EP0535311B1

EP0535311B1 - Hochdruckentladungslampe kleiner Leistung

Info

Publication number: EP0535311B1
Application number: EP92109933A
Authority: EP
Inventors: Dietrich Dr. Fromm; Andreas Dr. Hohlfeld; Günter Söhring
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2012-06-12
Also published as: CA2079438A1; HU9202811D0; CN1047689C; KR100232590B1; KR930006808A; HU214135B; HUT62422A; EP0535311A1; DE59200089D1; DE4132530A1; JPH05205697A; US5363007A; CN1073804A

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe kleiner Leistung. Darunter ist der Bereich von etwa 35 - 200 W zu verstehen.
Es handelt sich bevorzugt um Metallhalogenidlampen für die Allgemeinbeleuchtung, die sich im wesentlichen durch eine warmweiße Lichtfarbe (WDL) oder auch neutralweise Lichtfarbe (NDL) entsprechend einer Farbtemperatur von etwa 2600-4600 K auszeichnen.
Kriterien für die Tauglichkeit in der Allgemeinbeleuchtung sind insbesondere eine lange Lebensdauer von ≧ 6000 Std. und eine möglichst gute Farbwiedergabe, die sich in einem hohen Ra-Index ausdrückt. Für den Gesamtfarbwiedergabeindex wird ein Mindestwert von Ra₈ = 80 angestrebt. Daneben ist jedoch auch der Einzelindex R9, der einen Maßstab für die Wiedergabe im roten Spektralbereich bildet, von besonderer Bedeutung. Es ist bisher nicht gelungen, einen zufriedenstellenden Kompromiß zwischen langer Lebensdauer und guter Farbwiedergabe zu finden.
Aus der DE-C-2 106 447 ist eine für die NDL-Lichtfarbe entwickelte Füllung aus Halogeniden des Natrium und verschiedener Seltener Erdmetalle (SE) bekannt. Diese Füllung ist jedoch für die WDL-Lichtfarbe nicht geeignet, da zur Erreichung dieser Lichtfarbe eine zu hohe Wandbelastung benötigt würde, die in Verbindung mit dem Umstand, daß der Hauptteil des Selten-Erd-Materials in der Lampe als Kondensat vorliegt, schnell zu einer chemischen Reaktion der Füllsubstanzen mit dem Quarzglas führt (Entglasung), was die Lebensdauer erheblich beeinträchtigt.
Ein anderes speziell für die Lichtfarbe WDL bereits erprobtes System ist eine Na-Sn-Füllung (DE-C-26 55 167), mit der jedoch bisher keine befriedigende Farbwiedergabe erzielt werden konnte und die überdies bei unvollständiger Entfernung unerwünschter Restgase zu einer starken Elektrodenkorrosion führen kann.
Eine weitere Alternative bietet die reine Na-Sc-Füllung (EP-B-165 587), die bisher vor allem in USA weite Verbreitung gefunden hat, wobei die relativ schlechten Farbwiedergabeeigenschaften dieses Systems bisher zugunsten der langen Lebensdauer (über 6000 Std.) in Kauf genommen wurden: ein Gesamtfarbwiedergabeindex Ra₈ von lediglich ca. 70 und ein R9 von -90.
Zur Verbesserung des Lampenverhaltens sind verschiedene Zusätze beim Na-Sc-System erprobt worden, insbesondere Halogenide (abgekürzt H.) des Thoriums (z.B. EP-B-220 633) und des Thalliums. In der US-A-4 866 342 ist für Farbtemperaturen zwischen 3800 und 4600 K (entsprechend der Lichtfarbe NDL) und einer hohen Leistung (400 W) als Dosierung ein molares Verhältnis zwischen Na-H.:Sc-H. von 25:1 bis 50:1 und entsprechend ein Verhältnis zwischen Na-H.:Tl-H. von 75:1 bis 280:1 angegeben.
Eine ähnliche Dosiervorschrift findet sich in der DE-C-3 341 846 für eine Kfz-Entladungslampe, die typische Farbtemperaturen von 4500 K (neutralweiß) besitzen. Die Farbwiedergabe spielt dabei keine Rolle.
Zur Verbesserung des Na-Sc-Systems sind auch andere Kunstgriffe versucht worden, beispielsweise die Zugabe von elementarem Scandium (EP-B-173 235), eine Beschichtung auf dem Entladungsgefäß (EP-B-220 633 und 173 235) oder die Evakuierung des Außenkolbens unter Einsatz eines zusätzlichen Wärmestaurohres (EP-B-165 587).
Besondere Anstrengungen werden in der EP-B-215 524 unternommen, um eine befriedigende Lampe mit guter Farbwiedergabe und niedriger Farbtemperatur (entsprechend WDL) zu erzielen. Die Lampe basiert auf einem Na-Tl-System, evtl. unter Zuhilfenahme von Zusätzen an Seltenen Erden (einschließlich Sc). Die Lampe muß jedoch mit einer derart hohen Wandbelastung (> 25 W/cm², typisch 60 W/cm²) betrieben werden, daß ein keramisches Entladungsgefäß verwendet werden muß. Außerdem müssen mehrere geometrische Beziehungen im Hinblick auf das Entladungsvolumen und die Elektrodenanordnung eingehalten werden. Diese Lösung ist theoretisch interessant, in der Praxis jedoch schon allein dadurch unbefriedigend, daß die Verwendung keramischen Materials eine völlig neue Technologie erfordert, was mit erheblichen Mehrkosten und Problemen verbunden ist. Dies bezieht sich insbesondere auf die dauerhafte Dichtigkeit der Durchführung und die Entwicklung halogenbeständiger Glaslote.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogenidfüllung kleiner Leistung anzugeben, die sich für die Innenraumbeleuchtung eignet und die sich dementsprechend gleichzeitig durch eine relativ niedrige Farbtemperatur, eine gute Farbwiedergabe und eine lange Lebensdauer auszeichnet. Eine weitere Aufgabe ist es, die an sich bewährte Quarzglas-Technologie für das Entladungsgefäß nach Möglichkeit beizubehalten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Der Wunsch, eine Entladungslampe kleiner Leistung mit guter Farbwiedergabe und hoher Lebensdauer für die Innenraumbeleuchtung zu entwickeln, besteht schon seit vielen Jahren, ohne daß es bisher gelungen wäre, eine voll befriedigende Lösung zu finden. Das Problem ist, daß sich die beiden gewünschten Merkmale in gewisser Weise gegenseitig ausschließen und daß sich außerdem die Lichtausbeute bei Anhebung des Farbwiedergabeindexes verschlechtert. Es muß deshalb ein möglichst ausgewogener Kompromiß zwischen einander widerstrebenden Forderungen gefunden werden. Zwar sind prinzipiell die einzelnen technischen Merkmale, die dafür in Frage kommen, schon seit langem bekannt. Sie sind jedoch so kompliziert miteinander verknüpft, daß nur praktische Versuche es erlauben, eine optimale Kombination zu finden.
Von grundlegender Bedeutung ist dabei die Wahl der Füllungsbestandteile und deren relative Anteile. Besondere Vorteile lassen sich bei geeigneter Wahl des Materials und der geometrischen Abmessungen des Lampenkolbens erzielen.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist die Überlegung, daß bei sorgfältiger Auswahl der Füllungsbestandteile die Wandbelastung eines Entladungsgefäßes aus Quarzglas höher gewählt werden kann, als die Fachwelt bis jetzt annahm. Als Grenzwert wurde bisher allgemein eine Belastung von 20 W/cm² angesehen, was beispielsweise in den "Technisch-wissenschaftlichen Abhandlungen der OSRAM-Gesellschaft" (TWAOG), Band 12, Springer Verlag, Heidelberg 1986, Seite 11 ff (insbesondere Tabelle 3 auf Seite 15), zum Ausdruck kommt. Ein anderer Beleg ist die DE-A-40 13 039, Seite 3 . Die Wandbelastung nimmt mit abnehmender Leistungsstufe zu. Dadurch werden die Wärmeverluste, die bei dementsprechend kleinen Lampenabmessungen zunehmen, ausgeglichen. Sie ist insbesondere für Leistungsstufen unter 100 W kritisch, die gerade für die Innenraumbeleuchtung bevorzugt sind.
Ausgehend von dieser Grundüberlegung wurde nach einem Füllungssystem gesucht, das im Lampenbetrieb wenig Bodensatz (Kondensat) aus aggressiven Materialien bildet, weil sich herausgestellt hat, daß dieses Kondensat das Gefäßmaterial zusätzlich belastet und die Lebensdauer durch erhöhte Entglasung verkürzt. Das an sich naheliegende und üblicherweise erprobte Na-SE-System ist dafür ungeeignet, weil es zwecks Erzielung hoher Lebensdauern gesättigt betrieben werden muß, wobei sich im Bodensatz etwa 90 %(!) des Füllungsmaterials befinden. Genauso ist auch ein gesättigtes Na-Sc-System ungeeignet, wie es in der EP-B-220 633 beschrieben ist.
Überraschenderweise hat sich nun jedoch gezeigt, daß das - an sich schon für Lampen mit relativ schlechter Farbwiedergabe (Ra = 70) wohlbekannte - Na-Sc-System die besten Voraussetzungen aufweist, um die o.g. Ziele zu erreichen, wenn ihm Tl hinzugefügt ist. Dieses Na-Sc-Tl-System ist jedoch nur dann in der Lage, die gewünschten Anforderungen zu erfüllen, wenn es abweichend von der bisher üblichen Dosierung (Molverhältnis Na-H.:Sc-H. = 25... 50:1 bzw. Na-H.:Tl-H. = 75... 280:1) eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Molverhältnis von Na-H.:Sc-H. von 5... 24:1 (vorzugsweise von 5... 22:1, besonders bevorzugt von 5...19:1) und Na-H.:Tl-H. von 25... 73:1 verwendet. Der Natriumanteil wird also verringert. Ein Na-Sc-Verhältnis unter 25:1 führt zu einer Verbesserung der Lebensdauer, weil dann der für die Lichterzeugung und Entglasung des Kolbens gleichermaßen wesentliche Na-Sc-X₄-Komplex (X = Halogen), der sich bekanntlich im Lampenbetrieb bildet, ungesättigt vorliegt. Er ist also vollständig verdampft und steht somit für eine Reaktion zwischen Wand und Füllung, die zur Entglasung führt, nicht in Form von Kondensat zur Verfügung. Hingegen ist durchaus ein Bodenkörper an Na-Halogenid (insbesondere NaI) vorhanden, der jedoch bei der Entglasung keine Rolle spielt. Die vorliegende Erfindung basiert also wesentlich auf der Erkenntnis der unterschiedlichen Rollen dieser beiden Natriumverbindungen in bezug auf die Reaktion Füllung/Wand sowie aus den daraus gezogenen Konsequenzen. Das Ergebnis ist eine teilgesättigte Lampe, die so ausgelegt ist, daß sie hinsichtlich der Na-Halogenide gesättigt, hinsichtlich der Komplexverbindung sowie der Sc- und Tl-Halogenide jedoch ungesättigt ist. Bei einem Na-Sc-Verhältnis unter 5:1 läßt sich die gewünschte Farbtemperatur nicht erzielen.
Die Reduzierung der Natriummenge wird durch zwei Maßnahmen kompensiert: Die erste ist eine entsprechende Erhöhung der cold-spot-Temperatur, um die gleiche warmweiße Lichtfarbe zu erzielen. Dies geschieht durch eine Reflexionsbeschichtung. Insbesondere handelt es sich um Wärmestaubeläge an den beiden Enden des zweiseitig gequetschten Entladungsgefäßes. Das Wärmestauverhalten muß so optimiert sein, daß die cold-spot-Temperatur Tc 800 °C überschreitet; früher übliche Tc-Werte liegen bei etwa 600-800 °C für Quarzglas, während höhere Tc-Werte bisher nur mit keramischen Entladungsgefäßen realisiert wurden. Besonders elegant wird diese Temperatur durch eine im Vergleich zu bisherigen Ausführungen erheblich verstärkte Schichtdicke des Wärmestaubelags erzielt. Dieser Effekt läßt sich noch dadurch verstärken, daß der Außenkolben evakuiert ist. Unter diesen Bedingungen ist die Natriumdampfdichte so groß, daß im Spektrum der Lampe die Na-Resonanzlinie bei 589 nm erheblich druckverbreitert und in der Mitte selbstabsorbiert erscheint. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Verbesserung der Rotwiedergabe (R9) durch die Emission im langwelligen Flügel der Resonanzlinie erreicht. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Betriebsbedingungen so gewählt sind, daß der Abstand zwischen den Maximalwerten (Kuppen) der beiden Flügel etwa 7-12 nm beträgt.
Die zweite Maßnahme ist die Verwendung von Tl in der erfindungsgemäßen Dosierung. Die Aufgabe des Tl liegt dabei nicht so sehr in seinem direkten Beitrag zur Verbesserung der Farbwiedergabe. Vielmehr steht im Vordergrund, daß es teilweise die Funktion des Na als Elektronenlieferant übernimmt. Dadurch wird der Ionisationsgrad der Na-Dampfphase entsprechend verkleinert. Ein großer Teil des Natriums liegt somit als neutrales Atom vor, was die Verbreiterung der Na-Resonanzlinie unterstützt. Der Thallium-Zusatz wird dabei so dimensioniert, daß die Lampe im eingebrannten Zustand (nach ca. 100 Std.) fast genau auf dem Planck'schen Kurvenzug liegt und somit gut mit anderen Lichtquellen harmoniert. Ein Na-Tl-Verhältnis unter 25:1 würde der Lampe einen Grünstich geben. Ein Verhältnis oberhalb 73:1 würde sich ungünstig auf die Brennspannung und das Wiederzündverhalten auswirken.
Bei warmweißen Lichtfarben hat es sich als besonders günstig erwiesen, im Fall der ausschließlichen Verwendung von Jod als Halogenid ein Na-Tl-Verhältnis zwischen 25:1 und 50:1 zu verwenden. Für neutralweiße Lichtfarben eignet sich bevorzugt ein Na-Tl-Verhältnis von 40:1 bis 73:1, insbesondere von 50:1 bis 73:1. Dies gilt für reine Jod-Füllungen genauso wie für Mischfüllungen aus Jod und Brom.
Im einzelnen hat sich gezeigt, daß das Wärmestauverhalten durch eine sorgfältige Konstruktion des Wärmestaubelags in Gestalt zweier Kalotten günstig beeinflußt werden kann. Hierbei ist die Dicke des Belags, seine Reinheit und der Abstand zwischen den beiden Belag-Kalotten ausschlaggebend. Vorteilhaft wird Zirkonoxid oder auch Aluminiumoxid mit einer Reinheit von mindestens 97 % entsprechend der DE-OS 38 32 643 verwendet. Bei der Schichtdicke, deren Dimensionierung bisher keine besondere Beachtung geschenkt wurde, ist darauf zu achten, daß sie genügend groß, nämlich optisch dick ist. Bei einer Aluminium- oder Zirkonoxidschicht muß die Dicke mindestens 0,15 mm betragen. Der Abstand der beiden Kalotten des Belags soll vorteilhaft so gewählt sein, daß er etwa 90 bis 105 % des Elektrodenabstands beträgt.
Die absolute Dosierung des Na-Sc-Tl-Systems beträgt bevorzugt 2,5 bis 5,5 mg/cm³, bezogen auf das Innenvolumen des Entladungsgefäßes, so daß sich das System gerade an der Grenze zur Sättigung befindet. Als Halogen kann dabei Jod, evtl. mit einem gewissen Anteil Brom, verwendet werden.
Infolge eines gewissen Schwunds an Füllsubstanz in den ersten 100 Stunden Betriebsdauer kommt es zu einer Abnahme des Sc-Partialdrucks, da das Sc im Gegensatz zu Na über keinen Nachschub aus dem Bodenkörper verfügt. Dies ist mit einer Verschiebung zu niedrigeren Farbtemperaturen hin verbunden. Es ist daher empfehlenswert, eine geringe Menge an elementarem Scandium als Ausgleich zuzusetzen, wodurch die Farbdrift bei Beginn der Brenndauer verringert werden kann.
Eine andere bzw. zusätzliche Möglichkeit zur Verringerung der Farbdrift ist die teilweise Verwendung von Brom als Halogenid, wobei die Jodmenge bis zu 70 % durch Brom ersetzt werden kann. Typische Werte liegen bei 30 %, unabhängig von der Lichtfarbe. Die Verwendung von Brom ist zwar als theoretische Alternative zu reinen Jodfüllungen aus der US-A-4 866 342 bereits bekannt, ohne daß sie jedoch bei den erfindungsgemäßen Lampen bisher wirklich eingesetzt worden wäre. Erst jetzt konnte das Verhalten einer Mischfüllung aus Jod und Brom so weit geklärt werden, daß ihr Einsatz als besonders vorteilhaft erscheint.
Infolge der größeren Bindungsenergie des ScBr₃ im Vergleich zu ScI₃ fällt bei einer Mischfüllung die unerwünschte Wechselwirkung des Scandiumhalogenids mit der Quarzwand des Entladungsgefäßes unter Bildung von Scandiumoxid deutlich schwächer aus. Zwar wird das Brom als NaBr₃ eingeführt, während des Betriebs stellt sich jedoch ein Gleichgewicht nach der Dissoziation ein, so daß neben dem ursprünglich vorhandenen ScI₃ auch ScBr₃ gebildet wird. Die Kombination einer Scandiumdosierung mit einer bromhaltigen Mischfüllung besonders bei hoher Wandbelastung (kleinwattige Typen und/oder extrem gute Farbwiedergabe) ist zu empfehlen, da der Scandiumverlustmechanismus bei höheren Temperaturen schneller abläuft.
Die Zugabe von Brom bewirkt, daß die Lichtstromabnahme (bisher bis zu 30 %) die Abnahme der Farbtemperatur (bisher bis zu 600 K) sowie die Drift des Farbortes (Abnahme der y-Koordinate bisher bis zu 10 Hundertstelpunkten) während der ersten 100 bis 500 Betriebsstunden um mehr als 50 % verbessert wird.
Während bei der ausschließlichen Zugabe von Jod als Halogenid das Na-Sc-Verhältnis 5... 13:1 (bezogen auf die Halogenide) bevorzugt wird, wird im Fall einer I/Br-Mischfüllung ein höherer Wert, insbesondere bis zu 22:1, unter Umständen sogar bis zu 24:1, empfohlen. Die Ursache ist, daß die Zugabe von Brom eine höhere Farbtemperatur infolge des teilweisen Fortfalls der jodbedingten Absorption im blauen Spektralbereich bedingt. Dies muß durch eine Erhöhung des Na-Sc-Verhältnisses kompensiert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Farbwiedergabewerte können zusätzlich Halogenide des Zirkons und/oder Hafniums in einer Gesamtmenge von bis zu 4 Mol-% der Metallhalogenid-Füllung verwendet werden.
Während sowohl Hf als auch Zr das Zünd- und Emissionsverhalten verbessern, ist Zr zusätzlich noch zur Verbesserung des R9-Index geeignet, da es auch im roten Spektralbereich emittiert.
Weitere Verbesserungen sind durch eine Optimierung der geometrischen Abmessungen möglich. Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, daß beim erfindungsgemäßen Lampentyp für verschiedene Leistungsstufen ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Elektrodenabstand (in mm) und Leistungsstufe (in W) besteht. Bisher war man immer von einem linearen Zusammenhang ausgegangen. Die besten Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn der Elektrodenabstand proportional der Wurzel aus der Leistungsstufe gewählt wird. Der Proportionalitätsfaktor ist 0,85 mit einer Toleranzbreite von ± 0,1.
Eine andere wesentliche Dimensionierung ist das Verhältnis des maximalen Innendurchmessers des Entladungsgefäßes zum Elektrodenabstand. Es beträgt vorteilhaft etwa 1,1 bis 1,4 und ist damit deutlich höher als die bisher üblichen Werte von typisch 0,9. Der Begriff maximaler Innendurchmesser läßt außerdem erkennen, daß das Entladungsgefäß bevorzugt in der Mitte ausgebaucht sein soll. Insbesondere hat sich ein Tonnenkörper bewährt. Eine andere Möglichkeit ist ein Ellipsoid. Der Grad der Ausbauchung ist insbesondere so gewählt, daß der sog. effektive mittlere Innendurchmesser etwa das 0,9-bis 1,2fache des Elektrodenabstands beträgt. Der effektive mittlere Innendurchmesser ist definiert durch die Wurzel aus dem Innenvolumen, das durch den Elektrodenabstand geteilt worden ist (vgl. EP-B-215 524).
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lampe ist, daß die Brennspannung von 100 V über die Lebensdauer in guter Näherung konstant bleibt.
Außerdem ist die Streuung der Farbtemperatur verringert. Die Lampe kann in jeder Brennlage betrieben werden ohne nennenswerte Änderung der Farbwerte. Dadurch ist die Lampe besonders gut für die Beleuchtung großer Flächen (z.B. Hallen) geeignet, da die einzelnen Lampen nur wenig voneinander abweichende Farbwerte aufweisen.
Durch die Erfindung werden Hochdruckentladungslampen kleiner Leistung geschaffen, die sich für die Innenraumbeleuchtung eignen. Bei einer Lebensdauer von 6000 Std. wird ein Farbwiedergabeindex Ra₈ ≧ 80 und ein R₉ von ≧ -30 geschaffen. Der Rotanteil steigt von 15 % auf mehr als 20 %.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1: zeigt den Aufbau einer zweiseitig gesockelten Hochdruckentladungslampe mit zweiseitig gequetschtem Entladungsgefäß
Figur 2: zeigt einen Vergleich zwischen dem Spektrum einer 75 W-Lampe mit vorbekannter (gestrichelt) und erfindungsgemäßer (durchgezogen) Füllung

Die in Figur 1 dargestellte 75 W-Hochdruckentladungslampe 1 besteht aus einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das von einem zweiseitig gesockelten evakuierten Außenkolben 3 umschlossen ist. Die Elektroden 4, 5 - schematisch dargestellt - sind mittels Folien 6, 7 gasdicht in das Entladungsgefäß 2 eingeschmolzen und über die Stromzuführungen 8, 9, die Dichtungsfolien 10, 11 des Außenkolbens 3 und über weitere kurze Stromzuführungen mit den elektrischen Anschlüssen der Keramiksockel (R7s) 12, 13 verbunden. Die Stromzuführungen 8, 9 sind von einem Gewebe aus Quarzfasern (nicht sichtbar) ummantelt, das die Bildung von Photoelektronen im Außenkolben unterdrückt. Dadurch kann die Lebensdauer deutlich über 6000 Std. verlängert werden.
In eine Quetschung des Außenkolbens 3 ist zusätzlich - über ein Drahtstück - ein auf einem Metallplättchen aufgebrachtes Gettermaterial 14 potentialfrei eingeschmolzen. Die Enden des Entladungsgefäßes 2 sind mit einem wärmereflektierenden Belag 15, 16 aus Zirkondioxid mit einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm versehen, so daß die cold spot-Temperatur deutlich über 800 °C gehalten wird. Der Belag bildet zwei Kalotten, deren Innenkanten in Höhe der Elektrodenspitzen angeordnet sind. Dem Elektrodenabstand von 7 mm entspricht somit auch der Abstand der Innenkanten.
Das Entladungsgefäß 2 ist tonnenförmig ausgebaucht. Die Erzeugende des Tonnenkörpers ist ein Kreisbogen mit einem Radius von 11,1 mm. Die Innenlänge des Entladungsgefäßes beträgt 14 mm, sein Innenvolumen ist 0,69 m³ bei einer Wandbelastung von bis zu 22 W/cm². Das Quarzglas ist etwa 1,3 mm dick.
Als Füllung enthält das Entladungsgefäß 2 zur Erzielung einer warmweißen Lichtfarbe (WDL) mit einer Farbtemperatur von 3000 K neben 16 mg Quecksilber und 120 mbar Argon insgesamt 2 mg der folgenden Metallhalogenide (molarer Anteil in % der Gesamtmetallhalogenide): 89 % NaI, 8,3 % ScI₃ und 2,7 % TlI. Dies entspricht einem molaren Verhältnis des Natriumhalogenids zum Scandiumhalogenid von 11:1 bzw. zum Thalliumhalogenid von 33:1. Der Lichtstrom (100 Stunden-Wert) nimmt im Vergleich zu einer Lampe mit einer bekannten Füllung mit den Halogeniden von Natrium, Zinn, Thallium, Indium und Lithium um 20 % auf 6000 lm zu. Die Lichtausbeute beträgt 77 lm/W statt 67 lm/W (15 % Zunahme). Der Gesamtfarbwiedergabeindex liegt bei Ra₈ = 82 statt vormals Ra₈ = 76. Der Index R9 verbessert sich von -90 auf -20, wobei der Rotanteil von 15 auf 21 % steigt. Die Lebensdauer beträgt 6000 Std. Die Farbstreuung verringert sich von ± 300 K auf ± 130 K. Die Normfarbwertanteile sind x = 0,418 und y = 0,400.
Figur 2 zeigt eine Gegenüberstellung des Spektrums einer 75 W-Lampe mit der bekannten Natrium-Zinn-Füllung (gestrichelt) mit einer baugleichen Lampe, die die obige Natrium-Scandium-Thallium-Füllung enthält. Die Farbtemperatur ist auf 3300 K eingestellt. Das Spektrum weist zusätzliche Einzellinien (a) auf, die zum verbesserten Farbwiedergabeindex beitragen. Sie sind durch den Scandium-Zusatz bedingt. Die Gleichmäßigkeit des Spektrums ist erheblich verbessert. Starke Einzellinien im Spektrum der herkömmlichen Lampe, wie die Linien von Natrium (b), Lithium (c), Indium (d), Quecksilber (e) und Thallium (f) sind mehr oder weniger nivelliert (Lithium ist noch als Verunreinigung vorhanden). Besonders auffallend ist die wesentlich verbesserte Emission im langwelligen Flügel (b2) der Natrium-Resonanzlinie, wodurch vor allem der Rotanteil deutlich erhöht wird (+ 40 %). Dadurch werden alle gesättigten Farben deutlich natürlicher wiedergegeben. Dies ist von besonderem Interesse bei der Innenraumbeleuchtung, Lebensmittelbeleuchtung und Schaufensterbeleuchtung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist eine ähnlich aufgebaute 150 W-Lampe mit warmweißer Lichtfarbe (WDL), deren Füllung neben Quecksilber und Argon insgesamt 4 mg der gleichen Metallhalogenid-Komponente wie im vorausgegangenen Ausführungsbeispiel aufweist.
Bei einer Farbtemperatur von 3000 K und einer Lichtausbeute von jetzt 85 lm/W (früher 75 lm/W) wird ein Lichtstrom von ca. 12800 lm und ein Farbwiedergabeindex von Ra₈ = 92 statt früher Ra₈ = 85 erzielt. Speziell im Roten wird die Farbwiedergabe von R9 = -70 auf R9 = 0 verbessert. Bei einem Brennervolumen von 1,5 cm³ und einem Elektrodenabstand von 11,0 mm beträgt die Wandbelastung bis zu 18 W/cm².
Auch diese Lampe erreicht eine Lebensdauer von mindestens 6000 Std. Die Farbstreuung verringert sich von ± 300 K auf ± 130 K. Die älteren Vergleichswerte beziehen sich auf eine Füllung, die als Metallhalogenide die Jodide von Dysprosium, Holmium, Thulium, Natrium und Thallium enthält.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer WDL-Füllung für eine 75 W-Lampe weist zur Verbesserung des Zündverhaltens und weiteren Reduzierung der Entglasung zusätzlich einen Anteil von 1 % HfI₄ oder ZrI auf. Da Zr außerdem ein Rotemitter ist, läßt sich durch die Zugabe von ZrI sogar ein Farbwiedergabeindex von Ra₈ = 90 und ein Rotanteil von 22 % erzielen.
Außerdem kann der NaI-Anteil teilweise (typisch 30 %) durch NaBr ersetzt sein.
Im Fall einer WDL-Lampe mit einer Farbtemperatur von 3000 K und einer Leistung von 70 W lassen sich sehr gute Ergebnisse mit folgender Füllung (Gesamtmenge 2 mg) erzielen (Angabe in Mol-%): 58,8 % NaI, 34,3 % NaBr, 4,9 % ScI₃, 1,3 % TlI und 0,7 % HfI₄. Eine Alternative bietet die folgende hafniumfreie Füllung: 59,2 % NaI, 34,5 % NaBr, 4,9 % ScI₃ und 1,4 % TlI. Bei diesen Füllungen beträgt das Na-Sc-Verhältnis etwa 19:1, während das Na-Tl-Verhältnis bei etwa 70:1 liegt. Der Bromanteil beträgt ca. 31 % der Halogenide. Mit diesen Füllungen wird eine Lichtausbeute von 77 lm/W bei einem Gesamtfarbindex Ra₈ = 82 und einem Rotindex R9 = -20 erzielt. Die Lichtstromabnahme dieser Lampe betrug nur noch 15 % (früher 30 %) in den ersten 100 Stunden, die Abnahme der Farbtemperatur reduzierte sich auf 200 K (früher 600 K), während die Abnahme der y-Koordinate des Farbortes sich nur noch auf 4 Hundertstelpunkte (vorher 11) belief.
Schließlich kann der Na-Sc-Tl-Füllung des ersten Ausführungsbeispiels zusätzlich elementares Sc in einer Menge von 0,03 mg hinzugefügt werden. Dadurch wird der in den ersten 100 Std. unvermeidliche Verlust an Füllmenge aufgefangen, so daß die Konstanz der Farbwerte und außerdem der Brennspannung verbessert wird. Hierzu eignet sich auch eine andere Scandium-Verbindung, die Sc in unterstöchiometrischen Mengen freisetzt, z.B. ScI₂.
Die oben angeführten Abmessungen der Entladungsgefäße sind insbesondere auch deswegen vorteilhaft, weil sie akustische Resonanzen beim Betrieb an Hochfrequenz-Vorschaltgeräten vermeiden.
Ein Beispiel für eine NDL-Füllung (Farbtemperatur 4000 K) wird bei einer 75 W-Lampe durch folgende Metallhalogenid-Komponente (Anteile in Mol-%) erzeugt: 81,9 % NaI, 14 % ScI₃, 2,7 % HfI₄ und 1,4 % TlI. Bei dieser Füllung beträgt das Molverhältnis NaI/ScI₃ 6:1 und das Verhältnis NaJ/TlJ ist 58:1.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Erfindung ihre wesentlichen Vorteile bei den für die Innenraumbeleuchtung besonders interessanten Farbtemperaturen im Bereich von etwa 3000 K entfaltet, entsprechend einer Lichtfarbe WDL. Hierbei kommt dem Thalliumzusatz eine ganz wesentliche Bedeutung zu, entsprechend einem Halogenid-Verhältnis Na/Tl von 25... 50:1 für reine Jodfüllungen bzw. bis 73:1 für Mischfüllungen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich das Prinzip der Erfindung auch auf Farbtemperaturen von ca. 4300 K (entsprechend der Lichtfarbe NDL) übertragen läßt. Naturgemäß sinkt dabei der Einfluß des Thalliums, so daß in diesem Fall ein Halogenid-Verhältnis Na/Tl bis zu 70:1 für reine Jodfüllungen empfohlen wird; besonders vorteilhaft ist ein Verhältnis 50:1... 65:1. Für Mischfüllungen ist ein Verhältnis 50:1... 73:1 besonders geeignet.

Claims

Hochdruckentladungslampe kleiner Leistung mit folgenden Merkmalen:
- ein Entladungsgefäß (2) aus Quarzglas

- ein durchscheinender Außenkolben (3), in dem das Entladungsgefäß (2) angeordnet ist, wobei sich ein Stromzuführungssystem durch die Wände des Außenkolbens und des Entladungsgefäßes zu zwei Elektroden (4, 5) im Entladungsgefäß erstreckt

- eine ionisierbare Füllung im Entladungsgefäß, die Edelgas, Quecksilber sowie eine Metallhalogenid-Komponente enthält, die im wesentlichen auf den Metallen Natrium, Scandium und Thallium basiert

- das Molverhältnis zwischen den Anteilen des Natriumhalogenids (Na.-H.) und des Scandiumhalogenids (Sc.-H.) beträgt 5:1 bis 24:1

- das Molverhältnis zwischen Natriumhalogenid (Na.-H.) und Thalliumhalogenid (Tl.-H.) beträgt 25:1 bis 73:1

- das Entladungsgefäß (2) ist mit einer Reflexionsbeschichtung (15, 16) zur Verbesserung des Wärmestauverhaltens ausgestattet.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Erzielen einer neutralweißen Lichtfarbe (NDL), entsprechend einer Farbtemperatur von typisch 3800 K bis 4600 K, das Molverhältnis zwischen den Anteilen des Na.-H. und des Tl.-H. 50:1 bis 73:1 beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als Halogen ausschließlich Jod enthält, wobei das Molverhältnis Na.-H. zu Sc.-H. 5:1 bis 13:1 beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Erzielen einer warmweißen Lichtfarbe (WDL), entsprechend einer Farbtemperatur von typisch 2600 bis 3500 K, das Molverhältnis zwischen den Anteilen des Na.-H. und des Tl.-H. 25:1 bis 50:1 beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als Halogen eine Mischung aus Jod und Brom enthält, wobei das Molverhältnis Na.-H. zu Sc.-H. 8:1 bis 24:1 beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Brom an der Halogenmenge bis zu 70 % beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer warmweißen Lichtfarbe der Anteil des Broms an der Halogenmenge bis zu 40 % beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkolben (3) evakuiert ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenid-Komponente zusätzlich Verbindungen des Hafniums und/oder Zirkons enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich elementares Scandium enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) zweiseitig gequetscht ist, wobei die Beschichtung an jeder Seite kalottenartig geformt ist und wobei der Abstand zwischen den beiden Kalotten (15, 16) etwa 105 bis 90 % des Elektrodenabstands beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand EA (in mm) als Funktion der Leistung L (in Watt) durch die $Formel EA = 0,85 (± 0,1) x √L$
bestimmt ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Zirkonoxid mit einer Schichtdicke von mindestens 0,15 mm besteht.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Natrium-Resonanzlinie (b) selbstabsorbiert erscheint und zwei Flügel (b1, b2) bildet, wobei der Abstand zwischen den Maximalwerten (Kuppen) der beiden Flügel etwa 7 bis 12 nm beträgt.