[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe gemäß des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1.
I. Technisches Gebiet
[0002] Insbesondere handelt es sich um eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe für
den Einsatz als Lichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer. Derartige Lampen besitzen
üblicherweise eine ionisierbare Füllung, die neben Quecksilber und Xenon Halogenide
der Metalle Natrium und Scandium und gegebenenfalls noch Halogenide weiterer Metalle
enthält. Das Quecksilber dient dabei weniger der Lichterzeugung, sondern aufgrund
seines hohen Dampfdrucks in erster Linie zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften
dieser Lampen, insbesondere zur Erzielung einer Brennspannung im Bereich von 80 V
bis 110 V. In letzter Zeit wird versucht, derartige Lampen ohne die Verwendung des
umweltschädlichen Quecksilbers zu konstruieren.
II. Stand der Technik
[0003] Die europäische Offenlegungsschrift EP 0 903 770 A2 beschreibt quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen,
deren ionisierbare Füllung mindestens ein leicht verdampfbares, als Spannungsgradientenbildner
dienendes Metallhalogenid und weitere, der Lichterzeugung dienende Metallhalogenide
enthält. Die als Spannungsgradientenbildner dienenden Metallhalogenide übernehmen
im wesentlichen die Funktionen des Quecksilbers in den quecksilberfreien Hochdruckentladungslampen.
Als Spannungsgradientenbildner werden Halogenide der Metalle Al, Bi, Hf, In, Mg, Sc,
Sn, Tl, Zr, Zn, Sb oder Ga verwendet. Vornehmlich der Lichterzeugung dienen Halogenide
der Metalle Na, Pr, Nd, Ce, La, Dy, Ho, Tl, Sc, Hf, Zr oder Tm.
[0004] Die europäische Offenlegungsschrift EP 0 883 160 A1 offenbart quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen,
deren ionisierbare Füllung ein Edelgas, ein erstes, der Lichterzeugung dienendes Metallhalogenid
und ein zweites, als Puffergas dienendes Metallhalogenid enthält, das einen hohen
Dampfdruck aufweist. Als Puffergas werden Halogenide der Metalle Eisen, Kobalt, Chrom,
Zink, Nickel, Mangan, Aluminium, Antimon, Beryllium, Rhenium, Gallium, Titan, Zirkon
oder Hafnium aufgeführt.
III. Darstellung der Erfindung
[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine quecksilberfreie Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen, die als Lichtquelle für einen Fahrzeugscheinwerfer geeignet ist.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
beschrieben.
[0007] Die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe besitzt ein gasdicht verschlossenes
Entladungsgefäß, in dem zwei Elektroden und eine ionisierbare Füllung zur Erzeugung
einer Gasentladung angeordnet sind, wobei die ionisierbare Füllung aus Xenon und Halogeniden
der Metalle Natrium, Scandium, Indium und Zink besteht. Es hat sich gezeigt, dass
durch ausschließliche Verwendung der vorgenannten Füllungskomponenten eine Hochdruckentladungslampe
mit ausreichend guter Farbwiedergabe, Lichtausbeute und Haltbarkeit für den Einsatz
als Lichtquelle in einem Fahrzeugscheinwerfer gebaut werden kann. Die in dem Stand
der Technik aufgeführten Mittel zur Anhebung der Brennspannung auf die für quecksilberhaltige
Lampen üblichen Werte zwischen 80 Volt und 110 Volt sind nicht erforderlich. Stattdessen
weist die erfindugsgemäße Hochdruckentladungslampe eine Brennspannung von nur 45 Volt
auf. Mit den erfindungsgemäßen Füllungskomponenten können eine Farbwiedergabe von
Ra=65, eine Farbtemperatur von ungefähr 4000 K, eine Lichtausbeute von 85 lm/W und
eine Lebensdauer von mehr als 3000 Stunden erreicht werden. Vorteilhafterweise handelt
es sich bei den Halogeniden um Jodide oder Bromide und nicht um Fluoride, da letztere
nur in Verbindung mit einem Entladungsgefäß aus Keramik verwendbar sind. Besonders
bevorzugt werden die Jodide der obengenannten Metalle, da sie chemisch weniger aggressiv
sind als die Bromide und meist einen höheren Dampfdruck besitzen. Insbesondere eignen
sich die Jodide der obengenannten Metalle auch für Hochdruckentladungslampen mit einem
Entladungsgefäß aus Quarzglas. Es sind nicht unbedingt Entladungsgefäße aus lichtdurchlässiger
Keramik wie zum Beispiel polykristallinem Aluminiumoxid, Saphir oder Aluminiumnitrid
erforderlich.
[0008] Vorteilhafterweise wird für eine Hochdruckentladungslampe, deren Entladungsgefäß
ein Volumen im Bereich von 23 mm
3 bis 30 mm
3 besitzt eine ionisierbare Füllung verwendet, die aus folgenden Komponenten besteht:
[0009] Xenon mit einem Kaltfülldruck, das ist der Druck bei Zimmertemperatur (22°C), von
mindestens 9000 hPa, vorzugsweise sogar von mindestens 11000 hPa und höchstens 13000
hPa, mindestens 0,15 mg und höchstens 0,30 mg Natriumjodid, mindestens 0,10 mg und
höchstens 0,25 mg Scandiumjodid, maximal 0,10 mg, vorzugsweise aber nicht mehr als
0,05 mg Zinkjodid und maximal 0,05 mg Indiumjodid.
[0010] Mittels geeigneter Wahl des Kaltfülldrucks des Xenon und des Zinkjodidanteils wird
die Brennspannung der Lampe, das ist der Spannungsabfall über der Lampe im quasi-stationären
Lampenbetrieb, das heißt, nach erfolgter Zündung und Stabilisierung der Gasentladung
im Entladungsgefäß, auf einen konstanten Wert, vorzugsweise auf 45 Volt, eingestellt.
Außerdem trägt Xenon erheblich zur Steigerung der Effizienz der Lichterzeugung in
der Gasentladung bei. Der Kaltfülldruck des Xenon sollte daher mindestens 9000 hPa,
vorzugsweise sogar mindestens 11000 hPa betragen, um einen hohen Lichtstrom und damit
eine hohe Lichtausbeute zu erzielen. Wie aus der Figur 2 ersichtlich ist, gibt es
einen linearen Zusammenhang zwischen dem Kaltfülldruck des Xenon und der Lichtausbeute.
Bei einem Kaltfülldruck von 9000 hPa beträgt der Lichtstrom 2982 Im und die Lichtausbeute
85 lm/W und bei einem Kaltfiilldruck von 11000 hPa erhöht sich der Lichtstrom auf
3112 Im und die Lichtausbeute verbessert sich sogar auf 89 lm/W. Gemäß der Darstellung
der Figur 2 wäre ein möglichst hoher Kaltfülldruck des Xenon wünschenswert. Das Entladungsgefäß
würde auch einem Xenon-Kaltfülldruck von mehr als 20000 hPa standhalten, aber bei
einer Überschreitung des Xenon-Kaltfülldrucks von 13000 hPa ändern sich sowohl die
Brennspannung der Lampe und als auch die Farbtemperatur des in der Gasentladung erzeugten
Lichts. Um die Farbtemperatur wieder auf den gewünschten Wert, vorzugsweise 4000 K,
einzustellen, müsste der Anteil von Scandiumjodid erhöht werden. Das könnte aber zu
einer Schädigung des vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Entladungsgefäßes führen,
da Scandium chemisch mit Quarz reagiert. Um bei dem vergleichsweisen hohen Xenon-Kaltfülldruck
die Brennspannung der Lampe auf einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise 45 Volt, einzustellen,
wird der Anteil von Zinkjodid vorteilhafterweise entsprechend gewählt. Der Anteil
von Zinkjodid ist vorteilhafterweise kleiner oder gleich 0,10 mg und vorzugsweise
sogar kleiner oder gleich 0,05 mg. Vorteilhafterweise wird in dem Druckbereich des
Xenon-Kaltfiilldrucks von 9000 hPa bis 13000 hPa der Gewichtsanteil von Zinkjodid
so gewählt, dass näherungsweise die lineare Beziehung Y = - 0,015 X + 0,207 erfüllt
ist, wobei in der vorstehenden Gleichung die Größe Y den Zahlenwert des Zinkjodidanteils
in Milligramm [mg] und X den Zahlenwert des Xenon-Kaltfülldrucks in Hekto-Pascal [hPa]
bedeuten (Figur 3). Zur Lichterzeugung in den erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen
dienen, zusätzlich zu den bereits genannten Füllungskomponenten auch Natriumjodid,
Scandiumjodid und Indiumjodid. Die oben angegebenen Mengenbereiche für diese Füllungskomponenten
sind bestimmt durch die gewünschte Farbtemperatur, vorzugsweise 4000 K, und den gewünschten
Farbort des durch die Gasentladung erzeugten Lichts. Die Zugabe einer vergleichsweise
geringen Menge an Indiumjodid ist erforderlich, um weißes Licht gemäß der ECE-Vorschrift
R.99 zu erzeugen. Wie in der Figur 4 dargestellt ist, liegt der Farbort der Füllung
gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels innerhalb des in der Figur 4 dargestellten
Trapezes, das die für Lichtquellen von Fahrzeugscheinwerfern zulässigen Farborte von
weißem Licht gemäß der ECE-Vorschrift R.99 definiert. Bei einem Verzicht auf Indiumjodid
lässt sich zwar auch eine Farbtemperatur von 4000 K erzielen, aber der Farbort des
Lichts würde außerhalb des in der Figur 4 dargestellten Trapezes liegen und damit
wäre die Lampe nicht mehr als Fahrzeugscheinwerferlampe tauglich. Um sowohl den Farbort
als auch die Farbtemperatur in dem gewünschten Bereich zu halten, besitzt das molare
Verhältnis von Natrium zu Scandium in der ionisierbaren Füllung der erfindungsgemäßen
Lampe vorteilhafterweise einen Wert zwischen 3 und 6.
[0011] Die Elektroden der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen besitzen vorteilhafterweise
eine Dicke bzw. einen Durchmesser im Bereich von 0,27 mm bis 0,36 mm, um einen ausreichend
hohen Strom leiten zu können. Wie bereits oben erwähnt wurde, besitzen die erfindungsgemäßen
Hochdruckentladungslampen eine im Vergleich zum Stand der Technik geringe Brennspannung
U. Um eine gleich große Leistungsaufnahme, üblicherweise 35 Watt, wie bei den gewöhnlichen,
quecksilberhaltigen Hochdruckentladungslampen zu gewährleisten, besitzen die erfindungsgemäßen
Hochdruckentladungslampen entsprechend dickere Elektroden, die eine entsprechend höhere
Stromtragfähigkeit aufweisen. Der Abstand zwischen den Elektroden ist vorteilhafterweise
kleiner als 5 mm, damit der Entladungsbogen mittels der optischen Systeme im Fahrzeugscheinwerfer
besser abbildbar ist.
IV. Beschreibung des bevorzugten Ausfiihrungsbeispiels
[0012] Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigen:
- Figur 1
- Eine Seitenansicht einer Hochdruckentladungslampe gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung in schematischer Darstellung
- Figur 2
- Die Abhängigkeit des Lichtstroms von dem Xenon-Kaltfülldruck bei den erfindungsgemäßen
Hochdruckentladungslampen mit der Metallhalogenidfiillung gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Auf der vertikalen Achse ist der Lichtstrom in Lumen und auf der horizontalen Achse
der Xenon-Kaltfülldruck in Hekto-Pascal aufgetragen.
- Figur 3
- Den Zusammenhang zwischen dem Xenon-Kaltfülldruck und dem Anteil von Zinkjodid bei
den erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen. Auf der vertikalen Achse ist der
Anteil von Zinkjodid in der Füllung in Milligramm und auf der horizontalen Achse der
Xenon-Kaltfiilldruck in Hekto-Pascal aufgetragen.
- Figur 4
- Den Farbort und die Farbtemperatur der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen
im Vergleich zu Hochdruckentladungslampen ohne Indiumjodid.
[0013] Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine quecksilberfreie
Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme
von ungefähr 35 Watt. Diese Lampe ist für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer
vorgesehen. Sie besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 30 aus Quarzglas
mit einem Volumen von 24 mm
3, in dem eine ionisierbare Füllung gasdicht eingeschlossen ist. Im Bereich des Entladungsraumes
106 ist die Innenkontur des Entladungsgefäßes 30 kreiszylindrisch und seine Außenkontur
ellipsoidförmig ausgebildet. Der Innendurchmesser des Entladungsraumes 106 beträgt
2,6 mm und sein Außendurchmesser beträgt 6,3 mm. Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes
10 sind jeweils mittels einer Molybdänfolien-Einschmelzung 103, 104 abgedichtet. Im
Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden sich zwei Elektroden 11, 12, zwischen
denen sich während des Lampenbetriebes der für die Lichtemission verantwortliche Entladungsbogen
ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen aus Wolfram. Ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser
beträgt 0,30 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt 4,2 mm. Die Elektroden
11, 12 sind jeweils über eine der Molybdänfolien-Einschmelzungen 103, 104 und über
die sockelferne Stromzuführung 13 bzw. über die sockelseitige Stromrückführung 14
elektrisch leitend mit einem elektrischen Anschluß des im wesentlichen aus Kunststoff
bestehenden Lampensockels 15 verbunden. Das Entladungsgefäß 10 wird von einem gläsernen
Außenkolben 16 umhüllt. Der Außenkolben 16 besitzt einen im Sockel 15 verankerten
Fortsatz 161. Das Entladungsgefäß 10 weist sockelseitig eine rohrartige Verlängerung
105 aus Quarzglas auf, in der die sockelseitige Stromzuführung 14 verläuft.
[0014] Die in dem Entladungsgefäß eingeschlossene ionisierbare Füllung besteht aus Xenon
mit einem Kaltfiilldruck von 11800 hPa, 0,25 mg Natriumjodid, 0,18 mg Scandiumjodid,
0,03 mg Zinkjodid und 0,0024 mg Indiumjodid. Die Brennspannung U der Lampe beträgt
45 Volt. Ihre Farbtemperatur beträgt 4000 Kelvin, ihr Farbort liegt in der Normfarbtafel
nach DIN 5033 bei den Farbkoordinaten x=0,383 und y=0,389. Ihr Farbwiedergabeindex
beträgt 65 und ihre Lichtausbeute beträgt 90 Im/W.
1. Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer mit einem gasdicht verschlossenen
Entladungsgefäß (10), in dem zwei Elektroden (11, 12) und eine ionisierbare Füllung
zur Erzeugung einer Gasentladung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierbare Füllung aus Xenon und Halogeniden der Metalle Natrium, Scandium,
Indium und Zink besteht.
2. Hochdruckentladugslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenide Jodide sind.
3. Hochdruckentladugslampe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Volumen des Entladungsgefäßes (10) einen Wert im Bereich von 23 mm3 bis 30 mm3 besitzt,
- der Kaltfülldruck von Xenon einen Wert im Bereich von 9000 hPa bis 13000 hPa besitzt,
- der Anteil von Natriumjodid einen Wert im Bereich von 0,15 mg bis 0,30 mg besitzt,
- der Anteil von Scandiumjodid einen Wert im Bereich von 0,10 mg bis 0,25 mg besitzt,
- der Anteil von Zinkjodid einen Wert von kleiner oder gleich 0,10 mg besitzt, und
- der Anteil von Indiumjodid einen Wert von kleiner oder gleich 0,05 mg besitzt.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke bzw. der Durchmesser der Elektroden (11, 12) einen Wert im Bereich von
0,27 mm bis 0,36 mm besitzt, und der Abstand zwischen den Elektroden (11, 12) kleiner
als 5 mm ist.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Hochdruckentladungslampe einen Außenkolben (16) aufweist, der das Entladungsgefäß
(10) umgibt,
- das Entladungsgefäß (10) aus Quarzglas besteht und ein Volumen im Bereich von 23
mm3 bis 30 mm3 besitzt,
- die Dicke bzw. der Durchmesser der Elektroden (11. 12) einen Wert im Bereich von
0,27 mm bis 0,36 mm besitzt,
- der Abstand zwischen den Elektroden (11, 12) kleiner als 5 mm ist,
- der Kaltfiilldruck von Xenon einen Wert im Bereich von 9000 hPa bis 13000 hPa besitzt,
- der Anteil von Natriumjodid einen Wert im Bereich von 0,15 mg bis 0,30 mg besitzt,
- der Anteil von Scandiumjodid einen Wert im Bereich von 0,10 mg bis 0,25 mg besitzt,
- der Anteil von Zinkjodid einen Wert von kleiner oder gleich 0,10 mg besitzt, und
- der Anteil von Indiumjodid einen Wert von kleiner oder gleich 0,05 mg besitzt.
6. Hochdruckentladungslampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das molare Verhältnis von Natrium zu Scandium einen Wert im Bereich von 3 bis 6 besitzt.
7. Hochdruckentladungslampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kaltfülldruck des Xenon und dem Anteil von Zinkjodid folgende lineare
Beziehung näherungsweise gilt:
Wobei X der Zahlenwert des Kaltfülldruckes von Xenon in hPa und Y der Gewichtsanteil
von Zinkjodid in mg bedeuten.