EP1011126A2 - Metal halogen lamp - Google Patents
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- EP1011126A2 EP1011126A2 EP99124410A EP99124410A EP1011126A2 EP 1011126 A2 EP1011126 A2 EP 1011126A2 EP 99124410 A EP99124410 A EP 99124410A EP 99124410 A EP99124410 A EP 99124410A EP 1011126 A2 EP1011126 A2 EP 1011126A2
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- metal halide
- hzm
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- halide lamp
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
- H01J61/02—Details
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
- H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
- H01J61/827—Metal halide arc lamps
Definitions
- the invention relates to a metal halide lamp according to the preamble of Claim 1. These are mercury-free metal halide lamps, preferably with a ceramic discharge vessel.
- the invention realizes mercury-free metal halide lamps, in particular with ceramic discharge vessel, with properties that have previously been found in metal halide lamps known with a discharge vessel made of quartz glass and Hg-containing filling are, namely a high luminous efficacy of at least 70 lm / W, and one high color rendering index Ra of at least 80, preferred for low performance up to 250 W.
- the service life is at least 5000 hours in the range from warm white to daylight white.
- the operation is advantageously carried out on one electronic ballast.
- the discharge vessel can be a quartz glass bulb.
- a ceramic is preferred Discharge vessel, which can be tubular or bulged.
- HZM halides of hafnium and / or zircon
- Bromine, chlorine and iodine can be used as halogen X.
- the specific amount of HZH in the discharge vessel must be at least 3 ⁇ mol / cm 3 : HZH ⁇ 3 ⁇ mol / cm 3rd .
- Y is a halogen is selected from bromine, chlorine and iodine.
- These easily vaporizable metal halides are generally completely evaporated because they have a boiling point or have a sublimation point of at most 1100 ° C. That temperature is achieved primarily when ceramic discharge vessels are in operation on the vessel wall.
- elemental metals are suitable as additives to the cycle to be designed particularly effectively and thereby a long service life of ensure more than 6000 hours.
- Suitable elemental metals N are those which together with free halogens at typical wall temperatures around 1000 easily evaporable metal halides or metal halide complexes up to 1100 ° C can form.
- the following metals are suitable for this elementary or as a metal halide: Al, Bi, In, Mg, Sc, Sn, Tl, Zn, Sb, Ga.
- a value between 8 and 13 is preferred without the addition of additional metal halides to the metals HZM (i.e. when using elementary metals such as in the prior art) the value of this ratio would be 4.
- a longer service life can be achieved with careful measurement of the entire molar metal content G "of all voltage gradient formers (incl. Hf and Zr, i.e. HZM) in the filling in relation to the molar proportion of the metals Hf and Zr ( HZM ") alone.
- the metals G ie the sum of M, N and HZM
- the G / HZM ratio should not exceed 12, ie: G / HZM ⁇ 12.
- Another metal that promotes the cyclic process is titanium. It is therefore an offer Hf or Zr are suitable, but should only contain up to 50 mol% of the total HZM turn off.
- X + Y there is an excess of the total molar halogen fraction X + Y (normally bound in the easily evaporable halide compounds).
- the value of X + Y is at least 1.4 times the molar total metal fraction G bonded together in the easily evaporable compounds MY n and metals N, that is: (X + Y) / G ⁇ 1.4.
- the setting of this ratio is particularly due to the high value the HZH (their value is usually four) favors.
- the main operating mode is rectangular current injection with a high slope (i.e. a time period of the voltage change during a polarity change between two rectangular pulses of different polarity), preferred less than 30 ⁇ s, in question. Operation with constant power is favorable.
- the voltage gradient is used in the discharge arc and to adjust the thermal properties of the Lamps metal halides with high vapor pressure used in the setting wall temperatures in the discharge vessel either completely or predominantly go into the vapor phase.
- Typical examples of voltage gradient formers in durable systems that are suitable as an addition to Hf and Zr Halides of In, Zn, Al, Mg.
- the voltage gradient formers are for light formation less suitable. For this reason, it is necessary as a light designer Add at least one other metal halide to the filling, i.e. a compound the at least one intense line in the visible spectral range between 380 and 780 nm.
- Typical examples of these light formers are halides the alkali metals (Na) and the lanthanides. They have a significantly higher boiling point than the voltage gradient formers and accordingly a much smaller one Vapor pressure.
- maintenance of more than 80% of the luminous flux can be achieved after an operating time of 5000 h, based on the 100 h value.
- the initial efficiency after 100 h is at least 70 lm / W.
- a preferred area of application is interior lighting with color temperatures between approximately 2800 and 4200 K, with small wattages between 35 W and 150 W being the main target. Good color rendering (better than 80) is particularly difficult to achieve, especially at low color temperatures.
- the specific behavior depends on the choice of the admixed voltage generator and the mixture of the components filled in as a light generator.
- This maintenance behavior can be improved by a significantly improved W cycle with the direct participation of Hf and Zr in the gas phase.
- the Examination of discharge vessels regarding the condition according to the invention of the share of HZH does not show any deposits of tungsten as Solid in the discharge vessel, in accordance with a negligible Blackening of the discharge vessel over the life of the lamp.
- the filling compositions according to the invention can be taken into account the reactivity of the other filling components with those used Use wall materials, both in quartz glass vessels and in ceramic vessels.
- Translucent polycrystalline aluminum oxide or similar translucent polycrystalline ceramic materials such as AlON, AlN, etc.
- monocrystalline Sapphire are considered to be quartz glass because of their higher thermal resistance Wall material is preferable. These materials show a significantly lower reactivity under higher operating temperatures compared to the filling components.
- the invention can be used for general lighting applications as well for automotive lighting and photo optics. At These applications are highly efficient Hg-free lamps with constant Maintenance of the luminous flux and constancy of the remaining light data over the lifetime of great importance.
- the scope extends to Power from about 20 W to more than 250 W.
- the lamp systems according to the invention are advantageous in an illumination system operated on rectangular or HF ballasts.
- the filling contains at least one additional tension generator, to further increase the voltage gradient and to protect against premature Remelt the electrodes. Because the electrodes are covered by the Presence of Hf or Zr due to their high solubility in tungsten. Metal halides which have a high operating steam pressure are suitable for this a typical wall temperature (approx. 900 to 1100 ° C). A typical partial pressure the voltage generator during operation is more than 0.5 bar. A similar one The effective measure is to increase the cold filling pressure of the one acting as a buffer gas Starting gas (usually xenon) to more than 1 bar, namely up to 10 bar.
- a buffer gas Starting gas usually xenon
- the filling also contains other metal halides which are difficult to evaporate. she act as a light generator and stabilize the bow.
- Halides are suitable Rare earth metals (lanthanides) and / or the alkali metals, in particular Na, Pr, Nd, La, Dy, Ho, Tm.
- the absolute filling quantity of the Hf / Zr-halide mixture must exceed a lower limit so that an extraordinarily stable chemical cycle can take place in the lamp: HZH ⁇ 3 ⁇ mol / cm 3rd .
- At least one further metal halide is added to the HZM.
- M, N Zn, Mg, Sn, In, Tl, Al, Sb
- the filling quantity of the metal portion added to HZM (incl. HZM) in relation to the metal portions HZM bound only in the Hf / Zr halides should preferably not exceed a critical value of 12.
- G M + N + HZM applies to this ratio B:
- B G / HZM ⁇ 12.
- the ratio B is preferably between 3.3 and 7.5. Without adding additional Metal halides for the halides of the HZM would have the value 1.
- the ratio D of the sums of the amount of halogen X bound in HZH (predominantly HfX 4 and / or ZrX 4 ) and the amount of halogen Y bound in the easily evaporable metal halide portion added, i.e. (X + Y), to the sum of all metal portions ( G M + N + HZM )
- This ratio is preferably above 1.46. Without adding additional Metals and metal halides to the HZM, this ratio would be four.
- a metal halide lamp with an output of 70 W is shown schematically in FIG. It consists of a cylindrical outer bulb 1 made of quartz glass which defines a lamp axis and is squeezed (2) and base (3) on two sides.
- the axially arranged discharge vessel 4 made of Al 2 O 3 ceramic is bulged in the middle 5 and has two cylindrical ends 6a and 6b.
- it can also be cylindrical with elongated capillary tubes as plugs, as is known, for example, from EP-A 587 238.
- the discharge vessel is held in the outer bulb 1 by means of two power supply lines 7, which are connected to the base parts 3 via foils 8.
- the power supply lines 7, one of which is a molybdenum band to compensate for the large expansion differences, are welded to bushings 9, 10, each of which is fitted in an end plug 11 at the end of the discharge vessel.
- the bushings 9, 10 are, for example, molybdenum pins. Both executions 9, 10 are on the plug 11 on both sides and hold electrodes on the discharge side 14, consisting of an electrode shaft 15 made of tungsten and an am End pushed onto the discharge end 16.
- the bushing 9, 10 is each with the electrode shaft 15 and with the external power supply 7 butt welded.
- the end plugs 11 essentially consist of a cermet known per se with the ceramic component Al 2 O 3 and the metallic component tungsten or molybdenum.
- This bore 12 is made after filling by means of a pen 13, referred to in technical jargon as a stopper, or closed by means of melting ceramic.
- the filling of the discharge vessel consists of an inert ignition gas / buffer gas, here argon with a cold filling pressure of 150 mbar, and various additives of metal halides.
- a proportion of at least 3 ⁇ mol / cm 3 HZH is essential.
- the filling contains a total of up to three voltage gradient formers, one suitable selected mixture as light generator and possibly other additives.
- TIJ has proven itself as an additional voltage gradient generator, possibly in combination with further voltage gradient formers.
- TIJ also makes a contribution in the visible spectral range.
- a lamp volume of 0.3 cm 3 was used for all fillings.
- the electrode gap is 9 mm.
- the specific wall load (defined as electrical power / inner surface) varies between 15 and 50 W / cm 2 . On average, it is 30 W / cm 2 .
- the specific electrical power density varies between 100 and 500 W / cm 3 . On average, it is 235 W / cm 3 .
- the lamps were each operated on an electronic ballast with rectangular current injection in a regulated power operation of 70 W with l eff ⁇ 1.8 A.
- Figure 2 shows an example of the good maintenance of the luminous flux (in lm) over the operating time (in hours).
- the filling is based on HfBr 4 (0.7 mg), with the additional tension builders InBr (0.7 mg), InBr 3 (0.3 mg), TIJ (0.7 mg) and the additional light builders NaJ (2.4 mg), TmJ 3 (1.5 mg), DyJ 3 (1.4 mg), and HoJ 3 (1.5 mg).
- the lamp is a metal halide lamp 18 with 70 W power, which is squeezed on one side, including the discharge vessel 19 is a quartz glass bulb pinched on one side. Otherwise match the same reference numerals for analog components as in FIG. 1. In the outer bulb 1 also accommodated a getter 17.
Landscapes
- Discharge Lamp (AREA)
- Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um quecksilberfreie Metallhalogenidlampen,
vorzugsweise mit keramischem Entladungsgefäß.The invention relates to a metal halide lamp according to the preamble of
Die Verwendung der Halogenide des Hafniums und/oder Zirkons für Metallhalogenidlampen
zusammen mit Quecksilber als Puffergas ist schon seit langem bekannt.
Aus der EP-B 627 759 ist eine Metallhalogenidlampe hoher Lichtausbeute bekannt,
die Quecksilber als Puffergas verwendet. Ein Ausführungsbeispiel darin zeigt auch
eine quecksilberfreie Füllung für Tageslichtanwendung mit einer Farbtemperatur von
5350 K unter Verwendung von HfBr4 als Metallhalogenid sowie einer Zugabe von
elementarem Zinn. Dabei übernimmt das Xenon (Kaltfülldruck 1 bar) die Rolle des
Puffergases. Diese Lampen weisen jedoch enorme Wiederzündspitzen von etwa
600 V auf und sind daher nur mit aufwendiger Schaltungstechnik zu betreiben. Hinzu
kommt, daß die Lebensdauern der dort beschriebenen Lampen zwischen wenigen
Stunden und bestenfalls 2100 Stunden liegen. Diese Lampen sind daher für die
Allgemeinbeleuchtung nicht geeignet.The use of the halides of hafnium and / or zircon for metal halide lamps together with mercury as a buffer gas has long been known. From EP-B 627 759 a metal halide lamp with high luminous efficacy is known which uses mercury as the buffer gas. An exemplary embodiment therein also shows a mercury-free filling for daylight use with a color temperature of 5350 K using HfBr 4 as the metal halide and addition of elemental tin. The xenon (
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallhalogenidlampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die quecksilberfrei ist und trotzdem
eine lange Lebensdauer von mehr als 5000 Stunden erzielen kann. It is an object of the present invention to provide a metal halide lamp according to the
Provide the preamble of
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the characterizing features of
Die Erfindung realisiert erstmals Hg-freie Metallhalogenidlampen, insbesondere mit keramischem Entladungsgefäß, mit Eigenschaften, wie sie bisher von Metallhalogenidlampen mit einem Entladungsgefäß aus Quarzglas und Hg-haltiger Füllung bekannt sind, nämlich eine hohe Lichtausbeute von mindestens 70 lm/W, und einen hohen Farbwiedergabeindex Ra von mindestens 80, bevorzugt für kleine Leistungen bis 250 W. Dabei beträgt die Lebensdauer mindestens 5000 Std. Die Lichtfarbe liegt im Bereich von warmweiß bis tageslichtweiß. Der Betrieb erfolgt vorteilhaft an einem elektronischen Vorschaltgerät.For the first time, the invention realizes mercury-free metal halide lamps, in particular with ceramic discharge vessel, with properties that have previously been found in metal halide lamps known with a discharge vessel made of quartz glass and Hg-containing filling are, namely a high luminous efficacy of at least 70 lm / W, and one high color rendering index Ra of at least 80, preferred for low performance up to 250 W. The service life is at least 5000 hours in the range from warm white to daylight white. The operation is advantageously carried out on one electronic ballast.
Erstmals ist es nun gelungen, eine hervorragende Maintenance des Lichtstroms zu
erzielen. Eine Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes wird weitgehend vermieden.
Dies erfolgt durch eine Optimierung des Wolfram-Kreisprozesses, der nicht
mehr, wie allgemein bekannt, ausschließlich über die Halogene der Füllung, die
meist als Metallhalogenide vorliegen, gesteuert wird. Überraschend hat sich herausgestellt,
daß die Zugabe der Metalle Hf und/oder Zr (HZM") als Halogenide
(
Da Entladungsgefäß kann ein Quarzglaskolben sein. Bevorzugt ist ein keramisches Entladungsgefäß, das rohrförmig oder ausgebaucht sein kann.The discharge vessel can be a quartz glass bulb. A ceramic is preferred Discharge vessel, which can be tubular or bulged.
Bedingung für einen besonders effizient ablaufenden Kreisprozeß ist eine spezifische
Mindestkonzentration an kreisprozeßwirksamen Metallen (
Es ist ein glücklicher Umstand, daß diese beiden Metalle gleichzeitig ausgeprägte Eigenschaften in bezug auf die Bildung eines Spannungsgradienten besitzen, so daß sie das Quecksilber in dieser Hinsicht teilweise ersetzen können. Es ist jedoch notwendig, daß mindestens ein weiteres Metallhalogenid der Füllung als Spannungsbildner hinzugefügt wird um eine möglichst gute Anpassung an den Spannungsgradienten von Quecksilber zu erreichen.It is fortunate that these two metals are pronounced at the same time Have properties related to the formation of a voltage gradient, so that they can partially replace mercury in this regard. However, it is necessary that at least one other metal halide of the filling as a tension generator is added in order to adapt to the voltage gradient as well as possible of mercury.
Dazu eignen sich leicht verdampfbare Metallhalogenide MYn, wobei Y ein Halogen ist, ausgewählt aus Brom, Chlor und Jod. Diese leicht verdampfbaren Metallhalogenide liegen im allgemeinen vollständig verdampft vor, weil sie einen Siedepunkt bzw. einen Sublimationspunkt von höchstens 1100 °C besitzen. Diese Temperatur wird vor allem im Betrieb keramischer Entladungsgefäße an der Gefäßwand erreicht. Außerdem eignen sich elementare Metalle hier als Zusätze, um den Kreisprozeß besonders effektiv zu gestalten und dadurch eine lange Lebensdauer von mehr als 6000 Stunden sicherzustellen. Geeignete elementare Metalle N sind solche, die zusammen mit freien Halogenen bei typischen Wandtemperaturen um 1000 bis 1100 °C leicht verdampfbare Metallhalogenide bzw. Metallhalogenidkomplexe bilden können. Folgende Metalle eignen sich dafür elementar bzw. als Metallhalogenid: Al, Bi, In, Mg, Sc, Sn, Tl, Zn, Sb, Ga.Easily evaporable metal halides MYn are suitable for this, where Y is a halogen is selected from bromine, chlorine and iodine. These easily vaporizable metal halides are generally completely evaporated because they have a boiling point or have a sublimation point of at most 1100 ° C. That temperature is achieved primarily when ceramic discharge vessels are in operation on the vessel wall. In addition, elemental metals are suitable as additives to the cycle to be designed particularly effectively and thereby a long service life of ensure more than 6000 hours. Suitable elemental metals N are those which together with free halogens at typical wall temperatures around 1000 easily evaporable metal halides or metal halide complexes up to 1100 ° C can form. The following metals are suitable for this elementary or as a metal halide: Al, Bi, In, Mg, Sc, Sn, Tl, Zn, Sb, Ga.
Die Summe der in den Hf/Zr-Halogeniden gebundenen Halogenmenge X und der in
den zugesetzten leicht verdampfbaren Metallhalogeniden MYn gebundenen Halogenmenge
Y (jeweils in µmol) muß, bezogen auf den im Hf/Zr-Anteil gebundenen
Metallanteil (HZM), einen bestimmten Wertebereich einhalten, um einen effektiven
Kreisprozeß sicherzustellen:
Bevorzugt ist ein Wert zwischen 8 und 13. Ohne Zumischung von zusätzlichen Metallhalogeniden zu den Metallen HZM (also bei Verwendung elementarer Metalle wie im Stand der Technik) wäre der Wert dieses Verhältnisses gleich 4.A value between 8 and 13 is preferred without the addition of additional metal halides to the metals HZM (i.e. when using elementary metals such as in the prior art) the value of this ratio would be 4.
Insbesondere läßt sich eine längere Lebensdauer bei sorgfältiger Bemessung des
gesamten molaren Metallanteils
Die natürliche Untergrenze ist entsprechend der Definition
Diese Obergrenze im Verhältnis zwischen allen als Spannungsgradientenbildner zugesetzten Metallen G und den außerdem auf den Kreisprozeß wirkenden Metallen Hf und Zr (HZM) ergibt sich deswegen, weil beim Überschreiten dieser Obergrenze im Vergleich zu den im Kreisprozeß wirksamen Metallen HZM eine zu hohe Konzentrationen an konkurrierenden Metallen (M und N) in der Umgebung der Elektroden auftreten. Dies beeinträchtigt den Wolfram-Transportprozeß und führt schließlich zu einer deutlichen Verschlechterung der Maintenance.This upper limit in the ratio between all of them as voltage gradient formers added metals G and the metals also acting on the cyclic process Hf and Zr (HZM) result because the upper limit is exceeded in comparison to the metals HZM effective in the cyclical process, too high Concentrations of competing metals (M and N) in the vicinity of the Electrodes appear. This affects the tungsten transport process and leads eventually a significant deterioration in maintenance.
Ein weiteres den Kreisprozeß förderndes Metall ist Titan. Es ist daher als Zugabe zu Hf oder Zr geeignet, jedoch sollte es nur bis 50 mol.-% des gesamten Anteils HZM ausmachen.Another metal that promotes the cyclic process is titanium. It is therefore an encore Hf or Zr are suitable, but should only contain up to 50 mol% of the total HZM turn off.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Überschuß des gesamten
molaren Halogenanteils X + Y (normalerweise gebunden in den leicht verdampfbaren
Halogenidverbindungen) vorhanden. Der Wert von X + Y liegt beim mindestens
1,4-fachen des in den leicht verdampfbaren Verbindungen MYn sowie Metallen N
zusammen gebundenen molaren gesamten Metallanteils G, also:
Die Einstellung dieses Verhältnisses wird insbesondere durch die hohe Wertigkeit der HZH (ihre Wertigkeit ist normalerweise vier) begünstigt.The setting of this ratio is particularly due to the high value the HZH (their value is usually four) favors.
Bei Einhaltung aller o.g. Bedingungen wird ein optimaler Kreisprozeß erzielt, der zu Lebensdauern über 6000 Std. führt.In compliance with all of the above An optimal cyclic process is achieved under conditions Lifespans over 6000 hours.
Als Betriebsart kommt vor allem eine Rechteckstromeinprägung mit hoher Flankensteilheit (also einer Zeitdauer der Spannungsänderung während eines Polaritätswechsels zwischen zwei Rechteckpulsen unterschiedlicher Polarität), bevorzugt kleiner als 30 µs, in Frage. Günstig ist ein Betrieb mit konstanter Leistung.The main operating mode is rectangular current injection with a high slope (i.e. a time period of the voltage change during a polarity change between two rectangular pulses of different polarity), preferred less than 30 µs, in question. Operation with constant power is favorable.
Bei Hg-freien Metallhalogenidlampen werden zur Einstellung des Spannungsgradienten im Entladungsbogen und zur Einstellung der thermischen Eigenschaften der Lampen Metallhalogenide mit hohem Dampfdruck herangezogen, die bei den sich einstellenden Wandtemperaturen im Entladungsgefäß entweder vollständig oder überwiegend in die Dampfphase übergehen. Typische Beispiele für Spannungsgradientenbildner in langlebigen Systeme, die sich als Zusatz zu Hf und Zr eignen, sind Halogenide des In, Zn, Al, Mg. Außerdem kommen noch Beimengungen der Metallhalogenide von Bi, Sc, Sn, Tl, Sb und Ga in Frage. Diese werden als G (Gesamtmetalle der Spannungsgradientenbildner) zusammengefaßt.In the case of mercury-free metal halide lamps, the voltage gradient is used in the discharge arc and to adjust the thermal properties of the Lamps metal halides with high vapor pressure used in the setting wall temperatures in the discharge vessel either completely or predominantly go into the vapor phase. Typical examples of voltage gradient formers in durable systems that are suitable as an addition to Hf and Zr Halides of In, Zn, Al, Mg. There are also admixtures of the metal halides of Bi, Sc, Sn, Tl, Sb and Ga in question. These are called G (total metals the voltage gradient generator).
Allerdings sind die Spannungsgradientenbildner, vor allem die HZM, für die Lichtbildung weniger gut geeignet. Aus diesem Grund ist es notwendig, als Lichtbildner mindestens ein weiteres Metallhalogenid der Füllung zuzusetzen, also eine Verbindung, die mindestens eine intensive Linie im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380 und 780 nm aufweist. Typische Beispiele für diese Lichtbildner sind Halogenide der Alkalimetalle (Na) und der Lanthanide. Sie besitzen einen deutlich höheren Siedepunkt als die Spannungsgradientenbildner und dementsprechend einen viel kleineren Dampfdruck.However, the voltage gradient formers, especially the HZM, are for light formation less suitable. For this reason, it is necessary as a light designer Add at least one other metal halide to the filling, i.e. a compound the at least one intense line in the visible spectral range between 380 and 780 nm. Typical examples of these light formers are halides the alkali metals (Na) and the lanthanides. They have a significantly higher boiling point than the voltage gradient formers and accordingly a much smaller one Vapor pressure.
Mit der erfindungsgemäßen Füllung läßt sich eine Maintenance von mehr als 80 % des Lichtstroms nach einer Betriebsdauer von 5000 h erzielen, bezogen auf den 100 h-Wert. Die Anfangseffizienz nach 100 h liegt bei mindestens 70 lm/W. Typisch ist eine warmweiße Lichtfarbe mit Tn = 3500 K mit einem Farbort nahe dem Planck'schem Kurvenzug. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Innenbeleuchtung mit Farbtemperaturen zwischen etwa 2800 und 4200 K, wobei hauptsächlich kleine Wattagen zwischen 35 W und 150 W angestrebt werden. Gerade bei niedrigen Farbtemperaturen ist eine gute Farbwiedergabe (besser als 80) besonders schwer zu realisieren. Das konkrete Verhalten im einzelnen hängt von der Wahl der zugemischten Spannungsbildner und der Mischung der als Lichtbildner eingefüllten Bestandteile ab.With the filling according to the invention, maintenance of more than 80% of the luminous flux can be achieved after an operating time of 5000 h, based on the 100 h value. The initial efficiency after 100 h is at least 70 lm / W. A warm white light color with T n = 3500 K with a color locus near the Planck curve is typical. A preferred area of application is interior lighting with color temperatures between approximately 2800 and 4200 K, with small wattages between 35 W and 150 W being the main target. Good color rendering (better than 80) is particularly difficult to achieve, especially at low color temperatures. The specific behavior depends on the choice of the admixed voltage generator and the mixture of the components filled in as a light generator.
Dieses Maintenance-Verhalten läßt sich durch einen deutlich verbesserten W-Kreisprozeß unter direkter Beteiligung von Hf und Zr in der Gasphase erklären. Die Untersuchung von Entladungsgefäßen, die die erfindungsgemäße Bedingung hinsichtlich des Anteils von HZH erfüllen, zeigt keinerlei Ablagerungen von Wolfram als Festkörper im Entladungsgefäß, in Übereinstimmung mit einer vernachlässigbaren Schwärzung des Entladungsgefäßes über die Lebensdauer der Lampe.This maintenance behavior can be improved by a significantly improved W cycle with the direct participation of Hf and Zr in the gas phase. The Examination of discharge vessels regarding the condition according to the invention of the share of HZH does not show any deposits of tungsten as Solid in the discharge vessel, in accordance with a negligible Blackening of the discharge vessel over the life of the lamp.
Die erfindungsgemäßen Füllungszusammensetzungen lassen sich, unter Berücksichtigung der Reaktivität der übrigen Füllungsbestandteile mit den verwendeten Wandmaterialien, sowohl in Quarzglasgefäßen als auch in Keramikgefäßen verwenden. Transluzentes polykristallines Aluminiumoxid oder ähnliche transluzente polykristalline Keramikmaterialien (wie AlON, AlN usw.) oder auch monokristalliner Saphir sind aber wegen ihrer höheren thermischen Belastbarkeit dem Quarzglas als Wandmaterial vorzuziehen. Diese Materialien zeigen eine deutlich geringere Reaktivität unter höheren Betriebstemperaturen gegenüber den Füllungsbestandteilen.The filling compositions according to the invention can be taken into account the reactivity of the other filling components with those used Use wall materials, both in quartz glass vessels and in ceramic vessels. Translucent polycrystalline aluminum oxide or similar translucent polycrystalline ceramic materials (such as AlON, AlN, etc.) or monocrystalline Sapphire, however, are considered to be quartz glass because of their higher thermal resistance Wall material is preferable. These materials show a significantly lower reactivity under higher operating temperatures compared to the filling components.
Die Erfindung kann sowohl für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung als auch für die Bereiche Automobilbeleuchtung und Photo-Optik angewendet werden. Bei diesen Anwendungen sind hocheffiziente Hg-freie Lampen mit gleichbleibender Maintenance des Lichtstroms und Konstanz der übrigen Lichtdaten über die Lebensdauer von hoher Wichtigkeit. Dabei erstreckt sich der Anwendungsbereich auf Leistungen von etwa 20 W bis mehr als 250 W.The invention can be used for general lighting applications as well for automotive lighting and photo optics. At These applications are highly efficient Hg-free lamps with constant Maintenance of the luminous flux and constancy of the remaining light data over the lifetime of great importance. The scope extends to Power from about 20 W to more than 250 W.
Die erfindungsgemäßen Lampensysteme werden vorteilhaft in einem Beleuchtungssystem an Rechteck- oder HF-Vorschaltgeräten betrieben.The lamp systems according to the invention are advantageous in an illumination system operated on rectangular or HF ballasts.
Im einzelnen soll die Füllung neben einem Edelgas, das als Puffergas wirkt (Ar, Kr, Xe mit typisch 0,1 bis 1 bar, u.U. bis 10 bar Kaltfülldruck), zumindest Hf- und/oder Zr-Halogenide enthalten, beispielsweise HfX4 (X =J, Br, Cl), weil diese Stoffe die Grundlage für einen funktionierenden W-Kreisprozeß bei Hg-freier Füllung darstellen.In addition to an inert gas that acts as a buffer gas (Ar, Kr, Xe with a typical 0.1 to 1 bar, possibly up to 10 bar cold filling pressure), the filling should contain at least Hf and / or Zr halides, for example HfX 4 ( X = J, Br, Cl) because these substances are the basis for a functioning W cycle process with mercury-free filling.
Daneben beinhaltet die Füllung mindestens einen zusätzlichen Spannungsbildner, der zur weiteren Anhebung des Spannungsgradienten und zum Schutz vor vorzeitigem Rückschmelzen der Elektroden dienen. Denn die Elektroden werden durch die Gegenwart von Hf oder Zr aufgrund deren hohen Löslichkeit in Wolfram stark belastet. Dafür eignen sich Metallhalogenide, die einen hohen Betriebsdampfdruck bei einer typischen Wandtemperatur (ca. 900 bis 1100 °C) erzeugen. Ein typischer Partialdruck der Spannungsbildner im Betrieb liegt bei mehr als 0,5 bar. Eine ähnlich wirkende Maßnahme ist die Erhöhung des Kaltfülldrucks des als Puffergas wirkenden Startgases (meist Xenon) auf mehr als 1 bar, nämlich bis zu 10 bar.In addition, the filling contains at least one additional tension generator, to further increase the voltage gradient and to protect against premature Remelt the electrodes. Because the electrodes are covered by the Presence of Hf or Zr due to their high solubility in tungsten. Metal halides which have a high operating steam pressure are suitable for this a typical wall temperature (approx. 900 to 1100 ° C). A typical partial pressure the voltage generator during operation is more than 0.5 bar. A similar one The effective measure is to increase the cold filling pressure of the one acting as a buffer gas Starting gas (usually xenon) to more than 1 bar, namely up to 10 bar.
Die Füllung beinhaltet ferner weitere, schwer verdampfbare Metallhalogenide. Sie wirken als Lichtbildner und stabilisieren den Bogen. Geeignet sind Halogenide der Seltenerdmetalle (Lanthanide) und/oder der Alkalimetalle, insbesondere des Na, Pr, Nd, La, Dy, Ho, Tm. The filling also contains other metal halides which are difficult to evaporate. she act as a light generator and stabilize the bow. Halides are suitable Rare earth metals (lanthanides) and / or the alkali metals, in particular Na, Pr, Nd, La, Dy, Ho, Tm.
Die absolute Füllmenge des Hf/Zr-Halogenidgemisches muß einen unteren Grenzwert
überschreiten, damit ein außergewöhnlich stabiler chemischer Kreisprozeß in
der Lampe ablaufen kann:
Bei einer Unterschreitung dieses Grenzwerts tritt eine merkliche Verschlechterung des Maintenance-Verhaltens auf und der W-Kreisprozeß ist nicht effektiv genug. Bevorzugt ist ein Wert zwischen 4 und 6 µmol/cm3. Bei einem Überschreiten des Wertes 6 µmol/cm3 kann u.U. wegen des hohen Anteils an HZH und der hohen Löslichkeit der HZM in Wolfram die Elektrode an der hochbelasteten Spitze schmelzen.If this limit is undershot, there is a noticeable deterioration in maintenance behavior and the W cycle process is not effective enough. A value between 4 and 6 μmol / cm 3 is preferred. If the value exceeds 6 µmol / cm 3 , the high percentage of HZH and the high solubility of the HZM in tungsten may melt the electrode at the highly loaded tip.
Zu den HZM wird mindestens ein weiteres Metallhalogenid zugegeben. Dies geschieht
in Form eines Lichtbildners, also mindestens eines weiteren leicht verdampfender
Metallhalogenids MYn (mit Y=J, Br, Cl; und n = 1 bis 5). Zusätzlich können
weitere elementare Metalle N (z.B. ist M, N = Zn, Mg, Sn, In, Tl, Al, Sb) hinzugefügt
werden, die mit freien Halogenen bei den sich typisch im Betrieb einstellenden
Wandtemperaturen (beispielsweise 1000 °C) Metallhalogenide mit hohem
Dampfdruck ausbilden können. Somit stellt die Kombination der vorgenannten
Stoffe zusammen mit den Hf/Zr-Halogeniden HZH den größten Anteil des gesamten
Dampfdrucks in der Lampe bereit, abgesehen vom eingefüllten Puffergas. Die Füllmenge
des zu HZM zugegebenen Metallanteiles (incl. HZM) im Verhältnis zu den
nur in den Hf/Zr-Halogeniden gebundenen Metallanteilen HZM, soll bevorzugt einen
kritischen Wert von 12 nicht überschreiten. Mit
Bevorzugt liegt das Verhältnis B zwischen 3,3 und 7,5. Ohne Zumischung zusätzlicher
Metallhalogenide zu den Halogeniden der HZM hätte B den Wert 1.The ratio B is preferably between 3.3 and 7.5. Without adding additional
Metal halides for the halides of the HZM would have the
Bei Überschreiten der Obergrenze B = 12 wird die Effektivität des W-Hf-Zr-Kreisprozeßes durch die Konkurrenz der anderen Metallsorten merklich behindert. Die Lebensdauer sinkt und die Maintenance der Lampe während einer Betriebsdauer von 5000 h verschlechtert sich.If the upper limit B = 12 is exceeded, the effectiveness of the W-Hf-Zr cycle is reduced noticeably hampered by competition from other types of metal. The service life decreases and the maintenance of the lamp during one operating period from 5000 h deteriorates.
Das Verhältnis D der Summen der in HZH gebundenen Halogenmenge X (überwiegend
HfX4 und/oder ZrX4) und der im zugesetzten leicht verdampfbaren Metallhalogenidanteil
gebundenen Halogenmenge Y einerseits, also (X+Y), zu der Summe
aller Metallanteile (
Bevorzugt liegt dieses Verhältnis über 1,46. Ohne Zumischung von zusätzlichen Metallen und Metallhalogeniden zu den HZM wäre dieses Verhältnis gleich vier.This ratio is preferably above 1.46. Without adding additional Metals and metal halides to the HZM, this ratio would be four.
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1- eine Metallhalogenidlampe, teilweise im Schnitt;
Figur 2- eine Darstellung der Maintenance des Lichtstroms für eine bevorzugte Füllung;
Figur 3- ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe.
- Figure 1
- a metal halide lamp, partly in section;
- Figure 2
- a representation of the maintenance of the luminous flux for a preferred filling;
- Figure 3
- another embodiment of a metal halide lamp.
In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 70 W
dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden zylindrischen
Außenkolben 1 aus Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt (3) ist.
Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus Al2O3-Keramik ist in der Mitte 5 ausgebaucht
und besitzt zwei zylindrische Enden 6a und 6b. Es kann aber auch zylindrisch
sein mit länglichen Kapillarrohren als Stopfen, wie beispielsweise aus EP-A
587 238 bekannt. Das Entladungsgefäß ist mittels zweier Stromzuführungen 7, die
mit den Sockelteilen 3 über Folien 8 verbunden sind, im Außenkolben 1 gehaltert.
Die Stromzuführungen 7, von denen eine ein Molybdän-Band zur Kompensation der
großen Ausdehnungsunterschiede ist, sind mit Durchführungen 9, 10 verschweißt,
die jeweils in einem Endstopfen 11 am Ende des Entladungsgefäßes eingepaßt
sind.A metal halide lamp with an output of 70 W is shown schematically in FIG. It consists of a cylindrical
Die Durchführungen 9, 10 sind beispielsweise Molybdän-Stifte. Beide Durchführungen
9, 10 stehen am Stopfen 11 beidseitig über und haltern entladungsseitig Elektroden
14, bestehend aus einem Elektrodenschaft 15 aus Wolfram und einer am
entladungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 16. Die Durchführung 9, 10 ist
jeweils mit dem Elektrodenschaft 15 sowie mit der äußeren Stromzuführung 7
stumpf verschweißt.The
Die Endstopfen 11 bestehen im wesentlichen aus einem an sich bekannten Cermet mit der keramischen Komponente Al2O3 und der metallischen Komponente Wolfram oder auch Molybdän.The end plugs 11 essentially consist of a cermet known per se with the ceramic component Al 2 O 3 and the metallic component tungsten or molybdenum.
Am zweiten Ende 6b ist außerdem im Stopfen 11 eine achsparallele Bohrung 12
vorgesehen, die zum Evakuieren und Füllen des Entladungsgefäßes in an sich bekannter
Weise dient. Diese Bohrung 12 wird nach dem Füllen mittels eines Stiftes
13, im Fachjargon als Stopper bezeichnet, oder mittels Schmelzkeramik verschlossen.At the
Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht aus einem inerten Zündgas/Puffergas, hier Argon mit 150 mbar Kaltfülldruck, und aus diversen Zusätzen an Metallhalogeniden. Wesentlich dabei ist ein Anteil von mindestens 3 µmol/cm3 HZH.The filling of the discharge vessel consists of an inert ignition gas / buffer gas, here argon with a cold filling pressure of 150 mbar, and various additives of metal halides. A proportion of at least 3 µmol / cm 3 HZH is essential.
Die Füllung enthält insgesamt bis zu drei Spannungsgradientenbildner, eine geeignet gewählte Mischung als Lichtbildner sowie evtl. weitere Additive. Insbesondere hat sich TIJ als zusätzlicher Spannungsgradientenbildner bewährt, evtl. in Kombination mit weiteren Spannungsgradientenbildnern. TIJ liefert außerdem einen Beitrag im sichtbaren Spektralbereich.The filling contains a total of up to three voltage gradient formers, one suitable selected mixture as light generator and possibly other additives. In particular TIJ has proven itself as an additional voltage gradient generator, possibly in combination with further voltage gradient formers. TIJ also makes a contribution in the visible spectral range.
Tabelle 1 zeigt einige Füllungen, wobei Spannungsgradientenbildner und Lichtbildner voneinander getrennt dargestellt sind. Dabei ergeben sich Lichtausbeuten zwischen 70 und 77 lm/W (100-Std.-Wert) bei gleichzeitig guter Farbwiedergabe zwischen Ra = 84 und 88. Als Halogene eignen sich insgesamt nicht nur Brom und Jod, sondern auch Chlor. Die Farbtemperaturen dieser Ssteme liegen zwischen 3300 und 4000 K. Table 1 shows some fillings, with voltage gradient formers and light formers shown separately. Luminous efficiencies of between 70 and 77 lm / W (100-hour value) with good color rendering between Ra = 84 and 88 result. Not only bromine and iodine, but also chlorine are suitable as halogens. The color temperatures of these systems are between 3300 and 4000 K.
Besonders geeignet als Lichtbildner ist eine Mischung, bestehend aus Natrium als erster Komponente und mindestens einem Seltenerdmetall als zweiter Komponente.A mixture consisting of sodium as is particularly suitable as a light generator first component and at least one rare earth metal as the second component.
Bei allen Füllungen wurde ein Lampenvolumen von 0,3 cm3 verwendet. Der Elektrodenabstand ist 9 mm. Die spezifische Wandbelastung (definiert als elektrische Leistung/innere Oberfläche) variiert zwischen 15 und 50 W/cm2. Im Mittel beträgt sie 30 W/cm2. Die spezifische elektrische Leistungsdichte variiert zwischen 100 und 500 W/cm3. Im Mittel beträgt sie 235 W/cm3.A lamp volume of 0.3 cm 3 was used for all fillings. The electrode gap is 9 mm. The specific wall load (defined as electrical power / inner surface) varies between 15 and 50 W / cm 2 . On average, it is 30 W / cm 2 . The specific electrical power density varies between 100 and 500 W / cm 3 . On average, it is 235 W / cm 3 .
Die Lampen wurden jeweils an einem elektronisches Vorschaltgerät mit Rechteckstromeinprägung in einem geregelten Leistungsbetrieb von 70 W mit leff < 1,8 A betrieben.The lamps were each operated on an electronic ballast with rectangular current injection in a regulated power operation of 70 W with l eff <1.8 A.
Die Lebensdauer dieser Lampen liegt bei mehr als 5000 Stunden. Günstig für eine relativ lange Lebensdauer haben sich Füllungen mit Halogeniden des In oder Mg erwiesen.The lifespan of these lamps is more than 5000 hours. Convenient for one Fillings with halides of In or Mg have a relatively long lifespan proven.
Ein besonders gutes Maintenance-Verhalten hinsichtlich des Lichtstroms zeigen Füllungen, die Halogenide des Hf oder Zr unter sorgfältiger Beachtung einer optimalen Gesamtmenge an Halogenen und Metallen in der Füllung einsetzen.Show particularly good maintenance behavior with regard to luminous flux Fillings containing the halides of Hf or Zr with careful consideration of an optimal Use the total amount of halogens and metals in the filling.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für die gute Maintenance des Lichtstroms (in lm) über die Betriebsdauer (in Std.). Die Füllung basiert auf HfBr4 (0,7 mg), mit den zusätzlichen Spannungsbildnern InBr (0,7 mg), InBr3 (0,3 mg), TIJ (0,7 mg) sowie den zusätzlichen Lichtbildnern NaJ (2,4 mg), TmJ3 (1,5 mg), DyJ3 (1,4 mg), und HoJ3 (1,5 mg).Figure 2 shows an example of the good maintenance of the luminous flux (in lm) over the operating time (in hours). The filling is based on HfBr 4 (0.7 mg), with the additional tension builders InBr (0.7 mg), InBr 3 (0.3 mg), TIJ (0.7 mg) and the additional light builders NaJ (2.4 mg), TmJ 3 (1.5 mg), DyJ 3 (1.4 mg), and HoJ 3 (1.5 mg).
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist die Lampe eine Metallhalogenidlampe
18 mit 70 W Leistung, die einseitig gequetscht ist, wobei auch das Entladungsgefäß
19 ein einseitig gequetschter Quarzglaskolben ist. Ansonsten entsprechen
gleiche Bezugsziffern analogen Bauteilen wie in Figur 1. Im Außenkolben 1 ist
außerdem ein Getter 17 untergebracht.In a further exemplary embodiment (FIG. 3), the lamp is a
Ein sehr gutes Anlaufverhalten wird mit einem elektronischen Vorschaltgerät (EVG) realisiert werden, das der Lampe eine ausreichend hohe Leistung einprägt ("constant-wattage-Betrieb"). Das EVG hat den wichtigen Vorteil, daß es das Auftreten von Wiederzündspitzen durch eine hohe Flankensteilheit vermeidet.Very good start-up behavior is achieved with an electronic ballast (EVG) be realized that the lamp impresses a sufficiently high power ("constant wattage operation"). The TOE has the important advantage that it is the occurrence avoids reignition peaks due to a high slope.
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Effective date: 20061010 |
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17Q | First examination report despatched |
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AKX | Designation fees paid |
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GRAP | Despatch of communication of intention to grant a patent |
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STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
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