DE2655167A1 - Hochdruckentladungslampe mit metallhalogeniden - Google Patents
Hochdruckentladungslampe mit metallhalogenidenInfo
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Description
*) Hochdruckentladungslampe alt Metal!halogeniden
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslajnpe alt einea Entladungsgefäß aus lichtdurchlässigem, hochteaperaturfestea Material
und in das Entladungsgefäß eingeschmolzenen Elektroden aus schwer schmelzbarem Metall und einer Füllung, die Mindestens ein Puffergas
und Zusätze von Metallhalogeniden enthält, unter denen sich mindestens
Zinn- und Natriumhalogenid befinden.
Aus der DT-OS 2 422 4ll ist bekannt, in einer Quecksilberdampfhochdruckentladungslampe
als Füllung neben dem Quecksilber mindestens eines der Halogene Jod, Brom, Chlor, ein Halogenid von mindestens
einem der Metalle der Alkali- bzw· Erdalkalimetalle und gegebenenfalls von Cadmium, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Scandium, Yttrium
und Seltene Erden sowie ein leichtflüchtiges Halogenid zu verwenden·
Als leichtflüchtiges Halogenid wird Aluminiumhalogenid oder Aluminiumhalogenid
und zusätzlich die Halogenide des dreiwertigen Eisens, des zweiwertigen Zinns und/oder des dreiwertigen Indiums angegeben.
Aus den zahlreichen Beispielen geht hervor, das im wesentlichen das Chlorid von Aluminium, seltener das Bromid zugesetzt wird. Es soll
damit folgendes Problem gelöst werden: Infolge der Schwerflüchtigkeit
der Alkalimetall- und Erdalkalimetallhalogenide befindet sich unter normalen Bedingungen nicht genug Halogenid im Dampfzustand in
*' H 01 J 6l/l2 - / -
der Lampe, vas eich auf die Lichtauebeute und die Farbwiedergabe
der Lampe auswirkt· Durch das leichtflüchtige Aluminiumchlorid, das mit den schwerflüchtigen Alkalimetall- und Erdalkalimetallhalogeniden
eine gasförmige Verbindung bildet, soll eine Erhöhung des effektiven Partialdruckes der schwerflüchtigen Verbindungen
erzielt werden, ohne die Värenebelastung der Entladungsgefäßwand
zu erhöhen. In der Offenlegungsschrift sind auch Lampen mit einer Füllung ron Natriumjodid und Zinnjodid mit und ohne Aluminiunchlorid
angegeben. Danach ist es offensichtlich, daß nit einem Zusatz von Zinnjodid zum Natriumjodid ohne Aluminiumchlorid keine
Lampe mit guter Lichtausbeute zu erhalten ist· Die Lampen haben einen großen Elektrodenabstand von 4o mm, der fast das Dreifache
des Gefäßinnendurchmessers beträgt, so daß die Lampe nicht elektrodenstabilisiert
ist.
Die Verwendung einer flüchtigen, komplexen Halogenidrerbindung
Ton Zinn und Natrium, wobei - wie aus den Beispielen ersichtlich als Halogen immer das Chlor in der Füllung enthalten ist, ist aus
der DT-OS 2 605 290 bekannt. Dagegen wird Jod als alleiniges Halogen
nie Terwendet· Mit diesen Lampen wird nur eine Farbtemperatur zwischen 39OO und 4600 K erreicht. Der Elektrodenabstand beträgt
in den angegebenen Beispielen 20 mm. Der große Elektrodenabstand läßt auf wandstabilisierte und nicht elektrodenstabilisierte Lampen
schließen.
Es ist auch bereits eine Lampe Torgeschlagen worden, die zur be-Torzugten
Anregung τοπ Moleküleeission neben Quecksilber und den
Seltenen Erden Alkalimetall- und Erdalkalimetall-, Thallium- und Zinnhalogenid enthält·
Demgegenüber liegt der Torliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Lampe zu schaffen, die bei hoher Lichtausbeute O70 lm/W) und
niedriger Farbtemperatur (unter 38ΟΟ K), guter Farbwiedergabe (allgemeiner
Farbwiedergabeindex nach CIE ron R > 70), möglichst ge-
a.
ringer Leistungsaufnahme, Lageunabhängigkeit eine gute Lebensdauer
erreicht und damit für die Raumbeleuchtung Terwendbar ist.
Die Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß au· lichtdurchlässigem,
hochtemperaturfeatem Material und in das Entladungsgefäß
eingeschmolzenen Elektroden aus schwer schmelzbarem Metall und einer Füllung, die mindestens ein Puffergas und Zusätze ron
Metallhalogenide!! enthält, unter denen sich mindestens Zinn- und Natriumhalogenid befinden, ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Lampe als Halogenide nur Jodide oder Jodide und Bromide und als Halogen Jod oder Jod und Brom enthält und einen elektrodenstabilisierten
Bogen mit einem Elektrodenabstand von weniger als 20 mm, eine spezifische Bogenleistung von 1OO bis 300 V/cm Bogenlänge,
eine Wandbelastung von 15 bis 100 tf/cm , einen Betriebsdruck von
5 bis 50 Atmosphären und ein Entladungsgefäß aufweist, das eine
isotherme Geometrie hat· Als Puffergas eignet sich Quecksilber oder ein Edelgas oder Kohlenmonoxid. Neben den Jodiden oder/und Bromiden
von Natrium und Zinn, die Fluoride und Chloride sollen erfindungsgemäß ausgeschlossen sein, kann die Lampe noch weitere Metalljodide
und -bromide enthalten, vorzugsweise von Thallium und Indium, auch Gallium, Germanium, Cadmium, Kupfer u.a., sowie zusätzliches Jod
oder Jod und Brom. Dabei haben sich folgende Dosierungen pro cm für die jeweiligen Füllungsbestandteile als günstig erwiesen:
0,5 bis 50/UMol Zinn, 2 bis 50 ,uMol Natrium, 0,01 bis 20,uMol
Lithium, 0,05 bis 3 ,uMol Thallium, 5 bis 200 ,uMol Quecksilber,
O,05 bis 20yuMol zusätzliche Jodide oder Jodide und Bromide, die
mit Natrium oder Zinn Komplexverbindungen eingehen können, 2 bis 200 .uMol Jod- und Brom-Atome, wobei das Atomzahlverhältnis
Brom/Jod 0 bis 2 beträgt, 15 bis 80 Torr bei 20 °C Edelgase oder Penning-Gemisch« Die Elemente können als Metall oder als Jodid
oder Jodid und Bromid vorliegen, wobei Natrium zum Beispiel vorzugsweise
in Form des Halogenide eingebracht wird· Es ist von Vorteil, wenn bei den Elektroden aus schwer schmelzbarem Material,
vorzugsweise Wolfram, als Emitter ein Oxid der Seltenen Erden, vorzugsweise Dysprosiumoxid, verwendet wird- Die Elektrodenstabilisierung
des Bogens wird durch einen geringen Elektrodenabstand erreicht, der vorzugsweise ca· 10 mm beträgt, wodurch die
Lampe brennlageunabhängig wird. Zur Erzielung guter Strahlungeeigenschaften bei hoher Lebensdauer der Lampe ist wichtig, daß
das Entladungsgefäß optimal geformt ist, das heißt isotherm aus-
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gebildet ist. Dazu wurden theoretisch die Isothermen von zylinderförmigen
Plasmaentladungen ermittelt, indem Berechnungen ron zjlinderförmigen Lichtbogen mit Oberflächenstrahlern, das heißt
Bit Elektroden, durchgeführt wurden. Es ergab sich eine ellipsoidale
Brennerform, die an den Brennerenden mit einem kleineren Ellipsoid überlagert ist, so daß sich an den Enden eine Art
Glockenform ergibt. Diese isotherme Brennerform vermeidet kalte
Stellen, in denen der Partialdruck der Metallhalogenide herabgesetzt wird. Mit derartig ausgebildeten Entladungsgefäßen wird
erreichtι daß bei der Temperaturverteilung über die Außenoberfläche
des Entladungsgefäßes die Temperaturdifferenz zwischen der kältesten und der wärmsten Stelle kleiner ist als 100 K. Eine
solche Temperaturverteilung ist deswegen erstrebenswert, da der Dampfdruck im Entladungsgefäß durch die Temperatur der kältesten
Stelle bestimmt, andererseits die zulässige Quarzwandbelastung durch die Temperatur der heißesten Stelle festgelegt ist. Die
obere Grenze ist also nicht überschreitbar. Je näher aber die untere Grenze an der oberen liegt, das heißt je kleiner die Temperaturdifferenz
ist, desto günstiger ist es im Hinblick auf den Dampfdruck. Das Entladungsgefäß ist vorzugsweise auf seiner Außenoberfläche
teilweise oder ganz mattiert oder mit einem die Värme-•trahlen
reflektierenden oder absorbierenden Belag versehen und
von einem Außenkolben umgeben, der zweckmäßigerweise auf seiner Innenoberfläche ganz oder teilweise mit einem Leuchtstoff bedeckt
sein kann oder/und mit einer die infrarote Strahlung absorbierenden oder reflektierenden Schicht. Durch den Leuchtstoff kann die
Farbwiedergabe der Lampe im roten Spektralbereich weiter verbessert werden.
Die Kombination der Merkmale der erfindungsgemäßen Lampe ermöglicht
ihre Verwendung für die Raumbeleuchtung. Im folgenden sei noch einmal kurz auf die Problematik einer für diesen Zweck geeigneten
Lampe eingegangen. Ziel ist, daß die neuen Lampen gegenüber den Glühlampen und Halogenglühlampen etwa drei- bis fünfmal
soviel Licht bei gleichem Energieverbrauch erzeugen sollen bei einer möglichst fünf- bis zehnmal so großen Lebensdauer. Die bisher
bekannten Halogen-Metalldampflampen weisen zwar diese Eigen-
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schäften auf* doch sind sie trotz guter Lichtausbeute wegen ihrer
hohen Färbtemperatur (Licht nicht warm genug) oder wegen der zu
schlechten Farbwiedergabe (Natriumhochdrucklampe) nicht geeignet für die Raumbeleuchtung. Außerdem ist es für die Innenraumbeleuchtung
erstrebenswert, zu kleineren Leistungsaufnahmen überzugehen· Lampen kleiner Leistungsaufnahmen weisen jedoch größere
technologische Schwierigkeiten auf. Abschattung sowie elektrische und Wärmeverluste sind bei kleineren Lampen, die notwendigerweise
auch kleinere Elektrodenabstände und kleinere Entladungsgefäße haben, größer. Verlustprozesse wirken sich aber negativ auf Strahlung«-
und Lichtausbeuten aus. Höhere Wandbelastungen zur Erreichung höherer Ausbeuten sind aber wegen der dadurch bedingten
Verkürzung der Lebensdauer zu vermeiden. Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Lampen ist die Teilchendichte in der Lampe erhöht
und wird die Molekülstrahlung ausgenutzt. Eine hohe Teilchendichte
ist günstig, weil bei gleicher Temperatur die Besetzungsdichte
der angeregten Atome bzw. Moleküle mit steigender Teilchendichte zunimmt und damit die Strahlungsleistung. Während man bisher annahm,
ohne das sehr flüchtige, sehr aggressive, stark lebensdauerverkürzende Chlor nicht auskommen zu können, erreicht die erfindungsgemäße
Lampe kleiner Leistungsaufnahme mit ihrer guten Isothermie, daß man bei optimierten Dosierungen mit den weniger aggressiven
Jodiden und Bromiden bei etwa gleicher Lichtausbeute und Farbwiedergabe höhere Lebensdauern von mehr als 300O Stunden erzielen
kann und damit um eine Größenordnung über dem bisher Erreichten liegt.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Lampe gemäß der Erfindung
wiedergegeben.
In Figur 1 ist das Entladungsgefäß 1 aus Quarzglas isotherm ausgebildet
und hat einen maximalen Innendurchmesser von 10 mn und
3
ein Volumen von ungefähr 1 cm · An jedem Ende des Entladungego-
ein Volumen von ungefähr 1 cm · An jedem Ende des Entladungego-
-J-
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fäßes befindet sich eine Elektrode 2 bzw· 3 aus Volfraa Bit einem
Emitter aus Dysprosiumoxid zur Kaltzünderleichterung. Die Elektroden 2 und 3 sind mittels Folieneinschmelzungen k und 5 mit
den Stromzuführungen 6 und 7 verbunden. Der Elektrodenabstand beträgt 10 mm. Die Enden des Entladungsgefäßes 1 sind mit einem
die Värmestrahlen reflektierenden und absorbierenden Belag 8
bzw. 9 aus Zirkondioxid versehen. Das Entladungsgefäß 1 ist mit
den Halterungen 10 bzw. 11 in einem an einem Ende mit dem Schraubsockel
12 versehenen ellipsoidförmigen Außenkolben 13 angeordnet· Der Stromzuführungsteil l4 ist von einem Quarzglasröhrchen 15 umgeben.
Die Füllung des Entladungsgefäßes 1 besteht aus einem Zündgas, zum
Beispiel einem Edelgas oder einem Penning-Gemisch, von 30 bis 40 Torr,
und pro cm 6,uMol Zinn, 5/uMol Natrium, 0,15/UMol Lithium, 0,6,uMol
Thallium, 70,uMol Quecksilber, 13 ,uMol Jod- und Brom-Atome, 0,5 ,uMol
Indium. Das Atomzahlverhältnis Brom/Jod beträgt 0,7· Die Konstruktionsdaten
und die Füllmengen gelten für eine Lampe mit einer Leistungsaufnahme von 250 V, die mit 3 bis 3,8 A an 220 V Wechselspannung
betrieben wird. Die Vandbelastung des Entladungsgefäßes 1 beträgt etwa 40 W/cm , die spezifische Bogenleistung etwa 250 V/cm.
Die Lampe hat einen Druck von etwa 20 Atmosphären. Die Lichtausbeute beträgt 80 lm/W bei einer Farbtemperatur von 3°00 K und
einem Farbwiedergabeindex R =75· In Figur 2 ist die Innenober-
fläche des röhrenförmigen Außenkolbens l6 zusätzlich zu einer das Infrarot reflektierenden Schicht 17 mit einem rot emittierenden Leuchtstoff
18, zum Beispiel aus Magnesium-Fluoro-Germanat bedeckt. Aus der relativen spektralen Strahlstärke einer 250 V-Lampe, die eine
Füllung entsprechend dem Ausführungsbeispiel enthält, ist eindeutig der durch Molekülstrahlung bedingte starke Kontinuumsanteil
erkennbar, dem sich zusätzlich fremddruckverbreiterte Linien überlagern
(Figur 3)·
- Patentansprüche -
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Claims (10)
1. jHochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß aus lichtdurchlässigem,
hochtemperaturfestem Material und in das Entladungsgefäß eingeschmolzenen Elektroden aus schwer schmelzbarem
Metall und einer Füllung, die mindestens ein Puffergas und Zusätze von Metallhalogenide!! enthält, unter denen sich
mindestens Zinn- und Natriumhalogenid befinden, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung einer Halogen-Metalldampfhochdruckentladungslampe
hoher Lichtausbeute, niedriger, unter 38OO K liegender Farbtemperatur, guter Farbwiedergabe
und geringer Leistungsaufnahme die Lampe als Halogenide nur Jodide oder Jodide und Bromide und als Halogen Jod oder Jod
und Brom enthält und einen elektrodenstabilisierten Bogen mit einem Elektrodenabstand von weniger als 20 mm, eine spezifische
Bogenleistung von 100 bis 300 V/cm Bogenlänge, eine
Wandbelastung von 15 bis 100 tf/cm , einen Betriebsdruck von
5 bis 50 Atmosphären und ein Entladungsgefäß aufweist, das
eine isotherme Geometrie hat.
2· Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Puffergas Quecksilber oder ein Edelgas oder Kohlenmonoxid ist.
3· Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Füllung der Lampe pro cm 0,5 bis 50/uMol Zinn, 2 bis 50/uMol Natrium, 0,01 bis 20,uMol Lithium, 0,05 bis
3yuMol Thallium, 5 bis 200,UMoI Quecksilber, 2 bis 200 ,uMol Jod-
und Brom-Atome, wobei das Atomzahlverhältnis Brom/Jod 0 bis beträgt, und 15 bis 80 Torr bei 20 C Edelgas oder Penning-Gemisch
enthält.
809823/0377
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge-
3 kennzeichnet, daß die Füllung der Lampe pro cm 0,5 bis
50,uMol Zinn, 2 bis 50 ,uMol Natrium, 0,01 bis 20,uMol Lithium,
0,05 bis 3,uMol Thallium, 5 bis 200,uMol Quecksilber, 0,05
bis 20 /uMol Indium und/oder Gallium und/oder Cadmium und/oder
Germanium und/oder Kupfer, 2 bis 200,uMol Jod- und Brom-Atome, wobei das Atomzahlverhältnis Brom/Jod 0 bis 2 beträgt und
15 bis 80 Torr bei 20 0C Edelgase oder Penning-Gemisch enthält.
5· Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß bei den Elektroden aus schwer schmelzbarem Material als Emitter ein Oxid der Seltenen Erden verwendet ist.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß VoIframelektroden mit Dysprosiumoxid aktiviert sind.
7* Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Entladungsgefäß auf seiner Außenoberfläche teilweise oder ganz mattiert oder mit einer Infrarot
absorbierenden oder reflektierenden Schicht versehen ist.
8· Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Entladungsgefäß von einem Außenkolben umgeben ist.
9· Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenkolben auf seiner Innenoberfläche teilweise oder ganz mit Leuchtstoff und/oder einer Infrarot absorbierenden
oder reflektierenden Schicht versehen ist.
10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Entladungsgefäß derart ausgebildet ist, daß bei der Temperaturverteilung über seine Außenoberfläche
die Temperaturdifferenz zwischen kältester und heißester Stelle kleiner als 100 K ist.
Dr.Hz/Wb
80982 3/0377
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