EP2128888B1

EP2128888B1 - Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: EP2128888B1
Application number: EP09002659A
Authority: EP
Inventors: Yasuhiko Wakahata; Heinz-Jürgen Wesseling
Original assignee: Blv Licht und Vakuumtechnik GmbH
Current assignee: Blv Licht und Vakuumtechnik GmbH
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: US20090230867A1; EP2128888A2; DE102008013607B3; EP2128888A3; JP2009218212A; KR101050783B1; KR20090097813A; JP5438996B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe und insbesondere auf eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung, umfassend eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe. Eine solche quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe kann insbesondere in photochemischen Prozessanlagen, zum Beispiel zur Lackhärtung, zur Desinfektion und/oder für Bräunungszwecke verwendet werden.

Stand der Technik

Hochdruckentladungslampen sind Gasentladungslampen. In herkömmlichen Hochdruckentladungslampen befindet sich in einem gasdicht abgeschlossenen Entladungsgefäß unter höherem Druck neben einem Edelgas entweder Quecksilber allein oder, wie bei den moderneren Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen, Quecksilber kombiniert mit Spuren von Metallhalogeniden. In das Entladungsgefäß ragen Elektroden hinein, zwischen denen sich im Falle einer ausreichend hohen elektrischen Spannungsdifferenz eine sich selbst erhaltende Gasentladung (ein Lichtbogen) ausbildet. Hochdruckentladungslampen strahlen in der Regel ein Linienspektrum ab, das heißt, es werden Linien in für das Quecksilber und für die Beimengungen charakteristischen Wellenlängen abgegeben. Das Quecksilberspektrum allein weist große Lücken, insbesondere im UV-A-Bereich, auf, die erst durch die Beimengungen aufgefüllt werden. Neben UV-A strahlen Hochdruckentladungslampen in erheblichem Maße UV-B, UV-C, sichtbares Licht und Infrarot ab. Anwendungsbeispiele für Hochdruckentladungslampen finden sich im Bereich der Industrie- und Straßenbeleuchtung, bei der Beleuchtung von Geschäfts-Auslagen, bei Stadienbeleuchtung, Architektur und bei Beamern. Des Weiteren werden Hochdruckentladungslampen bei photochemischen Verfahren verwendet, wie beispielsweise zur Lackhärtung oder zur Desinfektion. Ein weiterer Anwendungsbereich sind Bräunungslampen, die insbesondere in Solarien eingesetzt werden.
Die Befüllung von Hochdruckentladungslampen enthält einerseits ein Entladungsgas (im Allgemeinen ein Metallhalogenid, wie Natriumiodid oder Scandiumiodid), das das eigentliche Licht emittierende Material (Lichtbildner) darstellt, sowie andererseits Quecksilber, das in erster Linie als Spannungsgradientenbildner dient und im Wesentlichen die Funktion hat, die Effizienz und Brennspannung der Hochdruckentladungslampe zu erhöhen.
Hochdruckentladungslampen der eingangs beschriebenen Art haben aufgrund ihrer guten Farbeigenschaften eine weite Verbreitung gefunden. Nachteilig ist allerdings, dass sie Quecksilber enthalten. Quecksilberhaltige Hochdruckentladungslampen müssen einer geordneten Entsorgung zugeführt werden, um das darin enthaltende Quecksilber zu isolieren. Auch stellen gebrochene Lampen insofern eine Gefahr dar, dass Quecksilber in die Atemluft freigesetzt wird und gesundheitliche Beeinträchtigungen hervorrufen kann. Außerdem kann austretendes Quecksilber unter Amalgam-Bildung Aluminium angreifen, was zum Beispiel zu einer Strukturschwächung von Flugzeugrümpfen führen kann und aus diesem Grunde zu strengen Transportauflagen für quecksilberhaltige Materialien geführt hat. Ein weiterer Nachteil von quecksilberhaltigen Bräunungslampen ist, dass sie einen verhältnismäßig hohen Strahlungsanteil im UV-B-Bereich aufweisen, der karzinogen wirksam ist.
Aus diesen Gründen ist es wünschenswert, eine quecksilberfreie Hochdruckentladungslampe bereitzustellen. Es ist jedoch nicht möglich, bei den bekannten Lampentypen einfach auf den Quecksilberanteil zu verzichten, ohne weitere Maßnahmen zu ergreifen. Ein allgemeines Problem bei quecksilberfreien Hochdruckentladungslampen besteht darin, dass sich bei gleicher Lampenleistung im Dauerbetrieb eine niedrigere Brennspannung und somit ein höherer Lampenstrom sowie eine geringere Effizienz ergibt.
Aus der WO-A-99/05699 ist eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe bekannt. Es werden Xenon als Puffergas und eine ionisierbare Füllung verwendet, die zumindest Natriumiodid und Zink enthält. Allerdings sind für einen zufriedenstellenden Betrieb der Metallhalogenid-Entladungslampe bestimmte Anforderungen an die Geometrie des Entladungsgefäßes und die verwendeten Elektroden zu stellen. Gemäß der WO-A-99/05699 müssen der Elektrodenabstand EA und der Innendurchmesser Di des Entladungsgefäßes die Relation 1 ≤ EA/Di ≤ 4 erfüllen. Dies stellt eine nicht unerhebliche Einschränkung an die mögliche Geometrie der verwendeten Entladungsgefäße dar. Insbesondere erfüllt nicht jede Langbogenlampe diese geometrischen Anforderungen.
Gemäß der JP 09293482 A , die eine Metalldampfentladungslampe offenbart, werden ebenfalls Anforderungen an die geometrischen Anmessungen des Entladungsgefäßes gestellt. Der Schwerpunkt in dieser Veröffentlichung liegt auf einer guten Energiekonversionseffizienz im Bereich zwischen 200 und 250 nm, das heißt, im UV-C-Bereich.
Aus der WO 2005/112074 A2 ist eine Hochdruckentladungslampe bekannt, welche quecksilberfrei ist Die verwendete ionisierbare Füllung des Entladungsgefäßes besteht aus Xenon mit einem Kaltfülldruck von 11.800 hPa, 0,25 mg Natriumiodid, 0,18 mg Scandiumiodid, 0,03 mg Zinkiodid und 0,0024 mg Indiumiodid. Bei einer derart befüllten Hochdruckentladungslampe tritt das Problem des vergleichsweise höheren Lampenstroms (verglichen mit quecksilberhaltigen Lampen) auf. Die Elektroden, die in das Entladungsgefäß hineinragen, sind mittels eingebetteter Molybdänfolien abgedichtet, und dieser mit der Elektrode verbundene Molybdänfolienbereich wird während des Lampenbetriebs einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Dies kann zu einer Abhebung der Molybdänfolie von dem Quarzglas des Entladungsgefäßes und zu Sprüngen im Glas und somit zu einem frühzeitigen Ausfall der Lampe führen. Zur Lösung dieses Problems schlägt die WO 2005/112074 A2 vor, den Mindestabstand der jeweiligen Molybdänfolie zu dem in den Innenraum des Entladungsgefäßes hineinragenden Ende der mit ihr verbundenen Elektrode auf mehr als 5 mm festzulegen. Dies reduziert die thermische Belastung der Molybdänfolien jedoch nur teilweise.
Aus der WO 2007/086527 ist eine weitere quecksilberfreie Hochdruckentladungslampe bekannt, die Zink als Spannungsbildner verwendet. Die Spannung lässt sich gegebenenfalls durch Zugabe von Eisen weiter einstellen.
Die vorliegende Erfindung soll die Nachteile der bekannten Hochdruckentladungslampen des Standes der Technik überwinden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative quecksilberfreie Hochdruckentladungslampe auf Metallhalogenid-Basis bereitzustellen, die insbesondere im UV-A-Bereich eine hohe Intensität auf, mit verschiedensten Lampengeometrien verwirklicht werden kann und im Vergleich zu quecksilberhaltigen Lampen keinen oder nur einen unwesentlich höheren Lampenstrom benötigt.
Insbesondere soll die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe mindestens 63 % der Intensität einer vergleichbaren quecksilberhaltigen Lampe erreichen. Dieser Wert erklärt sich wie folgt: Typischerweise werden quecksilberhaltige Lampen mit Chargenstreuungen von 10 % gefertigt und werden aus wirtschaftlichen Gründen bis zu einem weiteren Intensitätsabfall auf 70% betrieben, so dass in der Regel ein Austausch bei 63 % des anfänglichen Nominalwertes erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft also in einem ersten Aspekt eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe mit einem lichtdurchlässigen und gasdicht verschlossenen Entladungsgefäß und zwei Elektroden, die in das Entladungsgefäß hineinragen und in dem Entladungsgefäß einander gegenüberliegend angeordnet sind. Das Entladungsgefäß ist mit einer Lampenfüllung befüllt, die zumindest ein Edelgas, zumindest die Elemente Eisen und Zink sowie zumindest ein Halogenid umfasst, wobei das Halogenid Bromid umfasst. Der Anteil des Bromids liegt bei mindestens 14 Mol-% der Gesamthalogenmenge. Für das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in V/cm zwischen den Elektroden gilt die Beziehung 0,005 ≤ D/E ≤ 0,200.
Die erfindungsgemäße Entladungslampe entspricht von ihrer äußeren Form grundsätzlich den im Stand der Technik üblichen Entladungslampen, unterscheidet sich von diesen aber in der Zusammensetzung der Lampenfüllung. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch spezielle Auswahl der Füllstoffe einerseits (mit den zwingenden Komponenten Edelgas, Eisen, Zink und Halogenid, darunter notwendiger Weise Bromid) und deren mengenmäßige Abstimmung andererseits (Anteil Bromid zur Gesamtmenge Halogenid und Anteil Zink) eine quecksilberfreie Lampe mit hoher Strahlungsleistung im UV-A-Bereich bei gleichzeitig vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme erhalten werden kann, die sich bei unterschiedlichsten Kolbenformen und -größen realisieren lässt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der Einhaltung einer bestimmten Moldichte des Zinks - also der molaren Zinkmenge (in µMol) in Bezug auf das Volumen (in cm³) des Entladungsraums des Lampenkolbens - im Verhältnis zur elektrischen Feldstärke (in V/cm), dem Quotienten aus Brennspannung (in V) und dem Abstand zwischen den Elektroden (in cm), eine wesentliche Bedeutung beim Erreichen der gewünschten Strahlungseffizienz zukommt. Entsprechend wird das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in V/cm zwischen den Elektroden gemäß der Beziehung 0,005 ≤ D/E ≤ 0,200 eingestellt. Bei Einhaltung dieses Bereiches erhält man - im Wesentlichen unabhängig von deren äußerer Form - eine Entladungslampe, deren Bestrahlungsstärke mindestens 63 % einer vergleichbaren quecksilberhaltigen Lampe beträgt. Bevorzugt liegt der Quotient D/E im Bereich von 0,01 bis 0,18. Eine Bestrahlungsstärke von 73 % oder mehr in Bezug auf eine vergleichbare quecksilberhaltige Lampe kann in der Regel realisiert werden, wenn das Verhältnis D/E im Bereich von 0,025 bis 0,165 liegt. Zum Verhältnis D/E ist weiterhin anzumerken, dass dieses weitgehend unabhängig von der Art der Stromzufuhr zu den Elektroden und dem verwendeten Vorschaltgerät ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Feldstärke eine Lampeneigenschaft ist, die praktisch nicht von der Leistung oder Stromversorgung abhängt.
Das Zink wirkt als spannungserhöhende Füllsubstanz. Es verhindert einen Spannungsabfall zwischen den Elektroden und erhöht so die zur Strahlungserzeugung zur Verfügung stehende Restspannung. Das Zink ist bevorzugt in Form von Zinkhalogenid, insbesondere Zinkbromid und/oder Zinkiodid, eingefüllt. Nicht bevorzugt ist es dagegen, das Element Zink in Form metallischen Zinks zu verwenden. Zink ist verglichen mit dem ebenfalls in der Lampenfüllung vorhandenen Element Eisen das unedlere Metall. Metallisches Zink könnte daher mit Eisenhalogenid zu Zinkhalogenid und metallischem Eisen reagieren. Dieses Eisen würde sich als Feststoff an der Wandung des Entladungsgefäßes abscheiden und damit einerseits als strahlungswirksame Substanz nicht mehr zur Verfügung stehen und andererseits zu einer Kolbenschwärzung führen. Beides würde die Strahlungsausbeute verringern.
Die erfindungsgemäßen Mengenangaben beziehen sich auf einen Zustand der Lampenfüllung, in der deren Komponenten praktisch vollständig verdampft und in die Gasphase überführt sind. Konkret liegen also mindestens 70 Gew.%, insbesondere mindestens 80 Gew.%, der Lampenfüllung in gasförmigem Zustand vor. Besonders beziehen sich die Mengenangaben auf eine vollständig in die Gasphase überführte Lampenfüllung.
Weiterhin wichtig für die Erfindung ist der Anteil des Bromids in der Lampenfüllung. Erfindungsgemäß beträgt dieser mindestens 14 Mol-% der Gesamthalogenmenge. Dabei kann das Halogen entweder vollständig aus Bromid bestehen oder aus einer Mischung von Halogeniden. Bevorzugt ist im Falle einer Halogenidmischung als weiteres Halogenid insbesondere lodid vorhanden. Das Halogenid dient in an sich bekannter Weise zur Sicherstellung des Halogenzyklus, erleichtert das Verdampfen der metallischen Bestandteile der Lampenfüllung und wirkt einer Schwärzung des Lampenkolbens entgegen. Das Halogenid wird üblicherweise in gebundener Form in den Entladungsraum eingefüllt, also in Form eines Metallhalogenids.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Lampenfüllung der erfindungsgemäßen Entladungslampe ist Eisen. Dieses kann als metallisches Eisen und/oder in Form eines Eisenhalogenids, insbesondere in Form von Eiseniodid, in den Entladungsraum eingefüllt werden. Die Menge des Eisens liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 2,5 µMol Fe/cm³ des Innenvolumens des Entladungsraumes, insbesondere bei 0,25 bis 2 µMol/cm³. Durch den Zusatz von Eisen wird eine wesentliche Steigerung der spektral integrierten UV-A-Strahlung im Wellenlängenbereich von 315 nm bis 400 nm erreicht. In dieser Weise kann die 365 nm-Emissionslinie des Quecksilbers in quecksilberhaltigen Metallhalogenid-Hochdrucklampen ersetzt werden. Die Steigerung der spektral-integrierten UV-A-Strahlung kann verglichen mit einer baugleichen quecksilberhaltigen Hochdruckentladungslampe bis zu einem Faktor 2,5 betragen.
Schließlich ist in der erfindungsgemäßen Entladungslampe als zwingender Bestandteil der Lampenfüllung noch wenigstens ein Edelgas vorhanden. Im Prinzip kann es sich bei dem Edelgas um jedes beliebige bekannte Edelgas handeln. Bevorzugt wird jedoch Xenon und/oder Argon und insbesondere Xenon allein eingesetzt. Das Edelgas dient hauptsächlich der Verbesserung der Starteigenschaften der Entladungslampe. Der Druck des Edelgases liegt zweckmäßig in einem Bereich von einigen hPa bis hin zu mehreren hundert hPa, beispielsweise zwischen 10 und 600 hPa, bevorzugt zwischen 50 hPa und 400 hPa.
Neben den vorstehend genannten Komponenten kann die Lampenfüllung weitere Bestandteile enthalten, insbesondere weitere metallischen Elemente. Diese dienen hauptsächlich der Auffüllung des Linienspektrums, um die gewünschte spektrale Verteilung zu erhalten. Zum Beispiel kann die Lampenfüllung wenigstens eines der Elemente Thallium, Cobalt, Zinn, Palladium, Ruthenium und Silber enthalten. Auch diese Metalle werden bevorzugt in Form ihrer Halogenide zugesetzt, wobei Bromid und/oder lodid erneut bevorzugt sind. Eine bevorzugte Lampenfüllung enthält zum Beispiel Zinkbromid, Eiseniodid und Thalliumiodid. Zusätzlich kann auch noch Zinkiodid zugesetzt sein. Auf Natriumhalogenide und insbesondere Natriumiodid wird dagegen vorzugsweise verzichtet, um die unerwünschten intensiven Spektrallinien dieses Metalls zu vermeiden.
Wie bereits erwähnt, eignet sich die Erfindung zur Anwendung in einer Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Lampenkolben. Lampengeometrie und -größe haben nur geringen Einfluss auf die erzielte Strahlungsleistung. Insofern sind an die Dimensionen des Entladungsgefäßes keine speziellen Anforderungen gestellt, wie dies beispielsweise bei der WO-A-99/05699 oder JP 0929348 A der Fall ist. Bei der Hochdruck-Entladungslampe kann es sich um eine Kurzbogen- oder Langbogenlampe handeln. Somit kann das Entladungsgefäß zum Beispiel im Wesentlichen kugelförmig, oval oder auch gestreckt zylinderförmig ausgebildet sein. Zweckmäßig wird wie im Stand der Technik üblich Quarzglas für den Lampenkolben verwendet. Der gasdichte Verschluss wird bevorzugt mittels Quetschversiegelung erzielt, wobei zum Anschluss der Elektroden bevorzugt Molybdänfolien verwendet werden. Die Elektroden sind ebenfalls grundsätzlich wie im Stand der Technik ausgebildet. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die Elektroden in symmetrischer Art und Weise in dem Entladungsgefäß angeordnet oder baugleich sind.
Die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe kann mit beliebigen geeigneten Vorschaltgeräten betrieben werden, wobei die Vorschaltgeräte bei gleichem konstanten Leistungseintrag zu unterschiedlichen Strom- und Spannungseinträgen führen. Die gewünschte Strahlungseffizienz der quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe kann unabhängig von der jeweiligen Betriebsweise der Lampe erzielt werden. Dies erklärt sich dadurch, dass der strahlungsbestimmende Füllanteil im Entladungsgefäß (zumindest metallisches Eisen und/oder zumindest ein Eisenhalogenid) bei unterschiedlichen Betriebsweisen derselbe bleibt.
Die erfindungsgemäße quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe wird bevorzugt in einer Vorrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung, insbesondere im UV-A-Bereich eingesetzt. Die bevorzugte Verwendung der quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe ist diejenige in einer photochemischen Prozessanlage, zum Beispiel zur Lackhärtung, zur Desinfektion und/oder für Bräunungszwecke.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Die Figuren beschreiben lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. In den Zeichnungen zeigen schematisch:

Figur 1: eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer ersten Geomet- rie;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer zweiten Geo- metrie;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer dritten Geomet- rie;
Figur 4: das Spektrum einer quecksilberhaltigen Lampe des Standes der Technik;
Figur 5: das Spektrum einer erfindungsgemäßen quecksilberfreien Lampe;
Figur 6: einen Vergleich der Spektren der Figuren 4 und 5;
Figur 7: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Strahlungsintensität vom Bromidanteil der verwendeten Halogene gemäß einer ersten Versuchsreihe mit einer Lampengeometrie gemäß Figur 1 darstellt; und
Figur 8: ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Strahlungsintensität vom Verhältnis der Zinkkonzentration zu elektrischer Feldstärke darstellt.

Im Folgenden werden beispielhaft durchgeführte Versuchsreihen und die dabei erzielten Resultate beschrieben. In verschiedenen Versuchsreihen wurden quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen mit verschiedenen Füllungen versehen. Die integrierte Strahlungsintensität der auf diese Weise hergestellten Hochdruckentladungslampe wurde mit der integrierten Strahlungsintensität einer baugleichen quecksilberhaltigen Lampe verglichen. Anschließend wurde die Geometrie der verwendeten Lampen variiert, um einen möglichen Einfluss der Lampengeometrie auf die integrierte Intensität zu untersuchen. Des Weiteren wurden die Lampen bei unterschiedlichen Betriebsweisen betrieben, um einen eventuellen Einfluss der verschiedenen Betriebsweisen auf eine Effizienzänderung, das heißt, die integrierte Strahlungsintensität der erfindungsgemäßen Hochdruck-entladungslampe, verglichen mit einer baugleichen quecksilberhaltigen Hochdruckentladungslampe, zu untersuchen. Des Weiteren wurden die Entladungslampen mit verschiedenen Vorschaltgeräten betrieben.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer ersten Geometrie. Sie umfasst ein zylindrisches Endladungsgefäß 1, in das ein Elektrodenpaar mit zwei Elektroden 2a und 2b hineinragt. Die beiden Elektroden 2a und 2b liegen sich mit einem Abstand d von 33 mm gegenüber. Der Abstand wird von Elektrodenspitze zu Elektrodenspitze gemessen. Zwischen den Elektroden bildet sich bei entsprechender Potentialdifferenz ein Lichtbogen aus. Der Innendurchmesser ID des Entladungsgefäßes beträgt bei der ersten Geometrie 10,5 mm. Das Innenvolumen IV des Entladungsgefäßes beträgt 3,1 cm³.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer zweiten Geometrie. Verglichen mit der ersten Geometrie, ist bei der Hochdruckentladungslampe mit der zweiten Geometrie der Elektrodenabstand d stark erhöht. Er beträgt nun 110 mm. Der Innendurchmesser ID des Entladungsgefäßes 1 wurde demgegenüber nur geringfügig erhöht. Er beträgt bei der zweiten Geometrie 16,5 mm. Das Innenvolumen IV liegt bei 24 cm³.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochdruckentladungslampe mit einer dritten Geometrie. Der Elektrodenabstand d zwischen den Elektroden 2a und 2b beträgt 30 mm. Der Innendurchmesser ID des Entladungsgefäßes liegt bei 21,5 mm, sein Innenvolumen IV bei 9,5 cm³.
Die Hochdruckentladungslampen mit den Geometrien 1, 2 und 3 wurden nun mit verschiedenen Lampenfüllungen versehen. Die integrierte Intensität der Lampen wurde im Bereich von 315 bis 400 nm gemessen. Als Referenzwert diente jeweils eine baugleiche quecksilberhaltige Hochdruckentladungslampe, das heißt, die in Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Lampen wurden für Vergleichszwecke mit einer quecksilberhaltigen Füllung versehen, und die integrierte Intensität der quecksilberhaltigen Lampe im Bereich zwischen 315 und 400 nm wurde für Referenzzwecke bestimmt. Die entsprechenden Beispiele sind nachfolgend angegeben und in Tabelle 1 zusammengefasst:

Vergleichsbeispiel 1

In ein Entladungsgefäß aus Quarzglas entsprechend demjenigen der Figur 1 wurden 80 hPa Argon, 12 mg Quecksilber, 0,70 mg Eiseniodid und 0,02 mg Thalliumiodid eingefüllt. Die so erhaltene quecksilberhaltige Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 400 W, einer Lampenspannung von 114 V, einem Lampenstrom von 3,5 A und einem Powerfaktor von 0,99 betrieben. Das Spektrum der Vergleichslampe ist in Fig. 4 wiedergegeben.

Vergleichsbeispiel 2

In ein Entladungsgefäß aus Quarzglas entsprechend demjenigen der Figur 1 wurden 400 hPa Xenon, 3,0 mg Zinkiodid, 0,98 mg Eiseniodid und 0,02 mg Thalliumiodid eingefüllt. Die so erhaltene quecksilber- und bromidfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 400 W, einer Lampenspannung von 60 V, einem Lampenstrom von 6,73 A und einem Powerfaktor von 0,99 betrieben.

Beispiel 1

In ein Entladungsgefäß aus Quarzglas entsprechend demjenigen der Figur 1 wurden 400 hPa Xenon, 2,0 mg Zinkiodid, 0,5 mg Zinkbromid, 0,95 mg Eiseniodid und 0,02 mg Thalliumiodid eingefüllt. Die so erhaltene erfindungsgemäße quecksilberfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 400 W, einer Lampenspannung von 75 V, einem Lampenstrom von 5,35 A und einem Powerfaktor von 0,99 betrieben.

Beispiele 2 bis 10

In Anlehnung an Beispiel 1 wurden weitere erfindungsgemäße Entladungslampen hergestellt. Die jeweilige Lampenfüllung ist in Tabelle 1 angegeben. Der Powerfaktor betrug jeweils 0,99. Für die Lampe nach Beispiel 7 ist das erhaltene Spektrum in Fig. 5 gezeigt. Fig. 6 gibt einen Vergleich der quecksilberhaltigen Lampe aus Vergleichsbeispiel 1 mit der erfindungsgemäßen Lampe des Beispiels 7, indem die Spektren beider Lampen überlagert dargestellt sind.

Vergleichsbeispiel 3

In ein Entladungsgefäß aus Quarzglas entsprechend demjenigen der Figur 2 wurden 50 hPa Argon, 23 mg Quecksilber, 1,96 mg Eiseniodid und 0,02 mg Thalliumiodid eingefüllt. Die so erhaltene quecksilberhaltige und bromidfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 1200 W, einer Lampenspannung von 140 V, einem Lampenstrom von 9 A und einem Powerfaktor von 0,95 betrieben. Derartige Lampen werden beispielsweise für die UV-Härtung eingesetzt. In Abweichung von den übrigen Beispielen wurde hier und in den nachfolgenden Beispielen 11 bis 13 die Strahlungsintensität bei einem Abstand von 130 cm von der Lampe gemessen.

Bespiel 11

Eine Vergleichsbeispiel 3 entsprechende erfindungsgemäße Entladungslampe wurde unter Verwendung des in Figur 2 gezeigten Entladungsgefäßes aus Quarzglas hergestellt, indem in dieses 50 hPa Xenon, 6,0 mg Zinkbromid, 1,96 mg Eiseniodid und 0,24 mg Thalliumiodid eingefüllt werden. Die so erhaltene erfindungsgemäße quecksilberfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 1200 W, einer Lampenspannung von 103 V, einem Lampenstrom von 12,3 A und einem Powerfaktor von 0,95 betrieben.

Beispiele 12 und 13

In Anlehnung an Beispiel 11 wurden weitere erfindungsgemäße Entladungslampen hergestellt. Die jeweilige Lampenfüllung ist in Tabelle 1 angegeben.

Vergleichsbeispiel 4

In ein Entladungsgefäß aus Quarzglas entsprechend demjenigen der Figur 3 wurden 50 hPa Argon, 42 mg Quecksilber, 2,1 mg Eiseniodid und 0,06 mg Thalliumiodid eingefüllt. Die so erhaltene quecksilberhaltige und bromidfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 700 W, einer Lampenspannung von 130 V, einem Lampenstrom von 5,4 A und einem Powerfaktor von 0,95 betrieben.

Beispiel 14

Eine Vergleichsbeispiel 4 entsprechende erfindungsgemäße Entladungslampe wurde unter Verwendung des in Figur 3 gezeigten Entladungsgefäßes aus Quarzglas hergestellt, indem in dieses 400 hPa Xenon, 1,5 mg Zinkbromid, 2,94 mg Eiseniodid und 0,06 mg Thalliumiodid eingefüllt werden. Die so erhaltene erfindungsgemäße quecksilberfreie Entladungslampe wurde mit einer Leistung von 700 W, einer Lampenspannung von 53 V, einem Lampenstrom von 13,5 A und einem Powerfaktor von 0,95 betrieben.

Beispiele 15 bis 19

In Anlehnung an Beispiel 14 wurden weitere erfindungsgemäße Entladungslampen hergestellt. Die jeweilige Lampenfüllung ist in Tabelle 1 angegeben.
Für alle in Tabelle 1 aufgeführten Entladungslampen wurde ihre Strahlungseffizienz bestimmt. Dabei handelt es sich um die Strahlungsintensität (in (W/m²)/nm) der jeweiligen Lampe im hier interessierenden Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm. Gemessen wird in einem Abstand von 115 cm von der Lampe. Es wird jeweils die über diesen Wellenlängenbereich integrierte Strahlungsintensität ermittelt, d.h., die Fläche unterhalb des Spektrums im Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm. In der Tabelle angegeben sind die relativen Strahlungsintensitäten. Die integrierte Strahlungsintensität der quecksilberhaltigen Vergleichslampen einer jeden Lampengruppe wird auf 100 % festgesetzt. Die Strahlungsintensität der übrigen Lampen der Gruppe sind als Bruchteil der 100 %-igen Intensität angegeben (vgl. rechte Spalte in Tabelle 1; "Effizienz" = relative integrierte Strahlungsintensität).
Aufgrund der durchgeführten Messreihen ergibt sich, dass das Entladungsgefäß neben Edelgas zumindest Eisen sowie Zink, Halogenid und darunter Bromid enthalten muss, um überhaupt eine akzeptable integrierte Intensität im Bereich 315 bis 400 nm zu erreichen. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass an den Anteil des Bromids und an das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D und elektrischer Feldstärke E zwischen den Elektroden weitere Bedingungen zu stellen sind, wenn die quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe eine Effizienz von mindestens 63 % erreichen soll. Der Anteil des Bromids muss dabei mindestens 14 Mol-% an der Gesamthalogenmenge betragen. Für das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in Volt/cm zwischen den Elektroden muss die Beziehung 0,005 ≤ D/E ≤ 0,200 gelten. Um eine größere Effizienz zu erzielen, ist es notwendig, den Anteil des Bromids an der Gesamthalogenmenge zu erhöhen und den Bereich für das Verhältnis aus Moldichte des Zinks und elektrischer Feldstärke E weiter einzuschränken. Gemessen wurde jeweils bei Sättigung, bei der mindestens ca. 70 % der Lampenfüllung des Entladungsgefäßes dampfförmig vorliegt.
Figur 7 zeigt ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Intensität vom Bromidanteil der verwendeten Halogene gemäß einer ersten Versuchsreihe mit einer Lampengeometrie gemäß Figur 1 darstellt. Es ist in diesem Beispiel ein annähernd linearer Zusammenhang zwischen dem Bromidanteil an der Gesamthalogenmenge und der integrierten Intensität im interessierenden Wellenlängenbereich zwischen 315 nm und 400 nm festzustellen. Fordert man eine Mindesteffizienz von 63 %, so ergibt sich ein Mindestbromidanteil aus dem Schnitt der Ausgleichsgraden mit der 63 %-Marke zu einer Bromidmenge von mindestens 14 Mol-% an der Gesamthalogenmenge.
Figur 8 zeigt ein Diagramm, das die Abhängigkeit der integrierten Intensität vom Verhältnis Zinkkonzentration zu elektrischer Feldstärke darstellt. Eingetragen wurden in das Diagramm Messwerte, die mit Lampen aller drei Geometrien erhalten wurden. Zwischen die Messpunkte wurde eine Ausgleichskurve gelegt. Gemäß dieser Ausgleichskurve erfolgt zunächst ein Anstieg der integrierten Intensität bei steigendem Verhältnis aus Zinkkonzentration zu elektrischem Feld. Im Bereich zwischen ca. 0,06 (µMol/cm³)/(Volt/cm) und ca. 0,12 (µMol/cm³)/(Volt/cm) wurde eine maximale integrierte Intensität von bis zu ca. 92 % erzielt. Im weiteren Verlauf flacht die Kurve langsam wieder ab. Fordert man mindestens eine integrierte Intensität von 63 %, so ergibt sich aus der graphischen Darstellung, dass das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in Volt/cm zwischen den Elektroden die Bedingung 0,005 ≤ D/E ≤ 0,200 erfüllen muss.
Weitere Versuche mit den erfindungsgemäßen quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen wurden durchgeführt. So wurden zum Beispiel die Lampen bei Normalbetrieb und bei Unterlastbetrieb betrieben. Hierzu wurde an den Punkten A und B, wie in Fig. 1 dargestellt, eine Temperaturmessung durchgeführt. Zum Beispiel wurde bei 350 W (Beispiel Nr. 7) nahe dem Schmelzpunkt des Eisenhalogenids von 680 °C bis hin zu 1050 °C nur eine relativ geringfügige Effizienzänderung von 87 % auf 75 % festgestellt. Die unterschiedlichen Betriebsweisen haben kaum Einfluss auf die gemessene Effizienz. Dies erklärt sich dadurch, dass strahlungsbestimmend letztlich die Eisen- beziehungsweise Eisenhalogenidfüllung der Lampen ist. Diese bleibt bei unterschiedlichen Betriebsweisen unverändert.
In weiteren Versuchen wurden die Entladungslampen mit verschiedensten Vorschaltgeräten betrieben, die bei gleichem konstanten Leistungseintrag zu einem unterschiedlichen Strom- und Spannungseintrag führte. Zum Beispiel wurde eine Lampe der ersten Geometrie (Beispiel Nr. 4) mit einer handelsüblichen Induktivität (Powerfaktor 0,85) und mit einem elektronischen Vorschaltgerät mit Rechteckbetrieb (Powerfaktor 0,99) betrieben. In beiden Fällen wurde derselbe Effizienzwert von 85 % gemessen. Auch die Verwendung von verschiedenen Vorschaltgeräten hat so keinerlei Einfluss auf den zu erwartenden Effizienzwert. Dies erklärt sich im Wesentlichen dadurch, dass es sich bei der Feldstärke um eine Lampeneigenschaft handelt, die kaum von Leistung oder Stromversorgung abhängig ist.
Es hat sich gezeigt, dass es sehr wohl möglich ist, eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die eine Mindesteffizienz von 63 % (verglichen mit einer Quecksilber-Referenzlampe) zu leisten im Stande ist, wobei lediglich bestimmte Anforderungen an die Befüllung der Hochdruckentladungslampe zu stellen sind, jedoch keinerlei zusätzlichen Anforderungen an die Lampengeometrie notwendig sind. Des Weiteren ist es gelungen, eine quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die ohne Natriumiodid arbeitet. Es wurde die Bedeutung des Bromidanteils an der Gesamthalogenmenge für die Effizienz der Lampe erkannt, und ebenso wurde die Bedeutung des Verhältnisses aus Moldichte des Zinks D und elektrischer Feldstärke E zwischen den Elektroden erkannt. Aus diesen Erkenntnissen heraus wurden die Bedingungen abgeleitet, die an eine Befüllung des Entladungsgefäßes der erfindungsgemäßen quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe zu stellen sind.

Die erfindungsgemäße quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe lässt sich insbesondere für photochemische Prozessanlagen, insbesondere zur Lackhärtung, zur Desinfektion und/oder für Bräunungszwecke verwenden. In diesen und anderen Verwendungsgebieten lässt sich nunmehr somit eine umweltfreundliche und dennoch effiziente Hochdruckentladungslampe einsetzen.

TABELLE 1

Beispiel Nr.	IV / cm³	ID / mm	d / mm	Druck / hPa Edelgas	Hg / mg	ZnI₂ / mg	ZnBr₂ / mg	FeI₂ / mg	TlI / mg	Strahlungs-intensität / W/m²	Leistung / W	Brennspannung / V	Lampenstrom / A	Effizienz /%
Vgl.bsp.1	3,1	10,5	33	80 Ar	12	0	0	0,7	0,02	8,15	400	114	3,5	100
Vgl.bsp. 2	3,1	10,5	33	400 Xe	0	3	0	0,98	0,02	4,45	400	60	6,13	55
1	3,1	10,5	33	400 Xe	0	2	0,5	0,95	0,02	5,6	400	75	5,35	68,7
2	3,1	10,5	33	400 Xe	0	1,5	1	0,98	0,02	5,82	400	73	5,53	71,4
3	3,1	10,5	33	400 Xe	0	1	1,5	0,98	0,02	6,24	400	76	5,32	76,6
4	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	2	0,98	0,02	6,78	400	80	5,05	83,4
5	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	0,5	0,98	0,02	6,19	400	64	6,31	76
6	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	1	0,98	0,02	6,52	400	73,6	5,39	80
7	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	1,5	0,98	0,02	7,17	400	76,2	5,3	88
8	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	2,5	0,98	0,02	6,47	400	80	5,05	79,5
9	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	3	0,98	0,02	5,94	400	86	5,18	73
10	3,1	10,5	33	400 Xe	0	0	3,5	0,98	0,02	5,37	400	86	5,18	66

Vgl.bsp. 3	24	16,5	110	50 Ar	23	0	0	1,96	0,02	15,92	1200	140	9	100
11	24	16,5	110	50 Xe	0	0	6	1,96	0,24	13,4	1200	103	12,3	84
12	24	16,5	110	50 Xe	0	0	4	1,96	0,24	14,3	1200	98	12,9	90
13	24	16,5	110	50 Xe	0	0	1	1,96	0,24	11,5	1200	82	15,4	73

Vgl.bsp.4	9,5	21,5	30	50 Ar	42	0	0	2,1	0,06	14,4	700	130	5,4	100
14	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	1,5	2,94	0,06	11,5	700	53	13,5	80
15	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	3	2,94	0,06	13,06	700	61	11,3	90,7
16	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	4,5	2,94	0,06	13,25	700	70	10	92
17	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	6	2,94	0,06	12,7	700	73	9,6	88
18	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	7,5	2,94	0,06	11,3	700	81	8,6	78,8
19	9,5	21,5	30	400 Xe	0	0	9	2,94	0,06	10,5	700	87,5	8	73

Claims

Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe mit
einem lichtdurchlässigen und gasdicht verschlossenen Entladungsgefäß und
zwei Elektroden, die in das Entladungsgefäß hineinragen und in dem Entladungsgefäß einander gegenüberliegend angeordnet sind;
wobei das Entladungsgefäß mit einer Lampenfüllung befüllt ist, die umfasst:
zumindest ein Edelgas,

zumindest die Elemente Eisen und Zink sowie

zumindest ein Halogenid, wobei das Halogenid Bromid umfasst, und wobei der Anteil des Bromids mindestens 14 Mol% der Gesamthalogenmenge beträgt und

für das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in V/cm zwischen den Elektroden folgende Beziehung gilt: 0,005 ≤ D/E ≤ 0,200.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, worin das Eisen in Form metallischen Eisens und/oder zumindest eines Eisenhalogenids eingefüllt ist.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, worin das Eisen in einer Menge von 0,1 bis 2,5 µMol/cm³ des Innenvolumens des Entladungsraumes, insbesondere von 0,25 bis 2 µMol/cm³, eingefüllt ist.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Zink in Form von Zinkhalogenid, insbesondere Zinkbromid und/oder Zinkiodid, eingefüllt ist.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Lampenfüllung wenigstens eines der Elemente Thallium, Cobalt, Zinn, Palladium, Ruthenium und Silber enthält.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, worin die Lampenfüllung Zinkbromid, Eiseniodid und Thalliumiodid enthält.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, worin die Lampenfüllung weiterhin Zinkiodid enthält.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das zumindest eine Edelgas Xenon und/oder Argon umfasst und insbesondere aus Xenon besteht.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Lampenfüllung kein Natriumiodid enthält.
Quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Verhältnis aus Moldichte des Zinks D in µMol/cm³ und elektrischer Feldstärke E in V/cm zwischen den Elektroden folgende Beziehung gilt: 0,01 ≤ D/E ≤ 0,18 und insbesondere 0,025 ≤ D/E ≤ 0,165.
Vorrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung, umfassend die quecksilberfreie Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung der quecksilberfreien Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer photochemischen Prozessanlage, insbesondere zur Lackhärtung, zur Desinfektion und/oder für Bräunungszwecke.