DE69402107T2

DE69402107T2 - Hochdruckmetallhalogenidentladungslampe

Info

Publication number: DE69402107T2
Application number: DE69402107T
Authority: DE
Inventors: Ghaleb Natour; Robert Peter Scholl
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-05-26
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2014-05-27
Also published as: CA2124515A1; US5504392A; EP0627759A1; ES2102137T3; CN1097900A; JPH06349443A; KR950001852A; DK0627759T3; EP0627759B1; DE69402107D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckmetallhalogenidlampe mit:
einem gasdicht verschlossenen lichtdurchlässigen Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum umgibt, in dem sich Wolframelektroden befinden, die mit sich nach außen erstreckenden Stromleitern verbunden sind.
einer Füllung in dem Entladungsgefäß mit einem Edelgas, einem Puffergas und zumindest einem aus den Halogeniden von Hafnium und Zirconium gewählten Halogenid.
Eine solche Hochdruckmetallhalogenidlampe ist aus EP-0 492 205-A2 bekannt.
Die bekannte Lampe enthält eine Mischung aus Halogeniden eines der Metalle Hafnium und Zirconium, d.h. eine Mischung des Iodids und des Bromids, insbesondere in einem Molverhältnis von 0,2 bis 5.
Obwohl die bekannte Lampe entworfen war, Licht mit einer Farbtemperatur zwischen 4000 und 9000 K auszusenden, beträgt die niedrigste beschriebene Farbtemperatur 5200 K und die höchste 6200 K. Die Lampe soll weiterhin einen hohen Farbwiedergabe-Index Ra haben sowie einen guten R&sub9;-Indexwert, was eine gute Starkrot-Wiedergabe andeutet, und hat dies auch.
Die bekannte Lampe hat eine relativ geringe Lichtausbeute von etwa 70 lm/W bei einer relativ hohen Leistungsaufnahme von 400 W, obwohl allgemein bekannt ist, daß die Lichtausbeute einer Entladungslampe im allgemeinen bei einer relativ hohen Leistungsaufhahme hoch ist.
Die Lebensdauer der bekannten Lampe ist relativ kurz, emige hundert Stunden.
Die bekannte Lampe umfaßt Cäsium. Cäsium ist dafür bekannt, daß es die Wiederzündspannung von Entladungslampen erniedrigt, ohne wesenffichen Einfluß auf das erzeugte Licht zu haben. Die Lampe kann weiterhin Zufügungen wie Seltenerdmetalle, Cobalt und/oder Nickel enthalten, um die Qualität des erzeugten Lichtes zu verbessern. Für diese Zufügungen hat sich jedoch gezeigt, daß sie nur einen geringen Einfluß haben. Von anderen untersuchten Zufügungen wird gesagt, daß sie keine vorteilhafte Wirkung haben.
In der nicht vorveröffenffichten europäischen Patentanmeldung 92 20 36 50.4 (PHN 14.025) werden Hochdruck-Entladungslampen mit oder ohne innere Elektroden beschrieben. Die Lampen umfassen ein Halogenid von Hafnium und/oder Zirconium als lichterzeugenden Stoff. Beim Betrieb der Lampen verdampft das Halogenid und wird in einem Hochtemperaturbereich der Entladung zersetzt. Ein übersättigter Metalldampf wird dann aus Metallteilchen gebildet, die aus Kondensation stammen. Diese Teilchen erzeugen Licht durch Glühen.
Die mit Elektroden versehenen Lampen dieser nicht vorveröffenffichten Anmeldung haben eine lange Lebensdauer im Vergleich zu mit Elektroden versehenen Entladungslampen, die eine flüchtige Wolframverbindung als lichterzeugenden Stoff aufweisen, der nach seiner Zersetzung glühendes kondensiertes Wolfram erzeugt: einige Stunden im Vergleich zu einigen Minuten.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Entladungslampe der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, die verbesserte lichterzeugende Eigenschaften hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das genannte zumindest eine Halogenid aus Hafniumbromid, Hafniumchlorid, Zirconiumbromid und Zirconiumchlorid gewählt ist, die Füllung ein aus Zinn, Tantal und Antimon in elementarer Form gewähltes Metall enthält und weniger als 0,5 µmol I/cm³ Entladungsraum.
Die Gruppe von Halogeniden, aus denen das zumindest eine Halogenid gewählt wird, wird im weiteren auch als "die definierte Gruppe" bezeichnet.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß Iod einen nachteiligen Einfluß auf die Lebensdauer der Lampe der betrachteten Art hat. Wenn Iod in einer wesentlichen Menge vorhanden ist, führt dies zu einer frühen Verschmelzung der Elektroden. Dies bewirkt Schwärzung des Entladungsgefäßes, aber auch ein Wegschmelzen der Elektroden und ein Berühren und damit Zerstören des Entladungsgefäßes durch den Entladungsbogen. Daher ist es am besten, wenn die Füllung frei von Iod in welcher Form dann auch ist: in elementarer Form oder als Iodid. Geringe Mengen von weniger als 0,5 µmol I/cm³ Entladungsraum sind in den meisten Fällen jedoch tolerierbar, weil im allgemeinen solche geringen Mengen die Lebensdauer der Lampe kaum oder gar nicht begrenzen.
Die erfindungsgemäße Lampe hat eine hohe Lichtausbeute, insbesondere mit Hafniumbromid und/oder Hafniumchlorid in der Füllung. Bromide werden bevorzugt, insbesondere Hafniumbromid als einziges Halogenid, das aus der definierten Gruppe von Halogeniden gewählt wird, wegen der interessanten niedrigen Farbtemperatur, die in Kombination mit einer hohe allgemeinen Farbwiedergabe, hohem Ra&sub8;-Wert und guter bis sehr guter Starkrot-Wiedergabe, R&sub9;-Wert, erreicht werden kann.
Die Elemente Zinn, Tantal und Antimon tragen zu der relativ langen Lebensdauer der Lampe bei. Ziemlich überraschend beeinflußt Zinn in einer ein Bromid, z.B. Hafniumbromid, als das oder als eines der selektierten Halogenide enthaltenden Lampe die Ausbeute günstig, ebenso wie die allgemeine Farbwiedergabe und insbesondere die Starkrot-Wiedergabe. Der Farbpunkt im Farbdreieck wird zum Kurvenzug des schwarzen Körpers hin oder in die Nähe davon verschoben. Außerdem verringert Zinn in einer Lampe die UV-Abgabe erheblich bis auf einen niedrigen Prozentsatz der aufgenommenen Leistung. Diese Einflüsse werden bereits beobachtet, sobald die Lampe, beim erstmaligen Betrieb nach ihrer Herstellung, stabile Betriebsbedingungen erreicht hat. Diese Einflüsse werden deutlich, wenn die Lampe mit einer zinnfreien, aber im übrigen mit der erfindungsgemäßen Lampe identischen Lampe verglichen wird. Das Molverhältnis der Gesamtmenge dieser Elemente in der Füllung zur Gesamtmenge von Halogeniden der definierten Gruppe liegt im allgemeinen zwischen 0,3 und 10, vorzugsweise zwischen 1 und 3.
In einer günstigen Ausführungsform hat die erfindungsgemäße Lampe in ihrer Füllung eine zusätzliche Menge von Zinnbromid, z.B. in einem Molverhältnis zur Gesamtmenge Halogenide der definierten Gruppe von bis zu 2, z.B. bis zu 1. Das Vorhandensein zusätzlichen Zinnbromids erniedrigt die Farbtemperatur.
Statt eines einzigen Halogenids der definierten Gruppe können zwei oder mehr zu der genannten Gruppe gehörende Halogenide vorhanden sein. Die Gesamtmenge Halogenide der definierten Gruppe liegt typischerweise im Bereich von 0,5 µmol/cm³ bis 100 µmol/cm³, insbesondere im Bereich von 2 µmol/cm³ bis 20 µmol/cm³. Diese Zahlen entsprechen einem Dampfdruck von 100 mbar, 20 bar, 0,4 bar bzw. 4 bar bei einer mittleren Plasmatemperatur von 2500 K. Unterhalb des genannten Bereiches ist die Ausbeute der Lampe schwach und ebenso die Farbwiedergabe. Experimentelle Daten lassen annehmen, daß optimale Eigenschaften innerhalb des schmalen Bereiches liegen. Von über den breiten Bereich weiter erhöhten Mengen sind keine Vorteile zu erwarten.
Als Puffergas kann in der Füllung Quecksilber vorhanden sein. Alternativ oder zusätzlich kann zu diesem Zweck jedoch ein Edelgas, beispielsweise Xenon, vorhanden sein. Dies hat unter Umweltgesichtpunkten Vorteile. Das Edelgas wirkt dann sowohl als Puffergas als auch als Startgas. Für eine hohe Ausbeute liegt das Molverhältnis der Menge Puffergas zur Gesamtmenge Halogenide der definierten Gruppe im allgemeinen zwischen 2 und 40, vorzugsweise zwischen 5 und 30, insbesondere zwischen 10 und 15.
Ein günstiger Aspekt der erfindungsgemäßen Lampe ist, daß die Halogenide der definierten Gruppe beim Betrieb vollständig verdampfen. Von diesen Halogeniden hat Hafniumbromid den höchsten Siedepunkt, nur 420 ºC. Daher kann die Lampe in jeder beliebigen Lage betrieben werden, ohne daß sich die Farbtemperatur wesentlich ändert. Betrieb der Lampe bei einer niedrigeren Leistung als der Nennleistung ist ohne große Änderungen in der Farbtemperatur möglich.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lampe sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe wird in der Zeichnung in Seitenansicht dargestellt.
In der Zeichnung umfaßt die Hochdruckmetallhalogenidlampe ein lichtdurchlässiges Entladungsgefäß 1, in der Zeichnung aus Quarzglas, aber alternativ beispielsweise aus gesintertem Aluminiumoxid, das einen Entladungsraum 2 umgibt. Das Entladungsgefäß ist gasdicht verschlossen. In dem Entladungsgefäß befinden sich Wolframelektroden 3, die mit sich nach außen erstreckenden Stromleitern 4 verbunden sind. Eine Füllung 5 ist vorhanden, die ein Edelgas, ein Puffergas und zumindest ein aus den Halogeniden von Hafnium und Zirconium gewähltes Halogenid umfaßt. In der Zeichnung sind die Elektroden an eine jeweilige Molybdänfolie 4a geschweißt, die an einen Molybdändraht 4b geschweißt ist. Die dargestellte Lampe ist in einer äußeren Umhüllung 6, z.B. aus Hartglas, montiert, die in einem Lampensockel 7 befestigt ist. Alternativ kann die Lampe jedoch ohne äußerte Umhüllung betrieben werden.
Das gennnnte zumindest eine Halogenid wird aus Hafniumbromid, Hafniumchlorid, Zirconiumbromid und Zirconiumchlorid gewählt, die Füllung enthält ein Metall, das aus Zinn, Tantal und Antimon in elementarer Form gewählt ist, und weniger als 0,5 µmol I/cm³ Entladungsraum.
In einem Experiment wurden mehrere Ausführungsbeispiele (E) der erfindungsgemäßen Lampe mit Lampen der aus der zitierten EP-0 492 205-A2 (O) bekannten oder in der vorgenannten nicht vorveröffentlichten EP-Anmeldung 92 20 36 50.4 (P) beschriebenen Art verglichen. Tabelle 1a Tabelle 1b
Das Entladungsgefäß (DV1) hatte ein Volumen von 0,7 ml und einen größten Innendurchmesser quer zum Entladungsweg von 0,95 cm, wobei in allen Fällen der Elektrodenabstand 0,75 cm betrug.
Außer 1333 Pa Argon enthielten die Lampen die in Tabelle 1a dargestellten Bestandteile (mg). Die Testergebnisse sind in Tabelle 1b wiedergegeben.
Aus diesen Daten von vollständig vergleichbaren Lampen wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Lampe eine größere bis erheblich größere Lebensdauer hat als die Lampen nach dem Stand der Technik. Auch ihre Ausbeute und ihre allgemeine und Starkrot-Farbwiedergabe sind in wesentlichem Maße höher. Es ist günstig, daß die Farbtemperatur der gezeigten Ausführungsbeispiele (E) niedriger ist als die der (O, P)- Lampen nach dem Stand der Technik. Die Farbtemperaturen sind niedriger als die Farbtemperatur jeder beliebigen in der zitierten EP-0 492 205-A2 beschriebenen Lampe.
Andere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lampe wurden unter Verwendung eines Entladungsgefäßes (DV2) mit einem Volumen von 1 cm³ und einem größten Innendurchmesser quer zum Entladungsweg von 1,1 cm hergestellt, wobei der Elektrodenabstand 0,6 cm betrug. Die Lampen enthielten 1333 Pa Argon und die Bestandteile (mg) von Tabelle 2a. Die Eigenschaften der Lampen sind in Tabelle 2b wiedergegeben. Tabelle 2a Tabelle 2b
Aus Tabelle 2b wird deutlich, daß die Lampen im Vergleich zur bekannten Lampe O&sub1; eine hohe Ausbeute, einen hohen allgemeinen Farbwiedergabe-Index, eine gute Starkrot-Wiedergabe, eine um 500 bis 800 K niedrigere Farbtemperatur und eine bei weitem längere Lebensdauer haben. Tabelle 3a
* plus 1 bar Xe, ohne Ar
^ HfCl&sub4; statt des Bromids
++ exkl. SnBr2
## Zr statt Hf
** mol Puffergas insgesamt
+ plus 1,5 mg SnBr&sub2;
# ZrCl&sub4; statt HfBr&sub4;
~ ZrBr&sub4; statt HfBr&sub4;
Andere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lampe wurden unter Verwendung der Entladungsgefäße DV1 und DV2 sowie eines Entladungsgefäßes DV3 mit einem Volumen von 0,2 cm³, einem größten Durchmesser quer zum Entladungsweg von 0,7 cm und einem Elektrodenabstand von 0,6 cm, eines Entladungsgefäßes DV4 mit einem Volumen von 0,9 cm³, einem größten Durchmesser quer zum Entladungsweg von 0,95 cm und einem Elektrodenabstand von 0,5 cm und eines Entladungsgefäßes DV5 mit einem Volumen von 1,2 cm³, einem größten Durchmesser quer zum Entladungsweg von 1,2 cm und einem Elektrodenabstand von 0,5 cm hergestellt. Die Füllungen dieser Lampen enthielten außer 13,3 Pa Argon die Bestandteile (mg) von Tabelle 3a. Die Ergebnisse von Tests mit diesen Lampen sind in Tabelle 3b wiedergegeben. Tabelle 3b
Aus dieser Tabelle 3b wird die hohe Lichtausbeute der erfindungsgemäßen Lampe ersichtlich, auch unter Berücksichtigung der relativ niedrigen Leistungsaufnahme der gegebenen Beispiele. Die Ausführungsbeispiels weisen eine sehr hohe bis nahezu ausgezeichnete allgemeine Farbwiedergabe und eine gute bis sehr gute Starkrot-Wiedergabe auf. Es ist bemerkenswert, daß die Farbtemperaturen in dieser Tabelle einen sehr breiten Bereich von 3960 bis 7664 K abdecken. Dieser Bereich ist viel breiter als der in der genannten EP-0 492 205-A2 beschriebene, der nur von 5200 bis 6200 K geht und der nicht durch die Zufügung von anderen aktiven Bestandteilen wie Dysprosium, Cobalt und Gadolinium zu der Füllung vergrößert wird.
Die Lampe E&sub5; wurde bei mehreren Leistungen betrieben. Ihre Eigenschaften werden in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die Lampe hervorragend dimmbar ist, ohne größere Einflüsse auf die Farbtemperatur oder die Ausbeute. Das gleiche ergibt sich aus Tabelle 5, die Daten eines anderen Ausführungsbeispiels, E&sub1;&sub9;, enthält, mit einem Entladungsgefäß DV2, und 27 mg Hg, 3,5 mg HfBr&sub4;, 1,2 mg Sn und 1333 Pa Argon als Füllung. Tabelle 5
Der Einfluß des Verhältnisses Puffergas/Halogenid der definierten Gruppe (mol/mol) wird mit Hilfe einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe erläutert, in der ein Entladungsgefäß DV1 mit einer Füllung von 2,4 mg HfBr&sub4;, 0,4 mg Sn, 1333 Pa Ar und variierenden Mengen Hg verwendet wurde. Die Ausbeute und die Farbwiedergabe dieser Ausführungsbeispiele (E&sub2;&sub0; - E&sub2;&sub6;) werden in Tabelle 6 gegeben und mit einer gleichartigen, nicht eriindungsgemäßen Lampe (Ref) ohne Puffergas verglichen. Tabelle 6
Es zeigt sich, daß das Puffergas in einem breiten Bereich von Verhältnissen die Farbwiedergabe und die Ausbeute erhöht, wobei optimale Werte im Bereich von etwa 10 bis etwa 15 erhalten werden.
Das Vorhandensein von Cäsiumhalogenid in der erfindungsgemäßen Lampe begünstigt die Wiederzündung der Lampe, was aus Tabelle 7 deutlich wird, und erniedrigt die Farbtemperatur. Dieser Effekt geht jedoch auf Kosten eines kleinen Verlustes an Ausbeute und Farbwiedergabe. Die Tabelle vergleicht Ausführungsbeispiel E&sub1; ohne Cäsiumhalogenid mit Ausführungsbeispiel E&sub2;&sub7; das mit E&sub1; identisch ist, aber 0,6 mg CsBr enthält. Die Zündspannung beträgt in beiden Fällen 800 V. Tabelle 7
Die vorteilhaft niedrige UV-Abgabe der erfindungsgemäßen Lampe wird deutlich, wenn eine Lampe mit einem Entladungsgefäß DV1 und einer Füllung aus 2,4 mg HfBr&sub4;, 1333 Pa Ar: UV-A= 3,5 %; UV-B= 0,1 %, mit einer gleichartigen erfindungsgemäßen Lampe verglichen wird, die zusätzlich 1,2 mg Sn enthält: UV-A = 0,8 %, UV-B= 0,0 %.
Ein anderer Vergleich ist der einer Lampe mit einem Entladungsgefäß DV2 und 3,4 mg HfBr&sub4;, 27 mg Hg, 1333 Pa Ar: UV-A 3,0 %; UV-B 0,0 %, mit einer gleichartigen erfindungsgemäßen Lampe, die zusätzlich 1,2 mg Sn enthält: Uv-A= 0,4 % und Uv-B= 0,0 % der aufgenommenen Leistung.

Claims

1. Hochdruckmetallhalogenidlampe mit:

einem gasdicht verschlossenen lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (1), das einen Entladungsraum (2) umgibt, in dem sich Wolframelektroden (3) befinden, die mit sich nach außen erstreckenden Stromleitern (4) verbunden sind.

einer Füllung (5) in dem Entladungsgefäß (1) mit einem Edelgas, einem Puffergas und zumindest einem aus den Halogeniden von Hafnium und Zirconium gewählten Halogenid,

dadurch gekennzeichnet, daß das genannte zumindest eine Halogenid aus Hafniumbromid, Hafniumchlorid, Zirconiumbromid und Zirconiumchlorid gewählt ist, die Füllung ein aus Zinn, Tantal und Antimon in elementarer Form gewähltes Metall enthält und weniger als 0,5 µmol I/cm³ Entladungsraum.

2. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest eine Halogenid aus Hafniumbromid und Hafniumchlorid gewählt ist.

3. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hafniumbromid das gewählte Halogenid ist.

4. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Zinn das gewählte Metall ist.

5. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis der Menge Puffergas zur Gesamtmenge Bromid und Chlorid von Hafnium und Zirconium im Bereich 2 bis 40 liegt.

6. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Molverhältnis zwischen 5 und 30 liegt.

7. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Edelgas das Puffergas ist.

8. Hochdruckmetallhalogenidlampe nach Anspruch 1, 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung eine Zufügung von Zinnbromid umfaßt.