EP0722616A1 - Metallhalogenidentladungslampe - Google Patents

Metallhalogenidentladungslampe

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EP0722616A1
EP0722616A1 EP94919552A EP94919552A EP0722616A1 EP 0722616 A1 EP0722616 A1 EP 0722616A1 EP 94919552 A EP94919552 A EP 94919552A EP 94919552 A EP94919552 A EP 94919552A EP 0722616 A1 EP0722616 A1 EP 0722616A1
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EP
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discharge lamp
metal halide
metal
outer bulb
diff
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Andreas Dr. Hohlfeld
Jürgen Dr. VOM SCHEIDT
Dietrich Dr. Fromm
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/125—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having an halogenide as principal component
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    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827—Metal halide arc lamps

Definitions

  • the invention is based on a metal halide discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • Part of the power supply with an electrically insulating and UV-impermeable shield in particular a tube made of glass, ceramic or
  • Quartz glass to be provided (DE-A 16 39 084).
  • metal halide discharge lamps which have a bilaterally squeezed discharge vessel in a bilaterally squeezed outer bulb, and therefore according to the prevailing opinion, have no problems with photoionization.
  • metal halide discharge lamps primarily of low power (typically 50-250 W), which have a sodium-containing filling.
  • lamps according to the invention show a very good one
  • the condition for the filling quantity can be specified ren that the pure proportion of metals with a small ion radius (especially sodium) - which therefore tend to diffuse and are hereinafter referred to as "diff. metals" - expressed in micromoles ( ⁇ mol) in the filling is smaller than that Six times the discharge volume, expressed in cubic centimeters (cm 3 ). Expressed as a formula, the following applies: specific diff. Metal content ⁇ 6 ⁇ mol / cm 3 ,
  • the lower limit of the diff. Metal content is a
  • a small ion radius is understood to mean values of a maximum of eettwwaa 00, .11 inm as they e.g. Have Na or Li.
  • the invention is particularly suitable for sodium rare earth filling systems. Similar good results are achieved with Na Sc fillings.
  • the main area of application is lamps with color temperatures in the order of 4000 K (light color neutral white), in which the sodium content can be selected to be lower than for warm white light colors (approx. 3000 K color temperature).
  • the increase in operational safety discussed above only plays a role in the lamps which have an evacuated outer bulb and in which the electrode (made of tungsten) and the power supply (made of molybdenum) are made of different materials. Only here does the use of corrosion-demanding fillings (primarily sodium-tin fillings) lead to electrode corrosion and thus to the leakage of the discharge vessel and ultimately to lethal DC operation.
  • the lamps according to the invention can have both an evacuated and an outer bulb filled with inert gas (for example nitrogen).
  • inert gas for example nitrogen
  • Fig. 1 shows a lamp according to the invention
  • the high-pressure discharge lamp 1 shown schematically in FIG. 1 with a power consumption of 70 W consists of an essentially cylindrical discharge vessel 2 made of quartz glass, which is bulged in the middle. It is closed at both ends with a pinch 3, through which the two current leads 4, 5 are inserted in a vacuum-tight manner by means of foils 6 and thereby establish an electrical connection to the electrodes 7 (made of thoriated tungsten) attached in the discharge vessel.
  • the ends of the discharge vessel are provided with a heat-reflecting coating 8.
  • the filling with the light color neutral white consists of the metals Hg and Na with additives Metals of rare earths and from the halogens Br and / or J.
  • a preferred metal halide filling is 0.45 mg NaJ, in each case 0.27 mg of the rare earth metal halides DyJ,, HoJ, and Tm J, and 0.13 mg TU.
  • the discharge volume is 0.7 cm 3 .
  • the discharge vessel 2 is located in a coaxially arranged cylindrical outer bulb 9 made of quartz glass, the smallest wall distance being only about 2-3 mm.
  • a getter 10 which runs parallel to one of the power supply lines 4, is arranged in a potential-free manner in this outer bulb.
  • the outer bulb 9 is likewise closed at its two ends with a pinch, the electrical connection of the axially arranged power supply lines 4, 5 to the outside being made in each case by means of a vacuum-tight foil crimp 11 and ceramic base parts 12 (with plate contacts).
  • the current leads 4, 5 hold the discharge vessel 2 in the outer bulb 9, one of the current leads 5 being provided with an expansion loop 13 to compensate for length tolerances.
  • the need for an expansion loop 13 depends on the dimensions of the lamp.
  • the two power supplies 4, 5 are on their entire, in
  • This material is temperature resistant up to 1200 ° C.
  • One example is the type SR 05 silicate hose from Lippmann (Schire / Germany).
  • This sleeve has 0.3 mm wall thickness and an inner diameter of 0.4 mm. It consists of more than 95% Si0 2 .
  • This material is so flexible that it can easily bend with the expansion loop.
  • a ceramic fiber hose or quartz fiber hose is also suitable for this.
  • a less flexible material such as a tempered glass or quartz glass tube or a rigid ceramic sleeve, can also be used for straight power supplies. What is essential is a high temperature resistance and sufficient UV absorption.
  • FIG. 2 shows a comparison between the life of the lamps described with reference to FIG. 1 without (cross-shaped measuring points) and with (triangular measuring points) sheathing the power supply.
  • the dosage of the filling was the same for both measuring groups. Due to the low dosage of the filling, the number of surviving lamps that do not have a casing (curve a) decreases after 6000 hours.
  • the invention is applicable to all discharge vessels which are closed on both sides and which are approximately axially attached in the outer bulb which is closed on both sides.
  • the discharge vessel can in particular be a quartz glass burner squeezed on two sides or a ceramic tube sealed on both sides.
  • the outer bulb is in particular a hard glass or quartz glass bulb that is squeezed on both sides.
  • a ceramic suspension applied directly as a coating to the power supply for example ZrO ?
  • This technology has also technical advantages over separate sleeves and is also suitable for flexible power supply.
  • the layer thickness is approximately 0.15 mm.
  • To improve adhesion, is up to 15%, in particular 10 wt. 0 - Boron oxide added.

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Abstract

Eine Metallhalogenidentladungslampe (1) mit koaxialem Entladungsgefäß (2) und Außenkolben (9) enthält eine Füllung mit zur Diffusion neigenden Metallen. Ihr spezifischer Gehalt ist kleiner 6 νmol/cm3. Die Stromzuführungen (4, 5) sind über einen Großteil ihrer Länge von einer Hülse (14) umgeben, die UV-abschirmend ist.

Description

Metallhalogenidentladungslampe
Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenid¬ entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es handelt sich dabei um Metallhalogenidlampen vornehmlich kleiner Leistung, insbesondere etwa 50-250 .
Aus der DE-A 36 19 068 sind Metallhalogenidlampen 0 bekannt, die ein zweiseitig gequetschtes Entladungs¬ gefäß in einem zweiseitig gequetschten Kolben aufweisen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere am Lebensdauerende, ist die Stromzu¬ führung von einer elektrisch-isolierenden Ummante- ' ^ lung umgeben. Dafür sind insbesondere Hülsen aus
Keramik, Glas oder Quarzglas geeignet. Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, daß sich die Bildung von Photoelektronen (s. z.B. DE-U 900 29 59) dadurch ausschließen läßt, daß Entladungsgefäß und Außen¬ 0 kolben so angeordnet werden, daß keine parallel zum Entladungsgefäß verlaufenden Gestellteile benötigt werden.
Bei Metallhalogenidlampen mit alkalimetallhaltiger Füllung, bei denen ein Leiter am Entladungsgefäß 5 entlang geführt ist, wie dies bei einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß in einem einseitig gequetschten Außenkolben der Fall ist, ist es bekannt, den am Entladungsgefäß entlanglaufenden
Teil der Stromzuführung mit einer elektrisch-iso- lierenden und UV-undurchlässigen Abschirmung, insbesondere einem Röhrchen aus Glas, Keramik oder
Quarzglas zu versehen (DE-A 16 39 084).
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Betriebsverhalten von Metallhalogenidentladungslampen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk¬ male des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die gezielte Verwendung einer Ummantelung, die für UV-Strahlung undurchlässig ist, für im Außenkolben befindliche Stromzuführungen unter bestimmten Umständen auch bei Metallhalogenidentladungslampen Vorteile bringt, die ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß in einem zweiseitig gequetschten Außenkolben besitzen, und die von daher nach bisher vorherrschender Meinung keine Probleme mit der Photoionisation aufweisen. Es handelt sich dabei um Metallhalogenidentladungslampen vornehmlich klei¬ ner Leistung (typisch 50-250 W) , die eine natrium- haltige Füllung besitzen. Es hat sich herausge¬ stellt, daß hier die Verwendung einer UV-abschir- menden Ummantelung, die die Stromzuführungen im Außenkolben möglichst vollständig abdeckt, es gestattet, die Füllmengen an Metallhalogeniden, speziell der natriumhaltigen Komponente (z.B. NaJ) , sehr niedrig zu halten und trotzdem sehr lange Lebensdauern zu erzielen sind (ca. 6000 Betriebs- stunden). Als grobe Richtschnur kann dienen, daß die Gesamtfüllmenge (in mg) an Metallhalogeniden maximal auf das Dreifache des Volumens des Entla¬ dungsgefäßes (in cm3) begrenzt werden kann.
Vorteilhaft ist, als Untergrenze eine Gesamtfüllmen¬ ge (in mg) an Metallhalogeniden anzusehen, die dem Einfachen des Entladungsvolumens (in cm3) ent¬ spricht. Der Grund ist, daß - vor allem bei Natri- um-Seltenerd-Füllsystemen - der Restsauerstoff auf diese Weise zuverlässig absorbiert wird infolge der Getterwirkung der Füllkomponenten.
Bisherige Versuche mit Lampen derart geringer Dosierung haben jedoch eine vergleichsweise schlechte Maintenance ausgewiesen, weil nicht erkannt wurde, daß auch bei diesem Lampentyp eine geringfügige, jedoch über die Lampenlebensdauer durchaus merkliche Photoionisation auftritt, die zur Verarmung von Füllungskomponenten, insbesondere des Natriums, im Entladungsgefäß führt. Die Konse¬ quenz war eine Absenkung des Partialdrucks dieser Füllungskomponente, insbesondere des Natriums, und eine Erhöhung der Brennspannung sowie eine uner¬ wünschte Drift zu höheren Farbtemperaturen. Erfin- dungsgemäße Lampen zeigen jedoch eine sehr gute
Maintenance ihres Lichtstroms über die Lebensdauer. Ähnliches gilt auch für die Farbtemperatur.
Da die eigentliche Ursache der schlechten Maintenan- Ce in der Diffusion von Natriumionen oder auch anderer Metallionen mit geringem Ionenradius (z.B. Lithium) durch das Entladungsgefäß (im allgemeinen aus Quarzglas gefertigt; u.U. kann auch ein kerami¬ sches Entladungsgefäß verwendet werden, wie z.B. in der EP-A 536 609 beschrieben) liegt, läßt sich die Bedingung für die Füllmenge dahingehend spezifizie- ren, daß der reine Anteil an Metallen mit geringem Ionenradius (vor allem Natrium) - die daher zur Diffusion neigen und im folgenden als "Diff.- Metalle" bezeichnet werden - ausgedrückt in Mikro- mol (μmol) in der Füllung kleiner ist als das Sechsfache des Entladungsvolumens, ausgedrückt in Kubikzentimeter (cm3). Als Formel ausgedrückt gilt also: spezifischer Diff.-Metallgehalt < 6 μmol/cm3,
Als Untergrenze des Diff.-Metallgehalts wird ein
Wert vom Einfachen des Entladungsvolumens (in cm3) angesehen, d.h. spezifischer Diff.-Metallgehalt >^ 1 μmol/c 3. Bevorzugte Werte des Diff.-Metallge¬ halts liegen im Bereich des Vierfachen des Entla- dungsvolumens.
Unter geringem Ionenradius werden Werte von maximal eettwwaa 00,,11 inm verstanden, wie sie z.B. Na oder Li aufweisen.
Die Erfindung ist insbesondere für Natrium-Selten- erd-Füllungssysteme geeignet. Ähnlich gute Ergeb¬ nisse werden bei Na Sc-Füllungen erzielt.
Hauptsächliches Anwendungsgebiet sind Lampen mit Farbtemperaturen in der Größenordnung von 4000 K (Lichtfarbe neutralweiß) , bei denen der Natriumge¬ halt geringer als bei warmweißen Lichtfarben (ca. 3000 K Farbtemperatur) gewählt werden kann.
Es bleibt anzumerken, daß die eingangs diskutierte Erhöhung der Betriebssicherheit nur bei den Lampen eine Rolle spielt, die einen evakuierten Außenkol¬ ben aufweisen, und bei denen Elektrode (aus Wolf- ram) und Stromzuführung (aus Molybdän) aus ver- schiedenen Materialien bestehen. Nur hier führt die Verwendung korrosionsfordernder Füllungen (damit sind vornehmlich Natrium-Zinn-Füllungen gemeint) zur Elektrodenkorrosion und damit zur Undichtigkeit des Entladungsgefäßes und schließlich zum letalen Gleichstrombetrieb. Dagegen können die erfindungs¬ gemäßen Lampen sowohl einen evakuierten als auch mit Inertgas gefüllten Außenkolben (z.B. Stick¬ stoff) aufweisen. Außerdem spielt die Materialfrage von Elektrode und Stromzuführung keine Rolle.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus¬ führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Lampe gemäß der Erfindung
Fig. 2 die Mortalitätskurve einer Gruppe erfin¬ dungsgemäßer Lampen sowie einer Vergleichs¬ gruppe
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Hochdruckent¬ ladungslampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 70 W besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das in der Mitte bauchig ausgeweitet ist. Es ist an beiden Enden jeweils mit einer Quetschung 3 verschlossen, durch die die beiden Stromzuführungen 4,5 mittels Folien 6 vakuumdicht eingeführt sind und dabei eine elek¬ trische Verbindung zu den im Entladungsgefäß ange- brachten Elektroden 7 (aus thoriertem Wolfram) herstellen. Die Enden des Entladungsgefäßes sind mit einem wärmereflektierenden Belag 8 versehen. Die Füllung mit der Lichtfarbe Neutralweiß besteht aus den Metallen Hg und Na mit Zusätzen weiterer Metalle der Seltenen Erden und aus den Halogenen Br und/oder J. Eine bevorzugte Metallhalogenidfüllung ist 0,45 mg NaJ, jeweils 0,27 mg der Seltenen Erdmetall-Halogenide DyJ, , HoJ, und Tm J, sowie 0,13 mg TU. Das Entladungsvolumen beträgt 0,7 cm3.
Das Entladungsgefäß 2 befindet sich in einem koaxi¬ al angeordneten zylindrischen Außenkolben 9 aus Quarzglas, wobei der kleinste Wandabstand nur etwa 2-3 mm beträgt. In diesem Außenkolben ist in be¬ kannter Weise ein Getter 10 potentialfrei angeord¬ net, das parallel zu einer der Stromzuführungen 4 verläuft. Der Außenkolben 9 ist ebenfalls an seinen beiden Enden mit einer Quetschung verschlossen, wobei die elektrische Verbindung der axial angeord¬ neten Stromzuführungen 4, 5 nach außen jeweils über eine vakuumdichte Folieneinquetschung 11 und kera¬ mische Sockelteile 12 (mit Plättchenkontakten) erfolgt. Die Stromzuführungen 4, 5 haltern das Entladungsgefäß 2 im Außenkolben 9, wobei zum Ausgleich von Längentoleranzen eine der Stromzufüh¬ rungen 5 mit einer Dehnungsschleife 13 versehen ist. Die Notwendigkeit einer Dehnungsschleife 13 hängt von den Abmessungen der Lampe ab. Die beiden Stromzuführungen 4, 5 sind auf ihrer gesamten, im
Außenkolben 9 verlaufenden Länge von einer strumpf¬ artigen Hülse 14 aus Quarzseide umschlossen. Dieses Material ist temperaturbeständig bis 1200 °C. Ein Beispiel ist der Silikatschlauch Typ S-R 05 der Firma Lippmann (Schwerte/Deutschland). Diese Hülse hat 0,3 mm Wandstärke und einen Innendurchmesser von 0,4 mm. Sie besteht zu mehr als 95 % aus Si02.
Dieses Material ist so flexibel, daß es auch pro- blemlos die Biegung der Dehnungsschleife mitmacht. Hierfür eignet sich auch ein Keramikfaserschlauch oder Quarzfaserschlauch. Bei geraden Stromzuführungen kann auch ein weniger flexibles Material, z.B. ein Hartglas- oder Quarz- glasröhrchen oder eine starre keramische Hülse, verwendet werden. Wesentlich ist eine hohe Tempera- turbeständigkeit sowie eine ausreichende UV-Absorp¬ tion.
In Fig. 2 ist ein Vergleich zwischen der Lebensdau¬ er der anhand von Fig. 1 beschriebenen Lampen ohne (kreuz örmige Meßpunkte) und mit (dreieckige Me߬ punkte) Ummantelung der Stromzuführung gezeigt. Die Dosierung der Füllung war für beide Meßgruppen gleich. Wegen der niedrigen Dosierung der Füllung sinkt die Zahl der überlebenden Lampen, die keine Ummantelung aufweisen (Kurve a) nach 6000 Std.
Betriebsdauer auf 39 % , während sie bei der Gruppe mit erfindungsgemäßer Ummantelung (Kurve b) in etwa noch doppelt so groß ist (ca. 75 % ) . Bis 3000 Betriebsstunden ist bei dieser Gruppe überhaupt kein Ausfall zu verzeichnen; eine 50 "-ό-Ausfallrate wird erst nach 7500 Std. erreicht.
Die Erfindung ist auf alle zweiseitig verschlosse¬ nen Entladungsgefäße, die im zweiseitig verschlos- senen Außenkolben in etwa axial angebracht sind, anwendbar. Das Entladungsgefäß kann insbesondere ein zweiseitig gequetschter Quarzglasbrenner oder ein zweiseitig verschlossenes Keramikrohr sein. Der Außenkolben ist insbesondere ein zweiseitig ge- quetschter Hartglas- oder Quarzglaskolben.
Als Ummantelung eignet sich insbesondere auch eine direkt als Beschichtung auf die Stromzuführung aufgetragene Keramiksuspension, beispielsweise ZrO?. Diese Technik hat insbesondere auch ferti- gungstechnische Vorteile gegenüber separaten Hülsen und ist ebenfalls für flexible Stromzuführungen geeignet. Die Schichtdicke beträgt etwa 0,15 mm. Um die Haftung zu verbessern, wird bis zu 15 % , insbe- sondere 10 Gew.-0-. Boroxid zugesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Metallhalogenidentladungslampe mit einem zwei¬ seitig verschlossenen Entladungsgefäß (2), das zwei Elektroden und eine Füllung mit zur Diffusion neigenden Metallen ("Diff.-Metalle") enthält, die im Betrieb Ionen mit kleinem Ionenradius bilden, wobei der Ionenradius in der Größenordnung des- Ions Na liegt, und das von einem zweiseitig verschlosse¬ nen Außenkolben (9) umgeben ist, wobei das Entla¬ dungsgefäß (2) in etwa axial im Außenkolben (9) angeordnet ist und dort durch zwei im Außenkolben (9) angeordnete Stromzuführungen (4,5) gehaltert ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
- die im Außenkolben (9) angeordneten Stromzufüh¬ rungen (4,5) sind über einen Großteil ihrer Länge von einer UV-abschirmenden Ummantelung (14) umgeben
- der spezifische Diff.-Metallgehalt im Entladungs¬ volumen ist kleiner als 6 μmol/cm3.
2. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diff.-Metall Natri- um ist.
3. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Diff.-Metallgehalt mindestens 1 μmol/cm3 beträgt.
4. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) aus einem der Materialien Keramik, Hartglas oder Quarzglas gefertigt ist.
5. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) flexibel ist.
6. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfüllmenge an Metallhalogeniden (in mg) maximal dem Dreifachen des Volumens (in cm3) des Entladungsgefäßes ent¬ spricht.
7. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenleistung maximal 250 W beträgt.
8. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine Beschichtung aus einer Keramiksuspension ist, insbesondere aus r02 , das bis zu 15 Gew.-'« Boroxid enthält.
9. Verwendung einer Ummantelung (14), insbesondere einer Hülse aus Quarzglasmaterial, Hartglasmaterial oder Keramikmaterial, für die Stromzuführungen (4,5) im Außenkolben (9) einer Metallhalogenidentla¬ dungslampe, bei der ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß (2) in einem zweiseitig verschlos- senen Außenkolben (9) in etwa axial angeordnet ist, zur Vermeidung der Photoionisation bei Verwendung geringer Mengen an Diff.-Metallfüllungen, insbeson¬ dere Natrium.
10. Verwendung gemäß Anspruch 9, bei der die reine Diff.-Metallmenge kleiner als 6 μmol/cm3, bezogen auf das Entladungsvolumen, ist.
EP94919552A 1993-10-06 1994-06-30 Metallhalogenidentladungslampe Expired - Lifetime EP0722616B1 (de)

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