ES2313295T3 - Llampara de halogenuros metalicos. - Google Patents
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Abstract
Lámpara de halogenuros metálicos que comprende un recipiente de descarga rodeado por una envoltura exterior con separación y que tiene una pared cerámica que encierra un espacio de descarga llenado con una carga que comprende un gas inerte, tal como xenón (Xe), y una sal ionizable, en la que en dicho espacio de descarga están dispuestos dos electrodos cuyas puntas presentan un espacio intermedio mutuo de modo que se define un circuito de descarga entre sí, dicha sal ionizable comprende NaI, TlI, CaI2 y yoduro de X, en el que X es al menos un metal de tierras raras caracterizado porque X es uno o más metales de tierras raras seleccionado del grupo Ce, Pr, Nd y porque la razón en porcentaje molar de yoduro de X/(NaI + TlI + CaI2 + yoduro de X) se encuentra entre el 0,5 y el 7%, más en particular entre el 1 y el 6%.
Description
Lámpara de halogenuros metálicos.
La presente invención se refiere a una lámpara
de halogenuros metálicos, que comprende un recipiente de descarga
rodeado por una envoltura exterior con separación y que tiene una
pared cerámica que encierra un espacio de descarga llenado con una
carga que comprende un gas inerte, tal como xenón (Xe), y una sal
ionizable, en la que en dicho espacio de descarga están dispuestos
dos electrodos cuyas puntas presentan un espacio (EA) intermedio
mutuo de modo que se define un circuito de descarga entre sí.
En esta descripción y estas reivindicaciones se
entiende que la pared cerámica implica tanto una pared de óxido
metálico tal como, por ejemplo, zafiro o Al_{2}O_{3}
policristalino densamente sinterizado y nitruro metálico, por
ejemplo, AlN. Según el estado de la técnica estas cerámicas son
ideales para formar paredes de recipiente de descarga
translúcidas.
Una lámpara de este tipo se conoce en general.
Ambos electrodos están cada uno soportados por un conductor de
corriente que entra en el recipiente de descarga. Los conductores de
corriente consisten en una primera parte fabricada de material
resistente al halogenuro, tal como un cermet de Mo- Al_{2}O_{3},
y una segunda parte fabricada en niobio. El niobio se elige porque
este material tiene un coeficiente de dilatación térmica que se
corresponde con el del recipiente de descarga para evitar fugas del
faro.
Las desventajas de la lámpara conocida son las
siguientes. Una parte central del recipiente de descarga de la
misma tiene a ambos lados partes de extremo estrechas o clavijas
extendidas (es decir, partes de extremo alargadas) que están
conectadas por medio de sinterización a la parte central del
recipiente de descarga y que encierran los conductores de
corriente. Sin embargo, como dichas clavijas están alejadas del
circuito de descarga, funcionan como aletas de refrigeración, de
modo que parte de la carga de la lámpara (es decir sales) puede
condensarse en un vacío entre cada conductor de corriente y la
(pared de las) clavijas extendidas. Dicha condensación puede
provocar inestabilidad del color del faro. La segregación de
componentes de sal generalmente conlleva inestabilidades de color
(por ejemplo, si la carga contiene yoduro de NaCe, más Na que Ce
será arrastrado a dichos vacíos). Para obtener una eficacia
luminosa tan alta como sea posible, preferiblemente se añaden a la
carga yoduros de metales de tierras raras como CeI_{3}, PrI_{3},
LuI_{3} y/o NdI_{3}. Sin embargo, estas sales (especialmente si
se aplican fracciones molares más grandes) son agresivas y atacarán
la pared cerámica del recipiente de descarga. Además, dicho ataque
a la pared, cerca del circuito de descarga, puede conllevar
dispersión/ absorción de luz con todas las consecuencias negativas
que implica para la distribución de luz. Finalmente, el rendimiento
lumínico en función del tiempo debe ser lo más estable posible. Si
la sal reacciona con otras partes de la lámpara y por tanto
desaparece, por ejemplo, dicho rendimiento lumínico (y por tanto el
mantenimiento) disminuirá.
Se conocen lámparas de halogenuros metálicos por
los documentos WO 99/53522 y WO 99/53523 que presentan un
mantenimiento de flujo luminoso mejorado debido a la existencia de
un ciclo de halogenuro de W durante el funcionamiento de la
lámpara. El ciclo de halogenuro de W que es él mismo de una
naturaleza muy compleja y para el que la presencia de Ca en la
carga es imprescindible, provoca que el tungsteno evaporado
procedente de las puntas calientes de los electrodos se deposite de
nuevo en las partes de los electrodos que están algo más frías, en
lugar de depositarse en la pared del recipiente de descarga. Por
ello el ciclo de halogenuro de W contrarresta el ennegrecimiento de
la pared. Sin embargo, las lámparas conocidas presentan un
rendimiento de flujo luminoso relativo moderado.
El documento
US-A-2003/0102808 da a conocer una
lámpara de halogenuros metálicos que comprende xenón como gas
inerte y una sal ionizable que comprende NaI, TlI, CaI_{2} y al
menos un yoduro de tierras raras.
Un objetivo de esta invención es obviar estas
desventajas, particularmente proponer una lámpara de halogenuros
metálicos que funcione de tal manera que se evite dicha corrosión de
la (pared de las) clavijas extendidas y dicha inestabilidad de
color.
Según la presente invención, este objetivo se
consigue con una lámpara del tipo referido en la introducción en la
que dicha sal ionizable comprende NaI, TlI, CaI_{2} y yoduro de X,
donde X es uno o más metales de tierras raras seleccionados del
grupo que comprende Ce, Pr, Nd, es decir cerio, praseodimio y
neodimio. Una amplia investigación ha mostrado sorprendentemente
que las sales que comprenden NaI, TlI, CaI_{2} y yoduro de X no
son agresivas y son sólo ligeramente sensibles para variaciones
amplias en la potencia de lámpara y por tanto en la temperatura del
punto más frío, por ejemplo en la ubicación de los vacíos
mencionados anteriormente, y estas sales presentan relativamente
menos tendencia a la segregación, es decir, cambios en la razón de
mezcla de sal en el punto más frío debido por ejemplo a la
corrosión o transporte de dichas sales, y por tanto hacen a la
lámpara relativamente insensible para realizar cambios de color
debido a la segregación. Para completar, se indica que Na, Tl, Ca e
I significan sodio, talio, calcio y yodo, respectivamente.
Además, según la invención, siendo X la cantidad
total de tierra raras, la razón en porcentaje molar de yoduro de X
(NaI + TlI + CaI_{2} + yoduro de X) se encuentra entre el 0,5 y el
7% más en particular entre el 1 y el 6. Para una cantidad de X
demasiado baja los experimentos han mostrado que los electrodos
alcanzan valores demasiado elevados de temperatura para funcionar
de manera satisfactoria. Con cantidades de X por encima del máximo
indicado resulta que es
imposible mantener ciclos de halogenuro de W en el recipiente de descarga durante el funcionamiento de la lámpara.
imposible mantener ciclos de halogenuro de W en el recipiente de descarga durante el funcionamiento de la lámpara.
Preferiblemente, siendo X la cantidad total de
tierra rara, la razón en porcentaje molar CaI_{2}/ (NaI + TlI +
CaI_{2} + yoduro de X) se encuentra entre el 10 y el 95%. Cuando
la cantidad de CaI_{2} se elige fuera del rango indicado los
ciclos de halogenuro de W no se desarrollarán de manera adecuada en
el recipiente de descarga durante el funcionamiento de la
lámpara.
En otra realización preferida de una lámpara
según la invención la cantidad de NaI, TlI, CaI_{2} y yoduro de X
se encuentra entre 0,001 y 0,5 g/cm^{3}, en particular entre 0,025
y 0,3 g/cm^{3}. El volumen del recipiente de descarga varía
particularmente entre 0,008 y 2,5 cm^{3}.
En una realización preferida de una lámpara
según la invención la carga comprende mercurio (Hg). Como
alternativa, la carga de lámpara no contiene mercurio.
Disponer de una lámpara que durante su
funcionamiento nominal estable emite luz que tiene una temperatura
T_{c} de color superior a 3500K la carga de una realización
preferida de la lámpara según la invención también comprende un
halogenuro seleccionado de Mn e Ir. Los experimentos han mostrado
que con la adición de un halogenuro de Mn e Ir el punto de color en
el triángulo de color que tiene coordenadas X, Y, de la luz emitida
por la lámpara puede ajustarse principalmente a lo largo del eje X
del triángulo de color. Variar la cantidad de halogenuro de Tl en
la carga tiene un impacto mayor sobre el ajuste a lo largo del eje
Y. El funcionamiento nominal estable significa a este respecto que
la lámpara se hace funcionar a una potencia y tensión para la que
ha sido diseñada. La potencia diseñada de la lámpara se denomina
potencia nominal.
Para prever las circunstancias requeridas
durante el funcionamiento nominal de la lámpara para mantener un
ciclo de halogenuro de W adecuado, es necesario que la temperatura
de la pared de la lámpara de descarga esté a un nivel mínimo. Según
los experimentos este requisito se cumple preferiblemente si la
lámpara tiene una carga de pared de al menos 30 W/cm^{2} durante
el funcionamiento nominal estable. La carga de pared como se define
en la presente memoria es la razón de la potencia de lámpara
respecto a la superficie de la pared interna del recipiente de
descarga medida sobre la distancia de electrodo EA.
Por otra parte, el calor generado por el
electrodo se utiliza preferiblemente para mantener las partes de
extremo del recipiente de descarga al menos a un nivel de
temperatura requerido durante el funcionamiento de la lámpara. Un
aspecto es el nivel requerido necesario para un ciclo de halogenuro
de W adecuado. Un aspecto adicional es definir la temperatura del
punto más frío para los componentes de carga, que están saturados
durante el funcionamiento continuado de la lámpara. A este respecto
una lámpara preferida según la invención tiene al menos un
electrodo que se extiende dentro del recipiente de descarga sobre
una longitud que forma una distancia (t-b) de la
punta a la parte inferior de electrodo entre la pared del recipiente
de descarga y la punta de electrodo, distancia
(t-b) de la punta a la parte inferior que es como
máximo 4,5 mm. En particular para una lámpara según la invención
que tiene un recipiente de descarga con una sección transversal
rectangular a lo largo del circuito de descarga la
t-b es preferiblemente como máximo 3,5 mm.
Preferiblemente cada electrodo cumple los requisitos
t-b como medio muy efectivo al diseñar una lámpara
con una posición de encendido universal. Un incremento adicional de
la distancia de la punta a la parte inferior dará como resultado una
fuerte reducción de la eficacia luminosa de la lámpara.
Generalmente también dará como resultado un descenso en la
reproducción cromática resultante de la luz emitida por la lámpara,
que hará a la lámpara inadecuada para su aplicación específica.
La punta de electrodo recuperará durante el
funcionamiento continuo un valor relativo bajo debido a la presencia
de Ce, Pr o Nd. Por consiguiente se logra una reducción ventajosa
de la t-b, mejorando el control de equilibrio de
calor y por tanto la temperatura de la pared del recipiente de
descarga cerca de los electrodos. Ventajosamente también fomenta la
miniaturización del recipiente de descarga globalmente.
La invención también se refiere a una lámpara de
halogenuros metálicos que va a utilizarse en un faro de vehículo
según la invención.
A continuación se explicará la invención con más
detalle con referencia a las figuras ilustradas en un dibujo, en el
que:
la figura 1 muestra una realización preferida de
una lámpara según la invención en un alzado lateral;
la figura 2 muestra el recipiente de descarga de
la lámpara de la figura 1 en detalle, y
la figura 3 muestra una realización preferida
adicional que tiene una recipiente de descarga conformado.
La figura 1 muestra una lámpara de halogenuros
metálicos dotada de un recipiente 3 de descarga que tiene una pared
cerámica que encierra un espacio 11 de descarga que contiene una
carga ionizable. Dos electrodos 4,5 de tungsteno con puntas 4b, 5b
a una distancia EA mutua están dispuestos en el espacio de descarga,
de modo que definen un circuito de descarga entre sí. El recipiente
de descarga tiene un diámetro Di interno al menos sobre la
distancia EA. Cada electrodo 4,5 se extiende dentro del recipiente 3
de descarga sobre una longitud que forma una distancia (figura 2:
t-b) de la punta a la parte inferior entre la pared
del recipiente de descarga y la punta 4b,5b de electrodo. El
recipiente de descarga está cerrado por un lado mediante una clavija
34,35 sobresaliente cerámica que encierra un conductor (figura
2:40,41,50,51) que deja pasar la corriente a un electrodo 4,5
situado en el recipiente de descarga con un espacio intermedio
estrecho y está conectado a este conductor de manera estanca a los
gases mediante una junta (figura 2: 10) de cerámica de fusión en un
extremo alejado del espacio de descarga. El recipiente de descarga
está rodeado por una ampolla 1 exterior que está dotada de un
portalámparas 2 en un extremo. Una descarga se extenderá entre los
electrodos 4,5 cuando la lámpara esté en funcionamiento. El
electrodo 4 está conectado a un primer contacto eléctrico que forma
parte del portalámparas 2 a través de un conductor 8 de corriente.
El electrodo 5 está conectado a un segundo contacto eléctrico que
forma parte del portalámparas 2 a través de un conductor 9 de
corriente. El recipiente de descarga, mostrado con más detalle en
la figura 2 (a escala no real) tiene una pared cerámica y está
formado a partir de una parte cilíndrica con un diámetro Di interno
que está limitado en ambos extremos por una clavija 34, 35
sobresaliente cerámica respectiva que está sujeta de manera estanca
a los gases en la parte cilíndrica mediante una junta S
sinterizada. Las clavijas 34,35 sobresalientes cerámicas encierran
cada una estrechamente un conductor 40,41,50,51 que deja pasar la
corriente de un electrodo 4,5 relevante que tiene una punta 4b,5b.
El conductor que deja pasar la corriente está conectado a la
clavija 34,35 sobresaliente cerámica de manera estanca a los gases
mediante una junta 10 de cerámica de fusión en el lado alejado del
espacio de descarga. Las puntas 4b,5b de electrodo están dispuestas
a una distancia EA entre sí. Los conductores que dejan pasar la
corriente comprende cada uno una parte 41,51 resistente al
halogenuro, por ejemplo en la forma de un cermet de
Mo-Al_{2}O_{3} y una parte 40,50 que está
sujeta a una clavija 34,35 de extremo respectiva de manera estanca a
los gases mediante una junta 10 de cerámica de fusión. La junta de
cerámica de fusión se extiende sobre alguna distancia, por ejemplo
aproximadamente 1mm, sobre el cermet 40,41 de Mo. Es posible que las
partes 41,51 se formen de manera alternativa en lugar de a partir
de un cermet de Mo-Al_{2}O_{3}. Se conocen otras
construcciones posibles, por ejemplo, por el documento EP 0 587
238. Se descubrió que una construcción particularmente adecuada era
un material resistente al halogenuro. Las partes 40,50 están
fabricadas a partir de un metal cuyo coeficiente de dilatación se
corresponde de forma óptima con el de las clavijas de extremo. Por
ejemplo, para este fin Nb es un material altamente adecuado. Las
partes 40,50 están conectadas a los conductores 8,9 de corriente de
una forma que no se muestra en ningún detalle. Cada uno de los
electrodos 4,5 comprende una varilla 4a, 5a de electrodo que está
dotada de una punta 4b,5b.
En la figura 3 (que no está a escala) se muestra
una realización preferida adicional de la lámpara según la
invención. Las partes de lámpara que se corresponden con las
mostradas en las figuras 1 y 2 se han dotado de los mismos números
de referencia. El recipiente 3 de descarga dispone de una pared 2
conformada que encierra el espacio 11 de descarga. En el caso
mostrado la pared conformada forma un elipsoide. Alternativamente,
también son posibles otras formas como por ejemplo esferoide .
En una realización práctica de la lámpara tal
como se representa en el dibujo se fabricaron varias lámparas con
una potencia nominal de 30W cada una. Las lámparas son para su uso
como faros para un vehículo de motor. La carga ionizable del
recipiente 3 de descarga de cada lámpara individual comprende yoduro
100 mg/cm^{3}, que comprende NaI, TlI, CaI_{2} y CeI_{3}. La
carga comprende además Xe con una presión de carga a temperatura
ambiente de 16 bares. La distancia EA entre las puntas 4a,5a de
electrodo es 4 mm, el diámetro Di interno es 1,3 mm, de modo que la
razón EA/Di=3,1. La distancia t-b de la punta a la
parte inferior para cada electrodo es 1 mm. El espesor de la pared
del recipiente 3 de carga es 0,4 mm. La lámpara descrita tiene un
funcionamiento estable en carga de pared de potencia nominal de
184W/cm^{2}. La carga de pared se define en la presente memoria
como la razón de la potencia de lámpara respecto a la superficie de
la pared interna del recipiente de descarga medida sobre la
distancia EA de electrodo. Se han fabricado y probado un número
elevado de realizaciones de lámparas según la invención. En una
primera serie se han probado lámparas que tenían un recipiente de
descarga cilíndrico con un diámetro Di interno de 4mm y con una
carga que comprende además de mercurio y xenón un 71,4% molar de
NaI, un 2,4% molar de TlI, un 23,6% molar de CaI_{2} y un 2,7%
molar de CeI_{3}.Las propiedades de las lámparas y los resultados
de las pruebas se recogen a continuación.
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Los valores en las columnas tituladas
"Eficacia luminosa" y "Temperatura de color T_{c}" se
refieren a los resultados después de que la lámpara haya estado
funcionando durante 100 horas. El mantenimiento de lumen indicado
en % en la última columna está relacionado con la duración indicada
en la columna "Duración".
De los resultados mostrados en la Tabla 1 se
deduce que la invención da como resultado una lámpara con un
rendimiento lumínico estable y duradero. Durante el tiempo de vida
útil de la lámpara no se produjo ningún cambio significativo en las
propiedades de color de la luz emitida.
En la Tabla II se ofrecen datos principales de
una serie de realizaciones adicional.
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Para las lámparas número 10 a 13 la distancia EA
de electrodo es 7 mm. Respecto a la vida útil de las lámparas según
se indica en la Tabla II no muestran ningún cambio significativo en
las propiedades de color de la luz emitida.
Asimismo se han fabricado y probado varias
lámparas de alto voltaje. Estas lámparas tenían una potencia nominal
de 400W y se dotaron de un recipiente de descarga cilíndrico. Los
datos principales se indican en la Tabla III.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
En la lámpara número 17 la carga comprendió
adicionalmente 0,25 mg de InI. El volumen del recipiente de descarga
varió desde 2,1 mm^{3} para la lámpara número 15 hasta 2,4
mm^{3} para las demás lámparas. Todas las lámparas mostraron
propiedades de color muy estables respecto al tiempo de vida útil
indicado.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Los datos y resultados de realizaciones
adicionales según la invención, que están previstos específicamente
para iluminación general se indican a continuación.
Claims (10)
1. Lámpara de halogenuros metálicos que
comprende un recipiente de descarga rodeado por una envoltura
exterior con separación y que tiene una pared cerámica que encierra
un espacio de descarga llenado con una carga que comprende un gas
inerte, tal como xenón (Xe), y una sal ionizable, en la que en dicho
espacio de descarga están dispuestos dos electrodos cuyas puntas
presentan un espacio intermedio mutuo de modo que se define un
circuito de descarga entre sí, dicha sal ionizable comprende NaI,
TlI, CaI2 y yoduro de X, en el que X es al menos un metal de
tierras raras caracterizado porque X es uno o más metales de
tierras raras seleccionado del grupo Ce, Pr, Nd y porque la razón
en porcentaje molar de yoduro de X/(NaI + TlI + CaI2 + yoduro de X)
se encuentra entre el 0,5 y el 7%, más en particular entre el 1 y el
6%.
2. Lámpara según la reivindicación 1, en la que
la razón en porcentaje molar de CaI2/(NaI + TlI + CaI2 + yoduro de
X) se encuentra entre el 10 y el 95%.
3. Lámpara según la reivindicación 1 ó 2, en la
que la cantidad de NaI, TlI, CaI2 y yoduro de X se encuentra entre
0,001 y 0,5 g/cm^{3}, en particular entre 0,025 y 0,3
g/cm^{3}.
4. Lámpara según la reivindicación 1, 2 ó 3, que
emite luz durante un funcionamiento nominal estable presentando una
temperatura Tc de color superior a 3500K, en la que la carga del
espacio de descarga también comprende un halogenuro seleccionado de
Mn e In.
5. Lámpara según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 4, en la que la carga comprende
Hg.
6. Lámpara según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 5, en la que la lámpara tiene una
carga de pared durante un funcionamiento estable a una potencia
nominal de al menos 30 W/cm^{2}.
7. Lámpara según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 6, en la que al menos un electrodo
se extiende dentro del recipiente de descarga sobre una longitud
que forma una distancia (t-b) de la punta a la parte
inferior entre la pared del recipiente de descarga y la punta de
electrodo y cuya distancia (t-b) de la punta a la
parte inferior es como máximo 4,5 mm.
8. Lámpara según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 7, en la que el recipiente de
descarga tiene una sección transversal rectangular a lo largo del
circuito de descarga y en la que la distancia (t-b)
de la punta a la parte inferior es como máximo 3,5 mm.
9. Lámpara según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 6, en la que la carga del recipiente
de descarga está libre de Cs.
10. Lámpara de halogenuros metálicos que va a
utilizarse en un faro de vehículo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 1 a 3.
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