DE60019698T2

DE60019698T2 - Metallhalogenidlampe

Info

Publication number: DE60019698T2
Application number: DE60019698T
Authority: DE
Inventors: C. Josephus HENDRICX; Herman Muller; A. Petrus WEERDESTEIJN; J. Arnoldus WALRAVENS
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: ES2241605T3; CN1302448A; KR20010071669A; JP4693995B2; EP1092231A1; US6404129B1; CN1171279C; DE60019698D1; WO2000067294A1; KR100762531B1; ATE294451T1; JP2002543576A; EP1092231B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halogenmetalldampflampe, versehen mit einem Entladungsgefäß, das eine Keramikwandung aufweist, welches einen Entladungsraum umschließt, in welchem Entladungsraum, der Xe und eine ionisierbare Füllung mit NaI und CeI₃ enthält, zwei Elektroden angeordnet sind, deren Spitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, wobei das Entladungsgefäß zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di hat.
Eine Lampe der eingangs erwähnten Art ist aus WO 98/25294-A (PHN16.105) bekannt. Die bekannte Lampe hat eine hohe Lichtausbeute und gute Farbeigenschaften (unter anderem einen allgemeinen Farbwiedergabeindex R_a zwischen 40 und 65 und eine Farbtemperatur T_c zwischen 2600 und 4000 K) und ist sehr geeignet als Lichtquelle für öffentliche Beleuchtung. Die Erkenntnis, dass eine akzeptable Farbwiedergabe möglich ist, wenn als Füllungsbestandteil einer Lampe Na-Halogenid verwendet wird und eine starke Aufweitung und Umkehrung der Na-Emission in diesen Na-D-Linien erfolgt, wird in dieser Lampe genutzt. Dieser Effekt erfordert eine hohe Temperatur der kältesten Stelle T_kp im Entladungsgefäß von beispielsweise 1170 K (900 °C). Inversion und Aufweitung der Na-D-Linien bewirken, dass diese Linien die Form einer Emissionsbande im Spektrum mit zwei Maxima in einem gegenseitigen Abstand von Δλ annehmen.
Die Forderung, dass T_kp einen hohen Wert haben sollte, schließt die Verwendung von Quarz oder Quarzglas für die Wandung des Entladungsgefäßes aus und erfordert die Verwendung eines Keramikmaterials für die Wandung des Entladungsgefäßes.
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen soll unter einer Keramikwandung sowohl eine Wandung verstanden werden, die aus Metalloxid hergestellt ist, wie z.B. aus Saphir, dicht gesintertem polykristallinem Al₂O₃ oder YAG, als auch eine Wandung aus Metallnitrid, beispielsweise AlN.
Die bekannte Lampe weist nicht nur eine akzeptable Farbwiedergabe auf, sondern auch eine sehr hohe Lichtausbeute. Zu diesem Zweck umfasst die Füllung des Ent ladungsgefäßes zusätzlich zu Na-Halogenid Ce-Iodid. Das Entladungsgefäß enthält weiterhin Xe.
Ein Nachteil der bekannten Lampe ist, dass sie einen verhältnismäßig großen Elektrodenabstand aufweist und daher eine sehr längliche Form, was die Lampe für optische Anwendungen, bei denen eine genaue Fokussierung des erzeugten Lichtes gefordert wird, weniger geeignet macht.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme zu schaffen, mit der der oben genannte Nachteil beseitigt wird.
Gemäß der Erfindung ist eine Lampe der eingangs erwähnten Art zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass Di ≤ 2 mm und die Beziehung EA/Di < 5 erfüllt ist.
Die erfindungsgemäße Lampe hat den Vorteil, dass das Entladungsgefäß sehr kompakte Abmessungen hat, wodurch die Lampe zur Verwendung in einem Scheinwerfer für ein Kraftfahrzeug sehr geeignet wird. Infolge des kleinen Innerdurchmessers im Vergleich zum Elektrodenabstand und damit zur Entladungsbogenlänge wird der Entladungsbogen durch die Wandung des Entladungsgefäßes eingeengt, sodass der Entladungsbogen eine genügend geradlinige Form aufweist, um als Lichtquelle für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer geeignet zu sein. Ein Innendurchmesser Di ≤ 2 erweist sich als äußerst wichtig, um eine zur Verwendung in Kraftfahrzeugen notwendige scharfe Bündelbegrenzung in Kombination mit einem kleinen Fleck von hoher Helligkeit in unmittelbarer Nähe dieser Begrenzung zu erhalten. Vorzugsweise ist Di ≤ 1,4 mm. Solch ein sehr kleiner Innendurchmesser macht die Lampe besonders zur Verwendung als Lichtquelle in einem Komplexform-Scheinwerfer geeignet. Ein Vorteil eines solchen Scheinwerfers ist, dass bei der Bildung des zu erzeugenden Lichtbündels keine gesonderte Abblendkappe erforderlich ist, um eine genügend scharfe Bündelbegrenzung zu realisieren. Der Di wird jedoch so groß gewählt, dass eine minimale Schaltlebensdauer von 2000 Stunden realisiert werden kann. Vorzugsweise ist auch die Beziehung EA/Di > 2,75 erfüllt. Auf diese Weise wird erreicht, dass unter Beibehaltung genügend kleiner Abmessungen für die optisch aktive Quelle noch ein genügend großer Wert für EA realisiert wird. Die Lampe ist besonders zur Verwendung in einem Scheinwerfer mit europäischem Abblendlicht geeignet, wenn der Innendurchmesser so gewählt wird, dass die Beziehung 1,4 < Di ≤ 2 erfüllt ist. Hier wird im Allgemeinen eine Abblendkappe verwendet werden, die einen Teil des zwischen den Elektrodenspitzen ausgesendeten Lichtes abfängt, sodass das durch die Leuchte gebildete Bündel ein Blenden des entgegenkommenden Verkehrs verhindert.
Die optischen Abmessungen der Lichtquelle werden darüber hinaus durch eine geeignete Wahl der Wanddicke günstig beeinflusst. Diese wird vorzugsweise so gewählt, dass die Wandung des Keramik-Entladungsgefäßes zumindest über den Abstand EA eine Dicke von höchstens 0,4 mm hat. Wenn die Lampe als Komplexform-Leuchte dient, wird die Wanddicke des Entladungsgefäßes vorzugsweise höchstens 0,3 mm betragen. Obwohl das Material der Keramikwandung an sich genügend starke Lichtstreueigenschaften aufweist, wird hier vorteilhafterweise eine Lichtquelle realisiert, die optische Abmessungen hat, die mit den üblichen Abmessungen bestehender Scheinwerfer, die mit Glühwendeln ausgerüstet sind, vergleichbar sind.
Es ist notwendig, dass in der Entladung genügend hohe Konzentrationen von Na und Ce vorhanden sind, um eine hohe Lichtausbeute und gute Farbeigenschaften zu erhalten, die sich im Wert von Δλ offenbaren. Der Wert von Δλ hängt unter anderem von dem Molverhältnis NaI:CeI₃ und dem Niveau von T_kP ab. Es zeigte sich bei der erfindungsgemäßen Lampe, dass ein Wert für Δλ von zumindest 3 nm erforderlich ist. Vorzugsweise beträgt der Wert von Δλ ≤ 6 nm.
Weitere Experimente haben gezeigt, dass es wünschenswert ist, dass das Entladungsgefäß der Lampe eine Wandbelastung von ≤ 120 W/cm² aufweist. Die Wandbelastung wird hier als Quotient der Lampenleistung und der Außenfläche des zwischen den Elektrodenspitzen liegenden Abschnitts der Wandung des Entladungsgefäßes definiert. Dadurch wird erreicht, dass ein geforderter hoher Wert von Δλ realisiert werden kann, während gleichzeitig die maximale Wandtemperatur des Entladungsgefäßes während des Lampenbetriebs begrenzt bleibt. Die in dem Entladungsgefäß bei Werten für die Wandbelastung oberhalb von 120 W/cm² herrschenden Temperaturen und Drücke nehmen solche Werte an, dass chemische Prozesse, die die Wandung des Entladungsgefäßes angreifen, zu einer unakzeptablen Verkürzung der Lampenlebensdauer führen. Zusätzlich stellen thermische Spannungen, die insbesondere aus Temperaturgradienten beim Aufheizen nach der Zündung und beim Abkühlen nach dem Löschen der Lampe resultieren, eine Quelle für eine unakzeptable Verkürzung der Lampenlebensdauer dar.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist das Entladungsgefäß an einem Ende durch einen hervorstehenden Keramikstopfen verschlossen und sind ein Abschnitt des hervorstehenden Keramikstopfens und ein angrenzen der Abschnitt des Keramik-Entladungsgefäßes mit einer äußeren Beschichtung versehen. Dies ergibt einerseits eine bessere Temperaturregelung und somit eine höhere Temperatur von Iodidsalzen in der Füllung und andererseits ein Ausblenden von Licht, das hinter der Elektrodenspitze austritt, was sehr günstig ist, um eine scharfe Bündelbegrenzung zu erreichen. Pt hat sich als sehr geeignet als Material für die Beschichtung erwiesen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Schwärzung der Wandung hinter der Elektrode den Lichtstrom der Lampe nicht beeinflusst. Eine für eine Komplexform-Leuchte geeignete Lampe ist vorzugsweise mit einer äußeren Beschichtung an beiden Enden versehen. Obwohl eine Beschichtung an demjenigen Ende des Entladungsgefäßes, das sich an der Lampensockelseite befindet, ausreichen könnte, bewirkt das Vorsehen der Beschichtung an beiden Enden eine symmetrische Konstruktion des Lampengefäßes. Dies ist ein großer Vorteil sowohl bei der Herstellung des Entladungsgefäßes als auch dem anschließenden Montieren der Lampe. Die Beschichtung erstreckt sich vorzugsweise über das Keramik-Entladungsgefäß bis zu zumindest 0,5 mm von der Elektrodenspitze. Andererseits erstreckt sich die Beschichtung vorzugsweise nicht über die Elektrodenspitze hinaus; da dies den Lichtstrom der Lampe nachteilig beeinflussen würde.
Erfindungsgemäß liegt das Molverhältnis NaI:CeI₃ zwischen 2 und 25. Bei einem Verhältnisses unterhalb von 2 hat sich gezeigt, dass einerseits die Lichtausbeute unakzeptabel niedrig wird und andererseits dass das von der Lampe ausgestrahlte Licht eine überschüssige Menge an Grün enthält. Eine Korrektur der Lichtfarbe, beispielsweise durch Zugabe von Salzen zu der ionisierbaren Füllung des Entladungsgefäßes, ist in diesem Fall nur möglich auf Kosten der Lichtausbeute. Wenn das Verhältnis oberhalb von 25 liegt, ist der Einfluss des Ce auf die Farbeigenschaften der Lampe so gering, dass diese stark denen der bekannten Hochdrucknatriumlampen ähneln. Es erwies sich als wünschenswert, dass die Lampe Licht mit einer Farbtemperatur T_c von zumindest 3000 K ausstrahlt und vorzugsweise zwischen 3500 K und 4500 K, falls sie für einen Kraftfahrzeugscheinwerfer verwendet werden soll. Um die mit NaI-CeI₃ erreichbare Farbtemperatur zu erhöhen, ist es beispielsweise möglich, zu der ionisierbaren Füllung CaI₂ und DyI₃ hinzuzugeben, beispielsweise in Molanteilen von 47 Na, 7,7 Ce, 39,2 Ca und 6,1 Dy.
Xe wird zu der ionisierbaren Füllung des Entladungsgefäßes mit einem hohen Fülldruck hinzugegeben. Das Xe gewährleistet hier eine schnelle Lichtabgabe unmittelbar nach Zündung der Lampe. Die Wahl des Fülldrucks des Edelgases beeinflusst zusätzlich das Wärmegleichgewicht des Entladungsgefäßes und damit die Nutzlebensdauer der Lampe. Es zeigte sich, dass ein Druck von zumindest 5 bar erforderlich ist, um eine Lampenlebensdauer von 10.000 Schaltoperationen zu realisieren. Vorzugsweise liegt der Fülldruck in einem Bereich zwischen 7 bar und 20 bar, insbesondere zwischen 10 bar und 20 bar. Dies bietet die Möglichkeit, Schaltlebensdauern von 20.000 Schaltoperationen und mehr zu realisieren.
Diese und andere Aspekte der erfindungsgemäßen Lampe sollen jetzt anhand der Zeichnung (nicht maßstabsgetreu) näher erläutert werden. Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Lampe und
2 das Entladungsgefäß der Lampe von 1 im Einzelnen.
1 zeigt eine Halogenmetalldampflampe, die mit einem Entladungsgefäß 3 versehen ist. Das Entladungsgefäß 3 wird in 2 mehr im Einzelnen gezeigt, mit einer Keramikwandung 31, die einen Entladungsraum 11 umschließt, der Xe und eine ionisierbare Füllung mit NaI und CeI₃ enthält. Zwei Elektroden mit Spitzen 4a, 5a, die einen Zwischenraum EA haben, sind in dem Entladungsgefäß angeordnet, das einen Innendurchmesser Di zumindest im Bereich des Zwischenraums EA aufweist. Das Entladungsgefäß ist an beiden Enden mit einem jeweiligen hervorstehenden Keramikstopfen 34, 35 verschlossen, der einen jeweiligen Stromdurchführleiter 40, 50 zur Elektrode 4, 5, der in dem Entladungsgefäß angeordnet ist und der mit dem jeweiligen Leiter mittels einer Schmelzkeramikverbindung 10 an einem dem Entladungsraum abgewandten Ende gasdicht verbunden ist, eng umschließt. Das Entladungsgefäß wird von einem Außenkolben 1 umgeben. Ein Teil des hervorstehenden Keramikstopfens 34, 35 und ein angrenzender Abschnitt des Keramikentladungsgefäßes 3 sind mit einer äußeren Beschichtung 41, 51 versehen. Die Lampe ist weiterhin mit einem Lampensockel 2 versehen. Zwischen den Elektroden 4 und 5 verläuft im Betriebszustand der Lampe 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 Stromleiter 9 und 19 mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden, der Teil des Lampensockels 2 ist. Der Stromleiter 19 wird von einem Keramikrohr 110 umgeben.
Bei einer praktischen Realisierung einer erfindungsgemäßen Lampe, wie in der Zeichnung dargestellt, wurden eine Anzahl Lampen mit einer Nennleistung von je 26 W hergestellt. Die Lampen sind zur Verwendung als Scheinwerferlampen in einem Kraft fahrzeug geeignet. Die ionisierbare Füllung des Entladungsgefäßes jeder einzelnen Lampe umfasst 0,35 mg Hg und 0,7 mg NaCe-Iodid in Molanteilen von 85,7 Na und 14,3 Ce (Molverhältnis 6:1). Die Umfüllung umfasst darüber hinaus Xe mit einem Fülldruck bei Raumtemperatur von 7 bar.
Der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen EA beträgt 5 mm, der Innendurchmesser Di ist 1,4 mm, sodass das Verhältnis EA/Di = 3,57 ist. Die Wanddicke des Entladungsgefäßes beträgt 0,3 mm. Die Lampe hat daher eine Wandbelastung von 83 W/cm². Ein Teil des hervorstehenden Keramikstopfens und ein angrenzender Abschnitt des Keramikentladungsgefäßes sind mit einer äußeren Beschichtung aus Pt versehen. Die äußere Beschichtung erstreckt sich bis zu 0,25 min von der betreffenden Elektrodenspitze. Der Außenkolben der Lampe ist aus Quarzglas hergestellt. Der Innendurchmesser des Außenkolbens beträgt 3 mm, seine Wanddicke ist 2 mm. Der Außenkolben ist mit N₂ mit einem Fülldruck von 1,5 bar gefüllt.
Die Lampe hat im Betriebszustand eine Lichtausbeute von 82 lm/W. Das von der Lampe ausgestrahlte Licht hat Werte für R_a und T_c von 65 bzw. 3500 K, bei einer Lampenlebensdauer von 250 Stunden. Der Wert von Δλ beträgt hier 6,2 nm. Die Werte der oben genannten Größen sind nach 2000 Betriebsstunden 74 lm/W, 69, 3650 K und 6,6 nm geworden.
Eine weitere Reihe von vergleichbaren Lampen wurde einem Schaltlebensdauertest unterzogen. In diesem Fall erstreckte sich die äußere Beschichtung bis auf 0,5 mm von der betreffenden Elektrodenspitze. Nach 500 Schaltoperationen betrugen die Werte der Lichtausbeute, R_a, T_c und Δλ 77 lm/W, 65, 3300 K bzw. 6 nm. Nach 41.000 Schaltoperationen waren die Werte 72 lm/W, 73, 3590 K und 6,5 nm.
Zum Vergleich sei bemerkt, dass eine in einer Kraftfahrzeugleuchte als Entladungslampe verwendete Hochdruckquecksilberlampe, die mit einem Quarzglasentladungsgefäß (Hersteller Philips, Typ D2R) versehen war, eine Nennleistung von 35 W und eine Lichtausbeute von 80 lm/W hat. Das von dieser Lampe ausgestrahlte Licht hat die folgenden Eigenschaften: T_c = 4000 K und R_a = 69. Die bekannte Lampe ist nicht zur Verwendung in einer Komplexform-Leuchte entworfen worden.
In einem abgewandelten Entwurf sind erfindungsgemäße Lampen zur Verwendung in einer Scheinwerferlampe mit europäischem Abblendlicht geeignet. Die Lampen sind für eine Nennleistung von 35 W entworfen worden. Die Lampe hat einen Außenkolben aus Quarzglas, der mit einer bandförmigen Beschichtung versehen ist, um das ge forderte Abblendlicht zu realisieren, beispielsweise um eine ausreichende Bündelbegrenzung zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Beschichtung elektrisch leitend, wodurch eine Verringerung der Zündspannung realisiert wird. Eine weitere Verringerung der Zündspannung ist vorteilhaft erreichbar, indem das Ladungsgefäß an seiner Außenfläche mit einer Metallbahn versehen wird, beispielsweise aus W.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist der Außenkolben am Ort des hervorstehenden Keramikstopfens mit einer wärmereflektierenden Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann in Kombination mit einer Beschichtung auf dem Entladungsgefäß sowie auch anstelle einer äußeren Beschichtung auf dem Entladungsgefäß verwendet werden. Vorzugsweise ist die reflektierende Beschichtung auf der Innenfläche der Wandung des Außenkolbens vorgesehen, da dieses Verfahren zu einem geringeren Verlust an Lichtstrom in dem Bündel führt als im Fall einer außen angebrachten Beschichtung.
Der Anwendungsbereich der Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Die Erfindung wird durch jedes neue kennzeichnende Merkmal und jede Kombination von kennzeichnenden Merkmalen verkörpert. Ein eventuelles Bezugszeichen begrenzt den Rahmen der Ansprüche nicht. Das Wort „mit" schließt das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte, als in dem Anspruch aufgelistet, nicht aus. Die Verwendung des Wortes „ein" oder „eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein einer Vielzahl solcher Elemente nicht aus.

Claims

Halogenmetalldampflampe, versehen mit einem Entladungsgefäß, das eine Keramikwandung aufweist, welches einen Entladungsraum umschließt, in welchem Entladungsraum, der Xe und eine ionisierbare Füllung mit NaI und CeI₃ enthält, zwei Elektroden angeordnet sind, deren Spitzen einen gegenseitigen Abstand EA haben, wobei das Entladungsgefäß zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di hat, dadurch gekennzeichnet, dass Di ≤ 2 mm und die Beziehung EA/Di < 5 erfüllt ist.
Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Di ≤ 1.4 mm, und dass auch die Beziehung EA/Di > 2,75 erfüllt ist.
Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß der Lampe eine Wandbelastung mit einem Wert 5 120 W/cm² hat.
Lampe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung 1,4 < Di ≤ 2 erfüllt ist.
Lampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Keramik-Entladungsgefäßes zumindest über den Abstand EA eine Dicke von höchstens 0,4 mm hat.
Lampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß an einem Ende durch einen hervorstehenden Keramikstopfen verschlossen ist und ein Abschnitt des hervorstehenden Keramikstopfens und ein angrenzender Abschnitt des Keramik-Entladungsgefäßes mit einer äußeren Beschichtung versehen sind.
Lampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Xe einen Fülldruck von zumindest 5 bar hat.
Lampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Xe einen Fülldruck hat, der in einem Bereich von 7 bar bis 20 bar liegt.
Lampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das NaI und das CeI₃ in einem Molverhältnis vorliegen, das in einem Bereich von 3 bis 25 liegt.