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Dokumentenidentifikation DE69228357T2 09.09.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0542467
Titel Lichtbogenkammer für eine Lampe die eine quecksilberfreie Füllung enthält
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Dakin, James Thomas, Shaker Heights, Ohio 44120, US;
Duffy, Mark Elton, Shaker Heights, Ohio 44120, US;
Berry, Tommie, Jr., East Cleveland, Ohio 44112, US;
Russell, Timothy David, Cleveland Heights, Ohio 44118, US
Vertreter Voigt, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 65812 Bad Soden
DE-Aktenzeichen 69228357
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 04.11.1992
EP-Aktenzeichen 923100895
EP-Offenlegungsdatum 19.05.1993
EP date of grant 03.02.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse H01J 61/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogenkammer für eine Lichtbogenlampe.

Ausführungsbeispiele dieser Erfindung beziehen sich auf eine quecksilberfreie Bogenentladungslampe, die ein Halogenid von Neodym enthält. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine elektrodenlose Hochintensitäts-Bogenentladungslampe, wobei die Bogenröhre eine quecksilberfreie Füllung enthält, die ein Halogenid von Neodym aufweist.

Mit Elektroden versehene Hochintensitäts-Bogenentladungslampen, wie beispielsweise Hochdruck-Natriumlampen und Metallhalogenidlampen, sind allgemein bekannt und enthalten eine lichtdurchlässige Bogenentladungskammer oder -röhre, die hermetisch gekapselt ist und darin zwei im Abstand angeordnete Elektroden und eine geeignete Füllung einschließt, wie beispielsweise ein inertes Startergas und ein oder mehrere ionisierbare Metalle oder Metallhalogenide. Zwei der Hauptgründe eines Lampenausfalles sind ein Zerstäuben des Elektrodenmaterials auf den Lampenmantel und thermische und elektrische Beanspruchungen, die ein Elektrodenversagen zur Folge haben. Kürzlich ist eine neue Klasse von Bogenentladungslampen entwickelt worden, die elektrodenlose Lampen genannt werden. Derartige Lampen haben eine lichtdurchlässige, elektrodenlose Bogenkammer oder -röhre, die im allgemeinen wie eine Pillendose oder eine leicht abgeflachte Kugel geformt ist und eine Füllung enthält, die ein geeignetes inertes Puffergas und ein oder mehrere Metallhalogenide enthält. Hochfrequenz(HF)-Energie, die über eine kapazitive oder induktive Kopplung an die Füllung angelegt oder mit dieser gekoppelt wird, erzeugt einen lichtemittierenden Bogen. Im Betrieb einer derartigen Lampe wirkt die Bogenröhre oder -kammer über induktive Kopplung wie eine eine einzige Windung aufweisende Sekundärspule von einem Transformator und ist von einer HF Energie-Anregungsspule umgeben, die als eine Primärspule wirkt. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Lampen sind beispielsweise in den US-Patenten 4,810,938; 4,890,042; 4,972,120; 4,959,584; 5,032,757; 5,032,762 und 5,039,903 beschrieben, die alle auf die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung übertragen sind. Die fortgesetzte Forschung und Entwicklung war auf eine Verbesserung der Farbe gerichtet, die von elektrodenlosen Bogenentladungslampen emittiert wird, während der relativ hohe Farbgebungs- bzw. rasterungsindex (CRI von Colour Rendering Index) und der Lampenwirkungsgrad beibehalten werden, die diese Lampen aufweisen.

IP-A-53094466 beschreibt eine Metallhalogenidlampe, die eine transparente Bogenkammer aufweist, die eine Füllung enthaltend Quecksilber, Edelgas und eines von Cerhalogenid, Praseodymhalogenid und Neodymhalogenid enthält.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf eine Bogenentladungslampe, insbesondere eine elektrodenlose Bogenentladungslampe, die eine gute Farbe, Wirkungsgrad und CRI aufweist, wobei die Bogenkammer oder -röhre eine quecksilberfreie Füllung enthält, die ein Puffergas und wenigstens ein Halogenid von Neodym (Nd) aufweist. Somit bezieht sich die Erfindung auf eine Bogenentladungslampe und insbesondere eine elektrodenlose Bogenentladungslampe, die eine lichtdurchlässige Bogenkammer aufweist, die eine den Lichtbogen aufrecht erhaltende Füllung enthält, die quecksilberfrei ist und ein Puffergas und wenigstens ein Halogenid von Nd aufweist, wobei die Lampe ferner Mittel aufweist zum Anlegen oder Koppeln von hochfrequenter Energie mit der Füllung, um einen lichtemittierenden Lichtbogen zu erzeugen. Es ist selbstverständlich klar, daß wenigstens ein Teil von dem Nd in der Füllung in dem Lichtbogen vorhanden ist und während des Betriebs der Lampe zu dem Emissionsspektrum beiträgt.

Mit Puffergas ist ein Edelgas gemeint, das den Betrieb der Lampe nicht nachteilig beeinflußt und das als ein Puffer wirkt, um einen Metalltransport von dem Lichtbogen zur Wand der Bogenkammer zu verringern. In einigen Ausführungsbeispielen wird die Füllung, zusätzlich zu ihrem Gehalt an wenigstens einem Halogenid von Nd, auch ein Halogenid von einem oder mehreren zusätzlichen Metallen enthalten, wie beispielsweise ein Metall der Seltenen Erden, Natrium (Na), Cäsium (Cs), Zinn (Sn) usw. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorgenannte Liste an Metallen nur beispielhaft gemeint ist, aber nicht die Ausführung der Erfindung begrenzen soll.

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

Fig. 1 schematisch eine elektrodenlose Bogenentladungslampe darstellt, die bei der Ausführung der Erfindung brauchbar ist;

Fig. 2 ein Kurvenbild der Intensität über der Wellenlänge ist und das sichtbare Farbspektrum von einer elektrodenlosen Lampe gemäß der Erfindung darstellt.

Fig. 1 stellt schematisch eine elektrodenlose Metallhalogenid-Bogenentladungslampe 10 hoher Intensität gemäß der Erfindung dar, die eine Bogenkammer 12 in der allgemeinen Form von einem Ellipsoid aufweist, die einen nahezu isothermischen Betrieb ermöglicht. Es können auch andere Bogenkammerformen, wie beispielsweise im wesentlichen sphärisch, elliptisch usw., verwendet werden, vorausgesetzt, daß eine derartige Form die Bildung von einem Lichtbogen in der Bogenkammer gestattet. Elektrische Energie in der Form von einem HF Signal wird an die Bogenkammer durch eine Anregungsspule 14 angelegt, die um die Bogenkammer 12 herum angeordnet und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer HF Energiequelle oder Vorschaltanordnung 16 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die HF Energie induktiv mit dem Lichtbogen gekoppelt. Die Anregungsspule 14 ist als eine zwei Windungen aufweisende Spule mit der gezeigten Konfiguration dargestellt, wobei die Gesamtform von der Anregungsspule im allgemeinen diejenige von einer Oberfläche ist, die durch Rotation eines bilateral symmetrischen Trapezes um eine Spulenmittellinie gebildet wird, die in der gleichen Ebene wie das Trapez angeordnet ist, wobei aber diese Linie das Trapez nicht schneidet. Eine derartige Spulenkonfiguration hat eine sehr hohe Effizienz zur Folge und bewirkt nur eine minimale Blockierung des Lichtes aus der Lampe. Diese besondere Spulenkonfiguration ist mit weiteren Einzelheiten in dem US-Patent 5,039,903 beschrieben, dessen Offenbarungen durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen werden. Es können jedoch auch andere geeignete Spulenkonfigurationen verwendet werden, wie beispielsweise diejenigen, die in dem gleichzeitig übertragenen US-Patent 4,812,702 für J.M. Anderson, erteilt am 14. März 1989, beschrieben sind, wobei dieses Patent durch diese Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird. Genauer gesagt, beschreibt das Anderson Patent eine Spule mit sechs Windungen, die so angeordnet sind, daß sie einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt auf jeder Seite von einer Spulenmittellinie haben. Eine noch weitere geeignete Anregungsspule kann beispielsweise eine Soleonidform haben. Die Wahl der Spulenform, Lage und Form wird von dem Praktiker bestimmt.

Im Betrieb hat der Hochfrequenzstrom in der Spule 14 ein zeitveränderliches Magnetfeld zur Folge, das in dem Bogenrohr oder der -kammer 12 ein elektrisches Feld erzeugt, das in sich selbst geschlossen ist. Ein Strom fließt durch die Füllung in der Kammer 12 als eine Folge von diesem soleonidförmigen bzw. quellfreien elektrischem Feld und erzeugt eine toroidförmige Bogenentladung 18 in der Kammer 12. Der Betrieb einer elektrodenlosen Hochintensitäts-Entladungslampe ist in dem US- Patent 4,810,938 für Johnson u. a. beschrieben. Geeignete Betriebsfrequenzen für die HF Leistungsversorgung liegen in dem Bereich von 0,1 MHz bis 300 MHz.

Die Lichtbogenkammer 12 ist aus einem geeigneten elektrisch isolierenden, lichtdurchlässigen Material hergestellt, wie beispielsweise geschmolzenem Quarz, der aus Siliciumdioxidsand hoher Reinheit, synthetischem Quarz, einem Hochtemperaturglas oder einer optisch transparenten oder durchscheinenden Keramik hergestellt ist, wie beispielsweise Saphir oder polykristallinem Aluminiumoxid. Das für diese Bogenkammern gewählte Material ist gegenwärtig geschmolzener Quarz mit einer Reinheit von mehr als 99% SiO&sub2;.

Die Bogenkammer in Lampen gemäß der Erfindung sind guecksilberfrei und haben hermetisch gekapselt darin eine Füllung, die ein Puffergas und wenigstens ein Halogenid von Nd aufweist. Das Vorhandensein von Quecksilber in der Lichtbogenkammer von Lampen gemäß der Erfindung in Mengen größer als 1 mg cm-3 wird den Lampenwirkungsgrad senken oder die Farbe von dem durch den Lichtbogen emittierten Licht beeinflussen. In elektrodenlosen Lampen wird das Vorhandensein von Quecksilber auch Spulenverluste vergrößern, die den Lampenwirkungsgrad weiter verringern.

Wie oben ausgeführt wurde, muß die Bogenkammer wenigstens ein Halogenid von Nd enthalten und wird in einigen Ausführungsbeispielen auch wenigstens ein Halogenid von einem oder mehreren zusätzlichen Metallen enthalten, von denen erläuternde, aber nicht einschränkende, Beispiele Na, Cs, Sn, Metalle der Seltenen Erden, wie beispielsweise Cer (Ce), Praseodym (Pr), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Thulium (Tm) usw. enthalten. Es wurde gefunden, daß Natrium und Cäsium eine stabilisierende Wirkung auf die Bogenentladung haben. Neodym selbst sorgt für eine relativ hohe Farbtemperatur von etwa 6000ºK, die eine kalte Farbe in Richtung auf den blauen Abschnitt von dem sichtbaren Lichtspektrum aufweist. Natrium weist eine wärmere, geringere Farbtemperatur mehr in Richtung auf den gelben Abschnitt von dem Spektrum auf, wird aber durch Diffusion langsam aus der Bogenkammer verarmt. Cäsium beeinflußt die Farbtemperatur nicht. Wenn also ein Halogenid von Cs mit dem Nd Halogenid verwendet wird und eine wärmere Farbtemperatur gewünscht ist, müssen ein oder mehrere zusätzliche Metallhalogenide verwendet werden, die eine warme Farbtemperatur aufweisen. Die Wahl von zusätzlichen Metallhalogeniden wird dem Praktiker überlassen. Die Bogenkammer muß auch während des Betriebs der Lampe genügend heiß sein, um sicherzustellen, daß das Nd und irgend ein anderes Metall, das in der Füllung verwendet wird, um die gewünschte Farbe und den Wirkungsgrad zu erzielen, ein Bestandteil des Lichtbogens ist. Im allgemeinen bedeutet dies, daß der kälteste Abschnitt von der Bogenkammer über 500ºC liegen wird.

Der Fachmann weiß, daß eine Bogenkammer so ausgestaltet sein kann, daß sie entweder Dosis-begrenzt oder Dampfdruck-begrenzt oder eine Kombination von Dosis- und Dampfdruck-begrenzt ist. In einer Dosis-begrenzten Bogenkammer wird das gesamte vorhandene Metallhalogenid während des Betriebs des Lichtbogens verdampft. Eine Dampfdruck-begrenzte Konstruktion erfordert, daß ein Teil von jedem Metallhalogenid während des Betriebs des Lichtbogens als ein Kondensat vorhanden ist. Somit wird in einem Dampf-begrenzten Lampendesign jedes Metallhalogenid in der Bogenkammer in einer größeren Menge als derjenigen vorhanden sein, die zum Erzielen der gewünschten Farbe und des Wirkungsgrades erforderlich ist, so daß ein Teil von jedem Metallhalogenid während des Betriebs der Lampe als Kondensat vorhanden ist.

Bevorzugte Halogenide umfassen Jodide, Chloride, Bromide und ihre Mischungen, wobei Jodide bevorzugt sind. Somit sind in einem Ausführungsbeispiel Metalljodide bevorzugt zur Verwendung in den Lampen gemäß dieser Erfindung. Die Bogenkammer muß ein Puffergas enthalten, das in dem Rahmen inert ist, daß es den Betrieb der Lampe nicht nachteilig beeinflußt, und das als ein Puffer wirkt, um einen Metalltransport von dem Lichtbogen zur Bogenkammerwand verringert und das auch bevorzugt beim Starten des Lichtbogens hilft. Edelgase werden als Puffergase verwendet. Auch wenn jedes Edelgas bis zu einem gewissen Grad arbeiten wird, sind bevorzugte Gase Krypton (Kr), Xenon (Xe), Argon (Ar) und ihre Mischungen, wobei Kr besonders bevorzugt wird. Zwar könnte Neon (Ne) verwendet werden, aber es diffundiert langsam durch die Quarzwand von der Bogenkammer, was den Lampenwirkungsgrad senkt, und es emittiert auch eine bläuliche Farbe, wenn es ionisiert ist. Helium (He) könnte ebenfalls verwendet werden, aber es ist sogar noch anfälliger für ein Diffundieren durch die Wand von einer Bogenkammer aus Quarz. Weiterhin hat He eine höhere thermische Leitfähigkeit als Ne, Ar, Kr oder Xe und deshalb einen höheren Verlust durch thermische Leitung. Der Druck des Gases in der Bogenkammer wird über 6,66 · 10³ Pa (50 Torr) und vorzugsweise über 1,33 · 10&sup4; Pa (100 Torr) bei Raumtemperatur sein.

Die Erfindung wird besser verständlich durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele.

Beispiele

In allen Beispielen war die Lampe wie in Fig. 1 dargestellt und verwendete eine Bogenkammer aus geschmolzenem Quarz, deren Abmessungen 26 mm Außendurchmesser und 19 mm Höhe mit einer Wanddicke von etwa 1 mm betrugen. Während des Betriebes war der kälteste Abschnitt der Lichtbogenkammer etwa 900ºC. In allen Fällen waren die Metallhalogenide Jodide, die Bogenkammer enthielt Kr bei einem Druck von 3,33 · 10&sup4; Pa (250 Torr) bei Raumtemperatur zusätzlich zu dem Metallhalogenid und der Nd Dampfdruck war ausreichend hoch, damit die Nd Strahlung mehr als 10% zu der gesamten sichtbaren Strahlung beitrug, die von dem Lichtbogen emittiert wurde. Keine der Bogenkammern enthielt Quecksilber. Eine HF Spule, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, arbeitete bei 13,56 MHz, die von 200 bis 400 Watt Leistung dem Lichtbogen zugeführt wurde. Schließlich war in allen Fällen jedes Metallhalogenid in der Bogenkammer in einer größeren Menge vorhanden als derjenigen, die zum Erzielen der gewünschten Farbe und des Wirkungsgrades erforderlich ist, was sicherstellte, daß ein Teil davon während des Betriebes der Lampe als Kondensat vorhanden war.

Beispiele A-C

In diesen drei Beispielen betrug das Metallhalogenid in der Bogenkammer 44 mg von einer 2 : 1 molaren Mischung von NdI&sub3;: CsI, und die Bogenkammer wurde bei unterschiedlichen Leistungswerten betrieben. Fig. 2 ist ein Kurvenbild von dem sichtbaren Farbspektrum, das für Beispiel C erhalten wurde. Das Spektrum ist im wesentlichen kontinuierlich von etwa 410 bis 760 nm, wobei das meiste Licht von etwa 490 bis 604 nm emittiert wurde, was einen hohen Wirkungsgrad (112 lm/W in diesem Fall) und eine gute Farbrasterung (79 CRI in diesem Fall) anzeigt.

Beispiele D-E

Diese zwei Beispiele stellen die Verwendung von ternären Halogeniden in Lampen gemäß der Erfindung dar, die NaI, NdI&sub3; und ein drittes Jodid enthalten, das Cs oder Sn war. In Beispiel D war das dritte Metall Cs, das dazu diente, den Lichtbogen fetter zu machen und zu stabilisieren. Im Beispiel E war das dritte Metall Sn, das das Spektrum ausfüllte und die Farbrasterung des emittierten Lichtes vergrößerte.

Beispiele F-H

Dies sind Beispiele von drei unterschiedlichen Molverhältnissen von NaI und NdI&sub3;. Die drei getrennten Bogenkammern wurden in allen drei Beispielen bei etwa der gleichen Leistung betrieben. Eine Vergrößerung des Na : Nd Molverhältnisses hatte eine wärmere Farbe (niedrigere Farbtemperatur) zur Folge.

Beispiele I-K

In diesen Beispielen enthielt die Bogenkammer NdI&sub3; als das Metallhalogenid, und die Lichtbogenkammer wurde bei den drei unterschiedlichen Leistungswerten betrieben, die in der Tabelle gezeigt sind. Die Daten zeigen, daß eine Änderung im Leistungswert weniger Änderung in der Farbe erzeugte, als sie für eine ähnliche Leistungsänderung in den Beispielen A, B und C erhalten wurde, wo ein zweites Halogenid vorhanden war.


Anspruch[de]

1. Lichtdurchlässige Bogenkammer (12) für eine Bogenentladungslampe (10), die eine Füllung, die wenigstens ein Edelgas und ein Halogenid von Neodym aufweist, zum Einleiten und Aufrechterhalten der Bogenentladung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung frei von Quecksilber ist.

2. Bogenkammer nach Anspruch 1, wobei das Edelgas aus der aus Kr, Xe, Ar und einer Mischung davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Bogenkammer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Halogenid aus der aus Iodid, Bromid, Chlorid und einer Mischung davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Bogenkammer nach Anspruch 3, wobei zusätzlich ein Halogenid von einem Metall enthalten ist, das aus der aus Na, Cs und einer Mischung davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Bogenkammer nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Halogenid von wenigstens einem zusätzlichen Seltenen Erdmetall enthalten ist.

6. Metallhalogenid-Bogenentladungslampe (10), die eine lichtdurchlässige Bogenkammer (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und Mittel (14, 16) zum Zuführen elektrischer Energie zu der Füllung enthält, um einen lichtemittierenden Bogen zu erzeugen.

7. Metallhalogenid-Bogenentladungslampe nach Anspruch 6, die elektrodenlos ist und wobei das wenigstens eine Edelgas auf einem Druck von wenigstens 6,66 · 10³ Pa (50 Torr) ist.

8. Lampe nach Anspruch 7, wobei HF Energie induktiv mit dem Bogen gekoppelt ist.

9. Lampe nach Anspruch 8, wobei Neodym-Iodid in der Bogenkammer (12) vorhanden ist.







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