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Dokumentenidentifikation DE69327275T2 31.05.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0582709
Titel METALL IODID LAMPE
Anmelder Flowil International Lighting (Holding) B.V., Amsterdam, NL
Erfinder FEURSANGER, Alfred, E., Framingham, MA 01701, US;
STRUCK, Charles, William, Medfield, MA 02052, US;
KEEFFE, William, M., Rockport, MA 01966, US;
SHEA, Michael J., Salem, MA 01970, US
Vertreter Lemke, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 86447 Aindling
DE-Aktenzeichen 69327275
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 03.03.1993
EP-Aktenzeichen 939081378
WO-Anmeldetag 03.03.1993
PCT-Aktenzeichen NL9300049
WO-Veröffentlichungsnummer 9318541
WO-Veröffentlichungsdatum 16.09.1993
EP-Offenlegungsdatum 16.02.1994
EP date of grant 15.12.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2000
IPC-Hauptklasse H01J 61/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Metalljodidlampen, insbesondere Metalljodidlampen mit Entladung hoher Intensität (HID) und verbesserter Farbwiedergabe.

Metallhalogenidlampen besitzen einen inneren Quarzbrenner, der eine Füllung enthält, und sind von einer äußeren Glashülle umgeben. Die Füllung des Brenners der Metallhalogenidlampe schließt ein Edelgas für die Zündung, eine Quecksilbermenge zur Etablierung des Bogens auf dem gewünschten Leistungspegel, sowie eines oder mehrere Metallhalogenide ein, gewöhnlich Jodide. Diese Metallhalogenide sind für eine viel höhere Effizienz bezüglich Lichtstrom und Farbwiedergabeindex des Lampenausgangs verantwortlich, als für die Quecksilberdampflampe möglich ist.

Bestimmte Ausdrücke, wie sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, besitzen Bedeutungen, die in der Lichtindustrie allgemein akzeptiert sind. Diese Ausdrücke sind in dem IES LIGHTING HANDBOOK, Referenzband, 1984, Illuminating Engineering Society of North America, niedergelegt. Der Farbwiedergabeindex einer Lichtquelle (CRI) ist ein Maß für den Grad an Farbverschiebung, dem Objekte unterliegen, wenn sie mit der Lichtquelle beleuchtet werden, und zwar im Vergleich mit der Farbe dieser gleichen Objekte, wenn sie von einer Referenzquelle von vergleichbarer Farbtemperatur beleuchtet werden. Die CRI-Einstufung besteht aus einem Allgemeinen Index, Ra, der auf einem Set von acht Testfarbenproben beruht, die als adäquat zur Abdeckung des Farbumfangs angesehen werden. Die Farberscheinung einer Lampe wird durch ihre Farbart- und -sättigungs- Koordinaten beschrieben, die aus der spektralen Leistungsverteilung nach Maßgabe von Standardmethoden berechnet werden können. Siehe CIE, Method of meassuring and specifying colour rendering properties of light sources (2. Ausgabe), Publ. CIE No. 13.2 (TC-3,2), Bureau Central de 1a CIE, Paris, 1974. Das CIE-Standard-Farbart- und -sättigung-Diagramm umfaßt die Farbpunkte von Schwarzkörperstrahlern bei verschiedenen Temperaturen. Der Ort der Farbart und -sättigung schwarzer Körper im x, y-Diagramm ist als der Planck'sche Kurvenzug bekannt. Jede durch einen Punkt auf diesem Kurvenzug repräsentierte Emissionsquelle kann durch eine Farbtemperatur spezifiziert werden. Ein Punkt nahe aber nicht auf diesem Planck'schen Kurvenzug besitzt eine korrelierte Farbtemperatur (CCP), weil von solchen Punkten Linien gezogen werden können, um den Planck'schen Kurvenzug bei dieser Farbtemperatur zu schneiden, derart, daß alle Punkte für das durchschnittliche menschliche Auge aussehen, als hätten sie nahezu die gleiche Färbe. Die Lichtstromeffizienz einer Lichtquelle ist der Quotient aus dem von der gesamten Lampenleistungszufuhr emittierten Lichtstrom, ausgedrückt in Lumen pro Watt (LPW oder Im/W).

Die Lichtausbeute, der Farbwiedergabeindex und andere Ausgangscharakteristiken einer Lampe können in Abhängigkeit von der speziellen Komposition der Metallhalogenide im Brenner variiert werden. Die Metalarc M100/U-Lampe von GTE, mit einer NaIScI&sub3;CsI-Chemie, besitzt einen Farbwiedergabeindex (CRI) von 65, anfängliche Lumen per Watt (LPW) von 85, sowie eine Lebensdauer von 10000 Stunden. In der Lichtindustrie werden diese Spezifikationen als sehr gut für Standard-Lichtanwendungen betrachtet. Jeder chemische Bestandteil in der Lampenfüllung wird dafür ausgewählt, der Lampenfunktion spezielle Effekte hinzuzufügen. Die Alkalimetall-Halogenide verbessern die Farbqualität, tragen durch starke Emissionen zur Lichtabgabe der Lampe bei und adjustieren die Strom-Spannungscharakteristiken. Scandium wird der Lampe als Jodid und als reines Metall hinzugefügt. Scandiumjodid verbessert die Farbqualtität dadurch, daß es dem Emissionsspektrum eine Vielzahl von Linien hinzufügt. Der elementare Scandiumchip wird dazu verwendet, das Metall/Jod-Verhältnis in der Lampe einzustellen und Sauerstoffverunreinigungen zu gettern.

Die obige Chemie kann durch den Ersatz des Elements Zäsium durch Lithium modifiziert werden, um eine NaIScI&sub3;LiI-Chemie zu bilden. Die resultierende Lampe besitzt einen verbesserten CRI von 73, während sie immer noch die Lebensdauer von 10000 Stunden und die 85-LPW-Effizienz besitzt. Der CRI von 73 muß jedoch für die exzellente Farbwiedergabe weiter verbessert werden, wie sie für die Beleuchtung von Theatern, Displays in Geschäften und dekorative Beleuchtung benötigt wird, sowohl für Verwendungen im Innen- als auch im Außenbereich.

Derzeit verfügbare HID-Lampen, wie die OSRAM POWERSTAR® HQI-TS- Metallhalogenidlampe, besitzen einen hohen CRI im Bereich von 85, verfügen jedoch über eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer von 6000 Stunden. Diese Lampen besitzen eine korrelierte Farbtemperatur (CCT) von 4300 K und einem LPW von 73 bis 80. Die POWERSTAR® -Lampen beruhen auf einer Seltene- Erde-Chemie, HoI&sub3;, TmI&sub3;, und DyI&sub3; plus NaI. Diese Lampen besitzen allgemein einen niedrigeren LPW als NaI-ScI&sub3;-Typen, sowie einen verstärkten Abfall des LPW mit der Betriebsdauer. Lampen dieses Typs werden allgemein mit einer höheren Wandtemperatur für den Brenner ausgelegt, damit in der Bogenentladung eine ausreichende Konzentration an Seltene-Erde-Elementen vorhanden ist. Der anhaftende Nachteil dieser Lampen besteht in ihrem kürzeren Leben, welches eine Folge der erhöhten Betriebstemperatur ist.

Wie im U. S. Patent 4 866 342 an Ramaiah ausgeführt ist, hat die Natrium- Scandium-Lampe infolge ihres sehr guten Wirkungsgrads bezüglich der Lichtausbeute und ihres langen Betriebslebens Popularität erlangt. Das Patent beschreibt eine Metallhalogenidlampe mit einer die Entladung stützenden Füllung innerhalb eines Brenners, die im wesentlichen aus einem Edelgas, Quecksilber und den Halogeniden von Natrium und Scandium besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich Thalliumhalogenid enthält, und zwar in einem Molverhältnis von Natriumhalogenid zu Thalliumhalogenid von etwa 280 : 1 bis 75 : 1, wobei die Lichtstromeffizienz der Lampe erhöht ist, ohne dabei den Farbwiedergabeindex der Lampe wesentlich negativ zu beeinträchtigen. Wie in Spalte 2, Zeilen 51 bis 56 ausgeführt, findet innerhalb des schmalen Bereichs von 260 : 1 bis 240 : 1 des Molverhältnisses von Natriumhalogenid zu Thalliumhalogenid eine Verbesserung bezüglich der Lichtstromeffizienz und des Farbwiedergabeindexes statt. Wie in dem Beispiel in Spalte 4 ausgeführt, war der höchste berichtete Farbwiedergabeindex 62 für Lot B. Dieses Patent ist für die Empfindlichkeit von HID-Lampen gegenüber verschiedenen Dopierungsmitteln und die Unvorhersagbarkeit der Lampenfunktion in Abhängigkeit von den verschiedenen, in der Füllung vorhandenen Bestandteilen illustrativ. Es ist erwünscht, weitere Fortschritte bezüglich der Effizienz der Lichtausbeute und des Farbwiedergabeindexes zu machen und dabei gleichzeitig eine lange Lebensdauer zu erzielen bzw. beizubehalten.

Das U. S. Patent 4 053 805 an Scholz et al betrifft eine Rot emittierende Metallhalogenidentladungslampe, welche eine Füllung aus Quecksilber, Scandium und Lithiumjodid verwendet. Lithiumjodid gibt dem emittierten Licht die rote Komponente. Mit Lithiumjodid als Lampenfüllkomponente festgestellte Probleme umfassen, wie in dem obigen Patent dargelegt, Lampenzündungsprobleme und Elektrodenangriff. Diese Probleme werden durch das Hinzufügen von Scandiummetall zur Füllung reduziert.

Das U. S. Patent 4 709 184 an Keeffe et al betrifft eine Metallhalogenidlampe, bei welcher die Füllung im wesentlichen aus Natriumjodid und Scandiumjodid in einem Molverhältnis im Bereich von etwa 20 : 1 bis 28 : 1 besteht, sowie elementarem Quecksilber, Scandium und einem Edelgas. Das White et al erteilte U. S. Patent 4 963 790 beschreibt einen schwimmenden Rahmenaufbau zur Reduktion des Natriumelektrolysevorgangs. Das U. S. Patent 5 057 743 an Keeffe und Krasko bezieht sich auf eine Metallhalogenidlampe mit einer chemischen Füllung, welche Natriumjodid, Lithiumjodid und Scandiumjodid umfaßt. Obgleich die Lampen Langlebigkeit, hohe Lumeneffizienz und eine gute Farbtemperatur zeigen, wäre eine weitere Verbesserung des Farbwiedergabeindexes erwünscht.

Das U. S. Patent 3 979 624 an Liu et al (gegenüber welchem der Anspruch 1 abgegrenzt worden ist) beschreibt in Spalte 5, Zeilen 54 bis 60, eine Lampe mit einem Verhältnis von Natriumhalogenid zu Scandiumhalogenid von 11,5 : 1 mit Farbwiedergabeindex von 56, sowie eine Lampe mit einem Verhältnis von 2,5 : 1 mit einem CRI von 69. In Spalte 7, Zeilen 17 bis 24, ist offenbart, daß "kleine Mengen" einer Seltenen Erde benutzt werden können, "um die entladungsstützende Füllung zu ergänzen". Sie lehren, daß Seltene Erde in "kleinen Mengen" hinzugefügt wird, sowie, daß "kleine Mengen" 2 mg oder weniger für ein Füllungsgesamtgewicht von 20 mg darstellen. Für solche kleinen Hinzufügungen Seltener Erde wird keine Verbesserung der Lampenfunktion oder des Farbwiedergabeindexes berichtet.

Weitere Halogenidlampen werden in den EP-A 0 400 980, EP-A 0 399 288 und in Patent Abstracts of Japan, Band 3, Nr. 126 (M-77) geoffenbart.

Lampen, die eine chemische Füllung von NaIScI&sub3;LiI mit einem Scandiummetallgetter verwenden, sind wegen überlegener Effizienz und Betriebsdauer in hohem Maße begehrt. Infolge ihrer Farbwiedergabeeigenschaften ist ihre kommerzielle Verwendung in bestimmten farbkritischen Anwendungen begrenzt gewesen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Entladungslampe mit einer Entladungsröhre geschaffen, die eine chemische Füllung für die Bildung einer elektrischen Entladung während des Lampenbetriebs aufweist, wobei diese Füllung ein inertes Startgas, Quecksilber und Alkalimetalljodide umfaßt, die im wesentlichen aus Natriumjodid und Lithiumjodid bestehen, sowie Scandiumjodid und zumindest einem Jodid einer Seltenen Erde, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des Jodids einer Seltenen Erde zum Scandiumjodid zwischen 1 : 1 bis 30 : 1 beträgt, und daß die Farbtemperatur der Lampenemission zwischen 3000 Kelvin und 5000 Kelvin und ihr Farbwiedergabeindex größer als 80 sind.

Das Jodid einer Seltenen Erde und Scandiumjodid sind in Mengen vorhanden, die ausreichen, um einen Komplex zur Erhöhung der Dichte der Seltenen Erde in der Gasentladung während des Lampenbetriebs zu bilden. Infolge der erhöhten Dichte der Seltenen Erde in dem Entladungsgas bei niedrigeren Betriebstemperaturen wird die Wandtemperatur des Brenners vorzugsweise auf einer Temperatur zwischen 800 bis 1000ºC gehalten, so daß die sich ergebende Lampe eine Lebensdauer von über 10000 Stunden aufweist.

Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Metalljodidentladungslampe;

Fig. 2 das optische Spektrum einer NaIScI&sub3;LiI-Lampe nach dem Stand der Technik, das heißt, eine Lampe, die nicht eine Seltene Erde entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist;

Fig. 3 das optische Spektrum einer NaIScI&sub3;LiITmI&sub3;-Lampe, die für die vorliegende Erfindung typisch ist; und

Fig. 4 die Effizienz über der Zeit für 3000 Betriebsstunden einer für die vorliegende Erfindung typischen NaIScI&sub3;LiITmI&sub3;-Lampe.

In Fig. 1 sind die strukturellen Merkmale einer Metalljodidentladungslampe gezeigt. Die dargestellte Lampe umfaßt eine verschmolzene Quarzentladungsröhre bzw. einen Brenner 1, der innerhalb einer äußeren, abgedichteten Glashülle 11 angeordnet ist. Ein Paar elektrischer Leiter 18 und 19, die durch das Fußelement 14 hindurchtreten und in dieses eingesiegelt sind, sind mit dem externen Sockelelement 10 verbunden und dienen dem elektrischen Stromfluß von einer externen Quelle (nicht gezeigt) zwecks Speisung der Entladungslampe.

Der Brenner 1 besitzt ein Paar voneinander beabstandeter Elektroden 2 und 3, die an den jeweiligen Enden in das Innere des Brenners 1 vorstehen. Jede Elektrode 2 und 3 besteht aus einem Wolframstab, der von Wolframdrahtwicklungen umgeben ist. Die Elektroden 2 und 3 sind mit jeweiligen Metallfolien 4 und 5 verbunden. Die Metallfolien 4 und 5 bestehen aus Molybdän und sind in die Enden des Brenners 1 eingesiegelt, typischerweise durch Quetschdichtung. Die Metallfolien 4 und 5 sind mit Zuleitungen 6 und 7 verbunden, die weg von den einander gegenüberliegenden Enden des Brenners 1 längs der Längsachse des Brenners 1 nach außen vorstehen. Der Brenner 1 ist allgemein aus geschmolzenen Quarz hergestellt, obgleich andere Materialien, wie Aluminiumoxid (PCA), Yttriumoxid oder Sapphire verwendet werden können. Der zur Verwendung in einer 100 Watt - Lampe bestimmte Brenner hat beispielsweise einen Innendurchmesser von 10 mm und eine Bogenlänge von 14 mm.

Die Wandtemperatur des Brenners 1 wird durch die Gestaltungsparameter bestimmt. Die Wandtemperatur hängt von vielfachen Faktoren ab, wie von den Strahlungsdurchgangseigenschaften, der thermischen Leitfähigkeit, dem Durchmesser, der Länge und der Wandstärke des Brenners. Die Verwendung einer evakuierten äußeren Hülle tendiert dazu, die Brennertemperatur bei einer bestimmten Leistungsbelastung zu erhöhen. Bei der vorliegenden Erfindung wird die äußere Hülle 11 höchstvorzugsweise evakuiert, wobei die äußere Hülle 11 mit dem Glasfußelement 14 hermetisch versiegelt ist. Die Wandtemperatur des Brenners in der Lampe nach der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise zwischen etwa 800 bis etwa 1000ºC.

Die Elektroden 2 und 3 sind mit entsprechenden elektrischen Leitern 18 und 19 elektrisch verbunden. Diese elektrische Verbindung, die im Detail in Fig. 1 dargestellt ist, sorgt auch für eine Halterung des Brenners 1. Die Zuleitung 7, die sich vom unteren Ende des Brenners 1 erstreckt, ist mit dem Leiter 19 direkt verbunden. Die Zuleitung 6, die sich vom oberen Ende des Brenners 1 erstreckt, ist über die Stützleiter 25, 27 und 29 indirekt mit dem Leiter 18 verbunden. Die Stützleiter 27 und 29 erstrecken sich in der gleichen Richtung von der Längsachse des Brenners 1 weg, so daß sich der verbindende Stützleiter 25 außerhalb des Strahlungsschildes 13 erstreckt. Im Ergebnis ist der Brenner 1 vom Strahlungsschild 13 elektrisch isoliert. Die Zuleitungen 6, 7 und die Stützleiter 25, 27 und 29 sind genügend starr, um eine adäquate und unabhängige Halterung für den Brenner zu schaffen.

Der Brenner 1, der innerhalb des Strahlungsschildes 13 angeordnet ist, ist vom Strahlungsschild 13 und dem Halterungsaufbau 12 elektrisch isoliert. Solch ein "schwimmender Rahmen"-Aufbau wird verwendet, um einen Alkalimetallverlust aus der Brennerfüllung durch elektrische Isolierung des Halterungsaufbaus zu steuern. Ein derartiger Aufbau ist im U. S. Patent 5 056 743 an Krasko et al und im U. S. Patent 4 963 790 and White et al beschrieben, welcher in die vorliegende Beschreibung durch Bezugnahme aufgenommen wird. Insbesondere wird der Strahlungsschild 13 als ein Element zur Verringerung des Wärmeverlusts beschrieben. Der Brenner ist innerhalb des Elements zur Verringerung des Wärmeverlusts angeordnet. Eine Halterung für das Element zur Verringerung des Wärmeverlustes ist von den elektrischen Leitern und den Elektroden elektrisch isoliert. Innerhalb der äußeren Hülle 11 hält das Stützelement 12, das von den elektrischen Leitern 18 und 19 elektrisch isoliert ist, das Strahlungsschild 13. Das Stützelement 12, das sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der Lampe erstreckt, ist an einem Ende an einem isolierten Abschnitt des Glasfußelements 14 und an dem anderen Ende an der äußeren Hülle 11 befestigt. Die Hüllenbefestigung 15 hat eine kreisförmige Gestalt, die mit einem eingedrückten oberen Abschnitt der Hülle 11 zusammenpaßt, derart, daß der Halterungsaufbau 12 elektrisch isoliert und in der geeigneten Ausrichtung gehalten wird. Ein Paar von Gettern 20 und 21 ist als am Halterungsaufbau 12 angebracht dargestellt.

Der Strahlungsschild 13 ist durch voneinander beabstandete Haltebänder 16 und 17 am Halterungsaufbau 12 befestigt, die an einem vertikal ausgerichteten Abschnitt des Halterungselements 12 angeschweißt sind. Der Strahlungsschild 13 besitzt eine zylindrische Gestalt und liegt typischerweise in der Form einer Quarzhülse vor, die an einem Ende einen domförmigen Abschluß aufweisen kann. Jedes der Haltungsbänder 16 und 17 ist aus einem federartigen Material hergestellt, derart, daß der Schild 13 fest in Position gehalten wird. Wie im U. S. Patent 4 859 899 dargestellt, können Durchmesser und Länge des Strahlungsschildes unter Berücksichtigung der Brennerabmessungen gewählt werden, um die zu gleichmäßigen Brennerwandtemperaturen führende optimale Strahlungsverteilung zu erreichen.

Die Lampe kann andere strukturelle Merkmale aufweisen, wie sie allgemein bei Metalljodidlampen gefunden werden, wie eine Zündhilfe. Obgleich die Zeichnung einen mittleren Schraubsockel 10 darstellt, wird überlegt, daß die Lampe eine zweiendige Gestalt mit einem eingetieften Einfachkontaktsockel besitzen kann.

Innerhalb des Brenners 1 ist eine chemische Füllung angeordnet, die ein eine elektrische Entladung stützendes Gas für die Emission von Strahlung bildet. Die chemische Füllung besitzt eine Grundchemie aus einem inerten Startgas, Quecksilber, Alkalimetalljodiden und Scandiumjodid. Die gewünschte Grundchemie trägt zu den erwünschten Lampeneigenschaften wie niedrige Wandtemperatur, hoher LPW, moderater CRI und lange Lebensdauer bei. Die Lampenemission infolge der Grundchemie befindet sich näherungsweise auf dem Schwarzkörper-Farbart- und -sättigungs-Kurvenzug.

Zusätzlich zu der geeigneten Grundchemie umfaßt die chemische Füllung zumindest ein Jodid einer Seltenen Erde, das während des Lampenbetriebs zumindest teilweise verdampft ist. Das Jodid einer Seltenen Erde und Scandiumjodid sind in einem Molverhältnis vorhanden, das ausreicht, um einen Komplex für die Erhöhung der Konzentration der Seltenen Erde in den Entladungsgasen während des Lampenbetriebs bei einer niedrigen Brennerwandtemperatur zu bilden. Infolge der Bildung des Komplexes ist die Dampfphasenkonzentration der Seltenen Erde bei der Brennerwandtemperatur über diejenige hinaus erhöht, die bei Verwendung des Seltene Erde-Jodids allein zu erhalten wäre. Die Wandtemperatur des Brenners in der Lampe nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise zwischen etwa 800 bis etwa 1000ºC gehalten.

In Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verstärkt die verbesserte chemische Füllung, welche die Grundchemie und zumindest ein Seltene Erde-Jodid umfaßt, den Farbwiedergabeindex der Lampe. Infolge des Vorhandenseins von Atomen der Seltenen Erde im Entladungsgas besitzt die Lampe einen Farbwiedergabeindex, der größer als etwa 80 ist. Vorzugsweise ist der Farbwiedergabeindex größer als 85 und noch bevorzugter größer als 90.

Hohe Farbwiedergabeindices, im Bereich von etwa 90, sind bei hohen korrelierten Farbtemperaturen (CCT) leichter zu realisieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erreicht die vorliegende Erfindung einen hohen Ra bei verhältnismäßig niedriger CCT zwischen 3000 und 4000 Kelvin. Während des Lampenbetriebs reicht die Menge an Seltener Erde in dem Bogen aus, um einen verstärkten Farbwiedergabeindex zu erzeugen, wenn gleichzeitig die verhältnismäßig niedrige Brennerwandtemperatur beibehalten wird, die zu einer langen Lampenlebensdauer führt. Die Bildung von Komplexmolekülen der Seltenen Erde mit Scandiumjodid resultiert in einer erhöhten Dichte von Atomen der Seltenen Erde in dem Bogen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist Seltene Erde in einer Menge vorhanden, die ausreicht, um mit Scandiumjodid einen Komplex zu bilden, um die Dichte der Atome der Seltenen Erde in dem Dampf während des Lampenbetriebs auf einen erwünschten Pegel zu erhöhen. Das Molverhältnis des Jodids der Seltenen Erde zu Scandiumjodid in der Füllung beträgt zwischen 1 : 1 bis 30 : 1, und besonders bevorzugt zwischen etwa 5 : 1 bis etwa 20 : 1. Ein höchstbevorzugtes Molverhältnis ist etwa 15 : 1.

Infolge ihrer vielen Emissionslinien können alle Seltenen Erde die Bogenfunktion einer Lampe verstärken, zumindest in gewissem Grad und in gewisser Hinsicht. Die Seltenen Erden werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu und Mischungen derselben besteht. Die Auswahl der Seltenen Erde hängt von den gewünschten Strahlungscharakteristiken ab. Die bevorzugten Seltenen Erden für verbesserte CRI sind die 7odide von Xerium, Praseodymium, Neodymium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium und Lutetium. Gemäß einer Ausführungsform ist das Jodid der Seltenen Erde als Jodid einer einzelnen Seltenen Erde vorhanden, ausgewählt aus der oben bevorzugten Gruppe. Besonders bevorzugt sind die Jodide der Seltenen Erden Xerium, Praseodymium, Dysprosium, Holmium und Thulium.

Eine Quecksilbercharge ist in einer ausreichenden Menge vorhanden, um die elektrischen Charakteristiken der Lampe durch wünschenswerte Vergrößerung der Stärke des elektrischen Feldes zur Stützung einer wünschenswerten Leistungsladung zu etablieren. Eine derartige Menge sollte einen Betriebsquecksilberdruck zwischen 1 bis etwa 100 Atmosphären (1 bis 100 · 10&sup5; Pa) und vorzugsweise zwischen etwa 1 bis etwa 20 Atmosphären (1 bis 20 · 10&sup5; Pa) schaffen.

Zusätzlich zu Quecksilber ist in dem Brenner 1 eine kleine Charge eines inerten ionisierbaren Startgases vorhanden, wie Argon. Es wird überlegt, daß andere Edelgase für Argon substantiiert werden, vorausgesetzt, daß ein geeigneter Druck aufrechterhalten wird, der zu einem Zünden der Lampe führt.

Um die oben diskutierten, erwünschten Lampeneigenschaften zu erreichen, sind in der Füllung und in der Gasentladung während des Lampenbetriebs das Scandiumjodid und die Alkalimetalljodide vorhanden. Diese Bestandteile bilden eine Grundchemie, die zur niedrigeren Brennerwandtemperatur und längerer Lampenlebensdauer führt. Diese Bestandteile verbessern auch die Farbqualität durch die Hinzufügung einer Varietät von Linien zum Emissionspektrum und sind vorzugsweise in Beträgen vorhanden, die eine Emission erzeugen, die ihre Farbe im wesentlichen auf dem Schwarzkörperfarbart und -sättigungskurvenzug hat. Das Molverhältnis von Natriumjodid zu Scandiumjodid beträgt zwischen etwa 5 : 1 bis etwa 25 : 1. Das Verhältnis von Natriumjodid zu Lithiumjodid ist zwischen etwa 1 : 1 bis etwa 5 : 1.

Die Alkalimetalljodide adjustieren die Strom-Spannung-Charakteristiken, stabilisieren den Bogen durch Reduzierung der Bogeneinengung, verbessern die Farbqualität und tragen zur Lumenabgabe der Lampe durch starke Emissionen bei. Bei der vorliegenden Erfindung ist die "Effizienz" in Lumen pro Watt (LPW) vorzugsweise größer als etwa 75 und besonders bevorzugt größer als etwa 80.

Die Hinzufügung von Jodiden einer Seltenen Erde entsprechend den bevorzugten Ausführungsformen hält den LPW im wesentlichen nahe oder oberhalb 80, während sie den CRI von etwa 73 bis etwa 80 verbessert und während sie die CCT zwischen 3000 und 5000 Kelvin aufrechterhält.

Bei der vorliegenden Erfindung resultiert die Auswahl von Füllungsbestandteilen in einer gewünschten Farbtemperatur zwischen 3000 K und 5000 K, besonders bevorzugt zwischen 3000 und etwa 4000 Kelvin. Die Molverhältnisse der Bestandteile sind ebenfalls derart ausgewählt, daß die resultierende Emissionsfarbe bei dieser erwünschten Farbtemperatur nahe dem höchsterwünschten Schwarzkörper (BB) - Farbart und -sättigungskurvenzug ist.

Zusätzlich zu den oben erwähnten Füllungsbestandteilen können Scandium, Thorium, Kadmium oder Zink der Füllung als Metalle oder Legierungen zugegeben werden, um das Metall/Jodid-Verhältnis in der Lampe einzustellen und Sauerstoffunreinheiten zu gettern. Das bevorzugte Additiv ist Scandium.

Für eine Metalljodidentladungslampe niedriger Leistung mit einer Lampenleistung geringer als 175 Watt, beispielsweise zwischen 40 und 150 Watt, ist die Scandiummetallgewichtsdosierung vorzugsweise etwa 100 Mikrogramm pro Kubikzentimeter des Brennervolumens bei allen Leistungen. Das Gesamtfüllgewicht variiert in Abhängigkeit von der Lampenbetriebsleistung zwischen etwa 4 und etwa 20 mg. Beispielsweise beträgt die 100 Watt - Lampenfüllung vorzugsweise zwischen etwa 4 mg und etwa 8 mg und höchstbevorzugt zwischen etwa 5, 5 und etwa 6,5 mg.

EINE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Bei 40 bis 150 Watt - Lampen besitzt der Brenner jeweils ein Volumen von 0, 3 bis 2,2 cm³. Die chemische Füllung weist eine Grundchemie von jeweils etwa 13 bis 8 mg/cm³ Quecksilber und etwa 90 bis etwa 150 Torr (12 bis 20 · 10³ Pa) Startgas, etwa 0,1 bis etwa 0,5 mg/cm³ Scandiumjodid, etwa 1 bis etwa 3 mg/cm³ Natriumjodid, etwa 0,3 bis etwa 0,5 mg/cm³ Lithiumjodid und etwa 0,1 bis etwa 0,2 mg/cm³ Scandiummetall auf. Für das spezielle Seltene-Erde-Additiv Thuliumjodid werden etwa 2,5 bis etwa 4 mg/cm³ Thuliumjodid eingeschlossen. Vorzugsweise besitzt die Röhre jeweils eine Wandladung im Bereich von etwa 12 bis 17 Watt/cm² für die 40 bis 150 W - Lampen. Der Gesamtbetrag der Füllung bewegt sich zwischen etwa 4 mg und etwa 20 mg. Fachleute werden verstehen, daß sämtliche in die Lampenfüllung verbrachten Chemikalien wünschenswert erweise die höchst erreichbare Reinheit aufweisen. Auch sollte festgestellt werden, daß die Jodidverbindung in situ synthetisiert werden kann, und zwar durch Einführung der Bestandteile in anderweitigen Formen. Statt Einführung eines Jodids einer Seltenen Erde läßt sich das Jodid der Seltenen Erde beispielsweise innerhalb des Brenners durch Verwendung von, als Lampenfüllbestandteile, der Seltenen Erde plus Quecksilberjodid, anstatt des Jodids der Seltenen Erde plus Quecksilber in metallischer Form, synthetisieren.

BEISPIELE

Die folgenden Beispiele werden zur Verfügung gestellt, um Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet in die Lage zu versetzen, die vorliegende Erfindung noch deutlicher zu verstehen und zu praktizieren. Diese Beispiele sind nicht als eine Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, wie beansprucht, zu verstehen, sondern lediglich als demonstrativ und repräsentativ.

Es wurden zwei Sätze von 100 Watt-Metalljodidlampen hergestellt, um Lampen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Lampen zu vergleichen, die kein Scandiumjodid aufweisen, und um zu demonstrieren, daß Scandiumjodid als eine komplexbildende Wirkkomponente für das Jodid der Seltenen Erde fungiert. Dieses erste Beispiel verwendet Thuliumjodid. Jede der Lampen besaß einen Quarzbrenner mit einem internen Volumen von etwa 1,25 cm³, einen Bogenspalt von etwa 14 mm, eine Elektrodeneinsatzlänge von etwa 2,5 mm und einen Innendurchmesser von 10 mm. Die Füllung des Brenners des ersten Satzes ist in Tabelle 1 dargelegt. Die Füllungsbestandteile sind in Gewicht und in Mikromolen angegeben. Der zweite Lampensatz enthielt die gleiche Füllung wie der erste Satz, mit Ausnahme des Scandiumbestandteils. In dem zweiten Satz war kein Scandium eingeschlossen. Die Lampen wurden vertikal mit aufgestellten Sockeln an einem Standard-M90-Advance-100 W-Vorschaltgerät betrieben. Der Alterungszyklus bestand aus 10 Stunden angeschaltet und 2 Stunden abgeschaltet.

TABELLE 1 ERSTER LAMPENSATZ

Bei dem ersten Lampensatz wurde eine erhebliche Seltene-Erde-Emission beobachtet. Fig. 3 zeigt das beobachtete Emissionsspektrum zwischen 380 und 800 nm. Tatsächlich ist der Kontinuum-Pegel in Wahrzeit Nicht-Null, d. h. die Fig. 3 zeigt unzerlegte oder verbreiterte Tm-Emissionen signifikanter Ausgangsleistung als ein grundlegendes Kontinuum. Bei diesem Graph und in Fig. 2 ist der Zeropegel eine echte Null und der Kontinuum-Pegel in Fig. 3 beträgt zumindest zweimal denjenigen in Fig. 2. Eine spektroskopische Häufigkeitsbestimmung, die auf diesen und anderweitigen Spektren von Thulium basiert, zeigt an, daß die Thuliumkonzentration in Lampen mit Scandium um zwei Größenordnungen größer ist als was erwartet wurde, und zwar basierend allein auf dem Dampfdruck des nichtkomplexen Thuliumjodids bei der Wandtemperatur. Bei der scandiumfreien Lampenfüllung waren bei der gleichen Leistungsverteilung die Tm-Emissionen um einen Faktor von etwa 50 schwächer.

Somit wurde zumindest in den dargestellten Ausführungsformen gezeigt, daß es möglich ist, den Farbwiedergabeindex bei einer HID-Lampe zu vergrößern, welche die NaIScI&sub3;LiI-Chemie verwendet, sowie gleichzeitig die Charakteristiken derartiger Lampen bezüglich Effizienz und langer Lebensdauer beizubehalten; die Dichte der Atome der Seltenen Erde in dem Bogen zu vergrößern, ohne daß ein schädliches Anwachsen der Cold-Spot-Temperatur erforderlich wäre; die Farbwiedergabeeigenschaften der Lampe zu verbessern und gleichzeitig die lange Lampenlebensdauer beizubehalten; die Dichte der Seltenen-Erde-Arten über die Dichte zu vergrößern, die mit einem Seltene- Erde-Jodid allein zu erzielen wäre; die Dichte der Atome der Seltenen Erde in dem Bogen durch Bildung eines Komplexmoleküls zu vergrößern, das die Seltene Erde enthält; und eine Wandtemperatur des Brenners zu erreichen, die zu einer langen Lebensdauer führt.


Anspruch[de]

1. Entladungslampe mit einer Entladungsröhre (1), die eine chemische Füllung für die Bildung einer elektrischen Entladung während des Lampenbetriebs aufweist, wobei diese Füllung ein inertes Startgas, Quecksilber und Alkalimetalljodide umfaßt, die im wesentlichen aus Natriumjodid und Lithiumjodid bestehen, sowie Scandiumjodid und zumindest einem Jodid einer seltenen Erde, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des Jodids einer seltenen Erde zum Scandiumjodid zwischen 1 : 1 bis 30 : 1 beträgt, und daß die Farbtemperatur der Lampenemission zwischen 3000 Kelvin und 5000 Kelvin und ihr Farbwiedergabeindex größer als 80 sind.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre bei einer Entladungsröhrenwandtemperatur von zwischen 800 bis 1000 Grad Celsius arbeitet.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des Natriumjodids zum Scandiumjodid zwischen 5 : 1 bis 25 beträgt.

4. Entladungslampe nach Anspruch 1; 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des Natriumjodids zum Lithiumjodid zwischen 1 : 1 bis 5 : 1 beträgt.

5. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Jodid einer seltenen Erde aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den Jodiden des Zeriums, Praseodymiums, Neodymiums, Dysprosiums, Holmiums, Erbiums, Thuliums, Luteziums und Mischungen aus denselben besteht.

6. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Scandiumjodid und die Alkalimetalljodide in Mengen zur Erzeugung einer Emission vorhanden sind, deren Farbe sich im wesentlichen im Farbart- und Farbsättigungsbereich des Schwarzkörperstrahlers befindet.

7. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Füllung im wesentlichen aus 13 bis 8 mg/cm³ Quecksilber und 12 kPa (90 Torr) bis 20 kPa (150 Torr) Startgas, 0,2 bis 0,51 mg/cm³ Scandiumjodid, 1 bis 3 mg/cm³ Natriumjodid, 0,3 bis 0,5 mg/cm³ Lithiumjodid und 2, 5 bis 4 mg/cm³ Thuliumjodid besteht.

8. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre (1) eine Gesamtfüllmenge zwischen 4 mg bis 20 mg aufweist.

9. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsröhre (1) eine Wandladung im Bereich von 12 bis 17 Watt/cm² aufweist.

10. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Strahlungsschild (13) und eine Halterung (12) dafür aufweist, wobei die Entladungsröhre (1) innerhalb des Strahlungsschilds angeordnet ist und die Halterung von der Entladungsröhre elektrisch isoliert ist.

11. Entladungslampe nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Leistung von 30 bis 150 Watt besitzt.







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