EP0344732B1 - Metallhalogenid-Entladungslampen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Metallhalogenid-Entladungslampen mit einer Natrium- und Galliumhalogenid enthaltenden Füllung und umfaßt insbesondere eine Entladungslampe für Raumbeleuchtung mit hoher Lichtausbeute.
• Metallhalogenid-Entladungslampen enthalten als Füllung unterschiedliche Metallhalogenide. Zur Erzielung einer für die Innenraumbeleuchtung erwünschten warmen Lichtfarbe ist es entscheidend wichtig, eine möglichst hohe Natrium-Konzentration im Kern der Entladung zu erzielen, ohne dabei die Brennerwand thermisch zu sehr zu belasten. Die erforderliche niedrige Farbtemperatur wird dabei durch die intensive Strahlung des Na-Resonanzlinienpaares bei 590 nm erreicht. Als wirksame Maßnahme für eine solche Konzentrationserhöhung hat sich hierbei der Einsatz zusätzlicher Metallhalogenide erwiesen, die mit dem ebenfalls eingesetzten Natriumhalogenid gasförmige Heterokomplexe bilden. Solche Heterokomplexe können über der Brennerwand einen höheren Dampfdruck als das reine Natriumhalogenid haben und führen dann zur gewünschten Konzentrationserhöhung von Natrium im Bogenkern.
• So wird bereits in der DE-A-20 59 577 eine Entladungslampe beschrieben, die Natrium und Indium in einem Molverhältnis von 0,05 bis 0,8 enthält.
• Gemäß der DE-A-24 22 411 soll ein Verstärkungseffekt insbesondere durch Aluminiumhalogenide erreicht werden, wobei Na/Al-Molverhältnisse von 0,3 bis 10 bevorzugt werden. Solche Lampen sollen außer Quecksilber, Edelgas und Halogen mindestens eines der Metalle Na, Li, K, Cs, Ca, Sr, Ba und ggf. Cd, Ga, In, Tl, Sn, Sc, Y und Seltenerden enthalten.
• Aus der DE-C-26 05 290 ist eine Entladungslampe bekannt, die neben Quecksilber und Edelgas Natriumhalogenid und Zinn enthält, wobei die Na/Sn-Molverhältnisse insbesondere zwischen 0,01 und 50 liegen sollen.
• Bereits auf dem Markt befindliche Halogenid-Entladungslampen gemäß der Patentschrift DE-C-26 55 167 verwenden für die Konzentrationserhöhung einen Zusatz aus SnX₂ (X = Br, I). Die Konzentrationserhöhung erfolgt dann über die Na und Sn enthaltenden Heterokomplexe des Typs NaSnX₃.
• Aus der DE-A-32 42 752 sind schließlich Entladungslampen bekannt, die Quecksilber, Argon sowie In (ggf. ersetzt durch Ga), Na, Li, Sn (ggf. ersetzt durch Al), Halogen und Tl enthalten, bei denen für die Komplexbildung mit Natriumhalogenid neben den vorhandenen Indium- (bzw. Gallium-) Halogeniden im wesentlichen Halogenverbindungen der Elemente Zinn und/oder Aluminium wirksam werden sollen. Aus den angegebenen Bereichsgrenzen errechnet sich ein Na/In (Ga)-Molverhältnis von 0,012 bis 4,8. Die als Beispiel angegebene Lampenfüllung enthält neben Ar, Hg, HgJ, TlJ und LiJ die Verbindungen NaJ, InJ und SnJ₂, wobei Na zu In im Molverhältnis von 0,81 vorliegen.
• Es wurde nun gefunden, daß die Natriumkonzentration in derartigen Lampen gegenüber der Komplexbildung mit Zinnhalogeniden erhöht ist, wenn für die Bildung eines galliumhaltigen Heterokomplexes des Typs NaGaX₄ gesorgt wird, bei dem X insbesondere für Chlor oder Brom steht. Mit NaGaCl₄ kann die höchste Natriumverstärkung erzielt werden.
• Solche Lampen können mit einer für die Raumbeleuchtung attraktiven warmen Lichtfarbe konzipiert werden, so daß in Anbetracht der hohen Lichtausbeute eine diesbezügliche Anwendung von großem Interesse sein dürfte. Besonders hohe Na-Verstärkungen weisen Mischungen mit etwa gleichen Molteilen an NaCl und GaCl₃ auf. Durch Veränderung des Molverhältnisses kann eine Variation der Lichtfarbe erreicht werden. Um Lampen neutralweißer Farbe zu erhalten, wird man innerhalb des definierten Bereichs relativ niedrige Na/Ga-Molverhältnisse wählen; bei solchen Lampen kann auf die sonst üblichen Seltenerd-Zusätze verzichtet werden.
• Der durch die Komplexbildung erzielte Verstärkungseffekt ist für Metallhalogenid-Entladungslampen allgemein von Interesse. Um die Elektrodenkorrosion in Grenzen zu halten, die beim Chlorid am stärksten ist und zum Jodid hin über Bromid abnimmt, sollte dabei ein gewisser Anteil der Halogenkomponente durch Jodid (insbesondere zumindest 5 %, vorzugsweise > 10 %) gebildet werden, wobei dann jedoch die verstärkende Wirkung vermindert ist, so daß je nach Anwendung eine gewisse Obergrenze nicht überschritten werden sollte. Bei optimaler Na/Ga-Abstimmung erweisen sich jedoch auch Lampen als nützlich die lediglich Jodid enthalten, was insbesondere für eine warme Lichtfarbe wichtig wäre. Solche lampen fallen jedoch nicht unter den Schutzumfang der nachstehenden Ansprüche.
• Die erfindungsgemäßen Metallhalogenid-Entladungslampen der eingangs genannten Art sind demgemäß
  gekennzeichnet
  durch eine ausschließlich aus Natrium-, Gallium- und Thalliumhalogeniden, Quecksilber und Edelgas bestehende Füllung, wobei Natrium und Gallium als Mischhalogenide von Chlor und Jod, Brom und Jod oder Chlor, Brom und Jod vorliegen, deren Jodanteil des Halogens höchstens 85 At% ausmacht und deren Molverhältnis von Natrium zu Gallium über 1 liegt.
• Die durch den Zusatz von GaBr₃ und/oder GaCl₃ erreichbare Erhöhung der Natriumkonzentration übertrifft die mit den bisher zugesetzten Sn-Halogeniden erreichbare wesentlich, wie durch folgenden Versuch gezeigt werden kann:
• Ein Maß für die Natrium-Konzentrationserhöhung im Bogenkern ist das Verhältnis aus der Natrium-Konzentration im Dampf über einer Mischung aus Natriumhalogenid und dem zugesetzten komplexbildenden Metallhalogenid zu der Natrium-Konzentration über reinem Natriumjodid bei der Brennerwandtemperatur. Dieses Verhältnis wird E genannt. Dieses wurde für unterschiedliche Bodenkörper bei der für Metallhalogenidbrenner typischen cold-spot-Temperatur von 800°C mit Hilfe von Dampfdichte-Messungen ermittelt. Tabelle 1 zeigt die erhaltenen Ergebnisse.

  

  
• Wie man sieht, wird durch Galliumhalogenide eine deutlich höhere Zunahme der Natrium-Konzentrationen über der Mischung erreicht als mit Zinnhalogeniden, wobei eine Steigerung vom Galliumjodid über das Galliumbromid zum Galliumchlorid erkennbar ist. Zweckmäßig wäre danach eine Heterokomplexbildung mit Galliumchlorid allein, die jedoch wegen der hauptsächlich durch das aggressive Chlor bewirkten Elektrodenkorrosion problematisch ist. Aus diesem Grunde werden jodidhaltige Mischungen vorgesehen, deren Korrosivität vermindert ist. Vorzugsweise sollte dabei der Jodanteil des Halogens über 40 At%, insbesondere zwischen 50 und 80 At% liegen.
• Bestimmend für die Auswahl des Jodidanteils ist das durch Bromid und insbesondere Chlorid erhöhte Korrosionsrisiko der Elektroden, woraufhin zur Zeit Mischungen mit zumindest 40 % Jodanteil favorisiert werden.
• Das zweckmäßigerweise auszuwählende Molverhältnis von Natriumhalogenid zu Galliumhalogenid, das insbesondere im Bereich von 1 bis 19 gewählt wird, unterliegt ebenfalls begrenzenden Einflüssen: einerseits wird durch einen zu geringen Galliumanteil die gewünschte Natriumverstärkung schwerlich erreicht, während andererseits zu hohe Galliumanteile über die genannten Gallium-Resonanzlinien im blauen Spektralbereich zu einer unerwünschten Erhöhung der Farbtemperatur führen. Bevorzugt werden daher molare Verhältnisse von Na zu Ga von 2 bis 8, insbesondere um den Wert 3 herum.
• Die Anwesenheit von Thalliumhalogenid ist geeignet, die Farbkoordinaten X und Y der Bogenstrahlung möglichst mit denen des Planckschen Strahlers zur Deckung zu bringen. Ein Farbpunkt oberhalb des Planckschen Kurvenzuges (zu große Y-Werte) bewirkt einen Grünstich des emittierten Lichts, während unterhalb der Planck-Kurve (zu kleine Y-Werte) ein unnatürlicher rötlicher Farbeindruck resultiert.
• In den Figuren 1, 2 und 3 sind die Konstruktionsmerkmale und die Lichtstromspektren zweier Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung wiedergegeben. Figur 1 zeigt das aus Quarzglas bestehende Entladungsgefäß 1 und den dasselbe umgebenden Außenkolben 2. Das isotherm ausgebildete Entladungsgefäß besitzt einen maximalen Innendurchmesser von 9mm, zeinen Elektrodenabstand von 7 mm und ein Innenvolumen von ca. 0,7 cm³. Die Elektroden sind wendelförmig ausgebildet. Die Enden des Entladungsgefäßes 1 sind mit einem die Wärmestrahlung reflektierenden Zirkondioxidbelag 3 versehen.
• Das dargestellte Entladungsgefäß wurde neben dem Zündgas Ar (80 mbar) mit folgenden Füllungen versehen
1) (Spektrum s. Fig. 2)

15,0 mg

Hg

0,64 mg

GaI₃

0,50 mg

NaI

0,15 mg

NaBr

0,19 mg

TlI


Na : Ga

3,4
• Elektrische und Lichttechnische Daten:

Netz:

220 V, 50 Hz

Lampenleistung:

73 W

Lampenstrom:

0,97 A

Lampenspannung:

88 V

Lichtausbeute:

62 lm/W

Farbtemperatur:

3500 K

Farbkoordinaten:

X = 0,384; Y = 0,327

Farbwiedergabeindex:

R_a = 79

2) (Spektrum s. Fig. 3)

16,0 mg

Hg

0,64 mg

GaI₃

0,26 mg

NaCl

0,25 mg

TlCl


Na : Ga

3,1
• Elektrische und Lichttechnische Daten:

Netz:

220 V, 50 Hz

Lampenleistung:

78 W

Lampenstrom:

0,88 A

Lampenspannung:

110 V

Lichtausbeute:

76 lm/W

Farbtemperatur:

4130 K

Farbkoordinaten:

X = 0,386; Y = 0,416

Farbwiedergabeindex:

R_a = 69

Claims (4)

1. Metallhalogenid-Entladungslampen mit einer ausschließlich aus Natrium-, Gallium- und Thalliumhalogeniden, Quecksilber und Edelgas bestehenden Füllung, wobei Natrium und Gallium als Mischhalogenide von Chlor und Jod, Brom und Jod oder Chlor, Brom und Jod vorliegen, deren Jodanteil des Halogens höchstens 85 At% ausmacht und deren Molverhältnis von Natrium zu Gallium über 1 liegt.
2. Entladungslampe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß Natrium und Gallium als Mischhalogenide vorliegen, deren Jodanteil des Halogens zwischen 50 und 80 At% liegt.
3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2,
   gekennzeichnet durch
   ein Molverhältnis von Natrium zu Gallium von 1 bis 19, insbesondere 2 bis 8.
4. Entladungslampe für Raumbeleuchtung mit hoher Lichtausbeute,
   gekennzeichnet durch
   eine Füllung mit einem $$\frac{\text{Na}}{\text{Ga}}$$

   

   -Molverhältnis um 3.

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