EP0722616B1 - Metallhalogenidentladungslampe - Google Patents

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EP0722616B1
EP0722616B1 EP94919552A EP94919552A EP0722616B1 EP 0722616 B1 EP0722616 B1 EP 0722616B1 EP 94919552 A EP94919552 A EP 94919552A EP 94919552 A EP94919552 A EP 94919552A EP 0722616 B1 EP0722616 B1 EP 0722616B1
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discharge lamp
metal halide
outer bulb
metal
lamp according
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Jürgen Dr. VOM SCHEIDT
Dietrich Dr. Fromm
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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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 the claim 1.
  • metal halide lamps primarily low power, especially about 50-250 W.
  • a rough guideline can be that the total amount (in mg) of metal halides can be limited to a maximum of three times the volume of the discharge vessel (in cm 3 ).
  • the condition for the filling quantity can be specified in such a way 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 Micromol ( ⁇ mol) in the filling is less than 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 .
  • Metal content is considered to be a value of the simple discharge volume (in cm 3 ), ie specific diff. Metal content ⁇ 1 ⁇ mol / cm 3 . Preferred values of the diff. Metal content are in the range of four times the discharge volume.
  • a small ion radius is understood to be a maximum of about 0.1 nm, such as that of Na + or Li + .
  • the invention is particularly for sodium rare earth filling systems suitable. 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), where the sodium content less than with warm white light colors (approx. 3000 K color temperature) can be selected.
  • 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 additions of other rare earth metals and the halogens Br and / or I.
  • a preferred metal halide filling is 0.45 mg NaI, in each case 0.27 mg of the rare earth metal halides DyI 3 , HoI 3 and TmI 3 and 0.13 mg T1I.
  • 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 is arranged potential-free in this outer bulb and runs parallel to one of the current leads 4.
  • 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 effected in each case via a vacuum-tight foil pinch 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 current leads 4, 5 are enclosed over their entire length in the outer bulb 9 by a stocking-like sleeve 14 made of quartz silk.
  • 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 .
  • a ceramic fiber hose is also suitable for this or quartz fiber hose.
  • a tempered glass or quartz glass tube or a rigid ceramic sleeve In the case of straight power supplies, one can do less flexible material, e.g. a tempered glass or quartz glass tube or a rigid ceramic sleeve, be used.
  • a high temperature resistance is essential as well as sufficient UV absorption.
  • the invention is closed on all sides Discharge vessels that are closed on both sides Outer pistons are attached approximately axially, applicable.
  • the discharge vessel can in particular a quartz glass burner squeezed on both sides or be a ceramic tube closed on both sides.
  • the outer bulb is in particular a pinched on both sides Tempered glass or quartz glass pistons.
  • a ceramic suspension, for example ZrO 2, applied directly as a coating to the power supply is also particularly suitable as the sheathing.
  • This technology also has manufacturing advantages over separate sleeves and is also suitable for flexible power supplies.
  • the layer thickness is approximately 0.15 mm. To improve the adhesion, up to 15%, in particular 10% by weight of boron oxide is added.

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

Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenidentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es handelt sich dabei um Metallhalogenidlampen vornehmlich kleiner Leistung, insbesondere etwa 50-250 W.
Aus der DE-A 36 19 068 sind Metallhalogenidlampen bekannt, die ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß in einem zweiseitig gequetschten Kolben aufweisen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere am Lebensdauerende, ist die Stromzuführung von einer elektrisch-isolierenden Ummantelung 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 Außenkolben so angeordnet werden, daß keine parallel zum Entladungsgefäß verlaufenden Gestellteile benötigt werden.
Bei Metallhalogenidlampen mit alkalimetallhaltiger Füllung, bei denen ein Leiter am Entladungsgefäß 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-isolierenden 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 Merkmale 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 kleiner Leistung (typisch 50-250 W), die eine natrium-haltige Füllung besitzen. Es hat sich herausgestellt, daß hier die Verwendung einer UV-abschirmenden Ummantelung, die die Stromzuführungen im Außenkolben möglichst vollständig abdeckt, es gestattet, die Füllmengen an Metallhalogeniden, speziell der natriumhaltigen Komponente (z.B. NaI), sehr niedrig zu halten und trotzdem sehr lange Lebensdauern zu erzielen sind (ca. 6000 Betriebsstunden). Als grobe Richtschnur kann dienen, daß die Gesamtfüllmenge (in mg) an Metallhalogeniden maximal auf das Dreifache des Volumens des Entladungsgefäßes (in cm3) begrenzt werden kann.
Vorteilhaft ist, als Untergrenze eine Gesamtfüllmenge (in mg) an Metallhalogeniden anzusehen, die dem Einfachen des Entladungsvolumens (in cm3) entspricht. Der Grund ist, daß - vor allem bei Natrium-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 Konsequenz war eine Absenkung des Partialdrucks dieser Füllungskomponente, insbesondere des Natriums, und eine Erhöhung der Brennspannung sowie eine unerwünschte Drift zu höheren Farbtemperaturen. Erfindungsgemäße Lampen zeigen jedoch eine sehr gute Maintenance ihres Lichtstroms über die Lebensdauer. Ähnliches gilt auch für die Farbtemperatur.
Da die eigentliche Ursache der schlechten Maintenance 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 keramisches Entladungsgefäß verwendet werden, wie z.B. in der EP-A 536 609 beschrieben) liegt, läßt sich die Bedingung für die Füllmenge dahingehend spezifizieren, 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 Mikromol (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/cm3. Bevorzugte Werte des Diff.-Metallgehalts liegen im Bereich des Vierfachen des Entladungsvolumens.
Unter geringem Ionenradius werden Werte von maximal etwa 0,1 nm verstanden, wie sie z.B. Na+ oder Li+ aufweisen.
Die Erfindung ist insbesondere für Natrium-Seltenerd-Füllungssysteme geeignet. Ähnlich gute Ergebnisse werden bei Na Sc-Füllungen erzielt.
Hauptsächliches Anwendungsgebiet sind Lampen mit Farbtemperaturen in der Größenordnung von 4000 K (Lichtfarbe neutralweiß), bei denen der Natriumgehalt 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 Außenkolben aufweisen, und bei denen Elektrode (aus Wolfram) und Stromzuführung (aus Molybdän) aus verschiedenen Materialien bestehen. Nur hier führt die Verwendung korrosionsfördernder Füllungen (damit sind vornehmlich Natrium-Zinn-Füllungen gemeint) zur Elektrodenkorrosion und damit zur Undichtigkeit des Entladungsgefäßes und schließlich zum letalen Gleichstrombetrieb. Dagegen können die erfindungsgemäßen Lampen sowohl einen evakuierten als auch mit Inertgas gefüllten Außenkolben (z.B. Stickstoff) aufweisen. Außerdem spielt die Materialfrage von Elektrode und Stromzuführung keine Rolle.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1
eine Lampe gemäß der Erfindung
Fig. 2
die Mortalitätskurve einer Gruppe erfindungsgemäßer Lampen sowie einer Vergleichsgruppe
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Hochdruckentladungslampe 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 elektrische Verbindung zu den im Entladungsgefäß angebrachten 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 I. Eine bevorzugte Metallhalogenidfüllung ist 0,45 mg NaI, jeweils 0,27 mg der Seltenen Erdmetall-Halogenide DyI3, HoI3 und TmI3 sowie 0,13 mg T1I. Das Entladungsvolumen beträgt 0,7 cm3.
Das Entladungsgefäß 2 befindet sich in einem koaxial angeordneten zylindrischen Außenkolben 9 aus Quarzglas, wobei der kleinste Wandabstand nur etwa 2-3 mm beträgt. In diesem Außenkolben ist in bekannter Weise ein Getter 10 potentialfrei angeordnet, 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 angeordneten Stromzuführungen 4, 5 nach außen jeweils über eine vakuumdichte Folieneinquetschung 11 und keramische Sockelteile 12 (mit Plättchenkontakten) erfolgt. Die Stromzuführungen 4, 5 haltern das Entladungsgefäß 2 im Außenkolben 9, wobei zum Ausgleich von Längentoleranzen eine der Stromzuführungen 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 strumpfartigen 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 problemlos 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 Quarzglasröhrchen oder eine starre keramische Hülse, verwendet werden. Wesentlich ist eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine ausreichende UV-Absorption.
In Fig. 2 ist ein Vergleich zwischen der Lebensdauer der anhand von Fig. 1 beschriebenen Lampen ohne (kreuzförmige Meßpunkte) und mit (dreieckige Meßpunkte) 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 %-Ausfallrate wird erst nach 7500 Std. erreicht.
Die Erfindung ist auf alle zweiseitig verschlossenen Entladungsgefäße, die im zweiseitig verschlossenen 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 gequetschter Hartglas- oder Quarzglaskolben.
Als Ummantelung eignet sich insbesondere auch eine direkt als Beschichtung auf die Stromzuführung aufgetragene Keramiksuspension, beispielsweise ZrO2. Diese Technik hat insbesondere auch fertigungstechnische 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 %, insbesondere 10 Gew.-% Boroxid zugesetzt.

Claims (9)

  1. Metallhalogenidentladungslampe mit einem zweiseitig verschlossenen Entladungsgefäß (2), das zwei Elektroden und eine Füllung mit zur Diffusion in Quarzglas oder Keramik neigenden Metallen bei Temperaturen bis 1200 °C enthält, die im Betrieb Ionen mit kleinem Ionenradius bilden, wobei der Ionenradius maximal dem des Ions Na+ entspricht, und das von einem zweiseitig verschlossenen zylindrische Außenkolben (9) umgeben ist, der eine Achse definiert, wobei das Entladungsgefäß (2) in etwa axial im Außenkolben (9) angeordnet ist und dort durch zwei im Außenkolben (9) angeordnete Stromzuführungen (4,5) gehaltert ist, wobei die im Außenkolben (9) angeordneten Stromzuführungen (4,5) über einen Großteil ihrer Länge von einer UV-abschirmenden Ummantelung (14) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Gehalt an den zur Diffusion neigenden Metallen im Entladungsvolumen kleiner als 6 µmol/cm3 ist.
  2. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Diffusion neigende Metall Natrium und/oder Lithium ist.
  3. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Gehalt an zur Diffusion neigendem Metall 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 entspricht.
  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 ZrO2, das bis zu 15 Gew.-% Boroxid enthält.
  9. Verwendung einer Ummantelung (14), insbesondere einer Hülse aus Quarzglas, Hartglas oder Keramikmaterial, für die Stromzuführungen (4,5) im Außenkolben einer Metallhalogenidentladungslampe, bei der ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß (2) in einem zylindrischen zweiseitig verschlossenen Außenkolben (9), der eine Achse definiert, in etwa axial angeordnet ist, zur Vermeidung der Photoionisation bei Verwendung geringer Mengen an Metallfüllungen der Metalle Natrium und/oder Lithium, dadurch gekennzeichnet, daß die reine Menge dieser Metalle 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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