WO2008012228A1 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

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WO2008012228A1
WO2008012228A1 PCT/EP2007/057316 EP2007057316W WO2008012228A1 WO 2008012228 A1 WO2008012228 A1 WO 2008012228A1 EP 2007057316 W EP2007057316 W EP 2007057316W WO 2008012228 A1 WO2008012228 A1 WO 2008012228A1
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WO
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discharge lamp
pressure discharge
lamp according
radiation
discharge vessel
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/057316
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marko KÄNING
Bernhard Schalk
Lothar Hitzschke
Steffen Franke
Ralf-Peter Methling
Helmut Hess
Heinz SCHÖPP
Hartmut Schneidenbach
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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Publication date
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    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
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    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure

Definitions

  • the present invention relates to a high pressure discharge lamp.
  • High-pressure discharge lamps in particular so-called HID lamps, have been known for a long time. They are used for various purposes, especially for applications in which a relatively good color rendering and a fairly good light output are required. These two sizes are usually in an interplay, d. H. an improvement of one size worsens the other and vice versa. In general lighting applications, color reproduction is usually more important, but, for example, in street lighting, it is the other way round.
  • High-pressure discharge lamps are also characterized by a high compared to the size of the lamp or the size of the light-emitting region of the lamp high power.
  • High-pressure discharge lamps have been the subject of constant improvements for some time with regard to these properties.
  • the object of the present invention is also to specify a high-pressure discharge lamp which is improved with regard to a good overall combination of luminous efficacy and color rendering properties.
  • the invention is directed to a high-pressure discharge lamp with a discharge vessel, which contains electrodes, at least one noble gas as starting gas, at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn for sheet transfer and discharge vessel wall heating and at least one rare earth halide for the generation of radiation, which is designed so that the generated light is dominated by molecular radiation.
  • the invention relates in particular to a lighting system from the High pressure discharge lamp together with a suitable electronic ballast for their operation.
  • Discharge plasma can be involved in the generation of radiation.
  • thermalization Absorption properties and thus to allow a stronger thermalization.
  • the term thermalization is to be understood locally.
  • a lamp according to the invention has a noble gas or noble gas mixture as a starting or buffer gas, the noble gases Xe, Ar, Kr, and below very particularly Xe, are preferred.
  • Typical Kalt Schollpartial horre the starting gas are in the range of 10 mbar to 15 bar and preferably between 50 mbar and 10 bar, more preferably between 500 mbar and 5 bar and most preferably between 500 mbar and 2 bar.
  • a Bogenüberddling- and vessel wall heating component is provided which has at least one element selected from the group consisting of Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn.
  • These elements can be present as halides, in particular iodides or bromides, and also be introduced in this form, for example as AlI 3 or TlI.
  • the start and buffer gas provides the cold start capability and ignition of the discharge. After sufficient warming, the chemical transfer or, in the case of Al, Mg, In, Hg and Zn, possibly also elemental extant sheet transfer and
  • This rare earth halide is preferably composed of one element of the group of Tm, Dy, Ce, Ho, Gd, preferably the group of Tm, Dy, and most preferably Tm. These are, as above, preferably iodides or bromides. An example is TmI3.
  • rare earth elements can be introduced in particular as triiodides, which become temperature-dependent to diiodides and finally monoiodides.
  • Particularly effective for the invention are the temporarily formed rare earth monoiodides or general monohalides.
  • the role of the rare earth halides is not limited to the generation of the desired continuous radiation. They simultaneously serve for arc contraction, that is for the reduction of the temperature in the contraction regions and corresponding change in the ohmic resistance of the plasma.
  • the components Hg and Zn may also play a positive role in connection with wall interactions, for example, or may be desirable for further increasing the lamp voltage and, therefore, be included despite the actual dispensability of a voltage generator.
  • the plasma should be optically thick over as wide a visible spectral range as possible. This means that there is a further thermalization of the radiation before its exit from the lamp, which produces a desired proximity to a Planck-like spectral distribution, compared to conventional high-pressure discharge lamps. Planck's spectral distribution corresponds to the idealized blackbody and is perceived as "natural" in human sensory perception.
  • the proximity to Planck's radiation behavior can be measured with the so-called chromaticity difference ⁇ C.
  • the lamp according to the invention should have a good, ie small, ⁇ C value.
  • ⁇ C ⁇ C
  • the high-pressure discharge lamp according to the invention good luminous efficiencies can be achieved, preferably over 90 lm / W.
  • the color rendering properties should be good, preferably with a color rendering index Ra of at least 90.
  • the color rendering properties or the luminous efficacy can clearly be in the foreground in the execution of the invention, for example the luminous efficacy in street lighting.
  • the preferred area of application of the invention is the high quality general lighting, which ultimately depends on both sizes.
  • atomic fraction The domination by molecular radiation is quantified in one embodiment of the invention by a parameter AL, which is referred to herein as "atomic fraction".
  • Claim 12 specifies the determination of this atomic fraction AL. It is preferably at most 40%, better 35%, 30% or even at most 25%, even with quartz discharge vessels. For ceramic discharge vessels, it is more preferably at most 20%, better 15% and even at most 10%.
  • the particular stability with variation of the performance is achieved by combining several rare earth halides appropriately as molecular radiators.
  • Two groups of rare earth halides are used together.
  • a particularly suitable member of this group is Tm halide, in particular TmJ3.
  • a particularly suitable member of this group is Dy-halide, especially DyJ3.
  • Another well-suited member of this group is GdJ3, which in particular can be used in addition to Dy-halide.
  • Particularly suitable is a mixture containing about equal molar amounts of the first and second group, in particular 25 to 75 mol% of the first group. Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a ceramic discharge vessel.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a high-pressure discharge lamp according to the invention with a quartz glass discharge vessel.
  • Figure 3 shows a schematic diagram with an electronic ballast and a
  • FIGS. 4 to 6 show emission spectra of the lamps from FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 7 shows a diagram of the spectral eye sensitivity curve.
  • FIG. 8 shows the emission spectrum from FIG. 4 in comparison with a Planck curve.
  • FIG. 9 shows, in six individual diagrams, various characteristics of the lamp from FIG. 1 as a function of the lamp power.
  • Figure 10-11 shows the chromaticity aberration and color temperature as a function of the lamp power for different fillings.
  • FIG. 12 shows the radiation spectrum of two fillings.
  • Figure 13-16 shows chromaticity aberration and color temperature as a function of lamp power for a series of rare earths.
  • FIG. 17 shows the emission spectrum of a high-pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture.
  • Figure 18-19 shows the radiation spectrum for two lamps according to the prior art.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show schematic sectional views of high-pressure discharge lamps according to the invention.
  • Figure 1 shows a lamp with a discharge vessel 1 made of Al 2 O 3 - ceramic.
  • the current flow through the arc discharge is made possible by tungsten electrodes 2 which are mounted in the discharge vessel on both sides and which are introduced into the discharge vessel via a feedthrough system 3.
  • the feedthrough system is made of molybdenum pins and is welded to the electrode as well as to the external power supply (not shown in the figure).
  • FIG. 2 shows a lamp with a discharge vessel 10 made of quartz glass.
  • the tungsten electrodes 2 are here welded to a molybdenum foil 13.
  • the quartz glass discharge vessel is sealed by a pinch.
  • the molybdenum foils are also welded to the respective outer power supply 4.
  • the characteristic dimensions of the discharge vessels are the length 1, the inner diameter d and the electrode spacing a, which will be discussed later. Both the ceramic and the quartz glass discharge vessel are each in an outer bulb, not shown off
  • Quartz glass introduced, as is known.
  • Outer bulb is evacuated. From the outer bulb, the power supply over bruises that close the outer bulb seal, brought to the outside and serve for
  • ECG designated electronic ballast and the lamp shows Figure 3.
  • the discharge vessel contains a filling with Xe as starting gas and AII3 and TlI as sheet transfer and wall heating elements as well as TmI 3 .
  • the quantities and the characteristic dimensions of the discharge vessel vary depending on the design of the lamp.
  • Typical examples A1 to A6 are listed in Table 1.
  • the specified Xe pressure is the cold fill pressure.
  • the indicated iodide amounts are the absolute amounts added.
  • the above geometry parameters 1, d, a are listed.
  • the specification ⁇ C is given in thousandths (E-3).
  • the electronic ballast can be designed to excite acoustic resonances by a high-frequency amplitude modulation in a Frequency range is impressed approximately between 20 and 60 kHz.
  • acoustic resonances can be designed to excite acoustic resonances by a high-frequency amplitude modulation in a Frequency range is impressed approximately between 20 and 60 kHz.
  • An excitation of acoustic resonances in this form leads to the active stabilization of the discharge arc in the plasma, which may be particularly advantageous in connection with the present invention because of the relatively constricted shape of the temperature profile.
  • Table 1 The last four columns of Table 1 are discussed in more detail below.
  • FIGS. 4, 5 and 6 each relate to the exemplary embodiments A1, A2 and A3 and each show a spectrum of the radiation of the lamps from FIG. 1 measured with a spectral resolution of 0.3 nm after 10 h of operation in an integrating sphere or Figure 2 in the visible range between 380 nm and 780 nm.
  • the vertical axis shows the spectral power density I in mW / nm.
  • the recognizable resolution superimposed on the jagged line is in each case a curve determined by the following method for the determination of the continuous
  • Measurement is a curve I m ( ⁇ ) before. In an interval with the total width 30 nm around each wavelength value ⁇ corresponding to a measurement, ie with each
  • Wavelength value associated with a minimum I h i ( ⁇ ) in this interval This is a smoothed and basically under the measured spectral distribution I m ( ⁇ ) running
  • Wavelength value intervals of the same width ie with a total of 100 measuring points, can be used.
  • the maxima of the function I h i ( ⁇ ) are used in these intervals as function values Ih2.
  • the result is a second function, which comes a little closer to the measured curve, that is, runs between the measured curve I m ( ⁇ ) and the function I h i ( ⁇ ) with the minima.
  • the light-adapted sensitivity of the human eye is taken into account as a weighting function, thereby simultaneously restricting the integration to the visible spectral range.
  • the spectral eye sensitivity V (X) is shown in FIG. 7.
  • measured values below 380 nm and above 780 nm are also necessary at the edge of the wavelength range ,
  • the interval size for the individual steps may then be limited to the range present in the measured values.
  • I hl 390 nm
  • I h2 390 nm
  • I 11 390 nm
  • the interval corresponding to the interval width of 30 nm 375 nm to 405 nm is used, but only the interval of 380 nm up to 405 nm.
  • absorptions caused by atomic lines may lead to deep break-ins in the continuous molecular radiation. These occur in such a close
  • the spectral resolution in the measurement of I m ( ⁇ ) should be limited to the range of 0.25 nm to 0.35 nm.
  • the upper limit results from the necessity of choosing the resolution so high that the atomic lines can even be resolved.
  • the measurement I m ( ⁇ ) before the determination of I h i ( ⁇ ), I h2 ( ⁇ ) and I 11 ( ⁇ ) must have a spectral resolution within the limit of 0.25 nm to 0.35 nm are converted. This can be done for example by averaging over several adjacent measuring points.
  • the atomic fraction component integrates the part of the measurement curve remaining above the background curve constructed as described above. It measures a relative area ratio to the area under the measurement curve as a whole.
  • the atomic ratio is 4% for the ceramic lamps according to the embodiments Al and A2 and 12% for the quartz lamp according to embodiment A3. It thus turns out that as a result of the molecular dominance according to the invention, a relatively very large continuous background exists in the radiation, which has strongly suppressed the relative importance of atomic line emission.
  • FIG. 8 shows the measurement curve I m ( ⁇ ) from FIG. 4 together with a superimposed Planck curve (shown in dashed lines) for a black radiator with the temperature 3320 K.
  • FIG. 9 shows, in six individual diagrams, various characteristic data of the exemplary embodiment of the lamp Al from FIG. 1 as a function of the lamp power in each case on the horizontal axis. From left to right you can see the luminous flux ⁇ , the color rendering index Ra, the luminous efficacy ⁇ and below from left to right the lamp voltage U and the lamp current I, where the lower points of the right current axis and the upper points of the left voltage axis represent squares are assigned, the chroma difference .DELTA.C and finally the most similar color temperature T n , ie the temperature of the color-like black radiator.
  • the color rendering index and the chromaticity difference are strongly performance-dependent and assume particularly good values at values of 180 W. The light output deteriorates only slightly. Here it is not recommended to go well beyond 180 W. It can thus be seen that with the invention, especially with respect to the discharge vessel relatively high power High pressure discharge lamps with unusually good color rendering properties can be produced.
  • Xe can also very well be replaced in whole or in part by Ar or Kr or a noble gas mixture.
  • AlI 3 can be replaced by InI 3 , InI or Mgl 2, again in whole or in part.
  • the rare earth halide TmI 3 can also be replaced, in particular by CeI 3 or else by other rare earth iodides or bromides or mixtures.
  • the embodiment contains a small amount of thallium iodide TlI.
  • Tl is conventionally used to increase the efficiency due to its resonance line at 535 nm.
  • Figures 4 to 6 show that this makes no significant contribution to the radiation.
  • the function of the TlI consists here only in the sheet transfer and an additional sheet stabilization. In this respect, care must be taken with this component, as Tl also has lines in the infrared and acts there similar to Na, K or Ca.
  • the conditions in the lamp should therefore be designed so that the atomic line emission in a broad spectral range of the continuum in the visible does not play a significant role, the plasma is therefore substantially optically thick in this wavelength range for this radiation or this radiation to a lesser extent is produced.
  • the molecular emission of rare earth halides, in particular monohalides should be promoted from the plasma to a maximum extent, in particular by virtue of the fact that arc cooling by radiation in the spectral range, in which the plasma is no longer sufficiently optically thick, is minimized.
  • this spectral range extends from 380 nm to about 600 nm and is therefore relatively large. However, such large areas are not mandatory.
  • FIG. 18 This is a lamp with a ceramic discharge vessel of FIG. 18.
  • Type HCI-TS WDL 150W (manufacturer OSRAM), which after ten
  • FIG. 10 shows the already described constructed curve for the underground.
  • Another high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel of the type CDM-TD 942 150W (manufacturer Philips) with spectral distribution according to FIG. 19 shows an AL value of 37%.
  • a molecular radiation dominated preferably Hg-free high-pressure discharge lamp is described below, which is characterized by good efficiency and color reproduction over a wide power range.
  • FIGS. 10 and 11 show the characteristic curves for ⁇ C and T n .
  • the area of the operating point is shown in dashed lines.
  • FIGS. 13 to 16 are each a high-pressure discharge lamp with a ceramic discharge vessel based on a filling with 1 bar of Xe, 2 mg of AlJ3, 0.5 mg of TlJ and a halide of a rare earth metal. Shown is the behavior of the rare earth metals CeJ3, PrJ3, NdJ3, GdJ3, DyJ3, TmJ3, YbJ2, and HoJ3.
  • FIG. 16 illustrates that, as representatives of a first group in which the chromaticity aberration ⁇ C decreases with increasing power, above all Tm and Ho come into question because they reach values of ⁇ C close to zero in sections or also have a flat gradient in sections. Further representatives of this group are shown in FIG.
  • the high-pressure discharge lamp with ceramic discharge vessel has as filling 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0.5 mg TlJ and 4 mg HoJ3 (example rhombus) and based on a filling with 1 bar of Xe, 2 mg of A1J3, 0.5 mg of TIJ and 4 mg of GdJ3 (Example
  • Color difference DC (P) with power variation When using HoJ3 alone, the color temperature is particularly constant as a function of the power variation.
  • a suitable combination of TmI 3 and DyI 3 is particularly preferred, because it allows to set the power dependence of DC and T n at a particularly high efficiency.
  • a suitable combination is advantageously a mixture containing 25 to 75 mol .-% TmI 3 , remainder DyI3. Particularly preferred is a proportion of 45 to 55 mol .-% TmI 3 .
  • a concrete example with a 1: 1 mixture is shown in FIG. 10 with respect to the chromaticity aberration ⁇ C and in FIG. 11 with respect to the change of the color temperature.
  • Another good example is the use of TmI3 and HoI3 together with DyI3.
  • a suitable combination of these two groups of molecular radiators leads to spectra characterized by a particularly flat profile of ⁇ C (P) close to zero ( ⁇ C ⁇ 2E-3), as shown in FIGS. 15 and 16.
  • P ⁇ C
  • Figure 17 shows that Abstrahlungsspektrum a high-pressure discharge lamp with Tm / Dy mixture as described concretely in Figure 10 and 11.
  • the fillings of the lamps all contained 1 bar Xe (cold fill pressure), 2 mg AlI 3 and 0.5 mg TlI.
  • 4 mg TmI 3 , 4 mg DyI 3 and 2 mg TmI 3 + 2 mg DyI 3 were added to the lamps as dominating molecular radiators.
  • DyI 3 or in addition to DyI 3 GdI 3 may preferably be used.

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), welches enthält: Elektroden (2), zumindest ein Edelgas als Startgas, zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn zur Bogenübernahme und Entladungsgefäßwandheizung und zumindest ein Seltenerdhalogenid, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.

Description

Beschreibung
Titel: Hochdruckentladungslampe
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe .
Stand der Technik
Hochdruckentladungslampen, insbesondere sog. HID-Lampen, sind seit langer Zeit bekannt. Sie dienen zu verschiedenen Zwecken, vor allem auch für Anwendungen, bei denen eine relativ gute Farbwiedergabe und eine recht gute Lichtausbeute gefragt sind. Diese beiden Größen stehen dabei üblicherweise in einem Wechselspiel, d. h. eine Verbesserung der einen Größe verschlechtert die andere und umgekehrt. Bei allgemeinen Beleuchtungsanwendungen ist die Farbwiedergabe in der Regel wichtiger, beispielsweise bei der Straßenbeleuchtung verhält es sich aber umgekehrt.
Hochdruckentladungslampen zeichnen sich ferner durch eine im Vergleich zur Größe der Lampe oder zur Größe des lichtabstrahlenden Bereichs der Lampe hohe Leistung aus.
Unter Hochdruckentladungslampen werden hier und im weiteren nur solche Lampen verstanden, die innerhalb des Entladungsgefäßes Elektroden besitzen. Es existiert eine sehr große Anzahl von Publikationen sowie eine gewaltige Menge an Patentliteratur zu Hochentladungslampen, beispielsweise WO 99/05699, WO 98/25294, sowie Born, M., Plasma Sources Sei. Technol., 11, 2002, A55. Einzelne Füllungskomponenten wurden auch in Mikrowellenentladungen untersucht, z. B. in BMBF-Projekt, Abschlußbericht, FKZ: 13N 7412/6, 2001, S. 3-8, S. 86-87 und S. 89-90. Mikrowellenentladungen zeigen dabei zu elektrodenbehafteten Entladungen den Unterschied, die Heizung des Entladungsgases vom Randbereich aus anstatt von innen heraus vorzunehmen. Damit werden andere Temperaturprofile eingestellt als mit elektrodenbehafteten Entladungen .
Darstellung der Erfindung
Hochdruckentladungslampen sind im Hinblick auf diese Eigenschaften seit geraumer Zeit Gegenstand ständiger Verbesserungen. Auch die vorliegende Erfindung hat zum Ziel eine im Hinblick auf eine gute Gesamtkombination von Lichtausbeute und Farbwiedergabeeigenschaften verbesserte Hochdruckentladungslampe anzugeben.
Die Erfindung richtet sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, welches enthält: Elektroden, zumindest ein Edelgas als Startgas, zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn zur Bogenübernahme und Entladungsgefäßwandheizung und zumindest ein Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden ebenfalls im Folgenden näher erläutert. Die Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auch auf ein Beleuchtungssystem aus der Hochdruckentladungslampe zusammen mit einem passenden elektronischen Vorschaltgerät zu deren Betrieb.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, bei der
Lichterzeugung der Hochdruckentladungslampe die von Molekülen im Entladungsmedium erzeugte Strahlung in stark dominierender Weise auszunutzen. Zu diesem Zweck wird das
Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung vorgesehen, wobei natürlich auch andere Bestandteile des
Entladungsplasmas an der Strahlungserzeugung beteiligt sein können.
Konventionelle Hochdruckentladungslampen werden von atomarer Strahlung dominiert. Molekulare Strahlung tritt konventioneller Weise untergeordnet auf und hat dabei im Vergleich zu atomarer Strahlung eine breitbandigere Spektralverteilung, kann also breitere Wellenlängensegmente vollständig mit Strahlung ausfüllen. Im Gegensatz dazu ist atomare Strahlung von Natur aus Linienstrahlung, bei der in konventionellen Lampen allerdings durch eine Vielzahl von Linien und verschiedene Verbreiterungsmechanismen eine gewisse Verbesserung der grundsätzlich beschränkten Farbwiedergabeeigenschaften von Linienstrahlung gelungen ist. In der Regel sind jedoch die durch solche Mechanismen erzeugten Segmente deutlich kleiner als bei Molekülstrahlung und sind ferner die Linienbreiten von Atomen fest mit weiteren Teilchendichten in komplizierter Weise korreliert, wobei die Beeinflussung von Teilchendichten in der Lampe sehr schwierig ist.
Die Betonung von Molekülen für den Strahlungshaushalt der Lampe hat hier gleichzeitig die Auswirkung, gute -A-
Absorptionseigenschaften und damit eine stärkere Thermalisierung zu ermöglichen. Der Begriff der Thermalisierung ist dabei lokal zu verstehen. Man spricht vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht, weil tatsächlich natürlich keine homogene Temperaturverteilung existiert .
Eine erfindungsgemäße Lampe weist ein Edelgas oder Edelgasgemisch als Start- oder Puffergas auf, wobei die Edelgase Xe, Ar, Kr, und darunter ganz besonders Xe, bevorzugt sind. Typische Kaltfüllpartialdrucke des Startgases liegen im Bereich von 10 mbar bis 15 bar und vorzugsweise zwischen 50 mbar und 10 bar, weiter vorzugsweise zwischen 500 mbar und 5 bar und ganz besonders bevorzugter Weise zwischen 500 mbar und 2 bar. Ferner ist eine Bogenübernahme- und Gefäßwandheizungskomponente vorgesehen, die zumindest ein Element aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn aufweist. Diese Elemente können dabei als Halogenide, insbesondere Iodide oder Bromide vorliegen und in dieser Form auch eingefüllt werden, etwa als AlI3 oder TlI. Das Start- und Puffergas sorgt für die Kaltstartfähigkeit und -zündung der Entladung. Nach hinreichender Erwärmung verdampfen die in chemischer Verbindung oder im Falle von Al, Mg, In, Hg und Zn möglicherweise auch elementar vorliegenden Bogenübernahme- und
Gefäßwandheizungselemente. Die entsprechenden chemischen Komponenten im resultierenden Plasma übernehmen den Bogen. Infolge der veränderten Plasmaeigenschaften erhöht sich die Wandtemperatur, womit auch das zumindest eine Seltenerdhalogenid in die Dampfphase übergeht. Dieses Seltenerdhalogenid ist vorzugsweise mit einem Element aus der Gruppe aus Tm, Dy, Ce, Ho, Gd, vorzugsweise der Gruppe aus Tm, Dy, und ganz besonders bevorzugt Tm, gebildet. Es handelt sich dabei, wie oben, vorzugsweise um Iodide oder Bromide. Ein Beispiel ist TmI3. Die für den Startprozess wichtigen Komponenten, also das Startgas und die Bogenübernahme- und Gefäßwandheizungselemente, spielen für die Abstrahlung jetzt möglicherweise nur noch eine untergeordnete Rolle.
Im Unterschied zu konventionellen Hochdruckentladungslampen entsteht nun ein Bogen, der von der molekularen Abstrahlung insbesondere der Seltenerdhalogenide dominiert ist. Insbesondere Thuliummonoiodid TmI kommt in Betracht, das sich aus dem eingefüllten Triiodid TmI3 bildet.
Grundsätzlich können Seltenerdelemente insbesondere als Triiodide eingefüllt werden, die temperaturabhängig zu Diiodiden und schließlich Monoiodiden werden. Besonders wirksam für die Erfindung sind die temporär gebildeten Seltenerdmonoiodide bzw. allgemein -monohalogenide .
Die Rolle der Seltenerdhalogenide ist nicht auf die Erzeugung der gewünschten kontinuierlichen Strahlung begrenzt. Sie dienen gleichzeitig zur Bogenkontraktion, also zur Reduktion der Temperatur in den Kontraktionsbereichen und entsprechenden Veränderung des Ohmschen Widerstandes des Plasmas.
Bei konventionellen Hochdruckentladungslampen wird traditionell zwischen sogenannten Spannungsbildnern und Lichtbildnern unterschieden. Die Zugabe eines speziellen Spannungsbildners ist im vorliegenden Zusammenhang nicht unbedingt erforderlich und kann, jedenfalls ab bestimmten Mengen, auch kontraproduktiv sein. Durch die spezielle Ausbildung des Temperaturprofils in Form des kontrahierten Bogens übernehmen offenbar ohnehin im Entladungskern enthaltene Spezies eine geeignete Widerstandsbildung des Plasmas. Insbesondere kann auch auf die klassischen Spannungsbildner Hg und Zn ganz oder teilweise verzichtet werden, wobei die Erfindung nicht auf Hg- bzw. Zn-freie Lampen eingeschränkt ist. Den Bestandteil Hg weglassen oder zumindest reduzieren zu können, bildet schon aus Umweltgesichtspunkten einen deutlichen Vorteil.
Die Bestandteile Hg und Zn können aber beispielsweise auch im Zusammenhang mit Wandwechselwirkungen eine positive Rolle spielen oder doch zur weiteren Erhöhung der Lampenspannung gewünscht sein und deswegen trotz der eigentlichen Verzichtbarkeit eines Spannungsbildners enthalten sein.
Zur Erzielung sehr guter Strahlungsausbeuten war es konventionellerweise üblich, auf die atomare Strahlung, insbesondere auch die von Tl und Na, zurückzugreifen. Die Notwendigkeit der Nutzung atomarer Strahlung zur Erzielung hoher Lichtausbeuten ist im vorliegenden Zusammenhang nicht nur nicht notwendig, sondern wegen der Farbwiedergabeeigenschaften, im Fall des Tl und Na vor allem wegen der unerwünschten Bogenkühlung, auch nicht erwünscht. Insbesondere sollte die Einbringung von Na ganz unterlassen werden oder deutlich eingeschränkt sein. Die Na-Strahlung im Infraroten bei etwa 819 nm und weiterer Infrarotlinien des Na können das Plasma, weil es oberhalb einer Grenzwellenlänge, etwa oberhalb von etwa 630 nm, häufig optisch recht dünn ist, weitgehend ungehindert verlassen und den Bogen kühlen. Auch wenn der Spektralbereich um die Na-Resonanzlinie bei 589 nm nicht als optisch dünn bezeichnet werden kann, würde auch diese Strahlung zu einer nicht gewünschten Kühlung der zentralen Bogenbereiche führen. Damit würden die Temperaturen im Bogen in unerwünschter Weise absinken.
Eine analoge Argumentation gilt auch für andere Spezies, die im Wellenlängenbereich von über 580 nm bedeutende Emissionsfähigkeiten besitzen, insbesondere K und Ca. Die Bestandteile Na, K und Ca sollten also vorzugsweise höchstens in solchen Mengen vorhanden sein, die für die Abstrahlungseigenschaften nicht relevant sind und die erwähnte Dominierung durch Molekülstrahlung nicht stören.
Erfindungsgemäß soll das Plasma über einen möglichst breiten sichtbaren Spektralbereich optisch dick sein. Dies bedeutet, dass es eine im Vergleich zu konventionellen Hochdruckentladungslampen weitergehende Thermalisierung der Strahlung vor ihrem Austritt aus der Lampe gibt, die eine gewünschte Nähe zu einer Planck- ähnlichen Spektralverteilung herstellt. Die Plancksche Spektralverteilung entspricht dem idealisierten schwarzen Strahler und wird in der menschlichen Sinneswahrnehmung als "natürlich" empfunden.
Im Übrigen "verbiegen" die ausgeprägten Strahlungsbeiträge der Zusätze Na, K und Ca die Spektren und verschlechtern die Nähe zum Planckschen Spektralverhalten. Linien bei Wellenlängen über 600 nm sind allerdings grundsätzlich kaum vermeidbar, weil hier die Seltenerdhalogenide nicht mehr nennenswert absorbieren und auch keine anderen Absorber zur Verfügung stehen .
Die Nähe zum Planckschen Strahlungsverhalten kann man mit dem sog. Farbartunterschied ΔC bemessen. Die erfindungsgemäße Lampe sollte einen guten, d. h. kleinen, ΔC-Wert aufweisen. Bei Verwendung von Keramikentladungsgefäßen lassen sich hier für allgemeine Beleuchtungszwecke sehr vorteilhafte Werte von | ΔC | < 10" 2 erzielen.
Mit der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe können gute Lichtausbeuten erzielt werden, und zwar vorzugsweise über 90 lm/W. Gleichzeitig sollen die Farbwiedergabeeigenschaften gut sein, und zwar vorzugsweise mit einem Farbwiedergabeindex Ra von mindestens 90.
In Einzelfällen kann bei der Ausführung der Erfindung aber eines der beiden oben erwähnten Ziele, die Farbwiedergabeeigenschaften oder die Lichtausbeute, ganz deutlich im Vordergrund stehen, etwa die Lichtausbeute bei der Straßenbeleuchtung. Der bevorzugte Bereich der Anwendung der Erfindung ist jedoch die qualitativ hochwertige Allgemeinbeleuchtung, bei der es letztlich auf beide Größen ankommt.
Die Dominierung durch Molekülstrahlung ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung durch einen Parameter AL quantifiziert, der hier als "Atomlinienanteil" bezeichnet wird. Anspruch 12 gibt die Bestimmung dieses Atomlinienanteils AL an. Er liegt vorzugsweise bei höchstens 40 %, besser 35 %, 30 % oder sogar höchstens 25 %, und zwar auch bei Quarzentladungsgefäßen. Bei Keramikentladungsgefäßen liegt er besonders bevorzugt bei höchstens 20 %, besser 15 % und sogar höchstens 10 %.
Die besondere Stabilität bei Variation der Leistung wird erzielt, indem mehrere Seltenerdhalogenide als Molekülstrahler geeignet kombiniert werden. Dabei werden zwei Gruppen von Seltenerdhalogeniden gemeinsam verwendet. Eine erste Gruppe hat die Eigenschaft, dass geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit ΔC = 0 zu größeren ΔC Werten führen, welche mit zunehmender Leistung steil von positiven zu negativen Werten übergehen. Ein besonders geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist Tm-Halogenid, insbesondere TmJ3. Eine zweite Gruppe hat die Eigenschaft, dass geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit Δ = 0 zu größeren ΔC-Werten führen, welche mit zunehmender Leistung steil von negativen zu positiven Werten übergehen. Ein besonders geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist Dy-Halogenid, insbesondere DyJ3. Ein weiterer gut geeigneter Vertreter dieser Gruppe ist GdJ3, wobei dieses insbesondere zusätzlich zu Dy-Halogenid eingesetzt werden kann. Besonders gut geeignet ist eine Mischung, die etwa gleiche molare Mengen an erster und zweiter Gruppe insbesondere 25 bis 75 mol-% der ersten Gruppe. Besonders bevorzugt ist ein Anteil von 45 bis 55 Mol.-% der ersten Gruppe .
Die günstigen Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Lampe lassen sich vor allem in Verbindung mit einem elektronischen Vorschaltgerät ausnutzen und optimieren, weswegen sich die Erfindung auch auf ein Beleuchtungssystem aus einer erfindungsgemäßen Lampe mit einem passenden elektronischen Vorschaltgerät bezieht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einem Quarzglasentladungsgefäß.
Figur 3 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einem elektronischen Vorschaltgerät und einer
Lampe nach den Figuren 1 und 2.
Figuren 4 - 6 zeigen Abstrahlungsspektren der Lampen aus den Figuren 1 und 2.
Figur 7 zeigt ein Diagramm der spektralen Augenempfindlichkeitskurve.
Figur 8 zeigt das Abstrahlungsspektrum aus Figur 4 im Vergleich mit einer Planckkurve.
Figur 9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene Kenndaten der Lampe aus Figur 1 abhängig von der Lampenleistung.
Figur 10-11 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für verschiedene Füllungen.
Figur 12 zeigt das das Abstrahlungsspektrum zweier Füllungen. Figur 13-16 zeigt die Farbartabweichung und Farbtemperatur als Funktion der Leistung der Lampe für eine Reihe Seltener Erden.
Figuren 17 zeigt das Abstrahlungsspektrum einer Hochdruckentladungslampe mit Tm/Dy-Mischung.
Figur 18-19 zeigt das Abstrahlungsspektrum für zwei Lampen gemäß dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Figur 1 und Figur 2 zeigen schematische Schnittansichten von erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen. Figur 1 zeigt eine Lampe mit einem Entladungsgefäß 1 aus AI2O3- Keramik. Der Stromfluss durch die Bogenentladung wird durch auf beiden Seiten im Entladungsgefäß angebrachte Wolfram-Elektroden 2 ermöglicht, die über ein Durchführungssystem 3 in das Entladungsgefäß eingebracht sind. Das Durchführungssystem besteht beispielsweise aus Molybdän-Stiften und ist mit der Elektrode sowie mit der (in der Abbildung nicht gezeigten) äußeren Stromzuführung verschweißt .
Figur 2 zeigt eine Lampe mit einem Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas. Die Wolfram-Elektroden 2 sind hier mit einer Molybdän-Folie 13 verschweißt. Im Bereich dieser Folie ist das Quarzglasentladungsgefäß durch eine Quetschung abgedichtet. Die Molybdän-Folien sind zudem mit der jeweiligen äußeren Stromzuführung 4 verschweißt.
Die charakteristischen Abmessungen der Entladungsgefäße sind die Länge 1, der Innendurchmesser d sowie der Elektrodenabstand a, auf die später noch eingegangen wird. Sowohl das Keramik- als auch das Quarzglasentladungsgefäß sind jeweils in einen nicht dargestellten Außenkolben aus
Quarzglas eingebracht, wie an sich bekannt. Der
Außenkolben ist evakuiert. Aus dem Außenkolben werden die Stromzuführungen über Quetschungen, die den Außenkolben dicht verschließen, nach außen gebracht und dienen zum
Anschluss der Lampe an das elektronische Vorschaltgerät
(EVG) . Dieses erzeugt aus der Netzspannung die für den
Betrieb von Hochdruckentladungslampen typische Rechteckanregung mit einer Frequenz von typischerweise
100 Hz bis 400 Hz bei einer Leistung von 35 W bis 400 W
("alternierende Gleichspannung"). Ein Prinzipschaltbild mit der kurz als AC bezeichneten Netzspannung, dem als
EVG bezeichneten elektronischen Vorschaltgerät und der Lampe zeigt Figur 3.
Das Entladungsgefäß enthält eine Füllung mit Xe als Startgas sowie AII3 und TlI als Bogenübernahme- und Wandheizungselemente sowie TmI3.
Die Füllmengen sowie die charakteristischen Abmessungen des Entladungsgefäßes variieren je nach Ausführung der Lampe .
Typische Beispiele Al bis A6 sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der angegebene Xe-Druck ist der Kaltfülldruck. Die angegebenen Iodidmengen sind die zugegebenen absoluten Mengen. Auch sind die obigen Geometrieparameter 1, d, a aufgeführt. Die Angabe Δ C ist in Tausendstel (E-3) angegeben.
Vorzugsweise kann das elektronische Vorschaltgerät dazu ausgelegt sein, akustische Resonanzen anzuregen, indem eine hochfrequente Amplitudenmodulation in einem Frequenzbereich etwa zwischen 20 und 60 kHz aufgeprägt wird. Zur näheren Erläuterung wird beispielhaft verwiesen auf das Patent EP-B 0 785 702 und die darin gegebenen Referenzen. Eine Anregung akustischer Resonanzen in dieser Form führt zur aktiven Stabilisierung des Entladungsbogens im Plasma, was insbesondere auch in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wegen der relativ eingeschnürten Form des Temperaturprofils von Vorteil sein kann.
Figure imgf000016_0001
Tabelle 1 Auf die vier letzten Spalten der Tabelle 1 wird im Folgenden näher eingegangen.
Zunächst werden Abstrahlungsspektren der Lampen zu den Ausführungsbeispielen Al, A2 und A3 dargestellt. Es wird dabei auch die Ermittlung des Atomlinienanteils AL erläutert. Die Figuren 4, 5 und 6 beziehen sich jeweils auf das Ausführungsbeispiel Al, A2 bzw. A3 und zeigen jeweils ein mit einer spektralen Auflösung von 0,3 nm nach 10 h Betrieb in einer Ulbricht-Kugel gemessenes Spektrum der Abstrahlung der Lampen aus Figur 1 bzw. Figur 2 im sichtbaren Bereich zwischen 380 nm und 780 nm. Die vertikale Achse zeigt die spektrale Leistungsdichte I in mW/nm.
Der erkennbar der Auflösung entsprechend gezackten Linie überlagert ist jeweils eine nach folgendem Verfahren bestimmte Kurve zur Bestimmung des kontinuierlichen
Untergrunds. Besonders wird hierzu auf die zusätzlichen grafischen Erläuterungen in Figur 5 verwiesen. Aus der
Messung liegt eine Kurve Im(λ) vor. In einem Intervall mit der Gesamtbreite 30 nm um jeden einer Messung entsprechenden Wellenlängenwert λ herum, also mit jeweils
50 Messwerten zu den jeweiligen Seiten, ist jedem
Wellenlängenwert ein Minimum Ihi (λ) in diesem Intervall zugeordnet. Damit ist eine geglättete und grundsätzlich unter der gemessenen Spektralverteilung Im(λ) verlaufende
Funktion Ihi (λ) gegeben.
Davon ausgehend wird eine weitere Funktion Ih2 (λ) bestimmt, wobei wiederum um jeden einzelnen
Wellenlängenwert Intervalle der gleichen Breite, also mit insgesamt 100 Messpunkten, verwendet werden. Hierbei werden jedoch jeweils die Maxima der Funktion Ihi (λ) in diesen Intervallen als Funktionswerte Ih2 verwendet. Es entsteht eine zweite Funktion, die dem gemessenen Verlauf etwas näher kommt, also zwischen dem gemessenen Verlauf Im(λ) und der Funktion Ihi (λ) mit den Minima läuft.
Davon ausgehend wird eine dritte Funktion I11 (λ) bestimmt, wobei wiederum in den 30 nm Breitenintervallen um die jeweiligen Wellenlängenwerte diesmal die Mittelwerte von Ih2 (λ) bestimmt werden. Dies glättet die Kurve Ih2 deutlich und führt bei diesem Beispiel auf die in den Figur 4 bis 6 eingezeichneten glatten Linien.
Im Grunde handelt es sich hierbei um ein nur modellhaftes und relativ einfaches Vorgehen zur Bestimmung eines realistischen kontinuierlichen Untergrundes, das jedoch objektiv und reproduzierbar ist. Mit der bestimmten Untergrundfunktion I11 (λ) und der gemessenen Spektralverteilung Im(λ) kann dann der Atomlinienanteil AL bestimmt werden als:
OO OO
AL = _
Figure imgf000018_0001
Dabei wird die helladaptierte Empfindlichkeit des menschlichen Auges als Gewichtungsfunktion mit berücksichtigt und dadurch gleichzeitig auch die Integration auf den sichtbaren Spektralbereich beschränkt. Die spektrale Augenempfindlichkeit V(X) zeigt Figur 7. Um die einzelnen Schritte zur Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) wie dargestellt mit der vollen Intervallbreite von 30 nm auszuführen, sind am Rand des Wellenlängenbereichs auch Messwerte unterhalb 380 nm und oberhalb 780 nm notwendig.
Durch die Gewichtung mit der Augenempfindlichkeit V(X), die außerhalb des Wellenlängenbereichs 380 nm bis 780 nm gleich Null ist, reicht es jedoch zur Bestimmung des Atomlinienanteils AL, die Messung nur zwischen 380 nm und 780 nm durchzuführen. Bei der Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) ist dann die Intervallgröße bei den einzelnen Schritten gegebenenfalls auf den in den Messwerten vorhandenen Bereich zu beschränken. Zur Bestimmung des Wertes von Ihl(390 nm) , Ih2(390 nm) und I11 (390 nm) wird beispielsweise nicht das der Intervallbreite von 30 nm entsprechende Intervall 375 nm bis 405 nm verwendet, sondern nur das Intervall von 380 nm bis 405 nm.
Wie beispielsweise in Figur 4 bei 535 nm zu sehen, kann es durch von Atomlinien hervorgerufene Absorptionen (hier ist es die Tl-Linie bei 535 nm) dazu kommen, dass in der kontinuierlichen Molekülstrahlung tiefe Einbrüche auftreten. Diese treten in einem so engen
Wellenlängenbereich auf, dass sie die positiven Eigenschaften der kontinuierlichen Molekülstrahlung, wie beispielsweise die gute Farbwiedergabe, nicht beeinflussen. Allerdings werden diese Einbrüche umso tiefer sowie in höherer Anzahl überhaupt sichtbar, je höher die spektrale Auflösung bei der Messung von Im(λ) ist. Liegen diese Einbrüche dichter als die Intervallbreite von 30 nm, so wird die auf die genannte Weise bestimmte Untergrundkurve I11 (λ) fälschlicher Weise nach unten gezogen. Um dies zu verhindern, ist die spektrale Auflösung bei der Messung von Im(λ) auf den Bereich 0,25 nm bis 0,35 nm zu beschränken.
Die obere Grenze ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Auflösung so hoch zu wählen, dass die Atomlinien überhaupt aufgelöst werden können.
Wird mit höherer spektraler Auflösung als 0,25 nm gemessen, muss die Messung Im(λ) vor der Bestimmung von Ihi (λ) , Ih2 (λ) und I11 (λ) auf eine spektrale Auflösung innerhalb der Grenze von 0,25 nm bis 0,35 nm umgerechnet werden. Dies kann beispielsweise durch Mittelwertbildung über mehrere benachbarte Messpunkte erfolgen.
Anschaulich gesprochen beschreibt der Atomlinienanteil integriert den über der wie oben beschrieben konstruierten Untergrundkurve verbleibenden Teil der Messkurve. Er bemisst dabei ein relatives Flächenverhältnis zu der Fläche unter der Messkurve insgesamt .
Bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen liegen die Atomlinienanteile bei 4 % für die Keramiklampen gemäß den Ausführungsbeispielen Al und A2 und bei 12 % für die Quarzlampe gemäß Ausführungsbeispiel A3. Es zeigt sich damit, dass in Folge der erfindungsgemäßen Moleküldominanz in der Abstrahlung ein relativ sehr großer kontinuierlicher Untergrund existiert, der die relative Bedeutung der atomaren Linienemission stark zurückgedrängt hat. Figur 8 zeigt die Messkurve Im(λ) aus Figur 4 zusammen mit einer überlagerten Planckkurve (gestrichelt dargestellt) für einen schwarzen Strahler der Temperatur 3320 K.
Man erkennt, dass sich das Spektrum bis in den roten Wellenlängenbereich von etwas über 600 nm sehr Planckähnlich verhält. Quantitativ bedeutet dies eine Größe des Farbartunterschieds ΔC von 3 x 10~4. Die Lichtausbeute betrug 94 lm/W bei einem Farbwiedergabeindex von Ra = 92. Damit ist dieses Ausführungsbeispiel hervorragend für die Allgemeinbeleuchtung geeignet.
Figur 9 zeigt in sechs Einzeldiagrammen verschiedene Kenndaten der als Ausführungsbeispiel dienenden Lampe Al aus Figur 1 abhängig von der Lampenleistung jeweils auf der horizontalen Achse. Von links nach rechts sieht man oben zunächst den Lichtstrom Φ, den Farbwiedergabeindex Ra, die Lichtausbeute η und unten von links nach rechts die Lampenspannung U und den Lampenstrom I, wobei die unteren als Quadrate dargestellten Punkte der rechten Stromachse und die oberen Punkte der linken Spannungsachse zugeordnet sind, den Farbartunterschied ΔC und schließlich die ähnlichste Farbtemperatur Tn, also die Temperatur des farbähnlichsten schwarzen Strahlers. Man erkennt, dass insbesondere der Farbwiedergabeindex und der Farbartunterschied stark leistungsabhängig sind und bei Werten von 180 W besonders gute Werte annehmen. Die Lichtausbeute verschlechtert sich dabei nur wenig. Hier ist es nicht empfehlenswert, deutlich über 180 W hinauszugehen. Man erkennt also, dass sich mit der Erfindung vor allem bei bezogen auf die Entladungsgefäßgröße relativ hohen Leistungen Hochdruckentladungslampen mit ungewöhnlich guten Farbwiedergabeeigenschaften herstellen lassen.
Ergänzend wird zu der Größe "Farbartunterschied ΔC" auf den CIE Technical Report 13.3 (1995) verwiesen. Es geht um die Bewertung der Qualität der Lichtfarbe einer Lampe im Hinblick auf eine als "natürlich" empfundene Sinneswahrnehmung durch den Menschen. Der Farbartunterschied ist ein Maß für die Nähe des Lampenspektrums zum Planckschen Strahlungsverhalten bis zu einer Farbtemperatur von 5000 K bzw. zu Tageslichtspektren oberhalb dieser Grenze. Es gibt Anwendungsfelder, in denen große Werte des Farbartunterschieds nicht störend sind, hingegen sollte für anspruchsvollere Beleuchtungsaufgaben beispielsweise in der Allgemeinbeleuchtung die erfindungsgemäße Lampe vorzugsweise einen Farbartunterschiedswert mit einem Betrag von unter 10~2, besser unter 5 x 10~3 und noch besser unter 2 x 10~3 aufweisen.
Die in dem Ausführungsbeispiel angesprochenen Bestandteile sind im Rahmen der Lehre dieser Erfindung durch Alternativen austauschbar, beispielsweise lässt sich Xe auch sehr gut ganz oder teilweise durch Ar oder auch Kr oder ein Edelgasgemisch ersetzen. AlI3 kann beispielsweise durch InI3, InI oder auch durch Mgl2 ersetzt werden, und zwar wiederum ganz oder teilweise. Auch das Seltenerdhalogenid TmI3 lässt sich ersetzen, insbesondere durch CeI3 oder auch durch andere Seltenerdiodide oder -bromide oder -gemische.
Es bildet einen Vorteil der Erfindung, auf Komponenten wie Hg verzichten zu können. Diese können jedoch auch mit enthalten sein. Auf die bereits erwähnten ausgeprägten Strahlungsbeiträge von Na, K und Ca soll vorzugsweise ganz oder jedenfalls soweit verzichtet werden, dass das beschriebene Kriterium zur Dominanz der Molekülstrahlung erfüllt bleibt.
Das Ausführungsbeispiel enthält eine kleine Menge Thalliumj odid TlI. Tl wird wegen seiner Resonanzlinie bei 535 nm konventionellerweise zur Effizienzerhöhung eingesetzt. Die Figuren 4 bis 6 zeigen, dass diese keinen wesentlichen Beitrag zur Abstrahlung leistet. Die Funktion des TlI besteht hier lediglich in der Bogenübernahme und einer zusätzlichen Bogenstabilisierung . Mit diesem Bestandteil ist insoweit vorsichtig umzugehen, als Tl im Infraroten ebenfalls Linien besitzt und dort ähnlich wie Na, K oder Ca wirkt.
Die Konditionen in der Lampe sollen also so ausgestaltet sein, dass die atomare Linienabstrahlung in einem möglichst großen Spektralbereich des Kontinuums im Sichtbaren keine wesentliche Rolle spielt, das Plasma also in diesem Wellenlängenbereich für diese Strahlung im Wesentlichen optisch dick ist bzw. diese Strahlung in geringerem Umfang erzeugt wird. Gleichzeitig soll die molekulare Abstrahlung von Seltenerdhalogeniden, insbesondere -monohalogeniden, aus dem Plasma in maximaler Weise gefördert werden, insbesondere dadurch, dass eine Bogenkühlung durch Abstrahlung in dem Spektralbereich, in dem das Plasma nicht mehr hinreichend optisch dick ist, minimiert wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich dieser Spektralbereich von 380 nm bis ca. 600 nm und ist damit relativ groß. Derartig große Bereiche sind allerdings nicht zwingend.
Kommerzielle Lampen zeigen Linienanteile von deutlich über 20 %. Ein Beispiel zeigt Figur 18. Hier handelt es sich um eine Lampe mit keramischem Entladungsgefäß des
Typs HCI-TS WDL 150W (Hersteller OSRAM), die nach zehn
Stunden Brenndauer spektral in einer Ulbricht-Kugel vermessen wurde. Hier ergibt sich ein Wert AL von 35 %
Atomlinienanteil. Figur 10 zeigt die bereits beschriebene konstruierte Kurve für den Untergrund.
Eine andere Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß des Typs CDM-TD 942 150W (Hersteller Philips) mit Spektralverteilung gemäß Figur 19 zeigt einen AL-Wert von 37 %.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird nachfolgend die Realisierung einer molekülstrahlungsdominierten vorzugsweise Hg-freien Hochdruckentladungslampe beschrieben, welche sich durch gute Effizienz und Farbwiedergabe über einen großen Leistungsbereich auszeichnet.
Bisher wurde gezeigt, dass die alleinige Verwendung beispielsweise des TmI3 als Molekülstrahler eine relativ empfindliche Leistungsabhängigkeit des Farbabstandes DC in Kauf nimmt. Geringe Abweichungen der Leistung vom Arbeitspunkt mit DC = 0 führen zu größeren ΔC-Werten, welche mit zunehmender Leistung sehr steil von positiven zu negativen Werten übergehen. Ein ähnliches Verhalten findet man auch bei anderen Seltenen Erden. Die Verwendung von z.B. DyI3 führt hingegen zu einer ΔC(P)- Kennlinie, bei der ΔC streckenweise mit zunehmender Leistung von negativen Werten zu positiven Werten übergeht - entgegengesetzt zur Kennlinie von TmI3. Eine ähnliche Abhängigkeit ergibt sich für die Farbtemperaturen Tn(P) . Spektren der jeweils Tml3 bzw. DyI3 enthaltenden Lampen in der Nähe des sog. Arbeitspunktes (ΔC < 2E-3) sind in Figur 12 exemplarisch dargestellt. In den Figuren 10 und 11 sind die Kennlinien für ΔC und Tn gezeigt. Der Bereich des Arbeitspunktes ist gestrichelt eingezeichnet.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in Figur 13 bis 16 gezeigt. Dabei handelt es sich jeweils um eine Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß auf Basis einer Füllung mit 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und einem Halogenid eines Seltenerdmetalls. Gezeigt ist das Verhalten der Seltenerdmetalle CeJ3, PrJ3, NdJ3, GdJ3, DyJ3, TmJ3, YbJ2, und HoJ3. Figur 16 verdeutlicht, dass als Vertreter einer ersten Gruppe, bei der die Farbartabweichung ΔC mit steigender Leistung abnimmt, vor allem Tm und Ho in Frage kommen, weil sie streckenweise Werte von ΔC nahe null erreichen bzw. auch streckenweise eine flache Steigung besitzen. Weitere Vertreter dieser Gruppe sind in Fig. 15 gezeigt. Es handelt sich insbesondere um Pr, Ce und Nd, sowie Yb. Als Vertreter einer zweiten Gruppe, bei der die Farbartweichung ΔC mit steigender Leistung zunimmt, kommen vor allem Dy und Gd in Frage, siehe Fig. 16. die zugehörige Farbtemperatur (in Kelvin) ist in Figur 13 und 14 gezeigt.
Konkrete Ausführungsbeispiele, die sich auf HoI3 und auch
Gdl3 beziehen, werden in Figur 10 und 11 erläutet. Die Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß hat als Füllung 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und 4 mg HoJ3 (Beispiel Raute) sowie auf Basis einer Füllung mit 1 bar Xe, 2 mg A1J3, 0,5 mg TlJ und 4 mg GdJ3 (Beispiel
Stern) dargestellt. Angegeben ist jeweils DC(P) nahe Null
(DC in Einheiten von 10~3) , siehe Figur 10, und die Farbtemperatur Tn (in K), siehe Figur 11. Beide Größen sind als Funktion der Leistung (P) im Bereich 50 bis 300
W angegeben. Beide Jodide zeigen eine flachen Verlauf des
Farbabstands DC(P) bei Leistungsvariation. Bei Verwendung von HoJ3 allein ist die Farbtemperatur als Funktion der Leistungsvariation besonders konstant.
Eine geeignete Kombination von TmI3 und DyI3 ist besonders bevorzugt, weil sie erlaubt, die Leistungsabhängigkeit von DC und Tn bei besonders hoher Effizienz gezielt einzustellen. Eine geeignete Kombination ist vorteilhaft eine Mischung, die 25 bis 75 Mol.-% TmI3 enthält, Rest DyI3. Besonders bevorzugt ist ein Anteil von 45 bis 55 Mol.-% TmI3. ein konkretes Beispiele mit einer l:l-Mischung ist in Figur 10 bzgl. der Farbartabweichung ΔC und in Figur 11 bzgl. der Änderung der Farbtemperatur dargestellt. Gute Ergebnisse liefert außerdem ein Ausführungsbeispiel, bei dem TmI3 und HoI3 zusammen mit DyI3 verwendet wird.
Eine geeignete Kombination dieser beiden Gruppen von Molekülstrahlern führt zu Spektren, die durch einen besonders flachen Verlauf von ΔC(P) nahe Null (ΔC<2E-3) charakterisiert sind, wie Figur 15 und 16 erkennen lassen. Es lässt sich über eine Leistungsvariation von fast 1:2 eine Ausbeute von über 80 lm/W, eine Farbwiedergabe von Ra>=95, eine gute Rotwiedergabe mit R9=74-95 und eine Farbtemperatur, Tn, von ca. 3500 K erreichen, siehe Figur 13 bis 14. Figur 17 zeigt das Abstrahlungsspektrum einer Hochdruckentladungslampe mit Tm/Dy-Mischung wie konkret in Figur 10 und 11 beschrieben .
Die wichtigsten Parameter des für das Ausführungsbeispiel verwendeten zylindrischen Keramik-Entladungsgefäßes (siehe Figur 1) sind der Innendurchmesser (d = 9,1 mm), die Innenlänge (1 = 13 mm) und der Elektrodenabstand (a = 10 mm) .
Die Füllungen der Lampen enthielten alle 1 bar Xe (Kaltfülldruck), 2 mg AlI3 und 0,5 mg TlI. Zusätzlich waren den Lampen jeweils 4 mg TmI3, 4 mg DyI3 bzw. 2 mg TmI3 + 2 mg DyI3 als dominierende Molekülstrahler hinzugegeben. Anstatt DyI3 oder auch ergänzend zu DyI3 kann bevorzugt GdI3 verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß
(1), welches enthält:
- Elektroden (2) ,
- zumindest ein Edelgas als Startgas, - zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg, Tl, Hg, Zn zur Bogenübernahme und Entladungsgefäßwandheizung und
- zumindest ein Seltenerdhalogenid für die Strahlungserzeugung, welche so ausgelegt ist, dass das erzeugte Licht von Molekülstrahlung dominiert wird.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, bei der das Edelgas zumindest ein Edelgas ausgewählt aus der Gruppe aus Xe, Ar, Kr ist.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, bei der der Kaltfüllpartialdruck des Edelgases zwischen 500 mbar und 5 bar liegt.
4. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Bogenübernahme- und Entladungsgefäßwandheizungselement zumindest eine Element ist ausgewählt aus der Gruppe aus Al, In, Mg.
5. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Seltenerdhalogenid zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe aus Tm, Dy, Ce, Ho, Gd enthält.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Bogenübernahme- und Entladungsgefäßwandheizungselement und/oder das Seltenerdelement in Form eines Iodids oder Bromids eingefüllt wurde.
7. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge Na enthalten ist.
8. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem Entladungsgefäß (1) keine für die Abstrahlungseigenschaften relevante Menge CaI2 oder K enthalten ist.
9. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Entladungsgefäß (1) aus
Keramik besteht und für den Farbartunterschied ΔC gilt: |ΔC| < 10"2.
10. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für die Lichtausbeute η gilt: η > 90 lm/W.
11. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Farbwiedergabeindex Ra gilt: Ra > 90.
12. Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der für den Atomlinienanteil AL gilt:
AL < 40 %, wobei gilt: AL = _
Figure imgf000030_0001
V(λ) Im(λ) dλ
0 worin :
V(λ) die helladaptierte Augenempfindlichkeit des menschlichen Auges ist,
Im(λ) die bei einer Messung in einer Ulbricht-Kugel mit einer Auflösung zwischen einschließlich 0,35 nm und 0,25 nm gemessene oder bei höherer Messauflösung auf eine Auflösung in diesem Bereich durch eine Mittelwertbildung umgerechnete spektrale Intensitätsverteilung der Hochdruckentladungslampe ist und
I11 (λ) eine den kontinuierlichen Untergrund des gemessenen Intensitätsverlaufs Im(λ) annähernde Modellfunktion ist, die bestimmt wird durch
1. Bestimmen einer Funktion Ihi (λ) mit den in Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Minima von Im(λ),
2. Bestimmen einer weiteren Funktion Ih2 (λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden Maxima von Ihi (λ) und
3. Bestimmen der Funktion I11 (λ) mit den in den Intervallen der Breite 30 nm um den jeweiligen Wellenlängenwert vorliegenden jeweiligen arithmetischen Mittelwerten von Ih2 (λ) .
13. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 12, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Keramik besteht und für AL gilt: AL < 20 %.
14. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 12, bei der das Entladungsgefäß (1) aus Quarzglas besteht und für
AL gilt: AL < 30 %.
15. Beleuchtungssystem mit einer Hochdruckentladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem elektronischen Vorschaltgerät zum Betrieb der Hochdruckentladungslampe.
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