Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Lampen für die Lichtfarbe warmweiß
(WDL) für die Allgemeinbeleuchtung, die insbesondere dimmfähig ist.
Stand der Technik
[0002] Aus der DE-A 197 31 168 ist bereits eine Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe bekannt,
die zwei Gruppen von Metallhalogeniden verwendet, nämlich Spannungserzeuger, die hauptsächlich
die Rolle des Quecksilbers übernehmen, sowie Lichterzeuger, insbesondere Seltenerdmetall.
Damit werden warmweiße Lichtfarben um 3500 K angestrebt. Allerdings ist die Rotwiedergabe
noch unbefriedigend, die durch Zugabe von Metallhalogeniden des Dy oder Al kontrolliert
wird. Ähnliche Füllungssysteme sind auch in WO 99/05699 und EP-A 833 160 beschrieben.
[0003] Die WO 98/45872 beschreibt eine quecksilberhaltige Metallhalogenidlampe, deren Füllung
im wesentlichen Na und Tl-haltige Metallhalogenide enthält. Hinzu kommen Dy- und Ca-Metallhalogenide.
Diese Füllung bezieht sich auf eine neutralweiße Lichtfarbe von 3900 bis 4200 K.
[0004] Bei der Realisierung warmweißer und neutralweißer Lichtfarben ist die Verwendung
von Natrium nachteilig, da es aufgrund seines kleinen lonenradius leicht diffundiert.
Darstellung der Erfindung
[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, die nicht nur auf Quecksilber aus Umweltschutzgründen
verzichtet, sondern auch die Benutzung von Natrium vollständig oder weitestgehend
vermeidet um die damit verbundenen, wohlbekannten Schwierigkeiten zu umgehen. Insbesondere
betrifft dies auch den Bau von einseitig gesokkelten Lampen (Problem der Photoionisation).
[0006] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
[0007] Erfindungsgemäß wird eine Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe mit warmweißer Lichtfarbe
und hohem Farbwiedergabeindex Ra vorgestellt, wobei die Lampe ein Entladungsgefäß
umfaßt, in das Elektroden vakuumdicht eingeführt sind und mit einer ionisierbaren
Füllung im Entladungsgefäß. Die Füllung umfaßt folgende Komponenten:
ein Edelgas, das als Puffergas wirkt,
eine erste Gruppe von Metallhalogeniden (MH), deren Siedepunkt oberhalb 1000 °C (bevorzugt
oberhalb 1150 °C) liegt, wobei die erste Gruppe als Metalle zumindest Dy und Ca in
gleichzeitiger Verwendung umfaßt, und wobei das molare Verhältnis der beiden Metallhalogenide
Ca-MH:Dy-MH zwischen 0,1 und 10, bevorzugt zwischen 0,2 und 5, liegt; es handelt sich
hier um schwerflüchtige Komponenten, die gesättigt vorliegen;
eine zweite Gruppe von Metallhalogeniden, deren Siedepunkt unterhalb 1000 °C (bevorzugt
unter 900 °C) liegt, wobei die zweite Gruppe als Metalle zumindest eines der Elemente
In, Zn, Hf, Zr umfaßt; es handelt sich hier um flüchtige Komponenten, die meist ungesättigt
vorliegen);
wobei die Gesamtfüllmenge der ersten Gruppe Metallhalogenide zwischen 5 und 100 µmol/cm3 beträgt;
wobei die Gesamtfüllmenge der zweiten Gruppe Metallhalogenide zwischen 1 und 50 µmol/cm3 beträgt;
wobei die Farbtemperatur zwischen 2700 und 3500 K liegt;
wobei der allgemeine Farbwiedergabeindex mindestes Ra = 90 beträgt, während gleichzeitig
der Rotwiedergabeindex mindestens R9 = 60 beträgt.
[0008] Bevorzugt liegt das molare Verhältnis der beiden Metallhalogenide Ca-MH:Dy-MH zwischen
0,3 und 4. Die zweite Gruppe umfaßt bevorzugt zusätzlich ein Metallhalogenid des Tl
in einer Menge von bis zu 30 µmol/cm
3, bevorzugt 5 bis 25 µmol/cm
3.
[0009] Des weiteren kann die erste Gruppe auch ein Metallhalogenid des Na einschließen in
einem Anteil von bis zu 30 Mol.-%, bevorzugt von höchstens 5 Mol.-%, an der Gesamtmenge.
[0010] Bevorzugt umfaßt die erste Gruppe zusätzlich ein Metallhalogenid des Cs in einer
Menge von bis zu 40 µmol/cm
3, bevorzugt 5 bis 30 µmol/cm
3. Außerdem beträgt der Kaltfülldruck des Edelgases vorteilhaft zwischen 100 und 10
000 mbar.
[0011] Die Mitglieder der zweiten Gruppe können zusätzlich als Metalle in einem Anteil bis
zu 30 Mol.-% zugegeben werden. Außerdem können zusätzlich mindestens ein elementares
Metall oder ein Metallhalogenid der Metalle Al, Ga, Sn, Mg, Mn, Sb, Bi, Sc zur zweiten
Gruppe zugegeben wird und zwar insgesamt zusätzlich bis zu einem Anteil bis zu 40
Mol.-%.
[0012] Des weiteren kann zusätzlich mindestens ein Metallhalogenid der Metalle Sr, Ba, Li
und /oder der Seltenerdmetalle zur ersten Gruppe zugegeben werden und zwar insgesamt
zusätzlich bis zu einem Anteil bis zu 30 Mol.-%.
[0013] Vorzugsweise ist das Entladungsgefäß keramisch und hat ein typisches Verhältnis der
inneren Longitudinal/ Lateral-Maximaldimensionen von höchstens 3,5.
[0014] Vorteilhaft ist die Dimensionierung der Innenwandoberfläche so gewählt, daß im Betrieb
eine innere Wandbelastung von 10 bis 60 W/cm
2 herrscht.
[0015] Die Hg-freie Füllung ist im wesentlichen eine Na-arme Füllung (bevorzugt höchstens
5 Mol.-% Na-Halogenid im Füllungsanteil mit Siedepunkt > 1000 °C). Ihre Zusammensetzung
ist so gewählt, daß mindestens Dy-Halogenid und Ca-Halogenid als Füllungsbestandteile
im Anteil der Füllungssubstanzen mit Siedepunkt >1000°C enthalten sind, und daß mindestens
ein Metallhalogenid MH mit Siedepunkt < 1000°C enthalten ist, welches aus der Gruppe
In, Zn, Hf, Zr ausgewählt ist.
[0016] Insbesondere dann, wenn das Verhältnis Ca-MH/DyMH > 2 ist (insbesondere bei Werten
> 4), kann es vorteilhaft sein, weitere Metallhalogenide der Füllung hinzuzufügen,
bevorzugt die weiter unten erwähnten Lanthanide in einem Anteil von bis zu 25 Mol.-%,
um den Überhang im roten Spektralbereich, hervorgerufen durch den Anteil an CaJ
2, auszugleichen.
[0017] Die Gesamtfüllmenge der ersten Gruppe im Entladungsgefäß soll
betragen (X ist ein beliebiges Halogenid ausgewählt aus J, Br und Cl). Weiterhin
soll die Gesamtfüllmenge der zweiten Gruppe, betreffend Metallhalogenide MeX
n der Metalle In, Zn, Hf, Zr insgesamt MeX
n = 1 - 50 µmol/cm
3 betragen. Falls dieser Wert kleiner gewählt wird, liegt der Spannungsgradient unter
50 V/cm, was nicht praktikabel ist.
[0018] Bevorzugt liegt die Zugabe an TI-MH im Bereich TIX = 5-30 µmol/ccm. Die optimale
Menge ist abhängig von anderen Bestandteilen zu wählen um kleinste Abweichung vom
Planckschen Kurvenzug zu erzielen.
[0019] Die spektrale Emission der Lichtquelle liegt im warmweissen Spektralbereich zwischen
2700 K und 3500 K, und der allgemeine Farbwiedergabeindex ist bevorzugt Ra> 90 , wobei
der Rotwiedergabeindex des gesättigten Rot bei R9 > 60 liegt.
[0020] Ein besonders beachtenswertes Merkmal der vorliegende Erfindung liegt darin, daß
eine hervorragende Konstanz der Farbwiedergabe auch beim Dimmen der Lampe auf ca.
50% der Lampenleistung erhalten bleibt. Bisherige Füllungen eigneten sich nicht zum
Dimmen. Dies liegt an der ausgewogenen Mischung zwischen Dy und Ca in Verbindung mit
der Möglichkeit, das Ca (und evtl. auch Cs) in der Dampfphase durch Molekülbildung
(Bildung von Komplexen) anzureichern. Dieser Mechanismus ist bei Quecksilberfreien
Füllungen besonders effektiv. Dadurch wird eine Leistungsunabhängigkeit der spektralen
Emissionsverteilung im sichtbaren Spektralbereich erzielt, entsprechend einer ausgeprägten
Dimmfähigkeit.
[0021] Die Lampenfüllung kann Cs-Halogenid im Füllungsbestandteil der Füllungssubstanzen
mit Siedepunkt >1000°C in einer Mol-%-Konzentration vorzugsweise zwischen 10-50 %
enthalten, wobei die Gesamtmenge des CsX typisch zwischen 5-40 µmol/cm
3 liegt. Denn CsX verbessert die Bogenstabilität und erhöht die Lichtausbeute.
[0022] Zusätzlich kann die Lampenfüllung mindestens ein Metallhalogenid mit Siedepunkt <
1000°C beinhaltet, das aus der Gruppe Al, Ga, Sn, Mg, Mn, Sb, Bi, Sc hervorgeht, Diese
Substanzen können zur exakten Spannungseinstellung zugemischt werden; einige Substanzen
eignen sich auch zur Beeinflussung der spektralen Emissionsverteilung.
[0023] In einer weiteren Ausführungsform kann die Lampenfüllung zusätzlich mindestens ein
elementares Metall beinhalten, das aus der Gruppe Tl, In, Zn, Al, Ga, Sn, Mg, Mn,
Sb, Bi, Sc hervorgeht, wobei die Füllmenge im Bereich zwischen 0.5-50 µmol/cm
3 liegt. Diese Substanzen können zur Verbesserung des elektrischen Verhaltens zugemischt
werden, beispielsweise dienen sie zur Minimierung von Wiederzündspitzen.
[0024] Der optionale Anteil von Na-Halogenid kann bis zu 30 Mol.-% des Füllungsanteils der
Füllungsbestandteile enthalten ist, die einen Siedepunkt >1000°C besitzen. Zwar verschlechtert
NaJ typischerweise das Dimmungsverhalten bzgl. Konstanz der Farbwiedergabe, es kann
aber zu einer Erhöhung der Lichtausbeute zugemischt werden.
[0025] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann im Füllungsanteil mit Siedepunkt
>1000°C zusätzlich mindestens ein Halogenid der Lanthanide und aus der Gruppe Sr und
Ba und Li , typ. im Mol-Konzentrationsanteil bis 35 Mol.-% enthalten sein. Diese Substanzen
werden zur Optimierung der spektralen Verteilung im visuellen Spektralbereich zugemischt,
z. B.: Sr, Ba und Li für weitere Verbesserung der Emission im roten, Lanthanide im
blauen und grünen Spektralbereich.
[0026] Bevorzugt besteht die ionisierbare Füllung aus mindestens einem Edelgas (Ar, Kr,
Xe) mit einem Kaltfülldruck von 100-10000 mbar. Mit einem Kaltfülldruck von typisch
mehr als 500 mbar Ar ist insbesondere eine verlängerte Lebensdauer möglich. Unter
100 mbar tritt eine zu starke Elektrodenbelastung während der Anlaufphase der Lampe
auf, was zu schlechtem Maintenance-Verhalten führt.
Figuren
[0027] Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert
werden. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß;
- Figur 2
- ein Spektrum einer Metallhalogenidlampe;
- Figur 3
- eine Darstellung des Ra, R9 und der Farbtemperatur in Abhängigkeit vom Dimmgrad für
das erste Ausführungsbeispiel;
- Figur 4
- die Farbkoordinaten als Funktion des Dimmgrades für das erste Ausführungsbeispiel;
- Figur 5
- ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spektrums einer Metallhalogenidlampe;
- Figur 6
- eine Darstellung des Ra, R9 und der Farbtemperatur in Abhängigkeit vom Dimmgrad für
das zweite Ausführungsbeispiel;
- Figur 7
- die Farbkoordinaten als Funktion des Dimmgrades für das erste Ausführungsbeispiel;
- Figur 8
- ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spektrums einer Metallhalogenidlampe;
- Figur 9
- eine Darstellung des Ra, R9 und der Farbtemperatur in Abhängigkeit vom Dimmgrad für
das dritte Ausführungsbeispiel;
- Figur 10
- die Farbkoordinaten als Funktion des Dimmgrades für das dritte Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Zeichnungen
[0028] In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 70 W
dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden zylindrischen Außenkolben
1 aus Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt (3) ist. Das axial angeordnete
Entladungsgefäß 4 aus Al
2O
3-Keramik bildet ein Ellipsoid und ist in der Mitte 5 ausgebaucht und besitzt zwei
zylindrische Enden 6a und 6b. Es kann aber auch zylindrisch sein mit länglichen Kapillarrohren
als Stopfen. Das Entladungsgefäß ist mittels zweier Stromzuführungen 7, die mit den
Sockelteilen 3 über Folien 8 verbunden sind, im Außenkolben 1 gehaltert. Die Stromzuführungen
7 sind mit Durchführungen 9, 10 verschweißt, die jeweils in einem Endstopfen 11 am
Ende des Entladungsgefäßes eingepaßt sind.
[0029] Die Durchführungen 9, 10 sind beispielsweise Molybdän-Stifte. Beide Durchführungen
9, 10 stehen am Stopfen 11 beidseitig über und haltern entladungsseitig Elektroden
14, bestehend aus einem Elektrodenschaft 15 aus Wolfram und einer am entladungsseitigen
Ende aufgeschobenen Wendel 16. Die Durchführung 9, 10 ist jeweils mit dem Elektrodenschaft
15 sowie mit der äußeren Stromzuführung 7 stumpf verschweißt.
[0030] Die Endstopfen 11 bestehen im wesentlichen aus einem an sich bekannten Cermet mit
der keramischen Komponente Al
2O
3 und der metallischen Komponente Wolfram oder auch Molybdän.
[0031] Am zweiten Ende 6b ist außerdem im Stopfen 11 eine achsparallele Bohrung 12 vorgesehen,
die zum Evakuieren und Füllen des Entladungsgefäßes in an sich bekannter Weise dient.
Diese Bohrung 12 wird nach dem Füllen mittels eines Stiftes 13 verschlossen. Grundsätzlich
kann aber auch jede andere bekannte Konstruktion für das keramische Entladungsgefäß
und für die Technik des Verschließens gewählt werden.
[0032] Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht aus einem inerten Zündgas/Puffergas, hier
Argon mit 250 mbar Kaltfülldruck und aus diversen Zusätzen an Metallhalogeniden.
[0033] Drei Beispiele der erfindungsgemäßen Füllungen sind in Tab. 1 gezeigt. Außerdem sind
in den letzten beiden Spalten die Siedepunkte der Metallhalogenide angegeben. In allen
Fällen hat das elliptisch geformte keramische Entladungsgefäß ein inneres Volumen
von 0,32 cm
3 und eine innere Oberfläche von 2,35 cm
2 bei einer Bogenlänge von 9 mm.
[0034] Die Brennspannung betrug im ersten Ausführungsbeispiel etwa 60 V. Das molare Verhältnis
CaMH:DyMH beträgt hier 60:15=4,0. Damit ließ sich eine 70 W WDL Metallhalogenidlampe
realisieren, deren Emissionsspektrum von den CaJ
2- Banden dominiert ist (Figur 2). Sie liegen im roten Spektralbereich zwischen 626
und 642 nm.
[0035] Wie Figur 3 zeigt, ist die Lichtausbeute 50 Im/W. Der Farbwiedergabeindex Ra und
der R9-Wert liegen knapp unter 100. Diese sehr guten Werte sind unabhängig von einer
Dimmung auf bis herab zu 50% der vollen Leistung, wie Figur 2 und 3 erkenne läßt,
wo als Dimmparameter die Wandbelastung zwischen 20, 30 und 40 W/cm
2 variiert (entsprechend 50%, 75% und 100% Dimmgrad). Daher ist diese Lampe sehr gut
als Ersatz für Glühlampen geeignet. Die Farbtemperatur T
n läßt sich durch das Dimmen stufenlos zwischen 3400 und 2950 K regeln. Die Änderung
der Farbkoordinaten x und y beim Dimmen folgt fast exakt entlang der Planck-Kurve
(Figur 4). Dabei spielt die richtige Menge der Zugabe an TlJ eine wichtige Rolle.
Dieser Befund ist außerordentlich vorteilhaft im Vergleich zu bisherigen Füllungen.
[0036] Im zweiten Ausführungsbeispiel, dessen Spektrum in Figur 5 gezeigt ist, betrug die
Brennspannung 80 V. Das molare Verhältnis CaMH:DyMH = 29:39 = 0,74. Der R9-Index variiert
gemäß Figur 6 zwischen 60 und 85, je nach Dimmung, der Ra lag immer deutlich über
90, die Farbtemperatur lag beim Dimmen zwischen 50 und 100% fast konstant bei etwa
3100 K. Der R9-Wert liegt bei etwa 50 bei einer niedrigen Dimmung nahe 50% (entsprechend
einer Wandbelastung von 20 W/cm
2), jedoch ziemlich hoch, bei 75 bis 80 bei hoher Dimmung bis 100% der möglichen Leistung
(Wandbelastung von typisch 32 W/cm
2). Die Farbkoordinaten x und y zeigt Figur 7.
[0037] In einem dritten Ausführungsbeispiel, dessen Spektrum in Figur 8 gezeigt ist, betrug
die Brennspannung 73 V. Das molare Verhältnis CaMH:DyMH = 30:45 = 0,67. Zur Spannungsanpassung
wurde ein Gemisch aus InJ und HfBr
4 verwendet. Beim Dimmen (Figur 9) zeigt sich ein sehr stabiles Verhalten: Alle Farbindices
(Ra und R9) zeigen ein nahezu konstantes Verhalten und nahezu keine Abhängigkeit vom
Dimmgrad. Der Rotwert R9 ist deutlich oberhalb 70 und der Ra liegt bei etwa 95. Die
Farbkoordinaten x und y (Figur 10) liegen bei Dimmung auf konstanter Farbtemperatur
von etwa 3000 K.
[0038] In allen Ausführungsbeispielen betrug für das Entladungsgefäß, das ein Ellipsoid
darstellt, das Verhältnis der inneren Longitudinal- zu Lateral-Dimension etwa 1,7.
Die innere axiale Länge war 12 mm (als Gesamtlänge der einbeschriebenen Ellipse (gestrichelt
in Figur 1 dargestellt) interpretiert), der innere maximale Durchmesser des kreisförmig
ausgebauchten Entladungsgefäßes quer zur Lampenachse betrug 7 mm.
1. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe mit warmweißer Lichtfarbe und hohem Farbwiedergabeindex
Ra, wobei die Lampe ein Entladungsgefäß umfaßt, in das Elektroden vakuumdicht eingeführt
sind und mit einer ionisierbaren Füllung im Entladungsgefäß, dadurch gekennzeichnet,
daß die Füllung folgende Komponenten umfaßt:
ein Edelgas, das als Puffergas wirkt,
eine erste Gruppe von Metallhalogeniden (MH), deren Siedepunkt oberhalb 1000 °C liegt,
wobei die erste Gruppe als Metalle zumindest Dy und Ca in gleichzeitiger Verwendung
umfaßt, und wobei das molare Verhältnis der beiden Metallhalogenide Ca-MH:Dy-MH zwischen
0,1 und 10 liegt;
eine zweite Gruppe von Metallhalogeniden, deren Siedepunkt unterhalb 1000 °C liegt,
wobei die zweite Gruppe als Metalle zumindest eines der Elemente In, Zn, Hf, Zr umfaßt;
wobei die Gesamtfüllmenge der ersten Gruppe Metallhalogenide zwischen 5 und 100 µmol/cm3 beträgt;
wobei die Gesamtfüllmenge der zweiten Gruppe Metallhalogenide zwischen 1 und 50 µmol/cm3 beträgt;
wobei die Farbtemperatur zwischen 2700 und 3500 K liegt;
wobei der allgemeine Farbwiedergabeindex mindestes Ra = 90 beträgt, während gleichzeitig
der Rotwiedergabeindex mindestens R9 = 60 beträgt.
2. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das molare Verhältnis der beiden Metallhalogenide Ca-MH:Dy-MH zwischen 0,2 und 5 liegt.
3. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Gruppe zusätzlich ein Metallhalogenid des Tl umfaßt in einer Menge von
bis zu 30 µmol/cm3, bevorzugt 5 bis 25 µmol/cm3.
4. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Gruppe auch ein Metallhalogenid des Na einschließt in einem Anteil von bis
zu 30 Mol.-%, bevorzugt von höchstens 5 Mol.-%, an der Gesamtmenge.
5. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Gruppe zusätzlich ein Metallhalogenid des Cs umfaßt in einer Menge von bis
zu 40 µmol/cm3, bevorzugt 5 bis 30 µmol/cm3.
6. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kaltfülldruck k des Edelgases zwischen 100 und 10000 mbar beträgt.
7. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mitglieder der zweiten Gruppe zusätzlich als Metalle in einem Anteil bis zu 30
Mol.-% zugegeben werden.
8. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich mindestens ein Metallhalogenid der Metalle Al, Ga, Sn, Mg, Mn, Sb, Bi,
Sc zur zweiten Gruppe zugegeben wird und zwar insgesamt zusätzlich bis zu einem Anteil
bis zu 40 Mol.-%.
9. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich mindestens ein Metallhalogenid der Metalle Sr, Ba, Li und /oder der Seltenerdmetalle
zur ersten Gruppe zugegeben wird und zwar insgesamt zusätzlich bis zu einem Anteil
bis zu 30 Mol.-%.
10. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das vorzugsweise keramische Entladungsgefäß ein typisches Verhältnis zwischen der
inneren Longitudinal- und Lateral-Maximaldimensionen von höchstens 3.5 besitzt.
11. Quecksilberfreie Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwandoberfläche des Entladungsgefäßes so dimensioniert ist, daß eine Wandbelastung
von 10-60 W/cm2 herrscht.