EP0535311B1 - Low power, high pressure discharge lamp - Google Patents
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- EP0535311B1 EP0535311B1 EP92109933A EP92109933A EP0535311B1 EP 0535311 B1 EP0535311 B1 EP 0535311B1 EP 92109933 A EP92109933 A EP 92109933A EP 92109933 A EP92109933 A EP 92109933A EP 0535311 B1 EP0535311 B1 EP 0535311B1
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Definitions
- the invention relates to a high-pressure discharge lamp of low power. This means the range of around 35 - 200 W.
- metal halide lamps for general lighting which are essentially characterized by a warm white light color (WDL) or neutral light color (NDL) corresponding to a color temperature of approximately 2600-4600 K.
- WDL warm white light color
- NNL neutral light color
- Criteria for the suitability in general lighting are in particular a long lifespan of ⁇ 6000 hours and the best possible color rendering, which is expressed in a high Ra index.
- a minimum value of Ra8 80 is sought for the overall color rendering index.
- the individual index R9 which forms a yardstick for the reproduction in the red spectral range, is of particular importance. So far it has not been possible to find a satisfactory compromise between long service life and good color rendering.
- DE-C-2 106 447 is one for the NDL light color developed filling from halides of sodium and various rare earth metals (SE) known.
- SE rare earth metals
- this filling is not suitable for the WDL light color, since too high a wall load would be required to achieve this light color, which, in connection with the fact that the major part of the rare earth material is present in the lamp as condensate, quickly becomes one chemical reaction of the filling substances with the quartz glass leads (devitrification), which significantly affects the service life.
- An important aspect of the invention is the consideration that with careful selection of the filling components, the wall load of a discharge vessel made of quartz glass can be chosen to be higher than the experts have assumed up to now.
- a limit of 20 W / cm2 has generally been regarded as the limit value, which can be seen, for example, in the "Technical and Scientific Treatments of the OSRAM Society” (TWAOG), Volume 12, Springer Verlag, Heidelberg 1986, page 11 et seq 15), is expressed.
- Another document is DE-A-40 13 039, page 3.
- the wall load increases with decreasing power level. This compensates for the heat losses that increase with the correspondingly small lamp dimensions. It is particularly critical for power levels below 100 W, which are particularly preferred for interior lighting.
- a molar ratio of Na-H.:Sc-H. from 5 ... 24: 1 (preferably from 5 ... 22: 1, particularly preferably from 5 ... 19: 1) and Na-H.:Tl-H. from 25 ... 73: 1 used.
- the sodium content is therefore reduced.
- the present invention is therefore essentially based on the knowledge of the different roles of these two sodium compounds in relation to the filling / wall reaction and on the consequences drawn from them.
- the result is a partially saturated lamp that is designed to be saturated with respect to the Na halides but unsaturated with respect to the complex compound and the Sc and Tl halides. If the Na-Sc ratio is below 5: 1, the desired color temperature cannot be achieved.
- the reduction in the amount of sodium is compensated for by two measures: the first is a corresponding increase in the cold spot temperature in order to achieve the same warm white light color. This is done using a reflective coating. In particular, it is heat accumulation at the two ends of the two-sided squeezed discharge vessel.
- the heat accumulation behavior must be optimized so that the cold spot temperature Tc exceeds 800 ° C; Previously common Tc values were around 600-800 ° C for quartz glass, whereas higher Tc values were previously only possible with ceramic discharge tubes.
- This temperature is achieved particularly elegantly by a layer thickness of the heat accumulation covering which is considerably increased compared to previous versions. This effect can be intensified by evacuating the outer bulb.
- the second measure is the use of Tl in the dosage according to the invention.
- the task of the Tl is not so much in its direct contribution to improving color rendering.
- the focus is rather on the fact that it partially takes on the function of Na as an electron supplier.
- the degree of ionization of the Na vapor phase is reduced accordingly.
- a large part of the sodium is therefore present as a neutral atom, which supports the broadening of the Na resonance line.
- the thallium additive is dimensioned so that the lamp, when baked (after approx. 100 hours), lies almost exactly on the Planck curve and thus harmonises well with other light sources.
- a Na-Tl ratio below 25: 1 would give the lamp a green tinge.
- a ratio above 73: 1 would have an unfavorable effect on the burning voltage and the reignition behavior.
- a Na / Tl ratio between 25: 1 and 50: 1 if iodine is used exclusively as the halide.
- the heat accumulation behavior can be influenced favorably by carefully designing the heat accumulation coating in the form of two calottes.
- the decisive factor here is the thickness of the covering, its purity and the distance between the two covering domes. Zirconium oxide or aluminum oxide with a purity of at least 97% according to DE-OS 38 32 643 is advantageously used. With regard to the layer thickness, the dimensioning of which has so far been given no particular attention, care must be taken that it is sufficiently large, namely optically thick.
- the thickness of an aluminum or zirconium oxide layer must be at least 0.15 mm.
- the distance between the two spherical caps of the covering should advantageously be chosen so that it is approximately 90 to 105% of the electrode distance.
- the absolute dosage of the Na-Sc-Tl system is preferably 2.5 to 5.5 mg / cm3, based on the internal volume of the discharge vessel, so that the system is just at the limit of saturation.
- Iodine possibly with a certain proportion of bromine, can be used as halogen.
- the Sc partial pressure decreases, since the Sc, unlike Na, has no replenishment from the soil. This is associated with a shift towards lower color temperatures. It is therefore advisable to add a small amount of elemental scandium as a compensation, which can reduce the color drift at the start of the burning time.
- bromine as the halide
- Typical values are 30%, regardless of the light color.
- the use of bromine is already known as a theoretical alternative to pure iodine fillings from US Pat. No. 4,866,342, but it has not yet been used in the lamps according to the invention. Only now has the behavior of a mixed filling of iodine and bromine been clarified to such an extent that their use appears to be particularly advantageous.
- bromine causes the decrease in luminous flux (previously up to 30%), the decrease in color temperature (previously up to 600 K) and the drift of the color locus (decrease in the y-coordinate up to 10 hundredths of a point) during the first 100 to 500 Operating hours is improved by more than 50%.
- Na-Sc ratio 5 ... 13: 1 (based on the halides) is preferred for the exclusive addition of iodine as the halide, in the case of an I / Br mixed filling a higher value, in particular up to 22: 1 , possibly even up to 24: 1, recommended.
- the reason is that the addition of bromine causes a higher color temperature due to the partial elimination of the iodine-related absorption in the blue spectral range. This must be compensated for by increasing the Na-Sc ratio.
- zirconium and / or hafnium halides can also be used in a total amount of up to 4 mol% of the metal halide filling.
- Zr is also suitable for improving the R9 index because it also emits in the red spectral range.
- Another important dimensioning is the ratio of the maximum inside diameter of the Discharge vessel to the electrode gap. It is advantageously about 1.1 to 1.4 and is thus significantly higher than the previously usual values of typically 0.9.
- the term maximum inner diameter also indicates that the discharge vessel should preferably be bulged in the middle. In particular, a barrel body has proven itself. Another option is an ellipsoid. The degree of bulging is chosen in particular so that the so-called effective average inner diameter is approximately 0.9 to 1.2 times the electrode spacing.
- the effective mean inner diameter is defined by the root of the inner volume that has been divided by the electrode spacing (cf. EP-B-215 524).
- a particular advantage of the lamp according to the invention is that the operating voltage of 100 V remains constant over a good approximation.
- the lamp can be operated in any burning position without any significant change in the color values. This makes the lamp particularly suitable for illuminating large areas (e.g. halls), since the individual lamps have only slightly different color values.
- the invention creates high-pressure discharge lamps of low power which are suitable for interior lighting. With a lifespan of 6000 hours, a color rendering index Ra8 ⁇ 80 and an R9 of ⁇ -30 are created. The proportion of red increases from 15% to more than 20%.
- the 75 W high-pressure discharge lamp 1 shown in FIG. 1 consists of a discharge vessel 2 made of quartz glass, which is squeezed on both sides and is enclosed by an evacuated outer bulb 3, which has a base on both sides.
- the electrodes 4, 5 - shown schematically - are melted gas-tight into the discharge vessel 2 by means of foils 6, 7 and via the current leads 8, 9, the sealing foils 10, 11 of the outer bulb 3 and via further short current leads with the electrical connections of the ceramic base (R7s ) 12, 13 connected.
- the current leads 8, 9 are encased by a fabric made of quartz fibers (not visible), which suppresses the formation of photoelectrons in the outer bulb. As a result, the lifespan can be significantly extended over 6000 hours.
- a getter material 14 applied to a metal plate is additionally melted potential-free via a piece of wire.
- the ends of the discharge vessel 2 are provided with a heat-reflecting coating 15, 16 made of zirconium dioxide with a layer thickness of provided about 0.2 mm, so that the cold spot temperature is kept well above 800 ° C.
- the coating forms two domes, the inner edges of which are arranged at the level of the electrode tips.
- the electrode distance of 7 mm also corresponds to the distance between the inner edges.
- the discharge vessel 2 is bulged in a barrel shape.
- the generatrix of the barrel body is a circular arc with a radius of 11.1 mm.
- the inside length of the discharge vessel is 14 mm, its inside volume is 0.69 m3 with a wall load of up to 22 W / cm2.
- the quartz glass is about 1.3 mm thick.
- the discharge vessel 2 contains a total of 2 mg of the following metal halides (molar fraction in% of the total metal halides): 89% NaI, 8.3 in order to achieve a warm white light color (WDL) with a color temperature of 3000 K in addition to 16 mg of mercury and 120 mbar argon % ScI3 and 2.7% TlI.
- WDL warm white light color
- the luminous flux (100 hours value) increases by 20% to 6000 lm compared to a lamp with a known filling with the halides of sodium, tin, thallium, indium and lithium.
- the luminous efficacy is 77 lm / W instead of 67 lm / W (15% increase).
- the index R9 improves from -90 to -20, with the red component increasing from 15 to 21%.
- the service life is 6000 hours.
- the color scatter is reduced from ⁇ 300 K to ⁇ 130 K.
- FIG. 2 shows a comparison of the spectrum of a 75 W lamp with the known sodium-tin filling (dashed line) with a structurally identical lamp which contains the above sodium-scandium-thallium filling.
- the color temperature is set to 3300 K.
- the spectrum has additional single lines (a) that contribute to the improved color rendering index. They are caused by the addition of scandium.
- the uniformity of the spectrum is significantly improved. Strong single lines in the spectrum of the conventional lamp, such as the lines of sodium (b), lithium (c), indium (d), mercury (e) and thallium (f) are more or less leveled (lithium is still present as an impurity).
- Another embodiment is a similarly constructed 150 W lamp with warm white light color (WDL), the filling of which, in addition to mercury and argon, has a total of 4 mg of the same metal halide component as in the previous embodiment.
- WDL warm white light color
- This lamp also has a lifespan of at least 6000 hours.
- the color scatter decreases from ⁇ 300 K to ⁇ 130 K.
- the older comparison values relate to a filling that contains the iodides of dysprosium, holmium, thulium, sodium and thallium as metal halides.
- the NaI content can be partially (typically 30%) replaced by NaBr.
- elemental Sc in an amount of 0.03 mg can be added to the Na-Sc-Tl filling of the first exemplary embodiment. This compensates for the inevitable loss of filling quantity in the first 100 hours, so that the constancy of the color values and also the burning voltage is improved.
- Another scandium compound that releases Sc in substoichiometric amounts is suitable for this, e.g. ScI2.
- the dimensions of the discharge vessels mentioned above are particularly advantageous because they avoid acoustic resonances when operating on high-frequency ballasts.
- HPS filling color temperature 4000 K
- metal halide component proportions in mol%): 81.9% NaI, 14% ScI3, 2.7% HfI4 and 1 , 4% TlI.
- the molar ratio NaI / ScI3 is 6: 1 and the ratio NaJ / TlJ is 58: 1.
- the invention has its main advantages in those of particular interest for interior lighting Color temperatures in the range of about 3000 K unfolded, corresponding to a light color WDL.
- the addition of thallium is of very great importance here, corresponding to a halide ratio Na / Tl of 25 ... 50: 1 for pure iodine fillings or up to 73: 1 for mixed fillings.
- the principle of the invention can also be transferred to color temperatures of approximately 4300 K (corresponding to the light color NDL).
- the influence of thallium naturally decreases, so that in this case a halide ratio Na / Tl up to 70: 1 is recommended for pure iodine fillings; a ratio of 50: 1 ... 65: 1 is particularly advantageous.
- a ratio of 50: 1 ... 73: 1 is particularly suitable for mixed fillings.
Landscapes
- Discharge Lamp (AREA)
- Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe kleiner Leistung. Darunter ist der Bereich von etwa 35 - 200 W zu verstehen.The invention relates to a high-pressure discharge lamp of low power. This means the range of around 35 - 200 W.
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.These are preferably metal halide lamps for general lighting, which are essentially characterized by a warm white light color (WDL) or neutral light color (NDL) corresponding to a color temperature of approximately 2600-4600 K.
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.Criteria for the suitability in general lighting are in particular a long lifespan of ≧ 6000 hours and the best possible color rendering, which is expressed in a high Ra index. A minimum value of Ra₈ = 80 is sought for the overall color rendering index. In addition, however, the individual index R9, which forms a yardstick for the reproduction in the red spectral range, is of particular importance. So far it has not been possible to find a satisfactory compromise between long service life and good color rendering.
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.DE-C-2 106 447 is one for the NDL light color developed filling from halides of sodium and various rare earth metals (SE) known. However, this filling is not suitable for the WDL light color, since too high a wall load would be required to achieve this light color, which, in connection with the fact that the major part of the rare earth material is present in the lamp as condensate, quickly becomes one chemical reaction of the filling substances with the quartz glass leads (devitrification), which significantly affects the service life.
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.Another system that has already been tried and tested specifically for the light color WDL is a Na-Sn filling (DE-C-26 55 167), with which, however, no satisfactory color rendering has yet been achieved and which, moreover, leads to severe electrode corrosion if incomplete removal of unwanted residual gases can.
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.Another alternative is the pure Na-Sc filling (EP-B-165 587), which has so far found widespread use particularly in the USA, the relatively poor color rendering properties of this system so far in favor of the long service life (over 6000 hours) Purchased were: a total color rendering index Ra₈ of only about 70 and an R9 of -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.To improve the lamp behavior, various additives have been tested in the Na-Sc system, in particular halides (abbreviated to H.) of the thorium (for example EP-B-220 633) and the thallium. In US-A-4 866 342 for color temperatures between 3800 and 4600 K (corresponding to the light color NDL) and a high power (400 W) as a dosage a molar ratio between Na-H.:Sc-H. from 25: 1 to 50: 1 and accordingly a ratio between Na-H.:Tl-H. from 75: 1 to 280: 1.
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.A similar dosing regulation can be found in DE-C-3 341 846 for a motor vehicle discharge lamp, which have typical color temperatures of 4500 K (neutral white). The color rendering does not matter.
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).To improve the Na-Sc system, other tricks have also been tried, for example the addition of elemental scandium (EP-B-173 235), a coating on the discharge vessel (EP-B-220 633 and 173 235) or the evacuation of the Outer bulb using an additional heat accumulation tube (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.Special efforts are made in EP-B-215 524 to achieve a satisfactory lamp with good color rendering and low color temperature (corresponding to WDL). The lamp is based on a Na-Tl system, possibly with the help of rare earth additives (including Sc). However, the lamp must be operated with such a high wall load (> 25 W / cm², typically 60 W / cm²) that a ceramic discharge vessel must be used. In addition, several geometric relationships with regard to the discharge volume and the electrode arrangement must be maintained. This solution is theoretically interesting, but in practice unsatisfactory if only because the use of ceramic material is a completely new technology requires what is associated with significant additional costs and problems. This relates in particular to the permanent tightness of the implementation and the development of halogen-resistant glass solders.
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.It is an object of the present invention to provide a high-pressure discharge lamp with a low-power metal halide filling which is suitable for interior lighting and which is accordingly characterized by a relatively low color temperature, good color rendering and a long service life. Another task is to retain the quartz glass technology for the discharge vessel, which has proven itself per se, if possible.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.This object is solved by the features of
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.The desire to develop a discharge lamp of low wattage with good color rendering and a long service life for interior lighting has existed for many years without it being possible to find a fully satisfactory solution. The problem is that the two desired features are mutually exclusive and that the luminous efficiency deteriorates when the color rendering index is increased. A compromise that is as balanced as possible must therefore be found between conflicting demands. In principle, the individual technical features that come into question are known for a long time. However, they are so intricately linked that only practical attempts make it possible to find an optimal combination.
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.The choice of filling components and their relative proportions is of fundamental importance. Special advantages can be achieved with a suitable choice of the material and the geometric dimensions of the lamp bulb.
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.An important aspect of the invention is the consideration that with careful selection of the filling components, the wall load of a discharge vessel made of quartz glass can be chosen to be higher than the experts have assumed up to now. Up to now, a limit of 20 W / cm² has generally been regarded as the limit value, which can be seen, for example, in the "Technical and Scientific Treatments of the OSRAM Society" (TWAOG),
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.On the basis of this basic consideration, a filling system was sought which forms little sediment (condensate) from aggressive materials when the lamp is in operation, because it has been found that this condensate additionally forms the vessel material and the lifespan is shortened due to increased devitrification. The obvious and usually tried and tested Na-SE system is unsuitable for this, because it has to be operated saturated in order to achieve a long service life, with about 90% (!) Of the filling material in the sediment. A saturated Na-Sc system as described in EP-B-220 633 is also unsuitable.
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.Surprisingly, however, it has now been shown that the Na-Sc system, which is already known per se for lamps with relatively poor color rendering (Ra = 70), has the best prerequisites for the above-mentioned. To achieve goals when Tl is added. However, this Na-Sc-Tl system is only able to meet the desired requirements if it deviates from the usual dosage (molar ratio Na-H.:Sc-H. = 25 ... 50: 1 or Na-H.:Tl-H. = 75 ... 280: 1) is used.
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.According to the invention, a molar ratio of Na-H.:Sc-H. from 5 ... 24: 1 (preferably from 5 ... 22: 1, particularly preferably from 5 ... 19: 1) and Na-H.:Tl-H. from 25 ... 73: 1 used. The sodium content is therefore reduced. A Na-Sc ratio below 25: 1 leads to an improvement in the service life, because then the Na-Sc-X₄ complex (X = halogen), which is equally important for the light generation and devitrification of the bulb and is known to form in lamp operation, becomes unsaturated is present. It has completely evaporated and is therefore not available in the form of condensate for a reaction between the wall and the filling, which leads to devitrification. On the other hand, there is a soil body of Na halide (especially NaI), which does not play a role in devitrification. The present invention is therefore essentially based on the knowledge of the different roles of these two sodium compounds in relation to the filling / wall reaction and on the consequences drawn from them. The result is a partially saturated lamp that is designed to be saturated with respect to the Na halides but unsaturated with respect to the complex compound and the Sc and Tl halides. If the Na-Sc ratio is below 5: 1, the desired color temperature cannot be achieved.
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.The reduction in the amount of sodium is compensated for by two measures: the first is a corresponding increase in the cold spot temperature in order to achieve the same warm white light color. This is done using a reflective coating. In particular, it is heat accumulation at the two ends of the two-sided squeezed discharge vessel. The heat accumulation behavior must be optimized so that the cold spot temperature Tc exceeds 800 ° C; Previously common Tc values were around 600-800 ° C for quartz glass, whereas higher Tc values were previously only possible with ceramic discharge tubes. This temperature is achieved particularly elegantly by a layer thickness of the heat accumulation covering which is considerably increased compared to previous versions. This effect can be intensified by evacuating the outer bulb. Under these conditions the sodium vapor density is so great that the Na resonance line at 589 nm is considerable in the spectrum of the lamp appears widened in pressure and self-absorbed in the middle. In this way, an additional improvement in red rendering (R9) is achieved by the emission in the long-wave wing of the resonance line. Particularly good results can be achieved if the operating conditions are chosen such that the distance between the maximum values (crests) of the two wings is approximately 7-12 nm.
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.The second measure is the use of Tl in the dosage according to the invention. The task of the Tl is not so much in its direct contribution to improving color rendering. The focus is rather on the fact that it partially takes on the function of Na as an electron supplier. As a result, the degree of ionization of the Na vapor phase is reduced accordingly. A large part of the sodium is therefore present as a neutral atom, which supports the broadening of the Na resonance line. The thallium additive is dimensioned so that the lamp, when baked (after approx. 100 hours), lies almost exactly on the Planck curve and thus harmonises well with other light sources. A Na-Tl ratio below 25: 1 would give the lamp a green tinge. A ratio above 73: 1 would have an unfavorable effect on the burning voltage and the reignition behavior.
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.In the case of warm white light colors, it has proven to be particularly advantageous to use a Na / Tl ratio between 25: 1 and 50: 1 if iodine is used exclusively as the halide. For neutral white light colors, a Na-Tl ratio of 40: 1 to 73: 1, in particular from 50: 1 to 73: 1, is preferably suitable. This applies to pure iodine fillings as well as to mixed fillings made from iodine and bromine.
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.In particular, it has been shown that the heat accumulation behavior can be influenced favorably by carefully designing the heat accumulation coating in the form of two calottes. The decisive factor here is the thickness of the covering, its purity and the distance between the two covering domes. Zirconium oxide or aluminum oxide with a purity of at least 97% according to DE-OS 38 32 643 is advantageously used. With regard to the layer thickness, the dimensioning of which has so far been given no particular attention, care must be taken that it is sufficiently large, namely optically thick. The thickness of an aluminum or zirconium oxide layer must be at least 0.15 mm. The distance between the two spherical caps of the covering should advantageously be chosen so that it is approximately 90 to 105% of the electrode distance.
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.The absolute dosage of the Na-Sc-Tl system is preferably 2.5 to 5.5 mg / cm³, based on the internal volume of the discharge vessel, so that the system is just at the limit of saturation. Iodine, possibly with a certain proportion of bromine, can be used as halogen.
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.As a result of a certain loss of filling substance in the first 100 hours of operation, the Sc partial pressure decreases, since the Sc, unlike Na, has no replenishment from the soil. This is associated with a shift towards lower color temperatures. It is therefore advisable to add a small amount of elemental scandium as a compensation, which can reduce the color drift at the start of the burning time.
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.Another or additional possibility for reducing the color drift is the partial use of bromine as the halide, whereby the amount of iodine can be replaced by bromine up to 70%. Typical values are 30%, regardless of the light color. The use of bromine is already known as a theoretical alternative to pure iodine fillings from US Pat. No. 4,866,342, but it has not yet been used in the lamps according to the invention. Only now has the behavior of a mixed filling of iodine and bromine been clarified to such an extent that their use appears to be particularly advantageous.
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.As a result of the greater binding energy of the ScBr₃ compared to ScI₃, the undesired interaction of the scandium halide with the quartz wall of the discharge vessel with formation of scandium oxide turns out to be significantly weaker with a mixed filling. Although the bromine is introduced as NaBr₃, an equilibrium is established after the dissociation during operation, so that ScBr₃ is formed in addition to the original ScI₃. The combination of a scandium dosing with a bromine-containing mixed filling, especially with high wall loads (small-watt types and / or extremely good color rendering) is recommended, since the scandium loss mechanism runs faster at higher temperatures.
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.The addition of bromine causes the decrease in luminous flux (previously up to 30%), the decrease in color temperature (previously up to 600 K) and the drift of the color locus (decrease in the y-coordinate up to 10 hundredths of a point) during the first 100 to 500 Operating hours is improved by more than 50%.
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.While the Na-
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.To further improve the color rendering values, zirconium and / or hafnium halides can also be used in a total amount of up to 4 mol% of the metal halide filling.
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.While both Hf and Zr improve ignition and emission behavior, Zr is also suitable for improving the R9 index because it also emits in the red spectral range.
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.Further improvements are possible by optimizing the geometric dimensions. Surprisingly, it has been found that in the lamp type according to the invention there is a non-linear relationship between the electrode spacing (in mm) and the power level (in W) for different power levels. So far, one had always assumed a linear relationship. However, the best results are achieved if the electrode spacing is selected proportionally to the root of the power level. The proportionality factor is 0.85 with a tolerance range of ± 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).Another important dimensioning is the ratio of the maximum inside diameter of the Discharge vessel to the electrode gap. It is advantageously about 1.1 to 1.4 and is thus significantly higher than the previously usual values of typically 0.9. The term maximum inner diameter also indicates that the discharge vessel should preferably be bulged in the middle. In particular, a barrel body has proven itself. Another option is an ellipsoid. The degree of bulging is chosen in particular so that the so-called effective average inner diameter is approximately 0.9 to 1.2 times the electrode spacing. The effective mean inner diameter is defined by the root of the inner volume that has been divided by the electrode spacing (cf. 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.A particular advantage of the lamp according to the invention is that the operating voltage of 100 V remains constant over a good approximation.
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.In addition, the spread of the color temperature is reduced. The lamp can be operated in any burning position without any significant change in the color values. This makes the lamp particularly suitable for illuminating large areas (e.g. halls), since the individual lamps have only slightly different color values.
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 %.The invention creates high-pressure discharge lamps of low power which are suitable for interior lighting. With a lifespan of 6000 hours, a color rendering index Ra₈ ≧ 80 and an R₉ of ≧ -30 are created. The proportion of red increases from 15% to more than 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
- Figure 1
- shows the structure of a double-ended high-pressure discharge lamp with a two-sided squeezed discharge vessel
- Figure 2
- shows a comparison between the spectrum of a 75 W lamp with previously known (dashed) and inventive (solid) filling
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.The 75 W high-
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.In a pinch of the
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.The
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.The
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.FIG. 2 shows a comparison of the spectrum of a 75 W lamp with the known sodium-tin filling (dashed line) with a structurally identical lamp which contains the above sodium-scandium-thallium filling. The color temperature is set to 3300 K. The spectrum has additional single lines (a) that contribute to the improved color rendering index. They are caused by the addition of scandium. The uniformity of the spectrum is significantly improved. Strong single lines in the spectrum of the conventional lamp, such as the lines of sodium (b), lithium (c), indium (d), mercury (e) and thallium (f) are more or less leveled (lithium is still present as an impurity). Particularly striking is the significantly improved emission in the long-wave wing (b2) of the sodium resonance line, which above all increases the red component significantly (+ 40%). This means that all saturated colors are reproduced much more naturally. This is of particular interest for interior lighting, food lighting and shop window lighting.
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.Another embodiment is a similarly constructed 150 W lamp with warm white light color (WDL), the filling of which, in addition to mercury and argon, has a total of 4 mg of the same metal halide component as in the previous embodiment.
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.With a color temperature of 3000 K and a luminous efficacy of now 85 lm / W (formerly 75 lm / W), a luminous flux of approx. 12800 lm and a color rendering index of Ra₈ = 92 instead of Ra₈ = 85 were achieved. The color rendering is especially in red improved from R9 = -70 to R9 = 0. With a burner volume of 1.5 cm³ and an electrode spacing of 11.0 mm, the wall load is up to 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.This lamp also has a lifespan of at least 6000 hours. The color scatter decreases from ± 300 K to ± 130 K. The older comparison values relate to a filling that contains the iodides of dysprosium, holmium, thulium, sodium and thallium as metal halides.
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.A further exemplary embodiment of a WDL filling for a 75 W lamp additionally has a proportion of 1% HfI₄ or ZrI to improve the ignition behavior and further reduce the devitrification. Since Zr is also a red emitter, the addition of ZrI can even achieve a color rendering index of Ra₈ = 90 and a red component of 22%.
Außerdem kann der NaI-Anteil teilweise (typisch 30 %) durch NaBr ersetzt sein.In addition, the NaI content can be partially (typically 30%) replaced by NaBr.
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.In the case of a WDL lamp with a color temperature of 3000 K and an output of 70 W, very good results can be achieved with the following filling (
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.Finally, elemental Sc in an amount of 0.03 mg can be added to the Na-Sc-Tl filling of the first exemplary embodiment. This compensates for the inevitable loss of filling quantity in the first 100 hours, so that the constancy of the color values and also the burning voltage is improved. Another scandium compound that releases Sc in substoichiometric amounts is suitable for this, e.g. ScI₂.
Die oben angeführten Abmessungen der Entladungsgefäße sind insbesondere auch deswegen vorteilhaft, weil sie akustische Resonanzen beim Betrieb an Hochfrequenz-Vorschaltgeräten vermeiden.The dimensions of the discharge vessels mentioned above are particularly advantageous because they avoid acoustic resonances when operating on high-frequency ballasts.
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.An example of a HPS filling (color temperature 4000 K) is generated in a 75 W lamp by the following metal halide component (proportions in mol%): 81.9% NaI, 14% ScI₃, 2.7% HfI₄ and 1 , 4% TlI. With this filling the molar ratio NaI / ScI₃ is 6: 1 and the ratio NaJ / TlJ is 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.In summary, it can be said that the invention has its main advantages in those of particular interest for interior lighting Color temperatures in the range of about 3000 K unfolded, corresponding to a light color WDL. The addition of thallium is of very great importance here, corresponding to a halide ratio Na / Tl of 25 ... 50: 1 for pure iodine fillings or up to 73: 1 for mixed fillings. However, it has been shown that the principle of the invention can also be transferred to color temperatures of approximately 4300 K (corresponding to the light color NDL). The influence of thallium naturally decreases, so that in this case a halide ratio Na / Tl up to 70: 1 is recommended for pure iodine fillings; a ratio of 50: 1 ... 65: 1 is particularly advantageous. A ratio of 50: 1 ... 73: 1 is particularly suitable for mixed fillings.
Claims (14)
- Low-power high-pressure discharge lamp having the following features:- a quartz-glass discharge vessel (2),- a translucent outer bulb (3) in which the discharge vessel (2) is disposed, a current supply system extending through the walls of the outer bulb and of the discharge vessel to two electrodes (4, 5) in the discharge vessel,- an ionizable filling in the discharge vessel, which filling contains noble gas, mercury and a metal-halide component which is essentially based on the metals sodium, scandium and thallium,- the molar ratio between the proportions of the sodium halide (Na.-H.) and of the scandium halide (Sc.-H.) is 5:1 to 24:1,- the molar ratio between sodium halide (Na.-H.) and thallium halide (Tl.-H.) is 25:1 to 73:1,- the discharge vessel (2) is provided with a reflective coating (15, 16) to improve the heat accumulation behaviour.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that, to achieve a neutral-white light colour (NDL) corresponding to a colour temperature of typically 3,800 K to 4,600 K, the molar ratio between the proportions of the Na.-H. and the Tl.-H. is 50:1 to 73:1.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1 or 2, characterized in that the filling contains iodine alone as halogen, the molar ratio of Na.-H. to Sc.-H. being 5:1 to 13:1.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 3, characterized in that, to achieve a warm-white light colour (WDL) corresponding to a colour temperature of typically 2,600 to 3,500 K, the molar ratio between the proportions of the Na.-H. and the Tl.-H. is 25:1 to 50:1.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1 or 2, characterized in that the filling contains a mixture of iodine and bromine as halogen, the molar ratio of Na.-H. to Sc.-H. being 8:1 to 24:1.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 5, characterized in that the proportion of bromine in the halogen mixture is up to 70%.
- High-pressure discharge lamp according to Claims 2 and 6, characterized in that, to achieve a warm-white light colour, the proportion of bromine in the halogen mixture is up to 40%.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the outer bulb (3) is evacuated.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the metal-halide component additionally contains compounds of hafnium and/or zirconium.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the filling additionally contains elemental scandium.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the discharge vessel (2) is pinched at both ends, the coating being formed in a cup-shaped manner at each end and the spacing between the two cups (15, 16) being about 105 to 90% of the electrode spacing.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 11, characterized in that the electrode spacing EA (in mm) is determined as a function of the power L (in watts) by the formula EA = 0.85 (± 0.1) x √L.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the coating comprises zirconium oxide having a layer thickness of at least 0.15 mm.
- High-pressure discharge lamp according to Claim 1, characterized in that the sodium resonance line (b) appears self-absorbed and forms two lobes (bl, b2), the spacing between the maximum values (peaks) of the two lobes being about 7 to 12 nm.
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