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Dokumentenidentifikation DE69812069T2 27.11.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0956582
Titel METALLHALOGENIDLAMPE
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder GEIJTENBEEK, J., Johannes, NL-5656 AA Eindhoven, NL;
VERMEULEN, A., Franciscus, NL-5656 AA Eindhoven, NL
Vertreter Volmer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52066 Aachen
DE-Aktenzeichen 69812069
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.11.1998
EP-Aktenzeichen 989529631
WO-Anmeldetag 20.11.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/IB98/01850
WO-Veröffentlichungsnummer 0099028946
WO-Veröffentlichungsdatum 10.06.1999
EP-Offenlegungsdatum 17.11.1999
EP date of grant 12.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.11.2003
IPC-Hauptklasse H01J 61/12

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Halogenmetalldampflampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Keramikwandung, die einen Entladungsraum mit einer ionisierbaren Füllung umschließt, die zumindest Hg, ein Alkalihalogenid und CeJ&sub3; enthält, und welcher Entladungsraum weiterhin zwei Elektroden beherbergt, deren Spitzen in einem gegenseitigen Abstand EA angeordnet sind, und das Entladungsgefäß zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di hat und die Beziehung EA/Di > 5 erfüllt ist.

Eine Lampe der eingangs erwähnten Art ist aus EP-A 896733 bekannt. Die bekannte Lampe, in der eine hohe Lichtausbeute mit akzeptablen bis guten Farbeigenschaften (unter anderem einem allgemeinen Farbwiedergabe-Index Ra ≥ 45 und einer Farbtemperatur Tc im Bereich zwischen 2600 und 4000 K) kann besonders gut als Lichtquelle für unter anderem allgemeine Beleuchtungszwecke verwendet werden. Infolge des verhältnismäßig kleinen Durchmessers in Bezug auf den Elektrodenabstand und damit der Entladungsbogenlänge wird der Entladungsbogen durch die Wandung des Entladungsgefäßes eingeklemmt, und es wird erreicht, dass der Entladungsbogen ungefähr geradlinige Form hat. Dies ist im Zusammenhang mit dem vorhandenen Ce sehr vorteilhaft, da Ce im Allgemeinen einen stark zusammenziehenden Einfluss auf den Entladungsbogen der Lampe hat. Im Allgemeinen gilt, dass ein Entladungsbogen eine um so größere Krümmung in der horizontalen Brennlage aufweist, je stärker die Zusammenziehung des genannten Entladungsbogens ist. Es hat sich auch gezeigt, dass infolge dieser Geometrie die Wandung des Entladungsgefäßes einer derart gleichmäßigen Erwärmung ausgesetzt ist, dass die Gefahr eines Bruchs der Wandung des Entladungsgefäßes infolge von thermische Spannung sehr klein ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass diese Geometrie auch dem Auftreten spiralförmiger Instabilitäten in der Entladung entgegenwirkt.

Durch Einklemmen des Entladungsbogens wird vorteilhafterweise eine gute Wärmeleitfähigkeit der Keramik der Wandung des Entladungsgefäßes als Mittel zum Begrenzen von thermische Spannungen in der Wandung des Entladungsgefäßes genutzt.

In dieser Beschreibung und in den Ansprüchen soll unter dem Begriff Keramikwandung sowohl eine Wandung aus Metalloxid, wie z. B. Saphir oder dicht gesintertes polykristallines Al&sub2;O&sub3;, als auch eine Wandung aus Metallnitrid, wie z. B. AlN verstanden werden. Diese Materialien sind sehr geeignet zur Herstellung gasdichter durchscheinender Körper. Das von der bekannten Lampe emittierte Licht hat einen Farbort mit Koordinaten (x,y), die so stark vom Farbort des von einem schwarzen Strahler emittierten Lichtes abweichen, dass es für Innenbeleuchtung nicht geeignet ist. Die Menge der Farbörter eines schwarzen Strahlers wird allgemein als Planckscher Kurvenzug (BBL: black-body line) bezeichnet. Für Innenbeleuchtungszwecke gilt, dass nur Lieht, dessen Farbort nur geringfügig vom BBL abweicht, als weißes Licht angesehen werden kann. Daher gilt im Allgemeinen für Innenbeleuchtungsanwendungen, dass die Farbpunktkoordinaten (x,y) bei der gleichen Farbtemperatur Tc maximal (0,03; 0,03) und vorzugsweise nicht mehr als (0,015; 0,015) vom BBL abweichen.

Bei der bekannten Lampe ist die an sich bekannte Erkenntnis genutzt worden, dass eine gute Farbwiedergabe erreicht werden kann, wenn das Alkalihalogenid in Form von Na- Halogenid als der Füllungsbestandteil einer Lampe verwendet wird, und dass im Betrieb der Lampe eine starke Verbreiterung und Umkehr der Na-Emission in den Na-D-Linien auftritt. Dies erfordert eine hohe Temperatur des kältesten Fleckes Tkp in dem Entladungsgefäß von zumindest 1100 K (820ºC).

Die Forderung nach einem hohen Wert von Tkp schließt unter Praxisbedingungen die Verwendung von Quarz oder Quarzglas für die Wandung des Entladungsgefäßes aus und nötigt zur Verwendung von Keramik für die Wandung des Entladungsgefäßes.

EP-A-0215524 offenbart eine Halogenmetalldampflampe, bei der die oben beschriebene Erkenntnis genutzt wird, wobei die Lampe exzellente Farbeigenschaften aufweist (unter anderem einen allgemeinen Farbwiedergabe-Index Ra ≥ 80 und eine Farbtemperatur Tc im Bereich zwischen 2600 und 4000 K) und daher als Lichtquelle für unter anderem Innenbeleuchtung sehr geeignet ist. Diese bekannte Lampe hat ein relativ kurzes Entladungsgefäß, für das gilt, dass 0,9 ≤ EA/Di ≤ 2,2, und eine hohe Wandbelastung, die für praktische Lampen mehr als 50 W/cm² beträgt. In der genannten Anmeldung ist die Wandbelastung als Quotient aus der Nennleistung einer Lampe und der Außenfläche des zwischen den Elektrodenspitzen liegenden Teils der Wandung des Entladungsgefäßes definiert.

Ein Nachteil dieser Lampe ist, dass sie eine relativ begrenzte Lichtausbeute aufweist.

Halogenmetalldampflampen mit einer nicht nur ein Alkalimetall und Ce, sondern auch Sc enthaltenden Füllung, und mit einem nahe beim BBL liegenden Farbort, sind an sich bekannt. Infolge seiner sehr starken reaktiven Natur erwies sich Sc jedoch als ungeeignet für die Verwendung in einer Halogenmetalldampflampe mit einem Keramik-Lampengefäß.

Die Erfindung betrifft eine Maßnahme, um eine Halogenmetalldampflampe mit hoher Lichtausbeute zu erhalten, die für Innenbeleuchtungsanwendungen geeignet ist.

Um dies zu erreichen, ist eine Lampe der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalihalogenid LiJ umfasst.

Mit Hilfe dieser Maßnahme kann erreicht werden, dass die Lampe Licht mit hoher Lichtausbeute und mit einem so nahe beim BBL liegenden Farbort emittiert, dass das von der Lampe emittierte Licht für Innenbeleuchtungsanwendungen als weißes Licht angesehen werden kann. Dies wird weiterhin durch die Wahl von LiJ und CeJ&sub3; in einem Molverhältnis, das im Bereich zwischen 1 und 8 liegt, günstig beeinflusst. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe umfasst das Alkalihalogenid auch NaJ. Außer dem Beibehalten eines Farbortes, der so nahe beim BBL liegt, dass die Lampe für Innenbeleuchtungszwecke verwendet werden kann, ermöglicht das Vorhandensein von NaJ, den Farbort der Lampe in einem weiten Bereich entlang dem BBL zu wählen. Vorzugsweise sind LiJ und NaJ gemeinsam in einem Molverhältnis relativ zu CeJ&sub3; vorhanden, das im Bereich zwischen 4 und 10 liegt. Dies ermöglicht es, eine Lampe zu erhalten, deren emittiertes Licht einen Farbort aufweist, dessen Koordinaten weniger als (0,015; 0,015) von BBL abweichen, während die Farbtemperatur des Lichtes im Bereich zwischen 3000 K und 4700 K liegt.

Das Verhindern thermischer Spannungen in der Wandung des Entladungsgefäßes wird weiterhin günstig beeinflusst, indem für die Wandbelastung vorzugsweise maximal 30 W/cm² gewählt wird.

Eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Kontrolle der Wandtemperatur und von thermischen Spannungen in der Wandung des Entladungsgefäßes kann durch eine geeignete Wahl der Wanddicke erreicht werden. Die gute Wärmeleitfähigkeit der Keramikwandung wird weiterhin vorteilhaft genutzt, wenn die Keramikwandung eine Dicke von zumindest 1 mm hat. Eine Zunahme der Wanddicke führt zu einer Zunahme der Wärmestrahlung durch die Wandung des Entladungsgefäßes, aber vor allem trägt dies zu einem besseren Wärmetransport von dem Teil der Wandung zwischen den Elektroden zu den relativ kalten Enden des Entladungsgefäßes bei. Auf diese Weise wird erreicht, dass die an der Wandung des Entladungsgefäßes auftretende Temperaturdifferenz auf ungefähr 200 K begrenzt wird. Eine Zunahme der Wanddicke führt auch zu einer Abnahme der Belastung der Wandung.

Auch ein zunehmendes Verhältnis EA/Di durch Erhöhen von EA bewirkt eine Begrenzung der Wandbelastung. In diesem Fall tritt ein zunehmender Strahlungsverlust an der Wandung des Entladungsgefäßes und damit ein zunehmender Wärmeverlust des Entladungsgefäßes im Betrieb der Lampe auf. Bei im Übrigen konstanten Bedingungen führt dies zu einer Abnahme von Tkp.

Um eine hohe Lichtausbeute und gute Farbeigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, dass die Entladung genügend große Konzentrationen von Li, Na und Ce enthält. Da die Halogenidsalze im Übermaß vorhanden sind, wird dies durch die Größe von erreicht. Es hat sich gezeigt, dass beim Betrieb der Lampe Tkp einen Wert von zumindest 1100 K annimmt. Insbesondere um einen genügend hohen Dampfdruck von Ce zu erhalten, wird vorzugsweise ein Wert für Tkp, von 1200 K oder mehr realisiert.

Auch unter Berücksichtigung der starken Abhängigkeit des Ce-Dampfdruckes von der Temperatur ist es nicht notwendig, sehr hohe Werte von Tkp zu verwenden, was günstig ist, um eine lange Betriebslebensdauer der Lampe zu erhalten. Auf jeden Fall sollte darauf geachtet werden, dass Tkp, niedriger ist als die maximale Temperatur, gegen die das Material der Keramikwandung eine lange Zeitdauer beständig ist.

Weitere Experimente haben gezeigt, dass es wünschenswert ist, den Wert 1500 K als maximalen Wert für Tkp nicht zu überschreiten. Bei Tkp > 1500 K nehmen die Temperaturen und Drücke in dem Entladungsgefäß solche Werte an, dass auftretende chemische Prozesse, die die Wandung des Entladungsgefäßes angreifen, zu einer unakzeptablen Verkürzung der Betriebslebensdauer der Lampe führen. Wenn dicht gesintertes Al&sub2;O&sub3; für die Wandung des Entladungsgefäßes verwendet wird, ist vorzugsweise der maximale Wert von Tkp, 1400 K.

Im Allgemeinen wird zur Zündung der Lampe der ionisierbaren Füllung des Entladungsgefäßes ein Edelgas hinzugefügt. Durch die Wahl des Fülldruckes des Edelgases können die lichttechnischen Eigenschaften der Lampe beeinflusst werden.

Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen Lampe sind in der Zeichnung dargestellt (nicht maßstabsgetreu) und werden im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Lampe,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Entladungsgefäßes der Lampe gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Graphik von Koordinaten von Farbörtern der erfindungsgemäßen Lampe.

Fig. 1 zeigt eine Halogenmetalldampflampe mit einem Entladungsgefäß 3 mit einer Keramikwandung, die einen Entladungsraum 11 umschließt, der eine ionisierbare Füllung enthält, die zumindest Hg, ein Alkalihalogenid und CeJ&sub3; enthält. In dem Entladungsraum sind zwei Elektroden, deren Spitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, angeordnet, und das Entladungsgefäß hat zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di. Das Entladungsgefäß ist an einer Seite mit einem hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 verschlossen, der einen zu einer in dem Entladungsgefäß positionierten Elektrode 4, 5 führenden Stromzuführleiter (Fig. 2 40, 41, 50, 51) mit engem Zwischenraum umschließt und mit diesem Leiter mit Hilfe einer Schmelzkeramikverbindung (Fig. 2: 10) nahe einem vom Entladungsraum abgewandten Ende gasdicht verbunden ist. Das Entladungsgefäß ist von einem Außenkolben 1 umgeben, der an einem Ende mit einem Lampensockel 2 versehen ist. Beim Betrieb der Lampe verläuft zwischen den Elektroden 4, 5 eine Entladung. Die Elektrode 4 ist über einen Stromleiter 8 mit einem ersten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Die Elektrode 5 ist über einen Stromleiter 9 mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensokkels 2 ist. Das Entladungsgefäß, in Fig. 2 detaillierter dargestellt (nicht maßstabsgetreu), hat eine Keramikwandung und ist aus einem zylindrischen Teil mit einem Innendurchmesser Di gebildet, der an beiden Enden durch einen jeweiligen Endwandabschnitt 32a, 32b begrenzt wird, wobei jeder Endwandabschnitt 32a, 32b eine Endfläche 33a, 33b des Entladungsraums bildet. Die Endwandabschnitte haben je eine Öffnung, in der ein hervorstehender Keramikstopfen 34, 35 in dem Endwandabschnitt 32a, 32b mittels einer Sinterverbindung S gasdicht verbunden ist. Die hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 umschließen jeweils eng einen Stromzuführleiter 40, 41, 50, 51 einer betreffenden Elektrode 4, 5, die eine Spitze 4b, 5b hat. Der Stromzuführleiter ist mit dem hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 mittels einer Schmelzkeramikverbindung 10 an der vom Entladungsraum abgewandten Seite gasdicht verbunden.

Die Elektrodenspitzen 4b, 5b sind in einem gegenseitigen Abstand EA angeordnet. Die Stromzuführleiter umfassen je einen in hohem Maße gegen Halogenide beständigen Abschnitt 41, 51, beispielsweise in Form eines Mo-Al&sub2;O&sub3;-Cermets, und einen Abschnitt 40, 50, der an einem jeweiligen Endstopfen 34, 35 mittels der Schmelzkeramikverbindung 10 gasdicht befestigt ist. Die Schmelzkeramikverbindung erstreckt sich über einen gewissen Abstand, beispielsweise ungefähr 1 mm, über das Mo-Cermet 41, 51. Es ist möglich, die Teile 41, 51 aus einem anderen Material als Mo-Al&sub2;O&sub3;-Cermet zu bilden. Andere mögliche Konstruktionen sind beispielsweise aus EP-A-0 587 238 (US-A-5.424.609) bekannt. Als besonders geeignete Konstruktion erwies sich unter anderem eine in hohem Maße gegen Halogenide beständige Spule, die um einen Stift des gleichen Materials gewickelt war. Mo ist sehr geeignet zur Verwendung als in hohem Maße gegen Halogenide beständiges Material. Die Teile 40, 50 sind aus einem Metall, dessen Ausdehnungskoeffizient gut mit dem der Endstopfen übereinstimmt. Nb ist beispielsweise ein sehr geeignetes Material. Die Teile 40, 50 sind mit den Stromleitern 8 bzw. 9 in einer nicht im Einzelnen dargestellten Weise verbunden. Die beschriebene Konstruktion der Durchführung ermöglicht es, die Lampe in jeder gewünschten Brennlage zu betreiben.

Jede der Elektroden 4, 5 umfasst einen Elektrodenstab 4a, 5a, der nahe der Spitze 4b, 5b mit einer Wicklung 4c, 5c versehen ist. Die hervorstehenden Keramikstopfen sind in den Endwandabschnitten 32a und 32b mittels einer Sinterverbindung S gasdicht befestigt. Die Elektrodenspitzen liegen dann zwischen den von den Endwandabschnitten gebildeten Endflächen 33a, 33b.

Bei einer praktischen Realisierung einer erfindungsgemäßen Lampe wie in der Zeichnung dargestellt, beträgt die Nennlampenleistung 150 W. Die Lampe, die geeignet ist, um in einer vorhandenen Anlage zum Betreiben einer Hochdruck-Natriumlampe betrieben zu werden, hat eine Lampenspannung von 105 V. Die ionisierbare Füllung des Entladungsgefäßes umfasst 0,7 mg Hg (< 1,6 mg/cm³) und 13 mg Iodidsalze von Li und Ce in einem Molverhältnis von 5,5 : 1. Das Hg dient dazu, dafür zu sorgen, dass die Lampenspannung zwischen 80 V und 110 V liegt, was notwendig ist, damit die Lampe in einer vorhandenen Anlage zum Betreiben einer Hochdruck-Natriumlampe betrieben werden kann. Zudem umfasst die Füllung Xe mit einem Fülldruck von 250 mbar als Zündgas.

Der Zwischenraum EA zwischen den Elektrodenspitzen beträgt 32 mm, der Innendurchmesser Di 4 mm, sodass das Verhältnis EA/Di = 8 ist. Die Wanddicke des Entladungsgefäßes ist 1,4 mm. Die Lampe hat daher eine Wandbelastung von 21,9 W/cm².

Im Betriebszustand hat die Lampe eine Lichtausbeute von 104 lm/W. Das von der Lampe emittierte Licht hat Werte für Ra und Tc von 96 bzw. 4700 K. Das von der Lampe emittierte Licht hat einen Farbort (x,y) mit Werten (0,353, 0,368), was bei konstanter Temperatur weniger als (0,015, 0,015) vom Farbort (0,352; 0,355) auf dem Planckschen Kurvenzug abweicht.

In Fig. 3 wird der Farbort der Lampe mit L0 bezeichnet. In der Graphik, die einen Teil des Farbdreiecks darstellt, ist die x-Koordinate des Farbortes auf der horizontalen Achse und die y-Koordinate des Farbortes auf der vertikalen Achse aufgetragen. BBL gibt den Planckschen Kurvenzug an. Gestrichelte Linien geben Linien einer konstanten Farbtemperatur Tc in K an. L1, L2 und L3 geben Farbörter von Lampen L1, L2 bzw. L3 mit einer ionisierbaren Füllung, die LiJ, NaJ und CeJ&sub3; enthält Das Molverhältnis LiJ/CeJ&sub3; und NaJ/CeJ&sub3; beträgt hintereinander 6 bzw. 1 für L1, 2,9 bzw. 3 für L2 und 2,4 bzw. 7 für L3. Zum Vergleich geben L11, L12 und L13 Farbörter von Lampen L11, L12 bzw. L13 nach dem Stand der Technik an, bei denen das Entladungsgefäß nur die Halogenide von Na und Ce umfasst. Das Molverhältnis NaJ/CeJ&sub3; ist 1 für L11,3 für L12 und 7 für L13. Schließlich gibt L10 den Farbort einer Lampe L10 an, die nur CeJ&sub3; als Halogenid umfasst. In einer Tabelle sind die lichttechnischen Daten der in der Graphik dargestellten Lampen aufgelistet.

Tabelle

Die in der Tabelle aufgelisteten Lampen haben alle ein Entladungsgefäß der gleichen Konstruktion, die gleiche Nennleistung und eine Lampenspannung im Bereich zwischen 80 V und 110 V. Die Temperatur des kältesten Fleckes Tkp liegt zwischen 1200 K und 1250 K. Das Entladungsgefäß der Lampen hat eine Wanddicke von 1,4 mm, und die an der Wandung des Entladungsgefäßes auftretende Temperatur beträgt ungefähr 150 K.

Aus den in der Tabelle aufgelisteten Daten kann abgeleitet werden, dass erfindungsgemäße Lampen einen wesentlich verbesserten Farbort haben, während eine relativ hohe Lichtausbeute erhalten bleibt, im Vergleich zu Lampen nach dem Stand der Technik (EP-A-896733). Für Lampen mit der gleichen Menge NaJ liegt die Verringerung der Lichtausbeute zwischen 5% und 15%. Die erfindungsgemäßen Lampen haben eine Lichtausbeute, die mit der von gemeinhin verwendeten Hochdruck-Natriumlampen vergleichbar ist, bei denen die Lichtausbeute im Allgemeinen zwischen 100 lm/W und 130 lm/W liegt.

Schließlich sei bemerkt, dass beispielsweise für eine Farbtemperatur von 3000 K der Farbort auf dem BBL die Koordinaten (0,437; 0,404) hat. Der Farbort der Lampe L3 weicht nur um (0,004; 0,009) von diesen Werten ab.


Anspruch[de]

1. Halogenmetalldampflampe mit einem Entladungsgefäß mit einer Keramikwandung, die einen Entladungsraum mit einer ionisierbaren Füllung umschließt, die zumindest Hg, ein Alkalihalogenid und CeJ&sub3; enthält, und welcher Entladungsraum weiterhin zwei Elektroden beherbergt, deren Spitzen in einem gegenseitigen Abstand EA angeordnet sind, und das Entladungsgefäß zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di hat und die Beziehung EA/Di > 5 erfüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalihalogenid LiJ umfasst.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass LiJ und CeJ&sub3; in einem Molverhältnis vorhanden sind, das im Bereich zwischen 1 und 8 liegt.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkalihalogenid auch NaJ umfasst.

4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass LiJ und NaJ gemeinsam in einem Molverhältnis relativ zu CeJ&sub3; vorhanden sind, das im Bereich zwischen 4 und 10 liegt.

5. Lampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß der Lampe eine Wandbelastung ≤30 W/cm² hat.

6. Lampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, dass, zumindest über den Abstand EA, die Wandung des Keramik-Entladungsgefäßes eine Dicke von minimal 1 mm aufweist.

7. Lampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass LiJ, NaJ und CeJ&sub3; im Übermaß vorhanden sind und dass beim Betrieb der Lampe eine Temperatur des kältesten Fleckes Tkp von minimal 1100 K und maximal 1500 K am Ort des Übermaßes herrscht.







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