DE3932030A1

DE3932030A1 - Hochdruckgasentladungslampe

Info

Publication number: DE3932030A1
Application number: DE3932030A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Niemann; Stephan Offermanns; Bernhard Weber
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-04-04
Also published as: EP0420335A2; JPH0357857U; EP0420335A3; US5113119A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckgasentladungslampe mit einer Kolbenfüllung, die ein Zündgas und ein Oxid, Halogenid oder Oxihalogenid eines hochsiedenden Metalles in einer solchen Menge enthält, daß im Betriebszustand der Lampe homogen kondensierte, kleinste feste oder flüssige Partikel mit hoher Temperatur in einem regenerativen Kreisprozeß entstehen, die durch Glühemission Licht erzeugen. Unter solchen Partikeln versteht man kleine Teilchen, die deutlich größer als ein Atom oder Molekül sind. Bei Metall-Teilchen erstreckt sich der Bereich der Partikelgröße von etwa 0,3 nm bis 500 µm.

Eine derartige mit inneren Elektroden versehene Hochdruckgasentladungslampe ist aus der DE-PS 9 67 658 bekannt. Unter den Metallen, die als Oxide und Halogenide verwendet werden, befinden sich unter anderem Wolfram und Rhenium. In dieser Patentschrift heißt es, daß eine Anzahl der aufgeführten Metalle im sichtbaren Spektrum und im langwelligen UV-Bereich besonders bei höheren Dampfdrücken ein starkes, kontinuierliches Spektrum zeigen, so daß diese Metalle als wirtschaftliche Lichtquelle für rein weißes Licht in Betracht kommen. Ferner ist angegeben, daß bei einigen schwerflüchtigen, emittierenden Metallen eine teilweise Kondensation als Aerosol erfolgen kann, welches dann eine erwünschte Verstärkung des Kontinuums bewirkt. In den kälteren Teilen des Entladungsgefäßes wird dann das Metall wieder in die Verbindung übergeführt.

Hieraus läßt sich schließen, daß bei der bekannten Hochdruckgasentladungslampe mit inneren Elektroden im Betriebszustand kleinste Partikel mit hoher Temperatur entstehen, die durch thermische Emission ein praktisch kontinuierliches Spektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich erzeugen.

Die inneren Elektroden der bekannten Hochdruckgasentladungslampe werden aber durch die Halogenide der hochsiedenden Metalle angegriffen und in relativ kurzer Zeit zerstört. Bei den Oxiden hochsiedender Metalle bewirken die inneren Elektroden eine Zersetzung in Sauerstoff und Metall, wobei sich der Sauerstoff mit der Elektrode verbindet, während das Metall an der Wand des Entladungskolbens kondensiert und nicht mehr an der Entladung teilnimmt. In beiden Fällen führt dies zu einer sehr kurzen nutzbaren Lebensdauer der Hochdruckgasentladungslampe. Außerdem kommt es bei Anwesenheit heißer Elektroden kaum zu einer homogenen Kondensation, weil das Material auf den Elektroden kondensiert.

Aus der US-PS 37 20 855 ist eine elektrodenlose Gasentladungslampe mit einer Füllung aus TaOCl₃ bekannt. Die Menge an Oxidhalogeniden kann einen Partialdruck bis zu 266 mbar aufweisen. Bei einer derartigen Füllmenge an Tantaloxichlorid tritt aber noch keine praktisch bemerkbare Partikelbildung auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckgasentladungslampe mit Partikelbildung zu schaffen, welche eine hohe nutzbare Lebensdauer besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruckgasentladungslampe eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lampe elektrodenlos ist und das hochsiedende Metall oder Legierungen davon aus der Gruppe Wolfram, Rhenium und Tantal besteht und als Halogenid oder Oxihalogenid und Rhenium darüber hinaus als Oxid eingefüllt ist, dessen eingefüllter und im Betriebszustand der Lampe in der sich in der Gasphase befindlichen Metallverbindung enthaltender Metallanteil für Wolfram und Rhenium mindestens 0,02 und für Tantal mindestens 0,4 mg/cm³ beträgt.

Eine derartige elektrodenlose Hochdruckgasentladungslampe wird üblicherweise mit Hochfrequenz von 0,1 MHz bis 50 GHz angeregt. Der Kolbeninnenraum einer derartigen Lampe enthält keine Metallteile, die von den Halogeniden der hochsiedenden Metalle angegriffen werden könnten. Eine Zersetzung der entsprechenden Metalloxide kann ebenfalls nicht auftreten. Um eine für die Lichterzeugung ausreichende Partikelbildung zu gewährleisten, muß der sich in der Gasphase befindliche Anteil an hochsiedenden Metallen im Vergleich zu bekannten Entladungslampen relativ groß sein. Das Metall in Form einer flüchtigen Verbindung sollte nämlich in so großen Mengen an der Wand des Entladungskolbens in die Gasphase gebracht werden, daß nach dem Zerfall der Verbindungen in den heißen Bereichen der Entladung der Partialdruck des Metalles über dem Gleichgewichtsdampfdruck zwischen flüssiger und gasförmiger Phase liegt. Unter diesen Bedingungen setzt spontan eine homogene Keimbildung ein und es kondensieren Partikel. Die Temperatur der leuchtenden Partikel liegt zwischen 3000 und 4500 K.

Die Elemente Rhenium, Wolfram und Tantal sind die Metalle mit den höchsten Siedepunkten. Diese Metalle sind noch über 3-4000 K fest oder flüssig, was für die eine wirkungsvolle Lichterzeugung hervorrufende Partikelbildung wichtig ist. Je niedriger der Siedepunkt des Metalls ist, desto höher muß der Druck der Metallverbindungen und um so größer die Füllmenge sein. Die erreichte Lebensdauer dieser Lampen liegt über 100 Stunden, in einigen Fällen sogar bei 1000 Stunden. Die Lebensdauer von Hochdruckgasentladungslampen mit inneren Elektroden und gleicher Füllung beträgt dagegen weniger als 1 Stunde.

Bei den Halogeniden bzw. Oxihalogeniden handelt es sich vorwiegend um Bromide, Chloride oder Jodide. Rheniumoxid wird in Form von Re₂O₇, ReO₃ oder ReO₂ oder einer Mischung dieser Oxide eingesetzt. Rheniumoxid hat den besonderen Vorteil, mit keinem der bekannten transparenten Kolbenmaterialien (Quarz, Aluminiumoxid, YAG, Glas) zu reagieren. Deshalb wird die Lebensdauer dieser Lampe nicht durch chemische Korrosion begrenzt.

Zur Stabilisierung der Entladung und/oder zur Steuerung der Plasmatemperatur können der Kolbenfüllung weitere Metalle oder Metallverbindungen, vorzugsweise Alkalimetallhalogenide, zugesetzt werden.

Die Lampenfüllung enthält als Zündgas üblicherweise ein Edelgas mit einem Kaltfülldruck unter 20 mbar. Der Edelgasanteil kann aber auch zur Stabilisierung und/oder Steuerung der Plasmatemperatur verwendet werden. In diesem Fall muß allerdings der Fülldruck bei Zimmertemperatur mehr als 20 mbar, vorzugsweise mehr als 50 mbar, betragen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Hochdruckgasentladungslampe nach der Erfindung besteht die Kolbenfüllung aus Rheniumheptoxid und Xenon, wobei der Xenon- Fülldruck bei Zimmertemperatur größer als 20 mbar, vorzugsweise größer als 50 mbar, ist. Diese Lampe hat den besonderen Vorteil, daß sie ausschließlich Substanzen enthält, die nicht mit bekannten transparenten Kolbenmaterialien reagieren. Deshalb ist die Lebensdauer dieser Lampe besonders groß. Die Benutzung von Xenon ist weiterhin vorteilhaft, weil die Lichtausbeute höher ist, als bei Füllungen mit anderen Edelgasen.

Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine elektrodenlose Hochdruckgasentladungslampe mit zylindrischem Kolben in einem Mikrowellenresonator,

Fig. 2 eine elektrodenlose Hochdruckgasentladungslampe mit quaderförmigen Kolben ebenfalls in einem Mikrowellenresonator,

Fig. 3 und 4 Lichtspektren als spektraler Strahlungsfluß über der Wellenlänge von zwei in den folgenden Ausführungsbeispielen näher beschriebenen Hochdruckgasentladungslampen.

In Fig. 1 ist eine elektrodenlose Hochdruckgasentladungslampe 1 in einem Mikrowellenhohlraumresonator 2 untergebracht, der über eine koaxiale Einkoppelantenne 3 mit einer Frequenz von 2,45 GHz gespeist wird. Die eingekoppelte Leistung liegt zwischen 80 und 120 W. Die Hochdruckgasentladungslampe 1 besitzt einen zylindrischen Lampenkolben 4 aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 5 mm und einer inneren Länge von 13 mm; das ergibt ein inneres Kolbenvolumen von 0,25 cm³. Der Lampenkolben ist mit einem Zündgas und einem Oxid, Halogenid oder Oxihalogenid eines hochsiedenden Metalles gefüllt. Die in der Lampe 1 unter dem Einfluß der Mikrowellenanregung auftretende Entladung ist durch das dunkler gehaltene Gebiet 5 angedeutet.

Die Hochdruckgasentladungslampe nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 im wesentlichen durch einen quaderförmigen Lampenkolben 4 mit einer Länge von 16 mm und einer Seitenbreite von 10 mm, was einem quadratischen Querschnitt von 100 mm² entspricht. Das ergibt ein inneres Kolbenvolumen von 1,6 cm³.

In den folgenden Ausführungsbeispielen sind für eine Anzahl Lampen nach Fig. 1 die Kolbenfüllungen und die damit erreichten Lampeneigenschaften im einzelnen angegeben.

Beispiel 1
Füllung
0,40 mg WO₂Br₂
	0,02 mg CsBr
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,8 mg/cm³ W
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	59 lm/W
Farbtemperatur	5580 K
Farbwiedergabeindex R_a	95
Wandtemperatur	940°C

Beispiel 2
Füllung
0,40 mg WO₂Cl₂
	0,01 mg NaCl
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	1,0 mg/cm³ W
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	67 lm/W
Farbtemperatur	5150 K
Farbwiedergabeindex R_a	92
Wandtemperatur	880°C

Das Spektrum des von dieser Lampe ausgestrahlten Lichtes ist in Fig. 3 dargestellt, in der der spektrale Strahlungsfluß in W m^-1 über der Wellenlänge in nm aufgetragen ist.

Beispiel 3
Füllung
0,40 mg WO₂Cl₂
	0,02 mg CsCl
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	1,0 mg/cm³ W
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	57 lm/W
Farbtemperatur	3870 K
Farbwiedergabeindex R_a	92
Wandtemperatur	935°C

Beispiel 4
Füllung
0,40 mg WCl₆
	0,02 mg CsCl
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,7 mg/cm³ W
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	49 lm/W
Farbtemperatur	4290 K
Farbwiedergabeindex R_a	91
Wandtemperatur	1100°C

Beispiel 5
Füllung
0,30 mg TaOCl₂
	0,20 mg Hg
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,8 mg/cm³ Ta
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	35 lm/W
Farbtemperatur	8500 K
Farbwiedergabeindex R_a	86
Wandtemperatur	900°C

Beispiel 6
Füllung
0,50 mg Re₂O₇
	133 mbar Xe
Metall i. d. Gasphase	1,5 mg/cm³ Re
elektr. Leistung	120 W
Lichtausbeute	65 lm/W
Farbtemperatur	5305 K
Farbwiedergabeindex R_a	94
Wandtemperatur	1050°C

Das Spektrum dieser Lampe als spektraler Strahlungsfluß über der Wellenlänge ist in Fig. 4 dargestellt. Die Lampe emittiert ein kontinuierliches Spektrum, dessen Maximum in der Nähe der größten Empfindlichkeit des menschlichen Auges (bei 555 nm Wellenlänge) liegt. Die Farbtemperatur ist tageslichtähnlich und die Farbwiedergabe so gut wie die von Tageslicht oder Glühlampenlicht. Die Lichtausbeute ist wesentlich größer als die von Glühlampen. Da keine chemischen Reaktionen zwischen der Lampenfüllung und der Wand des Entladungskolbens stattfinden, zeigen sich auch nach 100 Stunden Betrieb keinerlei korrosive Erscheinungen in der Lampe.

Beispiel 7
Füllung
0,45 mg ReO₃
	133 mbar Xe
Metall i. d. Gasphase	1,4 mg/cm³ Re
elektr. Leistung	100 W
Lichtausbeute	46 lm/W
Farbtemperatur	5775 K
Farbwiedergabeindex R_a	97
Wandtemperatur	1045°C

Beispiel 8
Füllung
0,1 mg WO₂Br₂
	0,01 mg CsBr
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,2 mg/cm³ W
elektr. Leistung	60 W
Lichtausbeute	27 lm/W
Farbtemperatur	4380 K
Farbwiedergabeindex R_a	92
Wandtemperatur	980°C

Beispiel 9
Füllung
0,025 mg WO₂Br₂
	0,01 mg CsBr
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,05 mg/cm³ W
elektr. Leistung	60 W
Lichtausbeute	5,5 lm/W
Farbtemperatur	3270 K
Farbwiedergabeindex R_a	94
Wandtemperatur	1090°C

Beispiel 10
Füllung
0,1 mg Re₂O₇
	133 mbar Xe
Metall i. d. Gasphase	0,03 mg/cm³ Re
elektr. Leistung	80 W
Lichtausbeute	43 lm/W
Farbtemperatur	5750 K
Farbwiedergabeindex R_a	96
Wandtemperatur	1050°C

Beispiel 11

Die hier verwendete Lampe entspricht der nach Fig. 2.

Füllung
1,5 mg WO₂Br₂
	0,1 mg CsBr
	10 mbar Ar/Kr-Gemisch
Metall i. d. Gasphase	0,5 mg/cm³ W

In Tabelle I sind die Eigenschaften dieser Lampe bei verschiedenen Brennlagen, d. h. verschiedenen Winkeln a zwischen Entladungsbogen und der Vertikalen, zusammengestellt. Die zugeführte Mikrowellenleistung beträgt 120 W.

Tabelle I

Tabelle II zeigt das Verhalten der Lampe beim Dimmen.

Tabelle II

Die angegebenen Symbole bedeuten:

P über das Mikrowellenfeld eingekoppelte Leistung
F Lichtstrom
e Lichtausbeute
T_c Farbtemperatur
R_a Farbwiedergabeindex
T_w Wandtemperatur
x, y Farbkoordinaten
a Winkel zwischen Entladungsbogen und der Vertikalen

Aus Tabelle I geht hervor, daß die lichttechnischen Eigenschaften dieser Lampe praktisch unabhängig von ihrer Brennlage, d. h. dem Winkel des Entladungsbogens zur Vertikalen, sind. Tabelle II zeigt, daß der Lichtstrom der Lampe auf 20% des Maximalwertes dimmbar ist, ohne daß sich die Farbeigenschaften und der Wirkungsgrad der Lampe wesentlich ändern.

In allen Lampen nach den Ausführungsbeispielen lassen sich die guten Farbwiedergabeeigenschaften dadurch erklären, daß - ähnlich wie bei einer Glühlampe - der Strahlungserzeugungsmechanismus auf der thermischen Emission eines flüssigen oder festen Körpers beruht. Die Lichtausbeute und Lebensdauer dieser Lampen sind sogar besser als bei Glühlampen, weil die Temperatur der strahlenden Partikel höher ist als die üblicher Glühkörper.

In allen Lampen nach den Ausführungsbeispielen wird die Strahlung durch das Glühen kleiner Partikel aus Wolfram, Rhenium oder Tantal erzeugt, die innerhalb der Hochdruckgasentladung auf folgende Weise entstehen: Das hochsiedende Metall wird in Form chemischer Verbindungen (Halogenide, Oxihalogenide oder Oxide) in den Entladungskolben aus Quarzglas eingefüllt, die schon bei den für das Kolbenmaterial verträglichen Wandtemperaturen hohe Dampfdrücke von metallhaltigen Verbindungen ermöglichen. Um den Entladungskolben beim Starten auf die Betriebstemperatur aufzuheizen, wird zunächst mit dem Hochfrequenzfeld eine Niederdruckgasentladung im ebenfalls eingefüllten Zündgas gezündet. Bei hinreichend hoher Wandtemperatur werden die Metallverbindungen verdampft und es entsteht eine Hochdruckgasentladung. Das in die Gasphase eingebrachte Metall ist in der Nähe der Kolbenwand in Molekülen gebunden, die dissoziieren, sobald sie durch Diffusion oder Konvektion in die heißen Teile der Entladung gelangen. Dabei wird das Metall in elementarer Form in so großen Mengen freigesetzt, daß ein übersättigter Metalldampf entsteht, in dem Metallpartikel homogen kondensieren. Diese Metallpartikel erzeugen eine Glühstrahlung bei einer Temperatur von 3000 bis 4500 K. Wenn die Partikel aufgrund von Diffusion oder Konvektion die heiße Zone der Entladung verlassen, werden sie chemisch wieder aufgelöst. Es handelt sich also um einen geschlossenen, regenerativen Kreisprozeß von Kondensation und Auflösung, in dem kein Material verbraucht wird oder verloren geht.

Das chemische System, in dem die Partikel gebildet und aufgelöst werden, legt einen Temperaturbereich fest, in dem Partikel existieren können. Diese Temperatur bestimmt damit auch das Spektrum der Glühstrahlung, das auf diese Weise unabhängig von der Lampenleistung, der Brennlage und den genauen Lampenfüllmengen wird.

Die Metallpartikel sollten so klein sein, daß sie nicht unter Einfluß der Schwerkraft sedimentieren. Sie sollten sogar deutlich kleiner sein als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (380 nm bis 780 nm), weil dann im Glühspektrum das blaue Licht im Vergleich zum roten Licht und zur Wärmestrahlung stärker auftritt als bei einer herkömmlichen Glühlampe.

In den genannten Ausführungsbeispielen sind die Metallpartikel sogar kleiner als 10 nm. Die optischen Eigenschaften solch kleiner Partikel, man spricht auch von Clustern, unterscheiden sich deutlich von denen größerer Körper gleicher Zusammensetzung. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften kommt es in den oben genannten Ausführungsbeispielen zu einer weiteren, für die Lichterzeugung günstigen Abweichung des Lampenspektrums von dem herkömmlicher Glühlampen.

Claims

1. Hochdruckgasentladungslampe mit einer Kolbenfüllung, die ein Zündgas und ein Oxid, Halogenid oder Oxihalogenid eines hochsiedenden Metalles in einer solchen Menge enthält, daß im Betriebszustand der Lampe homogen kondensierte, kleinste feste oder flüssige Partikel mit hoher Temperatur in einem regenerativen Kreisprozeß entstehen, die durch Glühemission Licht erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe elektrodenlos ist und das hochsiedende Metall oder Legierungen davon aus der Gruppe Wolfram, Rhenium und Tantal besteht und als Halogenid oder Oxihalogenid und Rhenium darüber hinaus als Oxid eingefüllt ist, dessen eingefüllter und im Betriebzustand der Lampe in der sich in der Gasphase befindlichen Metallverbindung enthaltender Metallanteil für Wolfram und Rhenium mindestens 0,02 und für Tantal mindestens 0,4 mg/cm³ beträgt.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenfüllung zur Stabilisierung der Entladung und/oder Steuerung der Plasmatemperatur weitere Metalle oder Metallverbindungen, vorzugsweise Alkalimetallhalogenide, zugesetzt sind.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenfüllung zur Stabilisierung der Entladung und/oder Steuerung der Plasmatemperatur ein Edelgas oder Edelgasgemisch mit einem Fülldruck bei Zimmertemperatur von mehr als 20 mbar, vorzugsweise mehr als 50 mbar, zugesetzt ist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenfüllung aus Rheniumheptoxid und Xenon besteht, wobei der Xenon-Fülldruck bei Zimmertemperatur größer als 20 mbar, vorzugsweise größer als 50 mbar, ist.