Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe

Abstract

 Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe, deren Kolben (2) zwei Elektroden (9, 10) aus Wolfram und eine Füllung besitzt, die außer Edelgas eine Quecksilbermenge größer als 0,2 mg/mm³ mit einem Quecksilberdampfdruck größer als 200 bar und wenigstens eines der Halogene Chlor, Brom oder Jod in einer Menge zwischen 10⁻⁶ und 10⁻⁴ µmol/mm³ enthält, wobei die Wandbelastung im Betrieb größer als 1 W/mm² ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck-Quecksilber­dampfentladungslampe mit einem Kolben aus hochtemperatur­festem Material, der Elektroden aus Wolfram und eine Füllung enthält, die im wesentlichen aus Quecksilber, Edelgas und im Betriebszustand freiem Halogen besteht.

[0002] Eine aus der DE-AS 14 89 417 bekannte Superhochdruck- Quecksilberdampfentladungslampe dieser Art besitzt einen langgestreckten Quarzglaskolben mit 55 mm³ Inhalt. Dieser Kolben ist mit Edelgas sowie 6,5 mg Quecksilber gefüllt; dies entspricht einer Quecksilbermenge von 0,12 mg/mm³. Der Quecksilberdampfdruck dürfte etwa 120 bar betragen. Die Lampe hat eine Leistungsdichte von etwa 14,5 W/mm³. Zur Verlängerung der Lebensdauer wird nicht nur die Wand des Kolbens, z.B. mittels eines Wasserstromes, gekühlt, sondern auch noch in den Kolben je Kubikmilimeter 5 x 10⁻⁴ bis 5 x 10⁻² gAtom mindestens eines der Halogene einge­füllt.

[0003] Derartige Lampen mit Quecksilberdampfdrücken von etwa 120 bar erzeugen zwar eine hohe Leuchtdichte, geben jedoch im wesentlichen ein typisches Quecksilber-Spektrum, das einem kontinuierlichen Spektrum überlagert ist, mit einem niedrigen Rotanteil ab.

[0004] Aus der GB-PS 11 09 135 ist eine Superhochdruck-Queck­silberdampfentladungslampe mit einem Kapillarrohrkolben aus Quarzglas bekannt, der pro Kubikmilimeter Inhalt mit Quecksilber bis zu einer Menge von 0,15 mg gefüllt ist; dies entspricht einem Quecksilberdampfdruck von etwa 150 bar. Zur Verbesserung der Farbwiedergabe ist diese Lampe darüber hinaus mit mindestens einem Metall­jodid gefüllt. Die hohe Elektrodenbelastung dieser Lampen führt dazu, daß Wolfram von den Elektroden verdampft und sich auf der Kolbenwand niederschlägt. Dies führt zu einer Abschwärzung des Kolbens, wodurch sich dieser stark erhitzt, was, insbesondere bei hohen Quecksilberdampf­drücken, zu einer Explosion des Kolbens führen kann.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe eingangs erwähnter Art zu schaffen, welche außer einer hohen Leuchtdichte und einer guten Lichtausbeute eine verbesserte Farbwiedergabe sowie eine längere Lebensdauer besitzt.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einer Hochdruck-Quecksilberdampf­entladungslampe eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Quecksilbermenge größer als 0,2 mg/mm³, der Quecksilberdampfdruck im Betrieb größer als 200 bar und die Wandbelastung größer als 1 W/mm² ist und daß wenigstens eines der Halogene Cl, Br und I in einer Menge zwischen 10⁻⁶ und 10⁻⁴ µmol/mm³ vorhanden ist.

[0007] Bis zu einem Quecksilberdampfdruck von etwa 150 bar sind die Lichtausbeute und die Farbwiedergabeeigenschaften von Quecksilberhochdrucklampen praktisch konstant, da im wesentlichen eine Linienstrahlung des Quecksilbers sowie ein kontinuierlicher Strahlungsanteil emittiert wird, der aus der Rekombination von Elektronen und Quecksilberatomen herrührt. Überraschenderweise ergab sich bei höheren Quecksilberdampfdrücken ein deutlicher Anstieg der Lichtausbeute und des Farbwiedergabeindex, der durch einen drastischen Anstieg des Anteils kontinuierlicher Strahlung verursacht wird. Es wird vermutet, daß bei hohen Drücken über 200 bar neben einer Kontinuumsemission aus quasimolekularen Zuständen auch die Bandenemission echter gebundener Molekülzustände einen erheblichen Beitrag leistet. Bei einem Betriebsdruck von etwa 300 bar liegt der Kontinuumsanteil der sichtbaren Strahlung deutlich über 50 %. Hierdurch erhöht sich auch der Rotanteil des ausgestrahlten Lichtspektrums.

[0008] Um diesen hohen Quecksilberdampfdruck zu erhalten, hat der Kolben eine hohe Wandtemperatur (etwa 1000°C). Außerdem sind die Abmessungen des Lampenkolbens klein, um diesem hohen Druck standzuhalten. Die hohe Wandtemperatur und die kleinen Abmessungen des Kolbens spiegeln sich in einer hohen Wandbelastung wider. Zweckmäßigerweise besteht der Kolben aus Quarzglas oder Aluminiumoxid.

[0009] Die Obergrenze des Quecksilberdampfdruckes hängt von der Festigkeit des Kolbenmaterials ab, dürfte jedoch für die Praxis bei etwa 400 bar liegen. Vorzugsweise liegt die Quecksilbermenge zwischen 0,2 und 0,35 mg/mm³ und der Quecksilberdampfdruck zwischen 200 und 350 bar.

[0010] Die sehr kleinen Kolbenabmessungen könnten zu einer verstärkten Wandabschwärzung durch von den Elektroden verdampftes Wolfram führen. Eine solche Wandabschwärzung muß jedoch unbedingt vermieden werden, da andernfalls durch verstärke Absorption von Wärmestrahlung die Wand­temperatur während der Lebensdauer ansteigt, was zur Zerstörung des Lampenkolbens führen würde. Als Maßnahme gegen eine solche Wandabschwärzung durch Wolframtransport enthält die Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe nach der Erfindung eine geringe Menge wenigstens eines der Halogene Chlor, Brom oder Jod. Diese Halogene bewirken einen Wolframtransportzyklus, durch welchen das auf dem Lampenkolben abgeschiedene Wolfram wieder zu den Elektroden zurücktransportiert wird.

[0011] Zweckmäßigerweise wird bei der Hochdruckentladungslampe nach der Erfindung als Halogen Brom verwendet, das in Form von CH₂Br₂ mit einem Fülldruck von etwa 0,1 mbar in die Lampe eingebracht wird. Diese Verbindung zersetzt sich, sobald die Lampe gezündet wird.

[0012] Die erfindungsgemäßen Quecksilberdampfentladungslampen enthalten kein Metallhalogenid, da für eine nennenswerte Erhöhung des Kontinuumsanteils der Strahlung eine so hohe Metallhalogenidkonzentration erforderlich wäre, daß infolge der hohen Wolframtransportraten eine sehr schnelle Korrosion der Elektroden auftreten würde. Hochbelastete Metallhalogenidlampen, wie sie z.B. in der GB-PS 11 09 135 beschrieben sind, erreichen daher typischerweise nur Lebensdauern von einigen hundert Stunden, während bei den Lampen nach der Erfindung Lebensdauern von mehr als 5000 Stunden bei fast konstanter Lichtausbeute (Δη <2 %) und fast völlig gleichbleibenden Farbkoordinaten (Δx, Δy < 0,005 während 5000 Stunden) erreicht werden konnten.

[0013] Die Lampen nach der Erfindung haben eine Farbtemperatur von mehr als 8000 K. Die Farbtemperatur und die Farb­wiedergabe können bei einer Entladungslampe nach der Erfindung dadurch weiter verbessert werden, daß die Lampe von einem Filter für den blauen Strahlungsanteil umgeben ist.

[0014] In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es aus der GB-PS 15 39 429 bekannt ist, bei Hochdruck-Queck­silberdampfentladungslampen mit Halogenidzusatz durch Verwendung eines Filters den Blauanteil der Strahlung zu reduzieren und somit eine Farbverbesserung der ausge­sandten Strahlung zu erreichen. Bei Quecksilberdampf­entladungslampen mit einem Quecksilberdampfdruck bis etwa 150 bar wäre ein derartiges Filter praktisch wirkungslos, da das emittierte Licht fast keinen Rotanteil besitzt. Das Spektrum der erfindungsgemäßen Lampe hat jedoch einen so hohen Anteil an kontinuierlicher roter Strahlung, daß mit Hilfe eines Filters für den blauen Strahlungsanteil bei einem Lichtverlust von nur 15 % die Emission von weißem Licht mit einer Farbtemperatur von etwa 5500 K und einem Farbwiedergabeindex von etwa 70 erreicht werden kann.

[0015] Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe mit einem ellipsoidförmigen Lampenkolben,

Fig. 2 eine Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe mit einem zylindrischen Lampenkolben, der von einem mit einem Filter beschichteten Außenkolben umgeben ist,

Fig. 3 das ausgestrahlte Lichtspektrum einer Hochdruck-­Quecksilberdampfentladungslampe mit einem Quecksilber­dampfdruck größer als 200 bar und

Fig. 4 das Transmissionsspektrum eines bei der Lampe nach Fig. 2 verwendeten Filters.

[0016] Die Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe 1 nach Fig. 1 besitzt einen ellipsoidförmigen Lampenkolben 2 aus Quarzglas. An die Kolbenenden schließen sich zylindrische Quarzteile 3 und 4 an, in welche Molybdänfolien 5 und 6 vakuumdicht eingeschmolzen sind. Die inneren Enden der Molybdänfolien 5 und 6 sind mit Elektrodenstiften 7 und 8 aus Wolfram verbunden, welche Umwicklungen 9 und 10 aus Wolfram tragen. An die äußeren Enden der Molybdänfolien 5 und 6 schließen sich nach außen führende Stromzuführungs­drähte 11 und 12 aus Molybdän an.

[0017] Die Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe 13 nach Fig. 2 ist ähnlich aufgebaut wie die Lampe nach Fig. 1. Der Lampenkolben 14 ist lediglich zylindrisch ausge­bildet. Die Lampe 13 ist von einem Außenkolben 15 aus Quarzglas umgeben, der auf der Innenseite mit einem Interferenzfilter 16 beschichtet ist. Dieses Filter 16 dient zur Verminderung der von der Lampe 13 ausgesandten blauen Strahlung.

[0018] Es folgen die Daten einiger praktischer Ausführungs­beispiele:

Lampe 1

[0019] Ellipsoidförmiger Lampenkolben nach Fig. 1 mit 1,8 mm Wandstärke. Die Innenabmessungen und Betriebsdaten betragen:

Länge	7 mm
Durchmesser	2,5 mm
Kolbenvolumen	23 mm³
Elektrodenabstand	1,2 mm

Füllung
Quecksilber	6 mg Hg (0,261 mg/mm³)
Halogen	5 x 10⁻⁶ µmol CH₂Br₂ (10⁻⁵ µmol Br/mm³)
Betriebsdruck	ca. 200 bar
Leistung	50 W
Brennspannung	76 V
Lichtausbeute	58 lm/W
Wandbelastung	1,30 W/mm²

Lampe 2

[0020] Ellipsoidförmiger Lampenkolben nach Fig. 1 mit 1,7 mm Wandstärke. Die Innenabmessungen und Betriebsdaten betragen:

Länge	5 mm
Durchmesser	2,5 mm
Kolbenvolumen	16,5 mm³
Elektrodenabstand	1,0 mm

Füllung
Quecksilber	4 mg Hg (0,243 mg/mm³)
Halogen	5 x 10⁻⁶ µmol/mm³ CH₂Br₂
Betriebsdruck	ca. 220 bar
Leistung	40 W
Brennspannung	80 V
Lichtausbeute	56 lm/W
Wandbelastung	1,30 W/mm²

Lampe 3

[0021] Zylindrischer Lampenkolben nach Fig. 2 mit 1,3 mm Wand­stärke ohne Außenkolben. Die Innenabmessungen und Betriebsdaten betragen:

Länge	4 mm
Durchmesser	1,5 mm
Kolbenvolumen	7 mm³
Elektrodenabstand	1,0 mm

Füllung
Quecksilber	2,5 mg Hg (0,357 mg/mm³)
Halogen	5 x 10⁻⁶ µmol/mm³ CH₂Br₂
Betriebsdruck	300 bar
Leistung	30 W
Brennspannung	92 V
Lichtausbeute	60 lm/W
Wandbelastung	1,36 W/mm²

[0022] Die beschriebenen Lampen besitzen eine Farbtemperatur von mehr als 8000 K, die Farbwiedergabe ist jedoch gegenüber Lampen mit niedrigem Betriebsdruck wesentlich verbessert. So beträgt der Farbwiedergabeindex R_a für die drei soeben beschriebenen Lampen 51,5 , 55,2 und 61,6 , während mit ähnlichen Lampen mit einem Betriebsdruck von 150 bar nur ein Farbwiedergabeindex von wenig mehr als 45 erreicht wurde.

[0023] In Fig. 3 ist das von einer Lampe nach Beispiel 2 ausge­strahlte Lichtspektrum als Intensität I über der Wellen­länge λ dargestellt. Hieraus geht hervor, daß der Kontinuumsanteil der sichtbaren Strahlung bei etwa 50 % liegt.

[0024] Bei der Lampe nach Fig. 2 besteht das Interferenzfilter 16 z.B. aus einer alternierenden Schichtenfolge von mit ZrO₂ modifierziertem Titandioxid und amorphen Siliziumdioxid. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hatte das verwendete Filter einen Transmissionsgrad Tr, wie er in Fig. 4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt ist. Dabei ergaben sich folgende lichttechnische Daten:

ohne Filter:	Farbtemperatur:	8580 K
	Farbwiedergabeindex:	55,2
	Lichtausbeute:	56 lm/W
mit Filter:	Farbtemperatur:	5500 K
	Farbwiedergabeindex:	69,7
	Lichtausbeute:	48 lm/W

[0025] Hieraus geht hervor, daß durch das Interferenzfilter nicht nur die Farbtemperatur stark herabgesetzt wird, sondern sich gleichzeitig der Farbwiedergabeindex erheblich verbessert.

[0026] Gegenüber vergleichbaren hochbelasteten Metallhalogenid­lampen haben die erfindungsgemäßen Lampen zwar eine etwas geringere Lichtausbeute und beim Betrieb ohne Filter auch schlechtere Farbwiedergabeeigenschaften, zeichnen sich jedoch durch eine extrem gute Konstanz der licht­technischen Daten, eine während der Brenndauer fast unveränderbare Lichtausbeute und eine sehr hohe Lebens­dauer aus. Während mit hochbelasteten Metallhalogenid­lampen einige hundert Stunden Lebensdauer erreicht werden, zeigen die erfindungsgemäßen Lampen selbst nach einer Brenndauer von mehr als 5000 Stunden noch keine nennens­werten Veränderungen.

Ansprüche

1. Hochdruck-Quecksilberdampfentladungslampe mit einem Kolben aus hochtemperaturfestem Material, der Elektroden aus Wolfram und eine Füllung enthält, die im wesentlichen aus Quecksilber, Edelgas und im Betriebszustand freiem Halogen besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Quecksilbermenge größer als 0,2 mg/mm³, der Quecksilberdampfdruck größer als 200 bar und die Wandbelastung größer als 1 W/mm² ist und daß wenigstens eines der Halogene Cl, Br oder I in einer Menge zwischen 10⁻⁶ und 10⁻⁴ µmol/mm³ vorhanden ist.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Quecksilbermenge zwischen 0,2 und 0,35 mg/mm³ und der Quecksilberdampfdruck im Betrieb zwischen 200 und 350 bar liegt.

3. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden An­sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe vom einem Filter für den blauen Strahlungsanteil umgeben ist.

Zeichnung