EP2347430B1 - Quecksilberfreie entladungslampe - Google Patents

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EP2347430B1
EP2347430B1 EP09782856.0A EP09782856A EP2347430B1 EP 2347430 B1 EP2347430 B1 EP 2347430B1 EP 09782856 A EP09782856 A EP 09782856A EP 2347430 B1 EP2347430 B1 EP 2347430B1
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EP
European Patent Office
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discharge
discharge lamp
lamp according
watts
range
Prior art date
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EP09782856.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2347430A1 (de
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Frank Werner
Matthias Bruchhausen
Grigorios Tsilimis
Florian Bedynek
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H01J61/34—Double-wall vessels or containers
    • 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 present invention relates to a mercury-free discharge lamp, in particular a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp for vehicle headlamps, is operated with a power of less than 30 watts, with a light-transmitting discharge vessel, projecting into the discharge space electrodes for generating a gas discharge, wherein in the discharge space metal halides and a Ignition gas are available.
  • the above-mentioned value for the power refers to the quasi-stationary operation of the mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp, that is, after completion of its ignition and start-up phase, when the metal halides are completely evaporated in the discharge space of the lamp. During its start-up phase, the lamp can be operated at a much higher power.
  • Mercury-free discharge lamps are known from the prior art, in which the mercury used in a discharge gas is replaced by other metal halides. However, if no mercury is provided in the closed burner piston, the voltage between the electrodes is reduced, so that a higher electrical current is required for the maintenance of the voltage. This results in a higher power dissipation of the ballast for the mercury-free discharge lamp in comparison with a conventional one mercury-containing discharge lamp. Since the installation of a lamp with more than 20001m luminous flux, as they are emitted by a conventional mercury-free discharge lamp, is required to additionally provide a headlight washer and a level control of the lamps, the use of mercury-free lamps as standard equipment for car manufacturers was uninteresting.
  • Object of the present invention is therefore to provide a mercury-free lamp, in particular a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp with reduced power, which can be used in conventional headlamps.
  • the reduced filling quantity of the metal halides leads to an increase in the arc width, so that sufficient arc dimensioning can also be achieved with a discharge lamp operated with a power of less than 30 watts.
  • Another factor influencing the power requirement and the emitted luminous flux is the thermal characteristics of the lamp.
  • the discharge space is also surrounded by an outer bulb, which, filled with air, a certain, although not good thermal insulation of the discharge space represents.
  • an outer bulb which, filled with air, a certain, although not good thermal insulation of the discharge space represents.
  • a gas or gas mixture with a lower thermal conductivity than air is introduced into a gap defined by the outer bulb and the discharge vessel. This means that less heat is dissipated from the discharge chamber to the outer bulb, so that with the same power a higher temperature and thus a higher "cold spot" temperature and light output can be achieved. In conclusion, this leads to the fact that the power with which the discharge lamp is operated can be reduced while the luminous efficacy and temperature remain the same.
  • the gas can be introduced into the intermediate space at a pressure of 0.05-0.2 bar.
  • the pressure of 0.05 bar to 0.2 bar has proved to be particularly advantageous.
  • the power requirement of the lamp is determined in particular via the temperature to be reached in the discharge space
  • other parameters influencing the temperature can also be changed.
  • the temperature prevailing in the discharge space is also determined by the dimensioning of the discharge vessel itself and the electrodes arranged therein.
  • the dimensions of the discharge space can be reduced, wherein advantageously the discharge vessel in an intermediate region between the opposing electrodes has an inner diameter of 1.5 mm to 2.7 mm, in particular of 2.1 mm to 2, 5 mm.
  • the volume of the discharge space is defined to be 17 mm 3 to 22 mm 3 in order to throttle the power requirement of the discharge lamp.
  • the optical distance between the arranged in the discharge space, opposing electrodes is reduced to a value of 3.2 mm to 3.8 mm instead of the usual 4.2 mm.
  • the length of the electrode section extending in the discharge space can be optimized to a value of 0.3 mm to 1.8 mm.
  • the diameter of the electrodes can be adjusted to a value between 0.2 mm to 0.3 mm, in particular 0.23 mm to 0.28 mm, which also affects the temperature in the discharge space and thus the power requirement of the discharge lamp can be.
  • a discharge lamp in which not only the power in normal operation, that is, during their operation after completion of the ignition and start-up phase is reduced, but also the power during the start-up phase of the usual 85 watts to 35 watts to 70 watts, preferably 40 watts to 60 watts is reduced.
  • the lamp is set to a luminous flux of less than 2000 lm and has a power requirement of less than 30 watts.
  • the aforementioned range of values for the power refers to the quasi-stationary operation of the mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp, that is after completion of its ignition and start-up phase, when the metal halides are completely evaporated in the discharge space of the lamp.
  • the lamp is preferably operated at a significantly higher power in the range of preferably 40 watts to 60 watts to achieve rapid vaporization of the metal halides.
  • a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp with a power consumption of 25 watts during normal operation and with respect to the prior art increased color temperature.
  • the standard mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp for vehicle headlights also called D4 lamp
  • the metal halide high-pressure discharge lamp according to the particularly preferred embodiment of the The invention therefore has a color temperature in the range from 4500 Kelvin to 5200 Kelvin.
  • the metal halides contained in the discharge space of the discharge lamp according to the invention comprise halides of the metals sodium and scandium, the molar ratio of sodium to scandium preferably in the range from 2.0 to 2.8 and more preferably at 2.5 lies.
  • the metal halides contained in the discharge space of the discharge lamp according to the invention for the same purpose also include indium halide in a proportion in the range of 2 percent by weight to 4 percent by weight.
  • xenon having a cold fill pressure in the range of 10 bar to 18 bar is preferably used as the ignition gas to ensure an immediate emission of white light after the ignition of the gas discharge in the high pressure discharge lamp, an increased color temperature and a broadening of the discharge arc.
  • the metal halides also comprise zinc halide in order to increase the burning voltage of the high-pressure discharge lamp according to the invention or to set it to a desired value.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal cross section through a mercury-free discharge lamp according to the invention.
  • This lamp is intended for use in a vehicle headlight. It has a two-sided sealed discharge vessel 10 made of quartz glass. According to the invention, the discharge space of the discharge vessel has a volume in the range of 17 mm 3 to 22 mm 3 . In the case of the discharge lamp shown here, the discharge space has a volume of 20.0 mm 3 , in which an ionizable filling is enclosed in a gastight manner. In the region of the discharge space 106, the inner contour of the discharge vessel 10 is advantageously circular-cylindrical and its outer contour ellipsoidal.
  • the discharge vessel 10 may be dimensioned such that the inner diameter of the discharge vessel 10 in the region of the discharge space 106 between 1.5 mm to 2.7 mm, in particular between 2.1 mm to 2.5 mm, measures.
  • the inner diameter of the discharge vessel 10 in the region of the discharge chamber 106 is 2.4 mm and its outer diameter is 6.0 mm.
  • the two ends 101, 102 of the discharge vessel 10 are each sealed by means of a molybdenum foil sealing 103, 104.
  • the molybdenum foils 103, 104 each have a length of about 6.5 mm, a width of about 2 mm and a thickness of about 25 microns.
  • the electrodes 11, 12 are made of tungsten. Their thickness or their diameter is in the range of 0.2 mm to 0.3 mm, in particular 0.23 mm to 0.28 mm, wherein the length of the extending into the discharge space 106 portions of the electrodes 0.3 mm to 1 , 8 mm.
  • the optical distance between the projecting into the discharge space 106 ends of the electrodes 11, 12 is approximately 3.2 mm to 3.8 mm.
  • the electrodes 11, 12 are in each case electrically conductively connected to one of the molybdenum foil melts 103, 104 and via the base-remote power supply 13 and the current return 17 or via the socket-side power supply 14 to an electrical connection of the lamp base 15 which consists essentially of plastic.
  • the overlap between the electrode 11 and the molybdenum foil 103 bonded thereto may be 1.3 mm ⁇ 0.15 mm.
  • the discharge vessel 10 is enveloped by a glass outer bulb 16.
  • the outer bulb 16 has an extension 161 anchored in the base 15.
  • the discharge vessel 10 has a tube-like extension 105 made of quartz glass on the base side, in which the base-side current supply 14 extends.
  • the current return 17 facing surface region of the discharge vessel 10 may be provided with a transparent, electrically conductive coating 107.
  • This coating 107 preferably extends in the longitudinal direction of the lamp over the entire length of the burner piston 106 and over a part, approximately 50 percent, of the length of the sealed ends 101, 102 of the discharge vessel 10.
  • the coating 107 is preferably on the outside of the discharge vessel 10
  • the coating 107 consists of doped tin oxide, for example of fluorine- or antimony-doped tin oxide or, for example, boron-doped and / or lithium-doped tin oxide.
  • This high-pressure discharge lamp is operated in a horizontal position, ie with electrodes 11, 12 arranged in a horizontal plane, the lamp being aligned such that the current return 17 extends below the discharge vessel 10 and the outer bulb 16. Details of this, acting as a priming coating 107 are in the EP 1 632 985 A1 described.
  • the outer bulb 16 is made of quartz glass doped with ultraviolet ray absorbing materials such as cerium oxide and titanium oxide. Suitable glass compositions for the outer envelope are in the EP 0 700 579 B1 disclosed.
  • light-emitting metal halides and buffer metal halides as well as xenon are included in the discharge space 106 in a gastight manner as start-up inert gas.
  • the light-emitting metal halides which primarily fulfill the function of light emission, are compounds of the halides of Na, Sc and In.
  • the buffer metal halides serve primarily to increase the burning voltage and to control the color to obtain a desired light color (white light).
  • the buffer metal halides may be, for example, a compound of the halides of Al, Cs, Ho, In, Tl, Tm and Zn.
  • the total amount of metal halides according to the invention is 5 mg / ml to 15 mg / ml. This ensures that the arc forming between the electrodes has a sufficient spatial extent, that is to say a sufficient width or a sufficient cross section.
  • the inner diameter of the discharge vessel 10 in the region of the discharge space 106 in the middle between the opposed electrodes 11, 12 is about 1.5 mm to 2.7 mm.
  • the optical distance between the ends of the electrodes 11, 12 projecting into the discharge space 106 is approximately 3.2 mm to 3.8 mm, and the length of the sections of the electrodes 11, 12 extending into the discharge space 106 is approximately 0.3 mm 1.8 mm.
  • the discharge vessel 10 can in the region of the discharge space 106 have smaller internal dimensions along their longitudinal axis than conventional discharge vessels of the prior art, the distance between the discharge-side ends of the electrodes 11, 12 being approximately 3.2 mm to 3.8 mm (less than 4.2 mm, according to FIGS the ECE specifications).
  • the length of the portions of the electrodes 11, 12 extending into the discharge space is about 0.3 mm to 1.8 mm (smaller than the length of 1.0 mm to 2.0 mm according to the prior art).
  • the inner diameter of the discharge vessel 10 in the region of the discharge space 106 in the middle between the opposed electrodes 11, 12 is about 1.5 mm to 2.7 mm (smaller than the corresponding maximum inner diameter of the discharge space according to the prior art).
  • the discharge space 106 thus has a smaller volume.
  • the burning voltage is reduced but the heat dissipation from the discharge space 106 is reduced, the luminous flux and the luminous efficacy can be improved.
  • the electric power supplied to the discharge lamp is about 15 watts to 30 watts and is lower than that of the prior art lamps having an electric power consumption of 35 watts, the discharge lamp of the present invention achieves substantially the same luminous efficiency as the prior art lamps the technology, which is operated with 35 watts.
  • the distance between the discharge-side ends of the electrodes 11, 12 is about 3.2 mm to 3.8 mm (smaller than the ECE specifications) and the length of the In addition, the portions of the electrodes 11, 12 extending into the discharge space 106 are approximately 0.3 mm to 1.8 mm (smaller than the length of 1.0 to 2.0 mm in the prior art), moreover, the light-emitting metal halide can not Condensate at the bottom of the electrodes 11, 12. As a result, the light output is also improved.
  • the space between the discharge vessel 10 and the outer bulb 16 is filled with a rare gas having a pressure of about 1 bar or less, so that the space serves as an insulator against the heat radiated from the discharge space 106.
  • FIG. 2 shows a mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp (D4 lamp) in which the gap was filled or evacuated with different gases.
  • D4 lamp mercury-free metal halide high-pressure discharge lamp
  • the applied power is displayed in watts, while the vertical axis is the measured maximum temperature of the outer bulb shows.
  • a lower temperature of the outer bulb means that a lower heat conduction of the filling gas takes place.
  • FIG. 2 Graph 2 shows the measured values of a D4 lamp with air in the outer bulb, Graph 4 the measured values with xenon in the outer bulb and Graph 6 the measured values with evacuated outer bulb.
  • the filling with air shows a greater thermal conductivity and thus a greater outer bulb temperature than the lamps filled with xenon or vacuum.
  • FIG. 1 shows a longitudinal cross section through a metal halide high-pressure discharge lamp according to the particularly preferred embodiments of the invention.
  • halides of the metals sodium, scandium, indium and zinc are contained in the discharge space as metal halides.
  • Xenon is used as ignition gas and for the generation of light immediately after ignition of the gas discharge.
  • the total amount of metal halides in the discharge space 106 in this particularly preferred embodiment is 0.2 mg.
  • the volume of the discharge space 106 is 0.02 ml or 20 mm 3 .
  • the discharge space 106 also contains xenon with a cold filling pressure of 12 bar.
  • the diameter or the thickness of the electrodes 11, 12 in the particularly preferred embodiment is 0.275 mm and the distance or the optically effective distance between the electrodes 11, 12 is 3.6 mm.

Description

    Technisches Gebiet
  • Vorliegende Erfindung betrifft eine quecksilberfreie Entladungslampe, insbesondere eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer, mit einer Leistung von weniger als 30 Watt betrieben wird, mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß, in dessen Entladungsraum Elektroden zum Erzeugen einer Gasentladung hineinragen, wobei im Entladungsraum Metallhalogenide und ein Zündgas vorhanden sind. Der oben genannte Wert für die Leistung bezieht sich dabei auf den quasistationären Betrieb der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe, das heißt nach Beendigung ihrer Zünd- und Anlaufphase, wenn die Metallhalogenide im Entladungsraum der Lampe vollständig verdampft sind. Während ihrer Anlaufphase kann die Lampe mit einer deutlich höheren Leistung betrieben werden.
    • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind quecksilberfreie Entladungslampen bekannt, bei denen das in einem Entladungsgas eingesetzte Quecksilber durch andere Metallhalogenide ersetzt wird. Wird jedoch kein Quecksilber in dem geschlossenen Brennerkolben vorgesehen, reduziert sich die Spannung zwischen den Elektroden, sodass ein höherer elektrischer Strom für die Aufrechterhaltung der Spannung erforderlich ist. Dies resultiert in einer höheren Verlustleistung des Vorschaltgerätes für die quecksilberfreie Entladungslampe im Vergleich mit einer herkömmlichen quecksilberhaltigen Entladungslampe. Da beim Einbau einer Lampe mit mehr als 20001m Lichtstrom, wie sie von einer herkömmlichen quecksilberfreien Entladungslampe abgegeben werden, vorgeschrieben ist, zusätzlich eine Scheinwerferfrontscheibenwaschanlage und eine Niveauregulierung der Lampen bereitzustellen, war der Einsatz von quecksilberfreien Lampen als Serienausstattung für Automobilhersteller uninteressant.
  • Im Stand der Technik, beispielsweise der US 2004/0150344 , wurde deshalb vorgeschlagen, eine quecksilberfreie Entladungslampe mit verringertem Leistungsbedarf und verkleinertem Lichtstrom dadurch zu realisieren, dass die Abmessungen des Entladungskolbens verkleinert und der Elektrodenabstand im Entladungskolben verkürzt werden. Dadurch kann trotz verringerter Leistungszufuhr die Temperatur im Kolben auf einem für eine gleich bleibende Spannung nötigen Niveau gehalten werden.
  • Nachteilig an dieser aus dem Stand der Technik bekannten Lampe ist jedoch, dass der sich in dem verkleinerten Entladungskolben ausbildende Lichtbogen eine zu geringe räumliche Ausdehnung aufweist, sodass ein Einsatz dieser Lampen in bestehenden Scheinwerfern nicht möglich ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, eine quecksilberfreie Lampe, insbesondere eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit reduzierter Leistung bereitzustellen, die in herkömmlichen Scheinwerfern einsetzbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Entladungslampe gemäß Anspruch 1 der Anmeldung.
  • Erfindungsgemäß führt die reduzierte Füllmenge der Metallhalogenide zu einer Vergrößerung der Bogenbreite, sodass eine ausreichende Lichtbogendimensionierung auch bei einer mit einer Leistung von weniger als 30 Watt betriebenen Entladungslampe erreicht werden kann.
  • Ein weiterer Einflussfaktor auf den Leistungsbedarf und den abgegebenen Lichtstrom ist die Thermik der Lampe. Je mehr Wärme vom Entladungsgefäß bzw. Entladungsraum abgeführt wird, desto mehr Leistung wird benötigt, um eine vergleichbare "Cold Spot"-Temperatur (das ist die Temperatur an der kühlsten Stelle im Entladungsraum) und eine vergleichbare Lichtausbeute bereitzustellen.
  • Üblicherweise ist der Entladungsraum zudem von einem Außenkolben umgeben, der, mit Luft befüllt, eine gewisse, wenn auch nicht gute thermische Isolierung des Entladungsraums darstellt. Durch eine Veränderung der Gasfüllung des Außenkolbens wird aber die Thermik der Lampe geändert und die thermische Isolierung des Entladungsraums verbessert. Der Einfluss von Außenkolbenbefüllung auf die Temperatur des Entladungsraums ist beispielsweise in der DE 103 34 052 beschrieben.
  • In den Ausführungsbeispielen ist deshalb in einen von Außenkolben und Entladungsgefäß definierten Zwischenraum ein Gas oder Gasgemisch mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als Luft eingebracht. Dies führt dazu, dass weniger Wärme vom Entladungsraum zum Außenkolben abgeführt wird, sodass bei gleicher Leistung eine höhere Temperatur und damit auch eine höhere "Cold Spot"-Temperatur sowie Lichtausbeute erreicht werden. Dies führt im Rückschluss dazu, dass bei gleich bleibender Lichtausbeute und Temperatur die Leistung, mit der die Entladungslampe betrieben wird, verringert werden kann.
  • Statt eines Gases mit verringerter Leitfähigkeit ist es auch möglich, den Zwischenraum zwischen Entladungsgefäß und Außenkolben zu evakuieren, wodurch ebenfalls eine verbesserte thermische Isolierung des Entladungsraums erreicht werden kann. Besonders bevorzugt sind als Füllgase des Außenkolbens beispielsweise Xe, I2, SF6 und Ar.
  • Zudem kann, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, statt eines Standarddrucks von 0,5bar das Gas mit einem Druck von 0,05 - 0,2bar in den Zwischenraum eingebracht werden. Insbesondere bei der Verwendung von Xenongas und Argon hat sich der Druck von 0,05 bar bis 0,2 bar als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Da, wie oben beschrieben, der Leistungsbedarf der Lampe insbesondere über die im Entladungsraum zu erreichende Temperatur bestimmt ist, können auch weitere, die Temperatur beeinflussende Parameter verändert werden. Beispielsweise wird die in dem Entladungsraum herrschende Temperatur auch über die Dimensionierung des Entladungsgefäßes selbst sowie der darin angeordneten Elektroden mitbestimmt.
  • So können beispielsweise in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel die Abmessungen des Entladungsraums reduziert werden, wobei vorteilhafter Weise das Entladungsgefäß in einem mittleren Bereich zwischen den gegenüberliegenden Elektroden einen Innendurchmesser von 1,5 mm bis 2,7 mm, insbesondere von 2,1 mm bis 2,5 mm aufweist. Zusätzlich ist auch in allen Ausfürungsbeispielen das Volumen des Entladungsraums auf 17 mm3 bis 22 mm3 definiert, um den Leistungsbedarf der Entladungslampe zu drosseln.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der optische Abstand zwischen den im Entladungsraum angeordneten, einander gegenüberliegenden Elektroden auf einen Wert von 3,2 mm bis 3,8 mm statt der üblichen 4,2 mm reduziert. Zudem kann die Länge des sich in dem Entladungsraum erstreckenden Elektrodenabschnitts auf einen Wert von 0,3 mm bis 1,8 mm optimiert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann auch der Durchmesser der Elektroden auf einen Wert zwischen 0,2 mm bis 0,3 mm, insbesondere 0,23 mm bis 0,28 mm eingestellt werden, wodurch ebenfalls die Temperatur im Entladungsraum und damit der Leistungsbedarf der Entladungslampe beeinflusst werden kann.
  • Besonders vorteilhaft ist eine Entladungslampe, bei der nicht nur die Leistung im Normalbetrieb, das heißt während ihres Betriebs nach Beendigung der Zünd- und Anlaufphase, reduziert wird, sondern auch die Leistung während der Anlaufphase von den üblichen 85 Watt auf 35 Watt bis 70 Watt, vorzugsweise 40 Watt bis 60 Watt reduziert wird.
  • In allen Ausführungsbeispielen ist die Lampe auf einen Lichtstrom von kleiner als 2000 lm eingestellt und hat einen Leistungsbedarf von weniger als 30 Watt. Der vorgenannte Wertebereich für die Leistung bezieht sich dabei auf den quasistationären Betrieb der quecksilberfreien Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe, das heißt nach Beendigung ihrer Zünd- und Anlaufphase, wenn die Metallhalogenide im Entladungsraum der Lampe vollständig verdampft sind. Während ihrer Anlaufphase wird die Lampe vorzugsweise mit einer deutlich höheren Leistung im Bereich von vorzugsweise 40 Watt bis 60 Watt betrieben, um ein schnelles Verdampfen der Metallhalogenide zu erreichen.
  • Besonders vorteilhaft ist eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer Leistungsaufnahme von 25 Watt während ihres Normalbetriebs und mit gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Farbtemperatur. Die standardgemäße quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer (auch D4 Lampe genannt) hat eine Farbtemperatur von 4100 Kelvin. Eine höhere Farbtemperatur verbessert die Wahrnehmung von Hindernissen bei Dunkelheit und die Sichtbarkeit. Die Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe gemäß dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt daher eine Farbtemperatur im Bereich von 4500 Kelvin bis 5200 Kelvin. Um eine derartig hohe Farbtemperatur zu erzielen, umfassen die im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Entladungslampe enthaltenen Metallhalogenide Halogenide der Metalle Natrium und Scandium, wobei das Molare Verhältnis von Natrium zu Scandium vorzugsweise im Bereich von 2,0 bis 2,8 und besonders bevorzugt bei 2,5 liegt. Zusätzlich umfassen die im Entladungsraum der erfindungsgemäßen Entladungslampe enthaltenen Metallhalogenide für den gleichen Zweck auch Indiumhalogenid mit einem Anteil im Bereich von 2 Gewichtsprozent bis 4 Gewichtsprozent. Außerdem wird als Zündgas vorzugsweise Xenon mit einem Kaltfülldruck im Bereich von 10 bar bis 18 bar verwendet, um eine sofortige Emission von weißem Licht nach dem Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe, eine erhöhte Farbtemperatur und eine Verbreiterung des Entladungsbogens zu gewährleisten. Die Metallhalogenide umfassen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel auch Zinkhalogenid, um die Brennspannung der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe zu erhöhen bzw. auf einen gewünschten Wert einzustellen. Es ist jedoch auch möglich die Lampe ohne Zinkhalogenid zu betreiben, um eine Verbesserung der Lichtausbeute zu erzielen.
  • Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen der Beschreibung und den Figuren definiert.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Längsquerschnitts durch eine quecksilberfreie Entladungslampe gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
    Fig. 2
    eine graphische vergleichende Darstellung für zwei Lampen mit verschiedenen Außenkolbenfüllgasen, wobei auf der vertikalen Achse die maximale Außenkolbentemperatur in Grad Celsius und auf der horizontalen Achse die elektrische Leistungsaufnahme der Lampe in Watt aufgetragen ist.
  • Figur 1 zeigt einen schematischen Längsquerschnitt durch eine quecksilberfreie erfindungsgemäße Entladungslampe.
  • Diese Lampe ist für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Sie besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas. Erfindungsgemäß hat der Entladungsraum des Entladungsgefäßes ein Volumen im Bereich von 17 mm3 bis 22 mm3. Bei der hier dargestellten Entladungslampe hat der Entladungsraum Volumen von 20,0 mm3, in dem eine ionisierbare Füllung gasdicht eingeschlossen ist. Im Bereich des Entladungsraums 106 ist vorteilhafterweise die Innenkontur des Entladungsgefäßes 10 kreiszylindrisch und seine Außenkontur ellipsoidförmig ausgebildet.
  • Um das kleinere Volumen des Entladungsraums 106 bereitzustellen, kann das Entladungsgefäß 10 derart dimensioniert sein, dass der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes 10 im Bereich des Entladungsraums 106 zwischen 1,5 mm bis 2,7 mm, insbesondere zwischen 2,1 mm bis 2,5 mm, misst. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes 10 im Bereich des Entladungsraums 106 2,4 mm und sein Außendurchmesser beträgt 6,0mm.
  • Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 sind jeweils mittels einer Molybdänfolien-Einschmelzung 103, 104 abgedichtet. Die Molybdänfolien 103, 104 besitzen jeweils eine Länge von ca. 6,5 mm, eine Breite von ca. 2 mm und eine Dicke von ca. 25 µm.
  • Im Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden sich zwei Elektroden 11, 12, zwischen denen sich während des Lampenbetriebes der für die Lichtemission verantwortliche Entladungsbogen ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen aus Wolfram. Ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser liegt im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm, insbesondere 0,23 mm bis 0,28 mm, wobei die Länge der sich in den Entladungsraum 106 erstreckenden Abschnitte der Elektroden 0,3 mm bis 1,8 mm beträgt. Vorzugsweise beträgt der optische Abstand zwischen den in den Entladungsraum 106 hineinragenden Enden der Elektroden 11, 12 ungefähr 3,2 mm bis 3,8 mm.
  • Die Elektroden 11, 12 sind jeweils über eine der Molybdänfolien-Einschmelzungen 103, 104 und über die sockelferne Stromzuführung 13 und die Stromrückführung 17 bzw. über die sockelseitige Stromzuführung 14 elektrisch leitend mit einem elektrischen Anschluss des im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Lampensockels 15 verbunden. Der Überlapp zwischen der Elektrode 11 und der mit ihr verbundenen Molybdänfolie 103 kann 1,3 mm ± 0,15 mm betragen.
  • Das Entladungsgefäß 10 wird von einem gläsernen Außenkolben 16 umhüllt. Der Außenkolben 16 besitzt einen im Sockel 15 verankerten Fortsatz 161. Das Entladungsgefäß 10 weist sockelseitig eine rohrartige Verlängerung 105 aus Quarzglas auf, in der die sockelseitige Stromzuführung 14 verläuft.
  • Der der Stromrückführung 17 zugewandte Oberflächenbereich des Entladungsgefäßes 10 kann mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Beschichtung 107 versehen sein. Diese Beschichtung 107 erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung der Lampe über die gesamte Länge des Brennerkolbens 106 und über einen Teil, ca. 50 Prozent, der Länge der abgedichteten Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10. Die Beschichtung 107 ist vorzugsweise auf der Außenseite des Entladungsgefäßes 10 angebracht und erstreckt sich über ca. 5 Prozent bis 10 Prozent des Umfangs des Entladungsgefäßes 10. Die Beschichtung 107 besteht aus dotiertem Zinnoxid, beispielsweise aus mit Fluor oder Antimon dotiertem Zinnoxid oder beispielsweise aus mit Bor und/oder Lithium dotiertem Zinnoxid.
  • Diese Hochdruckentladungslampe wird in horizontaler Lage betrieben, d.h. mit in einer horizontalen Ebene angeordneten Elektroden 11, 12, wobei die Lampe derart ausgerichtet ist, dass die Stromrückführung 17 unterhalb des Entladungsgefäßes 10 und des Außenkolbens 16 verläuft. Details dieser, als Zündhilfe wirkenden Beschichtung 107 sind in der EP 1 632 985 A1 beschrieben. Der Außenkolben 16 besteht aus Quarzglas, das mit Ultraviolettstrahlen absorbierenden Stoffen dotiert ist, wie zum Beispiel Ceroxid und Titanoxid. Geeignete Glaszusammensetzungen für das Außenkolbenglas sind in der EP 0 700 579 B1 offenbart.
  • Erfindungsgemäß sind lichtemittierende Metallhalogenide und Puffer-Metallhalogenide sowie Xenon als Start-Edelgas gasdicht in dem Entladungsraum 106 eingeschlossen.
  • Die lichtemittierenden Metallhalogenide, die primär die Funktion der Lichtemission erfüllen, sind Verbindungen aus den Halogeniden von Na, Sc und In. Die Puffer-Metallhalogenide dienen primär zur Erhöhung der Brennspannung und zum Steuern der Farbe, um eine gewünschte Lichtfarbe (weißes Licht) zu erhalten. Die Puffer-Metallhalogenide können beispielsweise eine Verbindung aus den Halogeniden von Al, Cs, Ho, In, Tl, Tm und Zn sein. Die Gesamtmenge der Metallhalogenide beträgt erfindungsgemäß 5 mg/ml bis 15 mg/ml. Dadurch wird gewährleistet, dass der sich zwischen den Elektroden ausbildende Lichtbogen eine ausreichende räumliche Ausdehnung, das heißt eine ausreichende Breite bzw. einen ausreichenden Querschnitt, aufweist.
  • Wie oben beschrieben, beträgt der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes 10 im Bereich des Entladungsraums 106 in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 11, 12 ungefähr 1,5 mm bis 2,7 mm. Der optische Abstand zwischen den in den Entladungsraum 106 hineinragenden Enden der Elektroden 11, 12 beträgt ungefähr 3,2 mm bis 3,8 mm und die Länge der sich in den Entladungsraum 106 erstreckenden Abschnitte der Elektroden 11, 12 beträgt ungefähr 0,3 mm bis 1,8 mm. Bei einem derartigen Aufbau wird eine stabile Entladung mit einer niedrigen Leistung von ungefähr 15 Watt bis 30 Watt gewährleistet.
  • Das Entladungsgefäß 10 kann im Bereich des Entladungsraums 106 entlang seiner Längsachse zudem kleinere innere Abmessungen aufweisen als herkömmliche Entladungsgefäße aus dem Stand der Technik, wobei der Abstand zwischen den entladungsseitigen Enden der Elektroden 11, 12 ungefähr 3,2 mm bis 3,8 mm beträgt (kleiner als 4,2 mm, gemäß den ECE-Spezifikationen). Die Länge der sich in den Entladungsraum erstreckenden Abschnitte der Elektroden 11, 12 beträgt ungefähr 0,3 mm bis 1,8 mm (kleiner als die Länge von 1,0 mm bis 2,0 mm gemäß dem Stand der Technik).
  • Außerdem beträgt der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes 10 im Bereich des Entladungsraums 106 in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 11, 12 ungefähr 1,5 mm bis 2,7 mm (kleiner als der entsprechende maximale Innendurchmesser des Entladungsraums gemäß dem Stand der Technik). Der Entladungsraum 106 weist also eine kleineres Volumen auf.
  • Obwohl die Brennspannung vermindert wird, aber die Wärmeableitung von dem Entladungsraum 106 reduziert wird, können der Lichtstrom und die Lichtausbeute verbessert werden. Obwohl die der Entladungslampe zugeführte elektrische Leistung ungefähr 15 Watt bis 30 Watt beträgt und damit niedriger als bei Lampen gemäß dem Stand der Technik ist, die eine elektrische Leistungsaufnahme von 35 Watt besitzen, erreicht die erfindungsgemäße Entladungslampe im wesentlichen die gleiche Lichtausbeute wie Lampen gemäß dem Stand der Technik, die mit 35 Watt betrieben werden.
  • Weil der Abstand zwischen den entladungsseitigen Enden der Elektroden 11, 12 ungefähr 3,2 mm bis 3,8 mm beträgt (kleiner als die ECE-Spezifikationen) und die Länge der sich in den Entladungsraum 106 erstreckenden Abschnitte der Elektroden 11, 12 ungefähr 0,3 mm bis 1,8 mm beträgt (kleiner als die Länge von 1,0 bis 2,0 mm gemäß dem Stand der Technik), kann zudem das lichtemittierende Metallhalogenid nicht am Fuß der Elektroden 11, 12 kondensieren. Dadurch wird ebenfalls die Lichtausbeute verbessert.
  • Der Zwischenraum zwischen dem Entladungsgefäß 10 und dem Außenkolben 16 ist mit einem Edelgas mit einem Druck von ungefähr 1 bar oder weniger gefüllt, sodass der Raum als Isolator gegenüber der von dem Entladungsraum 106 ausgestrahlten Wärme dient.
  • Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, Xenon mit einem Druck von 50 mbar bis 200 mbar in den Zwischenraum einzubringen, da dadurch eine besonders gute Isolierung erreicht wird. Aber auch Ar, I2, SF6 haben vorteilhafte Isolierungseigenschaften. Statt ein thermisch isolierendes Gas in den Zwischenraum einzubringen, kann es auch vorteilhaft sein, den Zwischenraum zu evakuieren, wodurch insbesondere bei einem Vakuum von kleiner als 0,01 mbar eine gute Isolierung zu beobachten ist.
  • Figur 2 zeigt eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe (D4-Lampe), bei der der Zwischenraum mit verschiedenen Gasen gefüllt bzw. evakuiert wurde. Dabei wurde die maximale Außenkolbentemperatur für die unterschiedlichen Außenkolbenbefüllungen bzw. Vakuum als Funktion der elektrischen Leistungsaufnahme der Lampe aufgetragen.
  • Dabei ist auf der horizontalen Achse in Figur 2 die angelegte Leistung in Watt dargestellt, während die vertikale Achse die gemessene maximale Temperatur des Außenkolbens zeigt. Eine geringere Temperatur des Außenkolbens bedeutet, dass eine geringere Wärmeleitung des Füllgases stattfindet.
  • In Figur 2 zeigt der Graph 2 die Messwerte einer D4-Lampe mit Luft im Außenkolben, der Graph 4 die Messwerte mit Xenon im Außenkolben und der Graph 6 die Messwerte mit evakuiertem Außenkolben.
  • Wie Figur 2 deutlich zu entnehmen ist, zeigt die Befüllung mit Luft eine größere Wärmeleitfähigkeit und damit auch eine größere Außenkolbentemperatur als die mit Xenon bzw. Vakuum befüllten Lampen.
  • Durch die geringere thermische Leitfähigkeit von Xenon bzw. Vakuum im Vergleich zu Luft wird deshalb auch weniger Wärme vom Entladungsraum zum Außenkolben geführt, sodass der Entladungsraum auch bei reduzierter Leistung die benötigte Temperatur aufweist.
  • Die Figur 1 zeigt einen Längsquerschnitt durch eine Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe gemäß den besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Gemäß dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe sind als Metallhalogenide Halogenide der Metalle Natrium, Scandium, Indium und Zink im Entladungsraum enthalten. Als Zündgas sowie zur Lichterzeugung unmittelbar nach dem Zünden der Gasentladung dient Xenon. Die gesamte Menge der Metallhalogenide in dem Entladungsraum 106 beträgt bei diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel 0,2 mg. In der Gesamtmenge von 0,2 mg Metallhalogenid sind 38,2 Gewichtsprozent Natriumjodid (NaI), 44 Gewichtsprozent Scandiumjodid (ScI3), 2,8 Gewichtsprozent Indiumjodid (InI) und 15 Gewichtsprozent Zinkjodid (ZnI2) enthalten. Das Volumen des Entladungsraums 106 beträgt 0,02 ml bzw. 20 mm3. Im Entladungsraum 106 ist ferner Xenon mit einem Kaltfülldruck von 12 bar enthalten. Der Durchmesser bzw. die Dicke der Elektroden 11, 12 beträgt bei dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel 0,275 mm und der Abstand bzw. der optisch wirksame Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt 3,6 mm.

Claims (12)

  1. Quecksilberfreie Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (10), das von einem lichtdurchlässigen Außenkolben (16) umgeben ist und das einen Entladungsraum (106) aufweist, in den Elektroden (11, 12) zum Erzeugen einer Gasentladung hineinragen, wobei im Entladungsraum (106) Metallhalogenide in einer Menge im Bereich von 5 Milligramm bis 15 Milligramm pro 1 Milliliter des Entladungsraumvolumens und Zündgas enthalten sind und wobei die Metallhalogenide Halogenide der Metalle Natrium, Scandium und Indium umfassen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Entladungsraum (106) ein Volumen im Bereich von 17 mm3 bis 22 mm3 aufweist,
    - der Zwischenraum zwischen Außenkolben (16) und Entladungsgefäß (10) mit einem Gas oder Gasgemisch mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als Luft gefüllt ist, oder in dem Zwischenraum ein Vakuum mit einem Druck von weniger als 1 mbar vorhanden ist,
    - der Lichtstrom der Lampe kleiner als 2000 lm ist, und
    - die elektrische Leistungsaufnahme der Lampe nach Beendigung ihrer Zünd- und Anlaufphase, wenn die Metallhalogenide im Entladungsraum (106) der Lampe vollständig verdampft sind, kleiner als 30 Watt ist.
  2. Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei das im Zwischenraum befindliche Gas oder Gasgemisch einen Druck von weniger als 1 bar, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 bar aufweist.
  3. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entladungsgefäß (10) im Bereich des Entladungsraums (106) in einem mittleren Bereich zwischen den Elektroden (11, 12) einen Innendurchmesser im Wertebereich von 1,5 mm bis 2,7 mm, insbesondere von 2,1 mm bis 2,5 mm aufweist.
  4. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Abstand zwischen den in den Entladungsraum (106) hineinragenden Elektroden (11, 12) im Wertebereich von 3,2 mm bis 3,8 mm liegt.
  5. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser bzw. die Dicke der Elektroden (11, 12) im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm liegt.
  6. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der sich in den Entladungsraum (106) erstreckende Abschnitt der Elektroden (11, 12) eine Länge im Bereich von 0,3 mm bis 1,8 mm besitzt.
  7. Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Metallhalogenide zusätzlich Zinkhalogenid umfassen.
  8. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 7, wobei das Molare Verhältnis von Natrium zu Scandium im Wertebereich von 2,0 bis 2,8 liegt.
  9. Entladungslampe nach Anspruch 1, 7 oder 8, wobei der Anteil von Indiumhalogenid an den Metallhalogeniden im Bereich von 2 Gewichtsprozent bis 4 Gewichtsprozent liegt.
  10. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zündgas Xenon mit einem Kaltfülldruck im Bereich 10 bar bis 18 bar umfasst.
  11. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lampe während ihrer Anlaufphase eine elektrische Leistungsaufnahme im Bereich von 35 Watt bis 70 Watt, und insbesondere von 40 Watt bis 60 Watt aufweist.
  12. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lampe während ihres Betriebs nach Beendigung von Zünd- und Anlaufphase eine elektrische Leistungsaufnahme im Bereich von 20 Watt bis 25 Watt besitzt.
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