DE69706453T2

DE69706453T2 - Electrodeless high-performance discharge lamp with a filling containing boron sulfide

Info

Publication number: DE69706453T2
Application number: DE1997606453
Authority: DE
Inventors: Jason R. Bochinski; Scott J. Butler; Walter P. Lapatovich
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2017-01-22
Also published as: EP0788140A2; CA2196361A1; EP0788140A3; JPH09213282A; DE69706453D1; EP0788140B1

Description

GENERAL STATE OF THE ART

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrodenlose Entladungslichtquellen und insbesondere elektrodenlose Lampen mit einer durch Hochfrequenz, z. B. Mikrowellenleistung, angeregten Füllung.The present invention relates to electrodeless discharge light sources and in particular to electrodeless lamps having a fill excited by high frequency, e.g. microwave power.

Bis vor kurzer Zeit enthielten alle im Handel erhältlichen hochintensiven Entladungslampen (HID = high intensity discharge) Quecksilber oder Quecksilbersalze, wobei andere Metallsalze beigefügt waren, um die spektrale Ausgangsleistung zu verbessern oder spezifisch einzustellen. Über die letzten Jahre hinweg haben auf den Umweltschutz gerichtete Überlegungen zu Versuchen geführt, quecksilberfreie HID-Lampen herzustellen. Dabei stand die Entsorgung von verbrauchten Lampen, wobei Quecksilber in die Umgebung freigesetzt wird, im Vordergrund.Until recently, all commercially available high intensity discharge (HID) lamps contained mercury or mercury salts, with other metal salts added to improve or specifically tune the spectral output. Over the past few years, environmental concerns have led to attempts to produce mercury-free HID lamps. The main concern was the disposal of spent lamps, which releases mercury into the environment.

Ein Beispiel für eine quecksilberfreie Lampe, die entwickelt worden ist, ist eine quecksilberfreie Natriumdampfhochdrucklampe mit einer Füllung aus Natrium und einem unter hohem Druck (Übernormaldruck) stehendem Edelgas. Einige Beispiele für Natriumhalogenid und -oxidhalogenidlampen sind in den US-Patenten Nr. 4,672,267, 4,801,846 und 5,070,277 beschrieben. Diese Lampen unterliegen wie alle Lampen, die reaktionsfähige chemische Verbindungen enthalten, Wandreaktionen, die die optischen Eigenschaften der Lichtbogenlampe beeinträchtigen und die chemischen Eigenschaften im Vergleich zu den ursprünglichen chemischen Eigenschaften der Lampe verändern können.One example of a mercury-free lamp that has been developed is a mercury-free high-pressure sodium lamp with a filling of sodium and a noble gas under high pressure (supernormal pressure). Some examples of sodium halide and oxyhalide lamps are described in U.S. Patent Nos. 4,672,267, 4,801,846, and 5,070,277. These lamps, like all lamps containing reactive chemical compounds, are subject to wall reactions that can affect the optical properties of the arc lamp and change the chemical properties from the original chemical properties of the lamp.

Bei einer anderen Art von quecksilberfreier Lampe werden Schwefel, Selen oder Verbindungen davon in die Lampenfüllung aufgenommen und durch elektromagnetische Leistung über 50 Watt/cm³, vorzugsweise über 100 Watt/cm³, angeregt. Andere bekannte elektrodenlose Lampen, die Metallhalogenide oder -oxidhalogenide enthalten, weisen gute Farbwiedergabeeigenschaften auf und geben einen hohen Lichtstrom ab. Die meisten dieser Lampen enthalten jedoch auch Quecksilber.In another type of mercury-free lamp, sulfur, selenium or compounds thereof are incorporated into the lamp filling and excited by electromagnetic power above 50 watts/cm³, preferably above 100 watts/cm³. Other known electrodeless lamps containing metal halides or oxide halides have good color rendering properties and emit high luminous flux. However, most of these lamps also contain mercury.

Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampe, die die Nachteile von Lampen nach dem Stand der Technik überwindet.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an electrodeless high intensity discharge lamp which overcomes the disadvantages of prior art lamps.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampe mit einer Füllung auf der Basis von Borsulfid.A further object of the present invention is to provide an electrodeless high-intensity discharge lamp with a boron sulfide-based filling.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampe mit einer Füllung auf der Basis von Borsulfid, die kein Quecksilber enthält.Yet another object of the invention is to provide an electrodeless high intensity discharge lamp with a boron sulphide based filling which does not contain mercury.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampe mit einer Füllung auf der Basis von Borsulfid, die weder Quecksilber noch Metallhalogenide enthält.Yet another object of the invention is to provide an electrodeless high intensity discharge lamp with a boron sulphide based filling which contains neither mercury nor metal halides.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer quecksilberfreien elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampe mit einer Füllung auf der Basis von Borsulfid mit kleinen Mengen eines Metallhalogenids, die Licht über einen großen Spektralbereich hinweg emittiert.Yet another object of the invention is to provide a mercury-free, electrodeless, high intensity discharge lamp having a boron sulfide-based fill with small amounts of a metal halide which emits light over a wide spectral range.

Diese und noch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der Betrachtung der folgenden Beschreibung hervor.These and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from consideration of the following description.

BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Eine diese Aufgaben erfüllende elektrodenlose hochintensive Entladungslampe ist in Anspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen der Erfindung.An electrodeless high-intensity discharge lamp fulfilling these objects is described in claim 1. The dependent claims describe particular embodiments of the invention.

Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrodenlose hochintensive Entladungslampe mit einer Füllung auf der Basis von Borsulfid, die durch Hochfrequenzleistung, z. B. Mikrowellenleistung, die der Lampe Zugeführt wird, angeregt werden kann, um eine lichtemittierende Plasmaentladung zu erzeugen, ohne daß Quecksilber in der Lampe erforderlich wäre. Bei einigen Ausführungsformen der Lampe kann eine geringe Quecksilbermenge in dem Lampenkolben enthalten sein, um die Widerstandsaufheizung der Lampe zu verbessern. Jedoch kann in der Lampe gemäß der Erfindung eine Emission hervorgerufen werden, ohne daß Quecksilber oder Quecksilberverbindungen vorliegen.The present invention provides an electrodeless high intensity discharge lamp with a boron sulphide based filling which can be excited by high frequency power, e.g. microwave power, supplied to the lamp to produce a light emitting plasma discharge without mercury would be required in the lamp. In some embodiments of the lamp, a small amount of mercury may be contained in the lamp envelope to improve the resistive heating of the lamp. However, emission can be induced in the lamp according to the invention without mercury or mercury compounds being present.

Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um eine elektrodenlose hochintensive Entladungslampe mit einem abgedichteten lichtdurchlässigen Kolben, einer verdampfbaren chemischen Füllung im Kolben, einem Edelgas oder Stickstoff in dem Kolben zur Unterstützung beim Zünden der Lampe und ein Mittel zum Ankoppeln von Hochfrequenzleistung an den Kolben, um in dem Kolben eine lichtemittierende Plasmaentladung zu erzeugen. Die Füllung enthält als primären aktiven Bestandteil Borsulfid. Das Edelgas bzw. der Stickstoff steht bei Umgebungstemperatur unter einem Druck von unter 1013 mbar (760 Torr). Bei einer enger gefaßten Ausführungsform handelt es sich bei der Lampe um eine quecksilberfreie elektrodenlose hochintensive Entladungslampe. Bei einer anderen enger gefaßten Ausführungsform kann die Lampe als sekundären aktiven Bestandteil im Kolben eine Menge eines Metallhalogenids, z. B. Natriumiodid, Lithiumiodid, Scandiumiodid oder Kombinationen davon, enthalten, die ausreicht, die Emissionswellenlänge der Füllung während des Betriebs der Lampe zu erhöhen.In one embodiment, the invention is an electrodeless high intensity discharge lamp having a sealed light-transmissive envelope, a vaporizable chemical fill within the envelope, a noble gas or nitrogen within the envelope to assist in starting the lamp, and a means for coupling radio frequency power to the envelope to produce a light-emitting plasma discharge within the envelope. The fill contains boron sulfide as a primary active ingredient. The noble gas or nitrogen is under a pressure of less than 1013 mbar (760 Torr) at ambient temperature. In a narrower embodiment, the lamp is a mercury-free electrodeless high intensity discharge lamp. In another narrower embodiment, the lamp may contain as a secondary active ingredient within the envelope an amount of a metal halide, e.g. B. sodium iodide, lithium iodide, scandium iodide or combinations thereof, which is sufficient to increase the emission wavelength of the fill during operation of the lamp.

Bei einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei der Erfindung um eine quecksilberfreie elektrodenlose hochintensive Entladungslampe mit einem abgedichteten lichtdurchlässigen Kolben, einer verdampfbaren chemischen Füllung in dem lichtdurchlässigen Kolben, Xenongas in dem lichtdurchlässigen Kolben, um das Zünden der Lampe zu unterstützen, und einem Mittel zum Ankoppeln von Hochfrequenzleistung mit ungefähr 13-6000 MHz an den lichtdurchlässigen Kolben, um darin eine lichtemittierende Plasmaentladung zu erzeugen. Die Füllung enthält als primären aktiven Bestandteil Borsulfid, wobei die Menge des primären aktiven Bestandteils für jeden cm³ an Volumen in dem lichtdurchlässigem Kolben ungefähr 1-10 mg beträgt. Das Xenongas steht bei Umgebungstemperatur unter einem Druck von ungefähr 27-270 mbar (20-200 Torr). Bei einer enger gefaßten Ausführungsform enthält die Füllung weiterhin einen aus Natriumiodid, Lithiumiodid, Scandiumiodid und Kombinationen davon ausgewählten sekundären aktiven Bestandteil.In another embodiment, the invention is a mercury-free electrodeless high intensity discharge lamp comprising a sealed translucent envelope, a vaporizable chemical fill in the translucent envelope, xenon gas in the translucent envelope to assist in starting the lamp, and means for coupling radio frequency power at approximately 13-6000 MHz to the translucent envelope to generate a light-emitting plasma discharge therein. The fill contains as a primary active Component boron sulfide, wherein the amount of the primary active ingredient for each cc of volume in the translucent envelope is about 1-10 mg. The xenon gas is under a pressure of about 27-270 mbar (20-200 Torr) at ambient temperature. In a more narrow embodiment, the fill further contains a secondary active ingredient selected from sodium iodide, lithium iodide, scandium iodide, and combinations thereof.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Um die vorliegende Erfindung, einschließlich anderer Aufgaben, Vorteile und Fähigkeiten davon besser zu verstehen, wird auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche zusammen mit der Zeichnung Bezug genommen. Es zeigen:For a better understanding of the present invention, including other objects, advantages, and capabilities thereof, reference is made to the following description and appended claims taken in conjunction with the drawings in which:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer kugelförmigen elektrodenlosen hochintensiven Entladungslampenkapsel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a spherical electrodeless high intensity discharge lamp capsule according to an embodiment of the present invention;

Fig. 2 ein Emissionsspektrum für eine Borsulfid-Füllung für eine Lampe gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.Fig. 2 shows an emission spectrum for a boron sulfide filling for a lamp according to another embodiment of the present invention.

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Ein Ausführungsbeispiel der elektrodenlosen HID-Lampe gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine quecksilberfreie elektrodenlose HID-Lampe, die eine verdampfbare chemische Füllung und ein Edelgas oder Stickstoff enthält, die in einem lichtdurchlässigen Kolben eingeschmolzen sind. Der primäre aktive Bestandteil der Füllung ist Borsulfid. Unter dem Ausdruck "aktiver Bestandteil" wird ein verdampfbarer lichtemittierender Bestandteil verstanden, wobei der primäre aktive Bestandteil derjenige Bestandteil ist, der die dominierendste spektrale Emission aufweist. Unter dem Ausdruck "aktiver Bestandteil", wie er hier verwendet wird, werden auch Vorläufer des gewünschten aktiven Bestandteils verstanden, z. B. eine Borsulfidverbindung. Die Vorläufer werden in den Lampenkolben eingeleitet, um während des Betriebs der Lampe durch eine chemische Reaktion z. B. die gewünschte Borsulfidverbindung zu erzeugen. Somit liegt das von den umgesetzten Vorläufern des primären aktiven Bestandteils emittierte Licht im gewünschten Bereich, z. B. bei einer mit Borsulfid-Vorläufer-Ausgangsmaterialien hergestellten Lampe im Bereich von gelb bis rot. Als sekundärer aktiver Bestandteil kann wahlweise auch Schwefel oder eine verdampfbare Schwefelverbindung in die Füllung aufgenommen werden. Unter dem Ausdruck "sekundärer aktiver Bestandteil" wird ein strahlender Bestandteil verstanden, der dort eine spektrale Komponente hinzufügt, wo die Emission des primären aktiven Bestandteils fehlt, damit das Spektrum ausgefüllt oder verstärkt wird und der Lichtstrom und die Farbeigenschaften der Lampenfüllung verbessert werden.One embodiment of the electrodeless HID lamp according to the present invention is a mercury-free electrodeless HID lamp containing a vaporizable chemical fill and a noble gas or nitrogen sealed in a light-transmitting envelope. The primary active ingredient of the fill is boron sulfide. The term "active ingredient" is understood to mean a vaporizable light-emitting ingredient, the primary active ingredient being the ingredient that has the most dominant spectral emission. The term "active ingredient" as used herein also includes precursors of the desired active The term "secondary active ingredient" is understood to mean a radiating ingredient which adds a spectral component where the emission of the primary active ingredient is lacking, in order to fill in or enhance the spectrum and improve the luminous flux and color properties of the lamp.

Der Borsulfid-Bestandteil emittiert im gelben bis nahinfraroten Bereich des Spektrums und weist bei 812 nm eine Spitzenemission auf, und der Schwefel- oder Schwefelverbindungsbestandteil emittiert, wenn er vorliegt, im blauen bis grünen Bereich. Typische Schwefelverbindungsadditive sind Indiumsulfid (InS) und Arsensulfid (As&sub2;S&sub3;). Als sekundärer aktiver Bestandteil kann eine kleine Menge eines Metallhalogenids zu der Lampenfüllung hinzugefügt werden, z. B. eine Menge, die lediglich dazu ausreicht, die Emissionswellenlänge der Füllung während des Betriebs der elektrodenlosen HID-Lampe zu erhöhen. Zu typischen Metallhalogeniden zählen Natriumhalogenide, z. B. das im Gelb-Grün-Gebiet emittierende Natriumiodid, oder andere Metallhalogenide wie etwa Lithiumiodid und Indiumiodid, die im roten bzw. blauen Gebiet emittieren. Die Kombinationen aus primärem und sekundärem aktiven Bestandteil emittieren Licht über einen breiten Spektralbereich hinweg. Der Lampenkolben ist zur Erzeugung einer lichtemittierenden Plasmaentladung in dem Kolben an eine Hochfrequenzleistungsquelle angekoppelt. -The boron sulfide component emits in the yellow to near infrared region of the spectrum, peaking at 812 nm, and the sulfur or sulfur compound component, when present, emits in the blue to green region. Typical sulfur compound additives are indium sulfide (InS) and arsenic sulfide (As2S3). A small amount of a metal halide may be added to the lamp fill as a secondary active ingredient, such as an amount merely sufficient to increase the emission wavelength of the fill during operation of the electrodeless HID lamp. Typical metal halides include sodium halides, such as sodium iodide, which emits in the yellow-green region, or other metal halides, such as lithium iodide and indium iodide, which emit in the red and blue regions, respectively. The combinations of primary and secondary active components emit light over a broad spectral range. The lamp bulb is coupled to a high frequency power source to generate a light emitting plasma discharge within the bulb. -

Bei dieser Ausführungsform werden kein Quecksilber oder Quecksilberverbindungen in den Lampenkolben eingeleitet. Bei anderen Ausführungsformen kann möglicherweise eine kleine Menge Quecksilber hinzugefügt werden, um die Widerstandsaufheizung der Lampe zu verbessern, in der Regel ungefähr 1-35 mg/cm³ Volumen des lichtdurchlässigen Kolbens. Um eine Emission in den hier beschriebenen Lampen zu erzeugen, ist es jedoch nicht erforderlich, daß Quecksilber oder Quecksilberverbindungen vorliegen.In this embodiment, no mercury or mercury compounds are introduced into the lamp envelope. In other embodiments, a small amount of mercury may be added to improve resistive heating of the lamp, typically about 1-35 mg/cm3 of translucent envelope volume. However, to produce emission in the lamps described herein, it is not necessary for mercury or mercury compounds to be present.

Das obenerwähnte Edelgas bzw. der obenerwähnte Stickstoff liegen im Kolben bei einem Druck unterhalb des Normaldrucks vor (bei Umgebungstemperatur unterhalb 1013 mbar (760 Torr)), um das Zünden der Lampe, d. h. die Bildung der lichtemittierenden Plasmaentladung in dem Kolben, zu erleichtern. Bei diesen Gasen kann es sich um ein beliebiges der Edelgaselemente der Gruppe VIII, Stickstoff oder eine Kombination von diesen handeln. Das bevorzugte Edelgas ist Argon, Krypton oder Xenon; ganz besonders bevorzugt wird Xenon. Der bevorzugte Druck für das Edelgas liegt bei ungefähr 1,3-933 mbar (1-700 Torr); besonders bevorzugt sind ungefähr 27-933 mbar (20-700 Torr), ganz besonders bevorzugt sind ungefähr 27-270 mbar (20-200 Torr). Bei 27-270 mbar (20-200 Torr) läßt sich das Edelgas durch die verfügbare Hochfrequenzleistung ohne weiteres ionisieren und geht schnell in einen thermischen Lichtbogen über. Bei einem niedrigeren Druck läßt sich das Edelgas leichter ionisieren, doch läuft der Übergang zu dem thermischen Lichtbogen langsamer ab und die Lampe erfordert eine längere Aufwärmzeit. Bei einem höheren Druck ist die Ionisierung des Edelgases schwieriger und erfordert das Anlegen einer größeren Leistung, um den thermischen Lichtbogen zu bilden.The above-mentioned noble gas or nitrogen is present in the envelope at a subnormal pressure (below 1013 mbar (760 Torr) at ambient temperature) to facilitate the ignition of the lamp, i.e., the formation of the light-emitting plasma discharge in the envelope. These gases can be any of the noble gas elements of Group VIII, nitrogen, or a combination of these. The preferred noble gas is argon, krypton, or xenon; xenon is most preferred. The preferred pressure for the noble gas is about 1.3-933 mbar (1-700 Torr); more preferred is about 27-933 mbar (20-700 Torr), most preferred is about 27-270 mbar (20-200 Torr). At 27-270 mbar (20-200 Torr), the noble gas is readily ionized by the available high frequency power and quickly transitions to a thermal arc. At lower pressures, the noble gas is more easily ionized, but the transition to the thermal arc is slower and the lamp requires a longer warm-up time. At higher pressures, the noble gas is more difficult to ionize and requires the application of greater power to form the thermal arc.

Die Menge verdampfbarer aktiver Füllungsbestandteile in dem Kolben hängt von dem Volumen des Kolbens ab. In dem Kolben liegt vorzugsweise ein Überschuß der aktiven Bestandteile vor, d. h. eine Menge, die ausreicht, damit die Lampe in einem gesättigten Modus arbeitet, wobei das Kondensat bei Betriebstemperatur vorliegt. Falls ein Überschuß der aktiven Bestandteile vorliegt, ist die Füllungsmenge unkritisch. Die bevorzugte Menge beträgt ungefähr 1-100 mg pro cm³ Kolbenvolumen; ganz besonders bevorzugt ungefähr 1-10 mg/cm³. Die Lampe kann aber auch in einem ungesättigten Modus arbeiten, wobei bei der Betriebstemperatur kein Kondensat vorliegt. Für den Betrieb in dem ungesättigten Modus muß jedoch die Füllungsmenge präziser ausgewählt werden. Die Füllungsmenge beträgt in dem ungesättigten Modus vorzugsweise 0,1-1 mg/cm³.The amount of vaporizable active ingredients in the flask depends on the volume of the flask. Preferably, there is an excess of the active ingredients in the flask, ie a Amount sufficient for the lamp to operate in a saturated mode, with condensate present at operating temperature. If there is an excess of active ingredients, the fill amount is not critical. The preferred amount is about 1-100 mg per cm³ of bulb volume; most preferably about 1-10 mg/cm³. However, the lamp can also operate in an unsaturated mode, with no condensate present at operating temperature. However, for operation in the unsaturated mode, the fill amount must be selected more precisely. The fill amount in the unsaturated mode is preferably 0.1-1 mg/cm³.

Der Lampenkolben ist wie oben erwähnt zur Herstellung einer lichtemittierenden Plasmaentladung an eine Hochfrequenzleistungsquelle angekoppelt. Die Lampe wird bevorzugt von einer bei ungefähr 13-6000 MHz arbeitenden Hochfrequenzquelle betrieben. Besonders bevorzugt arbeitet die Leistungsquelle in den ISM- Bändern (Industrial, Scientific and Medical Bands, festgelegt von der Federal Communications Commission), die in diesem Gebiet des elektromagnetischen Spektrums liegen, ganz bevorzugt in den ISM-Bändern, deren Mitte um 915 und 2450 MHz herum liegt.The lamp envelope is coupled to a high frequency power source as mentioned above to produce a light emitting plasma discharge. The lamp is preferably powered by a high frequency source operating at approximately 13-6000 MHz. Most preferably, the power source operates in the ISM bands (Industrial, Scientific and Medical Bands, as defined by the Federal Communications Commission) that lie in this region of the electromagnetic spectrum, most preferably in the ISM bands centered around 915 and 2450 MHz.

Die Entladung wird in dem Edelgas eingeleitet, das sich dann erhitzt und die chemische Füllung verdampft, wodurch der Dampfdruck in dem Kolben ansteigt. Der aktive Bestandteil oder die aktiven Bestandteile beginnen dann zu dissoziieren und zu ionisieren, wobei sie innerhalb der obenerwähnten spektralen Gebiete emittieren. Die Temperatur des Plasmalichtbogens wird durch den Dampfdruck in dem Kolben und die an ihn angelegte Leistung bestimmt. Die Lichtbogentemperatur wiederum beeinflußt die Populationverteilung in dem angeregten molekularen Elektronenzustand. So kann durch Verändern der an den Kolben angelegten Leistung die Wellenlänge der maximalen Emission geringfügig verschoben werden. Der hohe Betriebsdruck des bzw. der verdampften aktiven Bestandteile sorgt außerdem für eine Wärmeisolierung des Entladungskerns, wodurch die Lichtbogenkerntemperatur angehoben und die Population der höheren Schwingungsniveaus des bzw. der angeregten Zustände des bzw. der aktiven Bestandteile gestattet wird.The discharge is initiated in the noble gas, which then heats up and vaporizes the chemical filling, increasing the vapor pressure in the bulb. The active component or components then begin to dissociate and ionize, emitting within the spectral regions mentioned above. The temperature of the plasma arc is determined by the vapor pressure in the bulb and the power applied to it. The arc temperature in turn affects the population distribution in the excited molecular electron state. Thus, by changing the power applied to the bulb, the wavelength of maximum emission can be slightly shifted. The high operating pressure of the vaporized active component or components Components also provide thermal insulation of the discharge core, thereby raising the arc core temperature and allowing the population of the higher vibrational levels of the excited state(s) of the active component(s).

Die bevorzugte Hochfrequenzleistungsquelle für die hier offenbarten Lampen ist eine Mikrowellenleistungsquelle. Ganz besonders bevorzugt wird eine Mikrowellenleistungsquelle mit mehreren, um den Kolben herum beabstandeten Applikatoren für das elektrische Feld. Ein Leistungsteiler und ein Phasenschieber bewirken, daß sich das durch die Applikatoren an den Kolben angelegte elektrische Feld mit der Frequenz der Leistungsquelle dreht. Eine derartige Leistungsquelle ist in dem US-Patent 5,498,928 offenbart.The preferred high frequency power source for the lamps disclosed herein is a microwave power source. Most preferred is a microwave power source having a plurality of electric field applicators spaced around the envelope. A power splitter and a phase shifter cause the electric field applied to the envelope by the applicators to rotate at the frequency of the power source. One such power source is disclosed in U.S. Patent 5,498,928.

Es kann aber auch eine andere Art von Hochfrequenzleistungsquelle eingesetzt werden, z. B. die, die in dem obenerwähnten Patent 5,070,277 offenbart ist, oder andere bekannte Hochfrequenzapplikatoren. Vorzugsweise sollte es durch den verwendeten Applikator möglich sein, daß die Lampe klein ist und ein gut konzentriertes, mit Hochfrequenz betriebenes Plasma aufweist. Vorzugsweise läßt sich der ganze Applikator in einer optischen Einrichtung anbringen, die sich unabhängig von der Mikrowellenleistungsquelle für die Sammlung des emittierten Lichts optimieren läßt.However, another type of radio frequency power source may be used, such as that disclosed in the above-mentioned patent 5,070,277 or other known radio frequency applicators. Preferably, the applicator used should allow the lamp to be small and have a well-concentrated radio frequency driven plasma. Preferably, the entire applicator can be mounted in an optical device that can be optimized for the collection of the emitted light independently of the microwave power source.

Die Lampenkapsel bzw. der lichtdurchlässige Kolben ist aus Quarzglas (im allgemeinen als Quarz bezeichnet), synthetischem Siliziumoxid, Hartglas, Keramik (z. B. polykristallinem Aluminiumoxid oder Yttriumoxid) oder aus einem einzelnen kristallinen Material wie etwa einem kristallinen Aluminiumoxid (Saphir) hergestellt. Die Lampenkapsel kann auch aus einer großen Vielfalt anderer Materialien hergestellt werden, einschließlich Gläsern mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als dem der Gläser, die sich mit elektrodenlosen HID-Lampen nach dem Stand der Technik verwenden lassen. Die Gläser mit einem niedrigeren Schmelzpunkt sind zugelassen, da das verdampfbare primäre aktive Material bei einer niedrigeren Temperatur verdampft als primäre aktive Materialien nach dem Stand der Technik und chemisch weniger mit dem Glas reagiert als die in herkömmlichen HID-Lampen verwendeten Metallsalze.The lamp capsule or light transmitting envelope is made of fused silica (commonly referred to as quartz), synthetic silica, tempered glass, ceramic (e.g., polycrystalline alumina or yttria), or a single crystalline material such as a crystalline alumina (sapphire). The lamp capsule can also be made of a wide variety of other materials, including glasses with a lower melting point than the glasses that can be used with prior art electrodeless HID lamps. The lower melting point glasses Melting point are permitted because the vaporizable primary active material vaporizes at a lower temperature than state of the art primary active materials and is less chemically reactive with the glass than the metal salts used in conventional HID lamps.

Die folgende Beschreibung von verschiedenen, in der Zeichung gezeigten Ausführungsbeispielen bezieht sich auf eine kugelförmige, von einem Medium betriebene Lampe. Sie soll jedoch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, sondern nur veranschaulichend und repräsentativ sein.The following description of various embodiments shown in the drawings relates to a spherical, medium-operated lamp. However, it is not intended to limit the scope of the present invention, but is only intended to be illustrative and representative.

Nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält eine elektrodenlose HID-Lampe 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine kugelförmige elektrodenlose Lampenkapsel 12, die unten ausführlicher beschrieben ist, und Applikatoren 14 und 16 für ein elektrisches Feld auf beiden Seiten von der Lampenkapsel 12 und in ihrer unmittelbaren Nähe. Die Applikatoren 14 und 16 werden für eine nichtresonante Ankopplung von hochfrequenter elektromagnetischer Leistung an die Lampenkapsel 12 verwendet. Bei einer bevorzugten alternativen Anordnung sind die Applikatoren 14 und 16 zwei von vier Applikatoren für ein elektrisches Feld des in dem US-Patent 5,498,928 beschriebenen Systems. Die Applikatoren für ein elektrisches Feld sind vorzugsweise schraubenförmige Koppler oder schraubenförmige Spulen. Die Applikatoren für ein elektrisches Feld sind um die Lampenkapsel 12 in einer die Mitte der Lampenkapsel schneidenden Ebene und bezüglich der Mitte der Lampenkapsel in Abständen von 90º angeordnet. Eine nicht gezeigte Hochfrequenzleistungsquelle liefert Hochfrequenzleistung an einen nicht gezeigten Leistungsteiler und einen nicht gezeigten Phasenschieber, so daß sich das von den vier Applikatoren an die Lampenkapsel 12 angelegte elektrische Feld mit der Frequenz der Leistungsquelle dreht. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, können ein Paar Applikatoren über und unter dem Lampenkolben 18 und zu seiner nicht gezeigten Drehachse ausgerichtet angeordnet sein.Referring now to Fig. 1, an electrodeless HID lamp 10 according to an embodiment of the present invention includes a spherical electrodeless lamp capsule 12, described in more detail below, and electric field applicators 14 and 16 on either side of and in close proximity to the lamp capsule 12. The applicators 14 and 16 are used for non-resonant coupling of radio frequency electromagnetic power to the lamp capsule 12. In a preferred alternative arrangement, the applicators 14 and 16 are two of four electric field applicators of the system described in U.S. Patent 5,498,928. The electric field applicators are preferably helical couplers or helical coils. The electric field applicators are arranged around the lamp capsule 12 in a plane intersecting the center of the lamp capsule and at 90° intervals with respect to the center of the lamp capsule. A high frequency power source, not shown, supplies high frequency power to a power splitter, not shown, and a phase shifter, not shown, so that the electric field applied by the four applicators to the lamp capsule 12 rotates at the frequency of the power source. In another alternative embodiment, not shown, a pair of Applicators are arranged above and below the lamp bulb 18 and aligned with its axis of rotation (not shown).

Der Kolben 18 der Lampenkapsel 12 ist aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt, durch das die Hochfrequenzleistung im wesentlichen ungedämpft passiert. Das Material des Lampenkolbens 18 kann Quarz, synthetisches Siliziumoxid, Hartglas, Keramik oder ein einzelnes kristallines Material wie etwa Saphir sein. Der Lampenkolben 18 ist in Fig. 1 kugelförmig gezeigt, doch kann er jede beliebige Form haben, die für elektrodenlose Lampenkapseln üblich ist, z. B. ein im Querschnitt allgemein gestrecktes oder längliches Ellipsoid, z. B. eines Querschnitts senkrecht zu der Anregungsebene. Der Lampenkolben 18 weist vorzugsweise in der Anregungsebene einen ungefähr kreisförmigen Querschnitt auf. Der Innendurchmesser der Lampenkapsel 18 beträgt bevorzugt ungefähr 1-12 mm, besonders bevorzugt 2-8 mm. Die Wanddicke kann zum Beispiel bei ungefähr 0,25-2,0 mm liegen. Zum Betrieb im gesättigten Modus kann der Lampenkolben 18 eine oder mehr Vertiefungen, wie etwa Vertiefung 20, aufweisen, die sich in den Innenraum erstrecken, um die Steuerung der Verteilung des Füllungskondensats 22 zu unterstützen. Das Kondensat 22 bildet einen Ring um die Vertiefung 20 herum. Ein Stützstab 24, der wie gezeigt rohrförmig oder massiv sein kann und bevorzugt auf die Mitte des Lampenkolbens 18 ausgerichtet ist, stützt den Lampenkolben 18. Eine zweite, nicht gezeigte Stütze kann diametral entgegengesetzt zu dem Stab 24 positioniert sein und sich in gleicher Linie mit ihm erstrecken. Der Lampenkolben 18 enthält ein ionisierbares Edelgas oder Stickstoff, vorzugsweise Xenon, bei ungefähr 27-270 mbar (20-200 Torr) bei Umgebungstemperatur. Der Lampenkolben 18 enthält weiterhin, als primären aktiven Bestandteil der Füllung, ein verdampfbares Füllungsmaterial, das aus Boroxid (B&sub2;O&sub3;) und Schwefel (S&sub2;) besteht, die bei Erwärmung unter Bildung von Borsulfid (B&sub2;S&sub3;) reagieren, wie oben beschrieben. Als Ausgangsmaterialien können aber auch metallisches Bor und zwelatomiger Schwefel verwendet werden, oder gereinigtes B&sub2;S&sub3; kann direkt in die Lampe eingeleitet werden. Dieser primäre aktive Borsulfid-Bestandteil wird bei Verdämpfung teilweise ionisiert und teilweise in strahlende Zustände angeregt, so daß durch die Entladung Nutzlicht emittiert wird.The envelope 18 of the lamp capsule 12 is made of a light-transmissive material through which the high frequency power passes substantially unattenuated. The material of the lamp envelope 18 may be quartz, synthetic silica, tempered glass, ceramic, or a single crystalline material such as sapphire. The lamp envelope 18 is shown as spherical in Fig. 1, but it may have any shape conventional for electrodeless lamp capsules, e.g., a generally elongated or oblong ellipsoid in cross-section, e.g., a cross-section perpendicular to the excitation plane. The lamp envelope 18 preferably has an approximately circular cross-section in the excitation plane. The inner diameter of the lamp capsule 18 is preferably about 1-12 mm, more preferably 2-8 mm. The wall thickness may be, for example, about 0.25-2.0 mm. For operation in the saturated mode, the lamp envelope 18 may have one or more recesses, such as recess 20, extending into the interior to help control the distribution of the fill condensate 22. The condensate 22 forms a ring around the recess 20. A support rod 24, which may be tubular or solid as shown and is preferably aligned with the center of the lamp envelope 18, supports the lamp envelope 18. A second support, not shown, may be positioned diametrically opposite the rod 24 and extend co-aligned therewith. The lamp envelope 18 contains an ionizable noble gas or nitrogen, preferably xenon, at about 27-270 mbar (20-200 Torr) at ambient temperature. The lamp bulb 18 further contains, as the primary active component of the filling, a vaporizable filling material consisting of boron oxide (B₂O₃) and sulfur (S₂), which react when heated to form boron sulfide (B₂S₃). as described above. Metallic boron and diatomic sulphur may also be used as starting materials, or purified B₂S₃ may be introduced directly into the lamp. This primary active boron sulphide component is partly ionised and partly excited to radiant states when evaporated, so that useful light is emitted by the discharge.

Im Betrieb ist die Leistungsquelle aktiviert, wobei sie in der Mitte des Lampenkolbens ein elektrisches Feld aufbaut und den Edelgas- oder den Stickstoffbestandteil ionisiert. Die Moleküle des bzw. der aktiven Bestandteile verdampfen, diffundieren und, falls sie als Verbindungen vorliegen, dissoziieren in dem Lichtbogen, wobei Licht erzeugt wird.During operation, the power source is activated, creating an electric field in the center of the lamp bulb and ionizing the noble gas or nitrogen component. The molecules of the active component(s) evaporate, diffuse and, if present as compounds, dissociate in the arc, producing light.

Das folgende Beispiel soll dem Fachmann beim besseren Verständnis und bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung behilflich sein. Dieses Beispiel soll den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht einschränken, sondern lediglich darstellen und veranschaulichen.The following example is intended to assist one skilled in the art in better understanding and practicing the present invention. This example is not intended to limit the scope of the present invention, but is merely illustrative and illustrative.

EXAMPLE

Eine elektrodenlose 60 W-HID-Lampe wurde hergestellt, indem eine standardmäßige rohrförmige elektrodenlose HID-Lampenkapsel mit einem Innendurchmesser von 3 mm und einem Außendurchmesser von 5 mm und einer inneren Länge von 10 mm mit einer in situ gebildeten Borsulfid-Füllung (als Boroxid und S&sub2; zugegeben) gefüllt wurde. In die Lampenkapsel wurde kein Quecksilber eingeleitet. Das Emissionsspektrum der Lampenfüllung ist in Fig. 2 gezeigt, die eine Spitzenemission bei 812 nm zeigt, wobei durch das inerte Füllgas Krypton zusätzliche Spitzen entstehen.A 60 W electrodeless HID lamp was prepared by filling a standard tubular electrodeless HID lamp capsule with an inner diameter of 3 mm and an outer diameter of 5 mm and an inner length of 10 mm with an in situ formed boron sulfide fill (added as boron oxide and S2). No mercury was introduced into the lamp capsule. The emission spectrum of the lamp fill is shown in Fig. 2, which shows a peak emission at 812 nm, with additional peaks caused by the inert fill gas krypton.

Die Lampenkapsel wurde zugeschmolzen und in einer hochfrequenten Quelle angebracht, um der Lampe bei 915 MHz Hochfrequenzleistung zu liefern. Die Lampe arbeitete in einem ungesättigten Modus und lieferte 400 Lumen an Licht. Die zugeordnete Farbtemperatur der Lampe betrag 3295 K; der allgemeine Farbwiedergabeindex wurde nicht gemessen.The lamp capsule was sealed and placed in a high frequency source to provide high frequency power to the lamp at 915 MHz. The lamp operated in a desaturated mode and provided 400 lumens of light. The assigned color temperature of the Lamp is 3295 K; overall color rendering index was not measured.

Die hier beschriebene Erfindung gibt dem Stand der Technik eine neue verbesserte elektrodenlose HID-Lampe mit einer Borsulfid-Füllung. Die Lampe erfordert weder Quecksilber noch Quecksilbersalze und auch keine bedeutende Menge an Metallhalogeniden, um Nutzlicht zu erzeugen. Die Borsulfid-Füllung emittiert im gelben bis roten Bereich des sichtbaren Spektrums, und falls in die Füllung die oben beschriebenen Additive mitaufgenommen werden, kann die Emission verschoben und aufgeweitet werden, um den gelbgrünen, blauen oder ultravioletten Bereich des Spektrums einzuschließen.The invention described here provides the art with a new and improved electrodeless HID lamp with a boron sulfide fill. The lamp does not require mercury or mercury salts, nor does it require a significant amount of metal halides to produce useful light. The boron sulfide fill emits in the yellow to red region of the visible spectrum, and if the additives described above are included in the fill, the emission can be shifted and broadened to include the yellow-green, blue or ultraviolet regions of the spectrum.

Wenngleich Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, die gegenwärtig als die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angesehen werden, so ist für den Fachmann doch deutlich, daß daran Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.While there have been shown and described embodiments which are presently considered to be the preferred embodiments of the invention, it will be apparent to those skilled in the art that modifications and changes may be made therein without departing from the scope of the claims.

Claims

1. Electrodeless high-intensity Discharge lamp (10) comprising:

a sealed translucent bulb (12);

a vaporizable chemical fill in the flask, the fill containing boron sulfide as the primary active ingredient;

an inert gas or nitrogen in the envelope to assist in ignition of the lamp, the inert gas or nitrogen being at a pressure of less than 1013 mbar (760 Torr) at ambient temperature; and

means (14, 15) for coupling high frequency power to the bulb to generate a light emitting plasma discharge in the bulb.

2. A lamp according to claim 1, which is a mercury-free electrodeless high intensity discharge lamp.

3. Lamp according to claim 2, which contains neither mercury nor metal halides.

4. The lamp of claim 1, further comprising a.

Amount of a metal halide as a secondary active ingredient in the bulb sufficient to increase the emission wavelength of the fill during operation of the lamp.

5. The lamp of claim 4, wherein the metal halide is selected from the group consisting of sodium iodide, lithium iodide, scandium iodide, and combinations thereof.

6. A lamp according to claim 1, wherein the amount of the primary active ingredient is sufficient so that a condensate of the primary active ingredient is present in the bulb during operation of the lamp.

7. A lamp according to claim 1, wherein the amount of the primary active ingredient is about 1-100 mg per cm3 bulb volume.

8. A lamp according to claim 7, wherein the amount of the primary active ingredient is about 1-10 mg per cm3 bulb volume.

9. The lamp of claim 1, wherein the noble gas or nitrogen is present at a pressure of about 27-933 mbar (20-700 Torr) at ambient temperature.

10. A lamp according to claim 9, wherein the noble gas or nitrogen is present at a pressure of approximately 27-270 mbar (20-200 Torr) at ambient temperature.

11. Lamp according to claim 9, wherein the noble gas or nitrogen is nitrogen, xenon, krypton or argon.

12. A lamp according to claim 1, wherein the means (14, 16) applies the high frequency power at about 13-6000 MHz.

13. Lamp according to claim 1, wherein the light-transmissive envelope (12) is made of a light-transmissive material selected from the group consisting of quartz glass, synthetic silicon oxide, glass, sapphire and ceramic.