EP0722616A1

EP0722616A1 - Metallhalogenidentladungslampe

Info

Publication number: EP0722616A1
Application number: EP94919552A
Authority: EP
Inventors: Clemens Barthelmes; Andreas Dr. Hohlfeld; Jürgen Dr. VOM SCHEIDT; Dietrich Dr. Fromm
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1993-10-06
Filing date: 1994-06-30
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2014-06-30
Also published as: JP3176631B2; EP0722616B1; JPH08511127A; CN1066853C; HUT73122A; US5729091A; CN1132569A; WO1995010120A1; DE59408733D1; HU216672B; HU9503684D0; DE4334074A1

Abstract

Eine Metallhalogenidentladungslampe (1) mit koaxialem Entladungsgefäß (2) und Außenkolben (9) enthält eine Füllung mit zur Diffusion neigenden Metallen. Ihr spezifischer Gehalt ist kleiner 6 νmol/cm3. Die Stromzuführungen (4, 5) sind über einen Großteil ihrer Länge von einer Hülse (14) umgeben, die UV-abschirmend ist.

Description

Metallhalogenidentladungslampe

Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenid¬ entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es handelt sich dabei um Metallhalogenidlampen vornehmlich kleiner Leistung, insbesondere etwa 50-250 .

Aus der DE-A 36 19 068 sind Metallhalogenidlampen 0 bekannt, die ein zweiseitig gequetschtes Entladungs¬ gefäß in einem zweiseitig gequetschten Kolben aufweisen. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, insbesondere am Lebensdauerende, ist die Stromzu¬ führung von einer elektrisch-isolierenden Ummante- ' ^ lung umgeben. Dafür sind insbesondere Hülsen aus

Keramik, Glas oder Quarzglas geeignet. Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, daß sich die Bildung von Photoelektronen (s. z.B. DE-U 900 29 59) dadurch ausschließen läßt, daß Entladungsgefäß und Außen¬ 0 kolben so angeordnet werden, daß keine parallel zum Entladungsgefäß verlaufenden Gestellteile benötigt werden.

Bei Metallhalogenidlampen mit alkalimetallhaltiger Füllung, bei denen ein Leiter am Entladungsgefäß 5 entlang geführt ist, wie dies bei einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß in einem einseitig gequetschten Außenkolben der Fall ist, ist es bekannt, den am Entladungsgefäß entlanglaufenden

Teil der Stromzuführung mit einer elektrisch-iso- lierenden und UV-undurchlässigen Abschirmung, insbesondere einem Röhrchen aus Glas, Keramik oder

Quarzglas zu versehen (DE-A 16 39 084).

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Betriebsverhalten von Metallhalogenidentladungslampen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk¬ male des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die gezielte Verwendung einer Ummantelung, die für UV-Strahlung undurchlässig ist, für im Außenkolben befindliche Stromzuführungen unter bestimmten Umständen auch bei Metallhalogenidentladungslampen Vorteile bringt, die ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß in einem zweiseitig gequetschten Außenkolben besitzen, und die von daher nach bisher vorherrschender Meinung keine Probleme mit der Photoionisation aufweisen. Es handelt sich dabei um Metallhalogenidentladungslampen vornehmlich klei¬ ner Leistung (typisch 50-250 W) , die eine natrium- haltige Füllung besitzen. Es hat sich herausge¬ stellt, daß hier die Verwendung einer UV-abschir- menden Ummantelung, die die Stromzuführungen im Außenkolben möglichst vollständig abdeckt, es gestattet, die Füllmengen an Metallhalogeniden, speziell der natriumhaltigen Komponente (z.B. NaJ) , sehr niedrig zu halten und trotzdem sehr lange Lebensdauern zu erzielen sind (ca. 6000 Betriebs- stunden). Als grobe Richtschnur kann dienen, daß die Gesamtfüllmenge (in mg) an Metallhalogeniden maximal auf das Dreifache des Volumens des Entla¬ dungsgefäßes (in cm³) begrenzt werden kann.

Vorteilhaft ist, als Untergrenze eine Gesamtfüllmen¬ ge (in mg) an Metallhalogeniden anzusehen, die dem Einfachen des Entladungsvolumens (in cm³) ent¬ spricht. Der Grund ist, daß - vor allem bei Natri- um-Seltenerd-Füllsystemen - der Restsauerstoff auf diese Weise zuverlässig absorbiert wird infolge der Getterwirkung der Füllkomponenten.

Bisherige Versuche mit Lampen derart geringer Dosierung haben jedoch eine vergleichsweise schlechte Maintenance ausgewiesen, weil nicht erkannt wurde, daß auch bei diesem Lampentyp eine geringfügige, jedoch über die Lampenlebensdauer durchaus merkliche Photoionisation auftritt, die zur Verarmung von Füllungskomponenten, insbesondere des Natriums, im Entladungsgefäß führt. Die Konse¬ quenz war eine Absenkung des Partialdrucks dieser Füllungskomponente, insbesondere des Natriums, und eine Erhöhung der Brennspannung sowie eine uner¬ wünschte Drift zu höheren Farbtemperaturen. Erfin- dungsgemäße Lampen zeigen jedoch eine sehr gute

Maintenance ihres Lichtstroms über die Lebensdauer. Ähnliches gilt auch für die Farbtemperatur.

Da die eigentliche Ursache der schlechten Maintenan- _Ce in der Diffusion von Natriumionen oder auch anderer Metallionen mit geringem Ionenradius (z.B. Lithium) durch das Entladungsgefäß (im allgemeinen aus Quarzglas gefertigt; u.U. kann auch ein kerami¬ sches Entladungsgefäß verwendet werden, wie z.B. in der EP-A 536 609 beschrieben) liegt, läßt sich die Bedingung für die Füllmenge dahingehend spezifizie- ren, daß der reine Anteil an Metallen mit geringem Ionenradius (vor allem Natrium) - die daher zur Diffusion neigen und im folgenden als "Diff.- Metalle" bezeichnet werden - ausgedrückt in Mikro- mol (μmol) in der Füllung kleiner ist als das Sechsfache des Entladungsvolumens, ausgedrückt in Kubikzentimeter (cm³). Als Formel ausgedrückt gilt also: spezifischer Diff.-Metallgehalt < 6 μmol/cm³,

Als Untergrenze des Diff.-Metallgehalts wird ein

Wert vom Einfachen des Entladungsvolumens (in cm³) angesehen, d.h. spezifischer Diff.-Metallgehalt >_^ 1 μmol/c ³. Bevorzugte Werte des Diff.-Metallge¬ halts liegen im Bereich des Vierfachen des Entla- dungsvolumens.

Unter geringem Ionenradius werden Werte von maximal eettwwaa 00,,11 inm verstanden, wie sie z.B. Na oder Li aufweisen.

Die Erfindung ist insbesondere für Natrium-Selten- erd-Füllungssysteme geeignet. Ähnlich gute Ergeb¬ nisse werden bei Na Sc-Füllungen erzielt.

Hauptsächliches Anwendungsgebiet sind Lampen mit Farbtemperaturen in der Größenordnung von 4000 K (Lichtfarbe neutralweiß) , bei denen der Natriumge¬ halt geringer als bei warmweißen Lichtfarben (ca. 3000 K Farbtemperatur) gewählt werden kann.

Es bleibt anzumerken, daß die eingangs diskutierte Erhöhung der Betriebssicherheit nur bei den Lampen eine Rolle spielt, die einen evakuierten Außenkol¬ ben aufweisen, und bei denen Elektrode (aus Wolf- ram) und Stromzuführung (aus Molybdän) aus ver- schiedenen Materialien bestehen. Nur hier führt die Verwendung korrosionsfordernder Füllungen (damit sind vornehmlich Natrium-Zinn-Füllungen gemeint) zur Elektrodenkorrosion und damit zur Undichtigkeit des Entladungsgefäßes und schließlich zum letalen Gleichstrombetrieb. Dagegen können die erfindungs¬ gemäßen Lampen sowohl einen evakuierten als auch mit Inertgas gefüllten Außenkolben (z.B. Stick¬ stoff) aufweisen. Außerdem spielt die Materialfrage von Elektrode und Stromzuführung keine Rolle.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus¬ führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Lampe gemäß der Erfindung

Fig. 2 die Mortalitätskurve einer Gruppe erfin¬ dungsgemäßer Lampen sowie einer Vergleichs¬ gruppe

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Hochdruckent¬ ladungslampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 70 W besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das in der Mitte bauchig ausgeweitet ist. Es ist an beiden Enden jeweils mit einer Quetschung 3 verschlossen, durch die die beiden Stromzuführungen 4,5 mittels Folien 6 vakuumdicht eingeführt sind und dabei eine elek¬ trische Verbindung zu den im Entladungsgefäß ange- brachten Elektroden 7 (aus thoriertem Wolfram) herstellen. Die Enden des Entladungsgefäßes sind mit einem wärmereflektierenden Belag 8 versehen. Die Füllung mit der Lichtfarbe Neutralweiß besteht aus den Metallen Hg und Na mit Zusätzen weiterer Metalle der Seltenen Erden und aus den Halogenen Br und/oder J. Eine bevorzugte Metallhalogenidfüllung ist 0,45 mg NaJ, jeweils 0,27 mg der Seltenen Erdmetall-Halogenide DyJ, , HoJ, und Tm J, sowie 0,13 mg TU. Das Entladungsvolumen beträgt 0,7 cm³.

Das Entladungsgefäß 2 befindet sich in einem koaxi¬ al angeordneten zylindrischen Außenkolben 9 aus Quarzglas, wobei der kleinste Wandabstand nur etwa 2-3 mm beträgt. In diesem Außenkolben ist in be¬ kannter Weise ein Getter 10 potentialfrei angeord¬ net, das parallel zu einer der Stromzuführungen 4 verläuft. Der Außenkolben 9 ist ebenfalls an seinen beiden Enden mit einer Quetschung verschlossen, wobei die elektrische Verbindung der axial angeord¬ neten Stromzuführungen 4, 5 nach außen jeweils über eine vakuumdichte Folieneinquetschung 11 und kera¬ mische Sockelteile 12 (mit Plättchenkontakten) erfolgt. Die Stromzuführungen 4, 5 haltern das Entladungsgefäß 2 im Außenkolben 9, wobei zum Ausgleich von Längentoleranzen eine der Stromzufüh¬ rungen 5 mit einer Dehnungsschleife 13 versehen ist. Die Notwendigkeit einer Dehnungsschleife 13 hängt von den Abmessungen der Lampe ab. Die beiden Stromzuführungen 4, 5 sind auf ihrer gesamten, im

Außenkolben 9 verlaufenden Länge von einer strumpf¬ artigen Hülse 14 aus Quarzseide umschlossen. Dieses Material ist temperaturbeständig bis 1200 °C. Ein Beispiel ist der Silikatschlauch Typ S-R 05 der Firma Lippmann (Schwerte/Deutschland). Diese Hülse hat 0,3 mm Wandstärke und einen Innendurchmesser von 0,4 mm. Sie besteht zu mehr als 95 % aus Si0₂.

Dieses Material ist so flexibel, daß es auch pro- blemlos die Biegung der Dehnungsschleife mitmacht. Hierfür eignet sich auch ein Keramikfaserschlauch oder Quarzfaserschlauch. Bei geraden Stromzuführungen kann auch ein weniger flexibles Material, z.B. ein Hartglas- oder Quarz- glasröhrchen oder eine starre keramische Hülse, verwendet werden. Wesentlich ist eine hohe Tempera- turbeständigkeit sowie eine ausreichende UV-Absorp¬ tion.

In Fig. 2 ist ein Vergleich zwischen der Lebensdau¬ er der anhand von Fig. 1 beschriebenen Lampen ohne (kreuz örmige Meßpunkte) und mit (dreieckige Meß¬ punkte) Ummantelung der Stromzuführung gezeigt. Die Dosierung der Füllung war für beide Meßgruppen gleich. Wegen der niedrigen Dosierung der Füllung sinkt die Zahl der überlebenden Lampen, die keine Ummantelung aufweisen (Kurve a) nach 6000 Std.

Betriebsdauer auf 39 % , während sie bei der Gruppe mit erfindungsgemäßer Ummantelung (Kurve b) in etwa noch doppelt so groß ist (ca. 75 % ) . Bis 3000 Betriebsstunden ist bei dieser Gruppe überhaupt kein Ausfall zu verzeichnen; eine 50 "-ό-Ausfallrate wird erst nach 7500 Std. erreicht.

Die Erfindung ist auf alle zweiseitig verschlosse¬ nen Entladungsgefäße, die im zweiseitig verschlos- senen Außenkolben in etwa axial angebracht sind, anwendbar. Das Entladungsgefäß kann insbesondere ein zweiseitig gequetschter Quarzglasbrenner oder ein zweiseitig verschlossenes Keramikrohr sein. Der Außenkolben ist insbesondere ein zweiseitig ge- quetschter Hartglas- oder Quarzglaskolben.

Als Ummantelung eignet sich insbesondere auch eine direkt als Beschichtung auf die Stromzuführung aufgetragene Keramiksuspension, beispielsweise ZrO_?. Diese Technik hat insbesondere auch ferti- gungstechnische Vorteile gegenüber separaten Hülsen und ist ebenfalls für flexible Stromzuführungen geeignet. Die Schichtdicke beträgt etwa 0,15 mm. Um die Haftung zu verbessern, wird bis zu 15 % , insbe- sondere 10 Gew.-⁰-. Boroxid zugesetzt.

Claims

Patentansprüche

1. Metallhalogenidentladungslampe mit einem zwei¬ seitig verschlossenen Entladungsgefäß (2), das zwei Elektroden und eine Füllung mit zur Diffusion neigenden Metallen ("Diff.-Metalle") enthält, die im Betrieb Ionen mit kleinem Ionenradius bilden, wobei der Ionenradius in der Größenordnung des- Ions Na liegt, und das von einem zweiseitig verschlosse¬ nen Außenkolben (9) umgeben ist, wobei das Entla¬ dungsgefäß (2) in etwa axial im Außenkolben (9) angeordnet ist und dort durch zwei im Außenkolben (9) angeordnete Stromzuführungen (4,5) gehaltert ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- die im Außenkolben (9) angeordneten Stromzufüh¬ rungen (4,5) sind über einen Großteil ihrer Länge von einer UV-abschirmenden Ummantelung (14) umgeben

- der spezifische Diff.-Metallgehalt im Entladungs¬ volumen ist kleiner als 6 μmol/cm³.

2. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diff.-Metall Natri- um ist.

3. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Diff.-Metallgehalt mindestens 1 μmol/cm³ beträgt.

4. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) aus einem der Materialien Keramik, Hartglas oder Quarzglas gefertigt ist.

5. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (14) flexibel ist.

6. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfüllmenge an Metallhalogeniden (in mg) maximal dem Dreifachen des Volumens (in cm³) des Entladungsgefäßes ent¬ spricht.

7. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenleistung maximal 250 W beträgt.

8. Metallhalogenidentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung eine Beschichtung aus einer Keramiksuspension ist, insbesondere aus r0₂ , das bis zu 15 Gew.-'« Boroxid enthält.

9. Verwendung einer Ummantelung (14), insbesondere einer Hülse aus Quarzglasmaterial, Hartglasmaterial oder Keramikmaterial, für die Stromzuführungen (4,5) im Außenkolben (9) einer Metallhalogenidentla¬ dungslampe, bei der ein zweiseitig gequetschtes Entladungsgefäß (2) in einem zweiseitig verschlos- senen Außenkolben (9) in etwa axial angeordnet ist, zur Vermeidung der Photoionisation bei Verwendung geringer Mengen an Diff.-Metallfüllungen, insbeson¬ dere Natrium.

10. Verwendung gemäß Anspruch 9, bei der die reine Diff.-Metallmenge kleiner als 6 μmol/cm³, bezogen auf das Entladungsvolumen, ist.