al₂O₃-Cermet. Andere mögliche Konstruktionen sind beispielsweise aus EP-0 587 238 bekannt. Als besonders geeignet erwies sich unter anderem eine Konstruktion mit einer halogenidbeständigen Wicklung, die um einen ebenso beständigen Stift herum angebracht war. Mo ist als halogenidbeständiges Material sehr gut geeignet. Die Abschnitte 40, 50 umfassen ein Metall, dessen Ausdehnungskoeffizient gut mit dem der Endstopfen übereinstimmt. Nb ist beispielsweise ein sehr geeignetes Material. Die Abschnitte 40, 50 sind mit den Stromleitern 8, 9 in einer nicht im Detail dargestellten Weise verbunden. Die hier beschriebene Durchführungskonstruktion ermöglicht, die Lampe in jeder beliebigen Brennlage zu betreiben.
• Jede der Elektroden 4, 5 besteht aus einem Elektrodenstab 4a, 5a, der nahe der Spitze 4b, 5b mit einer Wicklung 4c, 5c versehen ist. Die Elektrodenspitzen liegen bei der beschriebenen Ausführungsform nahezu in den von den Endwandabschnitten gebildeten Endflächen 33a, 33b.
• Die hervorstehenden Keramikstopfen sind relativ zu den Endwandabschnitten 32a und 32b über einen Abstand a versenkt angebracht und darin mittels einer Sinterverbindung S gasdicht befestigt. Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe sind die hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 nicht relativ zu den Endwandabschnitten 32a und 32b versenkt. In diesem Fall liegen die Elektrodenspitzen zwischen den durch die Endwandabschnitte gebildeten Endflächen 33a, 33b.
• Bei einer praktischen Realisierung einer erfindungsgemäßen Lampe, wie in der Zeichnung dargestellt, betrugen die Betriebsdaten der Lampe 70 W, 240 V. Die Füllung des Entladungsgefäßes umfasst 4.4 mg Hg und 8 mg NaI, TlI und (Dy + Ho + Tm)I₃ in einem Massenverhältnis von 65:10:25. Die Lampe umfasst zusätzlich Ar als Zündgas mit einem Fülldruck P_ob von 160 mbar. Die Lampe war für eine Farbtemperatur von 3000 K mit Farbortkoordinaten (x, y; 437, 404) und einem allgemeinen Farbwiedergabe-Index Ra von mehr als 80 entworfen worden. Das Entladungsgefäß ist aus polykristallinem Aluminiumoxid, hat einen Innendurchmesser ID von 6,85 mm und einen Abstand zwischen den Elektroden spitzen EA von 7 mm. Die hervorstehenden Stopfen sind in den Endwandabschnitten in einem Abstand a von 1 mm zu den durch die Endwandabschnitte gebildeten Endflächen gesintert. Die Endwandabschnitte haben je eine Höhe von 3 mm, sodass die Sinterverbindung mit den Endstopfen sich über eine Länge von 2 mm erstreckt. Eine derartige Länge der Sinterverbindung hat sich in der Praxis als ausreichend erwiesen, um eine genügend starke und gasdichte Befestigung zwischen dem Endwandabschnitt und dem hervorstehenden Stopfen zu realisieren, auch für den Fall von Massenfertigung im Großmaßstab. Die Elektrodenspitzen liegen in den Endflächen. Die Elektroden umfassen je einen W-Stab, der an der Spitze mit einer W-Wicklung versehen ist.
• Anschließend wird zwischen jedem hervorstehenden Keramikstopfen und dem zugehörigen Stromzuführleiter in an sich bekannter Weise eine gasdichte Schmelzkeramikdichtung gebildet.
• Die Schmelzkeramikdichtung 10 erstreckt sich über eine Länge von 3 bis 3,5 mm vom vom Entladungsraum abgewandten Ende des hervorstehenden Stopfens.
• Das Entladungsgefäß hat ein Volumen V_ob von 257 mm³. Das Volumen V_bu des Außenkolbens beträgt 12,8 cm³. Der kleinste Abstand zwischen den Stromleitern 8 und 9 ist 3 mm. Die Beziehung P_ob*V_ob/V_bu hat in diesem Fall einen Wert von 3,2, sodass die Forderung ≤ 6 erfüllt ist.
• Bei einer Lampe mit den gleichen Betriebsdaten, aber versehen mit einem Reflektorkolben, ist der kleinste Abstand zwischen den Stromleitern 3 mm und das Volumen des Kolben V_bu beträgt 6,23 cm³. Der Edelgas-Fülldruck P_ob beträgt in diesem praktischen Fall 95 mbar und die Beziehung ist 3,9.
• Das Volumen des Entladungsgefäßes einer praktischen Lampe mit den Betriebsdaten 35 W, 240 V beträgt 117 mm³. Das Volumen des Außenkolben beträgt 5,71 cm³, wenn ein Reflektorkolben vom Typ PAR 20 verwendet wird. Der kleinste Abstand zwischen den Stromleitern beträgt 3 mm. Der Edelgas-Fülldruck P_ob wird für diese Lampe zu 200 mbar gewählt, was für die Beziehung P_ob*V_ob/V_bu einen Wert von 4 ergibt.
• Der Edelgas-Fülldruck in einer weiteren praktischen Lampe beträgt 60 mbar, hier mit einer Nennleistung von 150 W und mit einem röhrenförmigen Außenkolben vom 70-W-Lampentyp. Das Entladungsgefäß dieser Lampe hat ein Volumen V_ob von 930 mm³, was für die Beziehung einen Wert von 4,4 ergibt.

Claims (3)

1. Halogenmetalldampflampe, versehen mit einem Außenkolben, der ein Volumen V_bu hat, in dem ein Entladungsgefäß mit einem Volumen V_ob und einer Keramikwandung angeordnet ist, welches Gefäß Quecksilber, zumindest ein Halogenid und auch Ar als Edelgas, das einen Fülldruck P_ob hat, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Fülldruck des Ar die Beziehung Vob*Pob/Vbu≤ 6 mbarerfüllt, mit P_ob in mbar und V_ob und V_bu beide in mm³.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fülldruck des Ar, P_ob, so weit begrenzt ist, dass er einem Druck in dem Außenkolben von höchstens 4 mbar entspricht.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe eine Nennleistung von höchstens 150 W hat.