DE3838322A1

DE3838322A1 - Hochleistungs-entladungslampe

Info

Publication number: DE3838322A1
Application number: DE3838322A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Yonezawa; Hiroki Sasaki; Yoichiro Mitsuyuki; Yasuki Mori; Toshihiko Ishigami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-12
Filing date: 1988-11-11
Publication date: 1989-05-24
Also published as: US4929869A; DE3838322C2; KR890008903A; KR910009642B1

Description

Die Erfindung betrifft eine UV-Strahlung abstrahlende Hoch leistungs-Entladungslampe, d.h. Metallhalogenlampe, wie sie beim Härten von Druckfarben oder Resistlacken unter Ausnutzung einer photochemischen Reaktion Verwendung findet.

Metallhalogenlampen, bei denen Eisen und ein Halogen zu sammen mit einem Startedelgas und Quecksilber in eine Bogenröhre mit Elektroden an ihren beiden Enden einge schlossen sind, besitzen einen guten Lichtemissionsgrad für UV-Strahlung, insbesondere im UV-A-Bereich (315 bis 400 nm). Folglich werden solche Metallhalogenlampen oft mals anstelle von Quecksilberlampen als Lichtquelle für photochemische Reaktionen, z.B. als Härtungslichtquelle für Druckfarben, verwendet. Mit zunehmender Betriebsdauer lagert sich jedoch auf der Innenwand der Bogenröhre dieser Lampe ein schwarzer Belag ab, wodurch in hohem Maße die UV-Intensität vermindert wird.

Um nun diesen Schwierigkeiten zu begegnen, sind aus den JP-OS (Kokai) 57-63 757 und 57-1 01 329 Verfahren zum Unter drücken der Röhrenwandschwärzung durch Palladium-, Zirkon oder Titaniumzusatz in einer Bogenröhre bekannt.

Bei einem aus der US-PS 35 90 307 bekannten Verfahren wird der Eisenzusatz in einer Bogenröhre auf 0,01-1 mg/cm³ eingestellt, wobei in der Bogenröhre so viel Halogen (Jod) zum Einsatz gelangt, daß es zusammen mit Eisen Eisenjodid (FeJ₂) bildet. Zusätzlich wird ein Zinnhalogenid (SnJ₄) eingesetzt. In diesem Falle beträgt das Verhältnis ([Fe] + [Sn])/[J] der Gesamtgrammatome Eisen (Fe) und Zinn (Sn) zu den Grammatomen Halogen (J) 0,3 bis 0,5.

Aus der JP-OS 58-18 743 ist eine MetalldampfEntladungs lampe bekannt, bei der die spektrale Verteilung verbessert werden soll. Bei dieser Lampe betragen die eingeschlossene Halogenmenge 1,0×10^-8 bis 1,0×10^-5 Grammatom/cm³, das Verhältnis der Gesamtgrammatome Eisen und Zinn zu den Grammatomen Halogen 0,5 bis 3, und das Grammatomver hältnis Zinn/Eisen 0,05 bis 3.

Selbst diese Lampe besitzt jedoch keine ausreichende Haltbarkeit, um als Härtungslichtquelle für Druckfarben verwendet werden zu können (vgl. dazu spätere Ausführungen). Da darüber hinaus Drucker immer schneller arbeiten, muß die UV-Intensität ausreichend hoch sein, um die Druckfarbe innerhalb kurzer Bestrahlungsdauer ausreichend härten zu können.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Metall halogenlampe über lange Zeit hinweg die Abstrahlung von UV-Strahlung hoher Intensität zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Hochleistungs- Entladungslampe mit einer Bogenröhre mit Elektroden an ihren beiden Enden und einer Edelgas-, Quecksilber-, Eisen-, Halogen- und Silberfüllung der Röhre, bei der ein Grammatomverhältnis Silber/Eisen von 0,05 bis 0,2 ein gehalten ist, gelöst.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe ferner noch bei einer Hochleistungs-Entladungslampe mit einer Bogenröhre mit Elektroden an ihren beiden Enden und einer Edelgas-, Quecksilber-, Eisen-, Halogen-, Zinn- und Silberfüllung der Röhre gelöst, wobei (in der Füllung) folgende Be dingungen erfüllt sind:

([Fe] + [Sn])/[J] <0,5 und (2[Fe] + 2 [Sn] +[Ag])/[J] <1

Bei einschlägigen Analysen hat es sich gezeigt, daß der be schriebene schwarze Niederschlag bzw. die Schwärzung auf der Wandinnenseite der Bogenröhre aus Eisen und Wolfram besteht. Vermutlich schmelzen das in einer Bogenröhre als lichtemittierendes Material eingeschlossene Eisen und die Wolfram als Hauptkomponenten enthaltenden distalen Elektrodenenden auf, wobei es zu einer Verspritzung und Ablagerung der betreffenden Bestandteile auf der Röhren wandung kommt.

Obwohl noch nicht geklärt ist, warum sich Eisen auf einer Röhrenwandung ablagert, kommt es vermutlich in einem Plasma während der Entladung zu einer Dissoziation des bei der Reaktion zwischen Eisen und dem eingeschlossenen Halogen gebildeten oder von Hause aus in dieser Form vorliegenden Eisenhalo genids und zu einer Dissoziation in Eisen- und Halogen ionen. Die freien Eisenionen fliegen zur Innenwand der Röhre und lagern sich dort ab, bevor sie sich wieder mit den Halogenionen vereinigen. Um folglich die Röhrenwand schwärzung, d.h. die Ablagerung von Eisen auf der Röhren innenwand zu unterdrücken, muß die Anzahl Eisenionen nahe der Röhreninnenwand vermindert werden. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß in eine Bogenröhre Silber miteinge schlossen. Das miteingeschlossene Silber reagiert mit dem eingeschlossenen Halogen vor der Reaktion des Eisens mit dem Halogen, wobei ein Silberhalogenid entsteht (das Silberhalogenid kann auch von Hause aus in der Bogenröhre untergebracht werden). Wie die folgende Reaktionsgleichung zeigt, reagiert das Silberhalogenid mit freiem Eisen, bevor sich freie Eisenionen auf der Röhreninnenwand ablagern können. Dabei entsteht ein Eisenhalogenid. Das Ergebnis davon ist, daß sich eine Schwärzung verhindern läßt. In der folgenden Reaktionsgleichung ist als Halogen Jod ein gesetzt; (g) bezeichnet den Zustand der verschiedenen Reaktionspartner als Gaszustand.

2 AgI(g) + Fe(g) → FeI₂(g) + 2 Ag(g)

Das Ergebnis dieser Reaktion ist, daß Silber frei wird. Da jedoch Silber einen höheren Dampfdruck aufweist als Eisen, kann es sich nicht ohne weiteres auf der Röhren innenwand ablagern. Vermutlich kommt es dann zu einer Wiedervereinigung des Silbers mit dem Halogen unter Bildung des Silberhalogenids und zu einer Wiederholung der ange gebenen Reaktion unter Vermeidung einer Schwärzung.

Wenn das normalerweise als Elektrodenmaterial für Metall halogenlampen verwendete Wolfram verunreinigt ist, schmilzt dieses leicht auf, da sein Schmelzpunkt erniedrigt ist. Wenn folglich Eisen oder Zinn gegenüber der äquivalenten Menge in bezug auf das jeweilige Halogen im Überschuß vorhanden ist, bildet das als Elektrodenmaterial verwendete Wolfram zusammen mit diesen Metallen eine niedrigschmelzende Legierung. Vermutlich schmilzt diese Legierung leicht auf und spritzt während des Betriebs der Lampe an die Röhren wand, wobei diese geschwärzt wird. Insbesondere dann, wenn das überschüssige Metall aus Eisen besteht, läßt sich diese Erscheinung besonders deutlich beobachten.

Erfindungsgemäß wird in einer Bogenröhre mit Elektroden an ihren beiden Enden und einer Quecksilber-, Edelgas-, Eisen-, Zinn- und Halogenfüllung Silber mitverwendet, wobei folgende Bedingungen erfüllt sind:

([Fe] + [Sn])/[J] <0,5 (1)
(2 [Fe] + 2 [Sn] + [Ag])/[J] <1 (2)

Da erfindungsgemäß - wie (1) zeigt - das Halogen gegenüber Eisen und Zinn im Überschuß vorliegt, kommt es nicht vor, daß Eisen oder Zinn nicht vollständig an der Halogenierung beteiligt ist und der Rest Eisen oder Zinn mit dem Wolfram eine Legierung bilden kann.

Das Silber braucht hierbei nicht in Betracht gezogen zu werden, da es mit dem Verspritzen der Elektroden nichts zu tun hat, d.h. mit dem Wolfram keine Legierung bildet. Da darüber hinaus - wie (2) ausweist - in der gesamten Röhre die Menge an den gesamten Metallen größer ist als ihre Äquivalentmenge in bezug auf das Halogen, entsteht kein freies Halogen. Erfindungsgemäß stellen FeJ₂, SnJ₂ und AgJ Halogenide dar.

Wenn in der Bogenröhre ein Halogen in größerer Menge als seiner Äquivalentmenge in bezug auf die Metalle vorliegt (d.h. wenn die Füllung halogenreich ist), entsteht freies Halogen, wodurch eine Elektronenemission zwischen den Elektroden verhindert wird. Auf diese Weise werden die Start- und Wiederstarteigenschaften beeinträchtigt. Wenn folglich die Gesamtgrammatommenge der Metalle größer ist als diejenige des Halogens, d.h. wenn die Füllung der Röhre metallreich ist, entsteht kein freies Halogen, so daß sich die Start- und Wiederstarteigenschaften vermutlich verbessern lassen.

Erfindungsgemäß wird die Füllung der Röhre metallreich eingestellt und zusätzlich mit Silber als überschüssigem Metall angereichert. Folglich entsteht kein freies Halogen, so daß sich die Start- und Wiederstarteigenschaften ver bessern lassen. Da darüber hinaus keine freien Eisenionen entstehen, läßt sich eine Deformation oder Abbrand der Elektroden vermeiden und damit die Haltbarkeit der Lampe verlängern.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und Beispiele näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Metallhalogenlampe gemäß einer Ausführungs form der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung zum Vergleich der UV-Intensitätserhaltungsverhältnisse bei einer Lampe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einer bekannten Lampe.

Beispiele 1 bis 3

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte und in diesen Bei spielen benutzte Metallhalogenlampe besteht aus einer Quarzglasbogenröhre 1 eines Innendurchmessers von 20 mm und einer Länge von 110 cm mit darin eingeschlossenen Elektroden 2 a und 2 b an ihren beiden Enden. An beiden Enden der Röhre 1 sind Keramikmundstücke 3 a und 3 b be festigt. Zu den Mundstücken 3 a und 3 b laufen Anschlüsse 4 a und 4 b, deren eines Ende mit den entsprechenden Elektroden 2 a und 2 b verbunden ist. Das jeweils andere Ende der An schlüsse 4 a und 4 b ist an eine nicht dargestellte Energie quelle angeschlossen.

Die Röhre 1 wird mit etwa 20 kPa gasförmigen Argons als Startedelgas, 1,2 mg/cm³ Quecksilber und 0,05 mg/cm³ Eisenjodid (FeJ₂) als Eisenhalogenid beschickt. Danach werden in den Röhren zur Herstellung der Lampen der Bei spiele 1, 2 bzw. 3 0,004, 0,002 bzw. 0,001 mg/cm³ Silber jodid untergebracht. Die Grammatomverhältnisse Silber/ Eisen betragen in diesen Lampen somit 0,2, 0,1 bzw. 0,05.

Zu Vergleichszwecken werden aus Bogenröhren des geschil derten Aufbaus eine Lampe (Vergleichslampe 1) mit 0,0008 mg/cm³ Silberjodid (Grammatomverhältnis Silber/Eisen =etwa 0,04), eine Lampe (Vergleichslampe 2) mit denselben Füllmaterialien und -mengen wie bei Beispiel 1, jedoch ohne Silberjodid, und eine Lampe (Vergleichslampe 3) ent sprechend der Vergleichslampe 1 mit zusätzlich 0,003 mg/cm³ Palladium hergestellt. Insgesamt erhält man somit sechs Lampenarten. 24 Lampen jeder Lampenart werden bei einer Wattaufnahmeleistung von 13,2 kW betrieben, was einen Vergleich für das UV-Intensitätserhaltungsverhältnis er möglicht. Die Ergebnisse (Durchschnittswerte von Lampen derselben Arten) sind in Fig. 2 graphisch dargestellt. Aus Fig. 2 geht hervor, daß zu Beginn des Betriebs in der jeweiligen UV-Strahlungsintensität der Lampen kein Unter schied feststellbar ist. Mit zunehmender Betriebsdauer wird jedoch ein Unterschied zwischen den Lampen gemäß der Erfindung und den Vergleichslampen deutlich. Nachdem 2000 h verstrichen sind, beträgt das Erhaltungsverhältnis der erfindungsgemäßen Lampen 88-95% (bezogen auf einen Anfangswert von 100%), während die Erhaltungsverhältnisse der Vergleichslampen 1, 3 bzw. 2 auf 82%, 80% bzw. 60% reduziert sind.

Es hat sich gezeigt, daß bei Überschreiten eines Grammatom verhältnisses Silber/Eisen von 0,2 der UV-Emissionsgrad des eingeschlossenen Gases geringer wird. Dies ergibt sich aus folgender Tabelle I.

Tabelle I

Beispiele 4 und 5

In Bogenröhren eines Innendurchmessers von 20 mm mit darin befindlichen Wolframelektroden (Zwischenelektrodenabstand: 250 mm) werden die in der folgenden Tabelle II bei den Beispielen 4 und 5 angegebenen Materialien in den ange gebenen Mengen untergebracht. Beide Bedingungen (1) und (2) sind dabei erfüllt. Die Lampen werden mit einer Watt aufnahmeleistung von 3 kW 500 h lang betrieben, danach werden das UV-Strahlungsintensitätserhaltungsverhältnis, die Wiederstartdauer und der Grad des Elektrodenerschmelzens ermittelt. Das UV-Strahlungsintensitätserhaltungsverhältnis wird unter Annahme eines Werts unmittelbar nach dem An schalten der Lampe von 100% normalisiert. Der Grad des Elektrodenerschmelzens wird als "hoch" eingestuft, wenn auch nur ein Teil der wendelartigen Elektroden geschmolzen ist. "Mittel" ist der Grad des Elektrodenerschmelzens, wenn hervorragende Achsen jeder Elektrode erschmelzen. "Niedrig" ist der Erschmelzungsgrad der Elektroden, wenn diese nahezu nicht geschmolzen sind. Die Lampen der Beispiele 4 und 5 liefern bei jedem Test gute Ergebnisse. Wenn die Lampe des Beispiels 5 2000 h lang angeschaltet ist, betragen ihr UV-Strahlungsintensitätserhaltungsverhältnis 84% und ihre Wiederstartzeit 12 min. Ihre Elektroden sind nicht ge schmolzen. Insgesamt besitzt somit die Lampe des Beispiels 5 eine lange Haltbarkeit.

Die Vergleichslampen 4 bis 7 werden unter entsprechenden Bedingungen betrieben. Da die Vergleichslampe 4 weder Silber noch Zinn enthält, lagert sich auf der Bogenröhre unter erheblicher Beeinträchtigung des UV-Strahlungs intensitätserhaltungsverhältnisses Eisen ab. Die Vergleichs lampe 5 entspricht der aus der US-PS 35 90 307 bekannten Lampe, bei der das UV-Strahlungsintensitätserhaltungs verhältnis durch Zinnzusatz verbessert wird. Die Wieder startzeit (d.h. das Zeitintervall zwischen einem Zeit punkt, an dem eine Lampe mit stabiler Wattaufnahme abge schaltet wird, bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Lampe durch zwischenzeitliches Anlegen einer gegebenen Spannung erneut gestartet werden kann (japanische Industriestandard- Vorschrift C 7604-1985)) ist jedoch deutlich verlängert. Die Vergleichslampe 6 entspricht der aus der JP-OS 58-18 743 bekannten Lampe. Diese Lampe liefert gute Ergebnisse be züglich des UV-Strahlungsintensitätserhaltungsverhältnisses und der Wiederstartdauer. Da jedoch die distalen Enden der Wolframelektroden dieser Lampe durch Aufschmelzen dünn oder abgetragen werden, ist die Haltbarkeit dieser Lampe nur gering. Ein Aufschmelzen und eine Entfernung der distalen Elektrodenenden ist auch bei der Vergleichslampe 4 fest stellbar. Ein Vergleich der Vergleichslampen 5 und 6 zeigt, daß selbst beim Fehlen von Silber die Wiederstartdauer deutlich verlängert ist, wenn die Röhrenfüllung in einem halogenreichen Zustand ist.

Die Vergleichslampe 7 genügt der Beziehung (2), jedoch nicht der Beziehung (1). Ferner ist ein Aufschmelzen der distalen Elektrodenenden feststellbar.

Tabelle II

Fortsetzung Tabelle II

Claims

1. Hochleistungs-Entladungslampe aus einer strahlungs durchlässigen Bogenröhre (1), einem in der Bogenröhre (1) dicht versiegelten Elektrodenpaar (2 a, 2 b) für eine Entladung zwischen den Elektroden und einer Füllung in der Bogenröhre (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung ein Edelgas, Quecksilber, Eisen und eine gegebene Menge Halogen und Silber umfaßt.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grammatomverhältnis Silber/Eisen 0,05 bis 0,2 beträgt.

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen aus Jod besteht.

4. Hochleistungs-Entladungslampe aus einer strahlungs durchlässigen Bogenröhre (1), einem in der Bogenröhre (1) dicht versiegelten Elektrodenpaar (2 a, 2 b) für eine Entladung zwischen den Elektroden und einer Füllung in der Bogenröhre (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung ein Edelgas, Quecksilber und Zusätze in Form mindestens einer gegebenen Menge Zinn, Eisen, Silber und Halogen umfaßt.

5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze im wesentlichen folgenden Bedingungen genügen: ([Fe] + [Sn])/J <0,5 und (2 [Fe] + 2 [Sn] + [Ag])/[J] <1worin [Fe], [Sn], [Ag] und [J] für Grammatome Eisen, Zinn, Silber bzw. Halogen stehen.

6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halogen aus Jod besteht.