DE69824681T2 - Hochdruck-Entladungslampe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Entladungslampe mit einer Nennleistung von höchstens 100 W, versehen mit einem Entladungsgefäß, das eine durchscheinende Keramikwandung mit einer Dicke d aufweist, welches Entladungsgefäß einen Entladungsraum umschließt, in dem zwei Elektroden, jede mit einer Elektrodenspitze versehen, angeordnet sind, wobei die genannten Elektrodenspitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, welches Entladungsgefäß eine ionisierbare Füllung enthält, die zumindest Na und ein Halogenid umfasst, und welches Entladungsgefäß über den genannten Abstand EA zylindrisch ist und einen Querschnitt mit einem Innendurchmesser Di hat.
• Eine Lampe der eingangs erwähnten Art ist aus EP 215524 (N11.485) bekannt. Die bekannte Lampe, die eine Nennleistung von 40 W hat, hat eine Entladungsgefäßwanddicke von 0,45 mm. Die ionisierbare Füllung des Entladungsgefäßes umfasst außer Hg auch Halogenide von Na, T1 und In. Die Lampe hat gute Farbeigenschaften, insbesondere einen guten Farbort mit Koordinaten (x;y) und gute Werte sowohl für den allgemeinen Farbwiedergabe-Index Ra als auch für den Farbwiedergabe-Index R₉, der die Wiedergabe von Rot dargestellt. Dies macht die Lampe im Prinzip sehr geeignet für Innenbeleuchtungsanwendungen. Bei dieser Lampe wird die Erkenntnis genutzt, dass eine gute Farbwiedergabe möglich ist, wenn als Füllungsbestandteil einer Lampe Na-Halogenid verwendet wird und der Na-Druck während des Betriebs so hoch ist, dass eine starke Verbreiterung und Inversion der Na-Emission in den Na-D-Linien auftritt. Da das Na im Überschuss vorhanden ist, erfordert dies während des Lampenbetriebes eine hohe Temperatur am kältesten Fleck T_cs in dem Lampengefäß von beispielsweise 1000 K (730°C). Die Na-D-Linien nehmen in dem Spektrum die Form einer Emissionsbande an, mit zwei Maxima, die im Fall einer Inversion und Verbreiterung dieser Linien einen gegenseitigen Abstand von Δλ aufweisen. Die Forderung, dass T_cs einen hohen Wert haben sollte, schließt unter praktischen Bedingungen die Verwendung von Quarz oder Quarzglas für die Wandung des Entladungsgefäßes aus und erfordert die Verwendung eines Keramikmaterials.
• Aus US 50755587 ist eine Hochdruck-Entladungslampe bekannt, die ein Entladungsgefäß mit einer Keramikwandung und einer Hg, Na und Metallhalogenid umfassenden ionisierbaren Füllung aufweist. Je nach der Nennleistung der Lampe liegt die Dicke der Wandung des Entladungsgefäßes im Bereich von etwa 0,2 bis 1 mm.
• Unter dem Begriff „Keramikwandung" soll in der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen sowohl eine gasdichte Wandung aus Metalloxid, wie z.B. Saphir oder dichtgesintertes polykristallines Al₂O₃, als auch eine Wandung aus Metallnitrid, beispielsweise AlN, verstanden werden.
• Ein Nachteil der bekannten Lampe ist, dass die Lampe in der Praxis infolge von Angreifen des Entladungsgefäßes und Rissbildung darin eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer aufweist.
• Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu verschaffen, um eine Lampe mit einer längeren Nutzlebensdauer zu realisieren. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Lampe der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d der Wandung zumindest 1,2 mm beträgt.
• Die Verwendung einer verhältnismäßig dicken Wandung führt vorteilhafterweise nicht nur zu einem besseren Wärmetransport von dem Abschnitt der Wandung zwischen den Elektroden zu den verhältnismäßig kalten Enden des Entladungsgefäßes, sondern insbesondere zu einer Erhöhung der Wärmestrahlung, die die Wandung des Entladungsgefäßes ausstrahlt. Im Vergleich zu einer Wandung nach dem Stand der Technik führt die dicke Wandung hier zu einer geringeren Wandungstemperatur sowie zu einem geringeren Temperaturgradienten entlang der Wandung. Letzteres hat einen besonders günstigen Einfluss auf die Reduktion von chemischen Prozessen, bei denen der Transport von Komponenten einer Hauptrolle spielt. Die dickere Wandung selbst führt nämlich zu einem verringerten Angreifen und zu einem kleineren Bruchrisiko, aber andererseits führt es zu einer Verringerung der Temperatur des kältesten Flecks T_cs wobei alle anderen Parameter gleich bleiben. Bei der bekannten Lampe hat sich gezeigt, dass die Farbeigenschaften, insbesondere der Farbort und der allgemeine Farbwiedergabe-Index, sehr empfindlich gegen Veränderungen von T_cs sind.
• Eine Verringerung dieser Empfindlichkeit gegen Veränderungen von T_cs wird in hohem Maße dadurch erreicht, dass bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe die ionisierbare Füllung frei von In ist. Eine weitere Verbesse rung kann dadurch erreicht werden, dass die ionisierbare Füllung ein Seltenerdhalogenid umfasst. Dadurch wird auch eine stark verbesserte Farbstabilität über die gesamte Lampenlebensdauer realisiert. Es zeigte sich, dass in dieser Hinsicht Dy ein besonders geeigneter Bestandteil für die ionisierbare Füllung ist.
• Vorzugsweise ist bei einer erfindungsgemäßen Lampe die Beziehung 0,4 ≤ EA/Di ≤ 1,5 erfüllt. Der Vorteil hiervon ist, dass trotz der dicken Wandung der Wert für T_cs in einem Bereich zwischen 1200 K und 1300 K liegt, während gleichzeitig die maximale Temperatur der Wandung des Entladungsgefäßes auf 1400 K begrenzt bleibt. Experimentell hat sich gezeigt, dass für einen Wert von T_cs im Bereich von 1200 K bis 1300 K ein Wert von Δλ zwischen 12 nm und 60 nm realisiert werden kann. Um eine Lampe zu realisieren, die weißes Licht mit einem allgemeinen Farbwiedergabe-Index von zumindest 90 ausstrahlt, ist es wünschenswert, dass der Wert von Δλ zwischen 12 nm und 60 nm liegt.
• Es hat sich gezeigt, dass für ein Verhältnis EA/Di < 0,4 infolge der Konvexionsströme in dem Ladungsgefäß in verhältnismäßig kurzer Zeit eine erhebliche Schwärzung der Wandung des Entladungsgefäßes auftritt. Eine solche Schwärzung ist für gute Farbeigenschaften der Lampe verheerend. Wenn andererseits das genannte Verhältnis größer als 1,5 gewählt wird, hat sich in der Praxis gezeigt, dass ein Wert für den allgemeinen Farbwiedergabe-Index von größer als 90 nicht mit einer langen Lampenlebensdauer kombiniert werden kann.
• Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen Lampe sind in der Zeichnung dargestellt (nicht maßstabsgetreu) und werden im Weiteren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 schematisch eine erfindungsgemäße Lampe und
• 2 das Entladungsgefäß der Lampe von 1 im Detail.
• 1 zeigt eine Halogenmetalldampflampe, versehen mit einem Entladungsgefäß 3, das eine Keramikwandung mit einer Dicke d aufweist, welches Entladungsgefäß einen Entladungsraum 11 umschließt, der eine ionisierbare Füllung enthält, die zumindest Na und ein Halogenid umfasst. In dem Entladungsraum sind zwei Elektroden angeordnet, deren Spitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, wobei das Entladungsgefäß zumindest über den Abstand EA zylindrisch ist und einen Querschnitt mit einem Innendurchmesser Di aufweist. Das Entladungsgefäß ist mit Hilfe eines hervorstehenden Keramikstopfens 34, 35 verschlossen, der einen Stromdurchführleiter (2: 40, 41, 50, 51) zu einer Elektrode 4, 5, die in dem Entladungsgefäß angeordnet ist, mit engem Zwischenraum umschließt und mit dieser Elektrode an einem vom Entladungsraum abgewandten Ende mittels einer schmelzkeramischen Verbindung (2: 10) gasdicht verbunden ist. Das Entladungsgefäß ist von einem Außenkolben 1 umgeben, der an einem Ende mit einem Lampensockel 2 versehen ist. Wenn die Lampe in Betriebszustand ist, erstreckt sich zwischen den Elektroden 4 und 5 eine Entladung. Die Elektrode 4 ist über einen Stromleiter 8 mit einem ersten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Die Elektrode 5 ist über einen Stromleiter 9 mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Das Entladungsgefäß, in 2 mehr im Detail gezeigt (nicht maßstabsgetreu) hat eine Keramikwandung und ist aus einem zylindrischen Teil mit einem Innendurchmesser Di gebildet, der an beiden Seiten durch Endwandungsabschnitte 32a, 32b begrenzt ist, wobei jeder Endwandungsabschnitt 32a, 32b eine Endfläche 33a, 33b des Entladungsraums definiert. Die Endwandungsabschnitte haben je eine Öffnung, in der ein hervorstehender Keramikstopfen 34, 35 mit Hilfe einer Sinterverbindung S gasdicht in dem Endwandungsabschnitt befestigt ist. Die hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 umschließen jeweils eng einen Stromdurchführleiter 40, 41, 50, 51 einer jeweiligen Elektrode 4, 5 mit einer Spitze 4b, 5b. Der Stromdurchführleiter ist mit dem hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 an der vom Entladungsraum abgewandten Seite mit Hilfe einer schmelzkeramischen Verbindung 10 gasdicht verbunden.
• Die Elektrodenspitzen 4b, 5b liegen in einem gegenseitigen Abstand EA. Die Stromdurchführleiter umfassen je einen jeweiligen Teil 41, 51, der für Halogenide sehr widerstandsfähig ist, beispielsweise in Form eines Mo-Al₂O₃-Cermets, und einen Teil 40, 50, und einen Teil 40, 50, der an einem jeweiligen Endstopfen 34, 35 mittels einer schmelzkeramischen Verbindung 10 gasdicht befestigt ist. Die schmelzkeramische Verbindung erstreckt sich über einen gewissen Abstand, beispielsweise ungefähr 1 mm, über das Mo-Cermet 41, 51. Es ist möglich, dass die Teile 41, 51 auf andere Weise gebildet sind als aus einem Mo-Al₂O₃-Cermet. Andere mögliche Konstruktionen sind beispielsweise aus EP-0 587 238 (US-A-5424609) bekannt. Als besonders geeignet erwies sich eine Konstruktion, die unter anderem eine gegen Halogenide sehr widerstandsfähige Spule umfasste, die um einen gleichermaßen widerstandsfähigen Stift gewickelt war. Als Material, das gegen Halogenide sehr widerstandsfähig ist, ist Mo äußerst gut geeignet. Die Teile 40, 50 sind aus einem Metall mit einem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, der sehr gut mit dem der Endstopfen übereinstimmt. Nb ist für diesen Zweck beispielsweise ein sehr geeignetes Ma terial. Die Teile 40, 50 sind mit den Stromleitern 8 bzw. 9 in einer nicht im einzelnen dargestellten Weise verbunden. Die oben beschriebene Konstruktion der Durchführung ermöglicht es, die Lampe in jeder Brennlage zu betreiben.
• Jede der Elektroden 4, 5 umfasst einen Elektrodenstab 4a, 5a, der nahe der Spitze 4b, 5b mit einer Wicklung 4c, 5c versehen ist. Die hervorstehenden Keramikstopfen sind in den Endwandungsabschnitten 32a und 32b mit Hilfe einer Sinterverbindung S gasdicht befestigt. Die Elektrodenspitzen liegen hier zwischen den Endflächen 33a, 33b, die von den Endwandungsabschnitten gebildet werden. Bei einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lampe liegen die hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 relativ zu den Endwandungsabschnitten 32a und 32b versenkt. In diesem Fall liegen die Elektrodenspitzen nahezu in den Ebenen der Endflächen 33a, 33b, die von den Endwandungsabschnitten definiert werden.
• Bei einer praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Lampe, wie in der Zeichnung dargestellt, beträgt die Nennleistung der Lampe 40 W und hat die Lampe eine Nennspannung von 35 V. Die durchscheinende Wandung des Entladungsgefäßes hat eine Dicke von 1,2 mm. Der Innendurchmesser Di des Entladungsgefäßes beträgt 4 mm, der Zwischenraum zwischen den Elektrodenspitzen EA beträgt 4 mm. Die ionisierbare Füllung der Lampe umfasst 3 mg Hg und 7 mg (Na+Dl+Dy)-Iodid mit einer Molzusammensetzung von 83,6, 7,2 bzw. 9,2 %. Das Entladungsgefäß enthält auch Ar mit einem Fülldruck von 300 mbar, um das Zünden zu begünstigen. Der Wert von T_cs beträgt während des Lampenbetriebs 1265 K. Nach 100 Stunden strahlt die Lampe Licht mit einer Lichtausbeute von 77 lm/W aus. Die Farbtemperatur T_c des ausgestrahlten Lichtes beträgt 2914 K und die Farbortkoordinaten (x;y) sind (0,443;0,406). Der allgemeine Farbvriedergabe-Index Ra ist 92, der Index R₉ beträgt 31 und der Wert von Δλ ist 12,9 nm. Nach 1000 Betriebsstunden ist die Lichtausbeute 63 lm/W, T_c ist 2780 K, Ra ist 93, R₉ ist 40 und (x;y) ist (0,454;0,411). Nach 4500 Betriebsstunden haben die genannten Größen die Werte 55 lm/W; 2752 K; 93; 38 und (0,455;0,409). Nach 10.000 Stunden werden die folgenden Werte für die obigen Größen gemessen: 50 lm/W; 2754 K; 30 und (0,454;0,407). Der Wert von Δλ hat sich hierbei nur geringfügig verändert, wobei er auf 13,3 nm anstiegen ist. Nach 14.000 Betriebsstunden wies das Entladungsgefäß keine Brüche oder Undichtigkeiten infolge eines Angreifens der Entladungsgefäßwandung auf. Eine vergleichbare Lampe mit einer Wanddicke d des Entladungsgefäßes von 0,9 mm erreichte infolge von Undichtigkeiten des Entladungsgefäßes das Ende ihrer Lebensdauer bereits nach 2500 Stunden. Eine gleichartige Lampe, aber mit einer Wanddicke von 0,6 min, hatte nach nur 2000 Betriebsstunden ein undichtes Entladungsgefäß. Bei einer vergleichbaren Lampen, deren ionisierbare Füllung anstelle von einem Seltenerdhalogenid In enthält, änderte sich der Farbort über einen Zeitraum von 2000 Brennstunden von anfänglich (0,429;0,417) auf (0,467;0,422).
• Der Ra-Wert betrug nur 80 und R₉ < 0.
• Eine Wanddicke von 1,6 mm oder mehr lässt eine lange Lampenlebensdauer (14.000 Stunden) erreichen, aber fuhrt zu einem kleinen Wert für T_cs (< 1200 K), was relativ so niedrig ist, dass der allgemeine Farbwiedergabe-Index Ra zu Beginn der Lampenlebensdauer einen Wert unter 90 aufweist. Ein solch niedriger Wert von T_cs führt auch zu einer verhältnismäßig starken Drift des Farbortes während der Lampenlebensdauer.
• Bei einer weiteren praktischen Realisierung einer erfindungsgemäßen Lampe wie in der Zeichnung dargestellt beträgt die Lampennennleistung wieder 40 W. Der Innendurchmesser Di des Entladungsgefäßes beträgt jedoch 5 mm und der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen EA ist 3 mm. Die Dicke der durchscheinenden Wandung des Entladungsgefäßes und dessen Metallhalogenidfüllung sind die gleichen wie bei der vorherigen Ausführungsform. Folgende photometrischen Größen wurden für die Lampe gemessen, die mit einem induktiven Vorschaltgerät betrieben wurde:

  Farbtemperatur Tc	2740 K
  allgemeiner Farbwiedergabe-Index Ra	93
  Farbwiedergabe-Index R9	79
  Farbort	(0,449;0,397)
  Lichtausbeute	68 lm/W
  Δλ	19,6 nm

• Bei einer anderen praktischen Realisierung wurden Lampen mit einer Nennleistung von 70 W hergestellt. Der Innendurchmesser Di beträgt in einer ersten Lampe 6 mm und der Elektrodenspitzenabstand EA 4 mm. Nach 100 und 3700 Betriebsstunden betragen die Farbtemperaturwerte T_c 2980 K bzw. 2905 K, die Farbortkoordinaten (0,435;0,398) bzw. (0,441;0,401), der allgemeine Farbwiedergabe-Index Ra zu beiden Zeitpunkten 96 und der Farbwiedergabe-Index R₉ beträgt 80 bzw. 81. Die Werte für die Lichtausbeute sind zu den genannten Zeitpunkten 80 lm/W bzw. 60 lm/W.
• Bei einer zweiten Lampe ist der EA-Wert im Vergleich zu ersten Lampe auf 5 min erhöht. Die nach 100 Betriebsstunden gemessenen Werte sind: T_c 2908 K, (x;y) (0,442;0,403); Ra 93; R₉ 40 und Lichtausbeute 83 lm/W. Die Werte der gleichen Größen betragen nach 3700 Betriebsstunden: 2837 K; (0,447;0,403); 93; 42 und 67 lm/W.

Claims (3)

1. Hochdruck-Entladungslampe mit einer Nennleistung von höchstens 100 W, versehen mit einem Entladungsgefäß, das eine durchscheinende Keramikwandung mit einer Dicke d aufweist, welches Entladungsgefäß einen Entladungsraum umschließt, in dem zwei Elektroden, jede mit einer Elektrodenspitze versehen, angeordnet sind, wobei die genannten Elektrodenspitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, welches Entladungsgefäß eine ionisierbare Füllung enthält, die zumindest Na und ein Halogenid umfasst, und welches Entladungsgefäß über den genannten Abstand EA zylindrisch ist und einen Querschnitt mit einem Innendurchmesser Di hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d der Wandung zumindest 1,2 mm beträgt und dass die ionisierbare Füllung frei von In ist.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierbare Füllung ein Seltenerdhalogenid umfasst.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung 0,4 ≤ EA/Di ≤ 1,5 erfüllt ist.