DE10114680A1

DE10114680A1 - Hochdruck-Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE10114680A1
Application number: DE10114680A
Authority: DE
Inventors: Matthias Born; Ruediger Jost
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2002-09-26
Also published as: WO2002078051A1; HUP0302149A2; KR100876687B1; EP1374280B1; US20030178942A1; HUP0302149A3; CN1460281A; CN100365758C; JP4508530B2; KR20030011854A; EP1374280A1; US6861807B2; JP2004528686A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck-Gasentladungslampe, insbesondere Kraftfahrzeuglampe, mit einem Kolben, umfassend wenigstens zwei Halsbereiche und ein vakuumdichtes Entladungsgefäß aus Quarzglas, wenigstens zwei in das Entladungsgefäß hineinragende Elektroden und einer Füllung im Entladungsgefäß, die im Betriebszustand in einem Entladungszustand ist. Solche Lampen werden insbesondere in Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Damit der Lichtbogen der Hochdruck-Gasentladungslampe eine höhere Lumineszenz auf einem kleinen Raum erzeugt und die Lampe als Lichtquelle in Kraftfahrzeugscheinwerfern verwendet werden kann, umschließt das Entladungsgefäß der erfindungsgemäßen Hochdruck-Gasentladungslampe einen Entladungsraum mit einer Breite B von weniger als 4 mm und einer Länge C von weniger als 8 mm und umfasst die Füllung NaJ, ScJ¶3¶, Xe, ZnJ¶2¶ und kein Hg. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass bei Verwendung von ZnJ¶2¶ in der Füllung der Lichtbogen im Bereich der Bogenachse eine höhere Lumineszenz pro Ausdehnung des Bogens erzeugt. Bei Kraftfahrzeugscheinwerfern ist es zur Formung des gewünschten Lichtbündels auf der Straße erforderlich, dass die Lichtquelle möglichst punktförmig ausgebildet ist, d. h., dass eine möglichst hohe Lumineszenz auf einem kleinen Raum erzeugt wird. Dadurch kann der Reflektor besser ausgestaltet und der Lichtbogen genauer auf die Straße abgebildet werden. Das gilt entsprechend auch für Scheinwerfer, die statt eines ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruck-Gasentladungslampe, insbesondere Kraftfahrzeuglampe, mit einem Kolben umfassend wenigstens zwei Halsbereiche und ein vakuumdichtes Entladungsgefäß aus Quarzglas, wenigstens zwei in das Entladungsgefäß hineinragende Elektroden und einer Füllung im Entladungsgefäß, die im Betriebszustand in einem Entladungszustand ist. Solche Lampen werden insbesondere in Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Eine gattungsgemäße Hochdruckentladungslampe ist beispielsweise aus der Offenlegungs schrift DE 33 41 846 bekannt. Die dort beschriebene Gasentladungslampe hat auch in einer waagerechten Brennlage einen wenigstens annähernd gerade verlaufenden Bogen und eine hohe Ausbeute, so dass sich die Lampe zum Einsatz in Fahrzeugscheinwerfern eignet. Die Lampe hat einen rohrförmigen Quarzkolben, in dem nahe seiner Enden jeweils eine Elektrode angeordnet ist. Die Elektroden können ein thorierter Wolframdraht oder ein auf einem Draht schraubenlinienförmig gewickelter Wolframdraht sein. Zwei Stromzu führungsleiter verlaufen von den Elektroden durch einen vakuumdichten Abschluss des Kolbens nach außen. Die Stromzuführungsleiter bestehen beispielsweise jeweils aus einer Metallfolie aus Wolfram oder Molybdän und aus einem Draht, vorzugsweise aus Molybdän. Der vakuumdichte Abschluss wird zum Beispiel durch eine Quetschung gebil det. Der Kolben hat einen Innendurchmesser D in der Mitte zwischen den Elektroden von 1-3 mm. Der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen beträgt 3,5-6 mm und die Länge L, über welche die Elektroden in den Lampenkolben hineinragen, 0,5-1,5 mm. Die Lampe enthält eine ionisierende Füllung aus Edelgas, Quecksilber und Metalljodid, wobei die Quecksilbermenge vom Durchmesser D des Kolbens der Lampe, vom Abstand d zwischen den Spitzen der Elektroden und von der Länge L abhängig ist. Die Lampe kann einen Sockel aufweisen, so dass sie als austauschbare Lampe in einem Scheinwerfer mit einem Reflektor und einer Frontscheibe angeordnet werden kann. Die Lampe kann sowohl mit als auch ohne einen Außenkolben ausgeführt sein.

Eine Hochdruckentladungslampe für Kraftfahrzeuge ist auch aus der europäischen Patent schrift EP 0 562 872 bekannt. Darin ist eine Entladungs-Lichtquelle offenbart, die eine hohe Helligkeit mit ausreichender Konvektionsstabilität des Bogens der Gasentladung verbindet. Die Bogenentladungs-Lichtquelle besitzt ein Entladungsrohr mit einer darin ausgebildeten Bogenkammer, die eine Gasfüllung enthält, die durch Energiezufuhr in einen Entladungszustand gebracht werden kann. Mindestens zwei Elektroden ragen in die Bogenkammer hinein und haben einen Bogenabstand von 2 bis 3,5 mm. Die in der Bogenkammer enthaltene Quecksilbermenge und verschiedene Abmessungen des Entla dungsrohres werden so gewählt, dass ein Kompromiss zwischen den drei Abhängigkeiten Betriebsspannung, welche die Lampeneffizienz bestimmt, Konvektionsstabilität und strukturelle Integrität der Entladungslampe entsteht.

Die Position des Entladungsbogens im Entladungsgefäß und die Ausdehnung des Bogens sind kritisch bei Anwendungen als Kraftfahrzeuglampe, weil der Bogen die mittels eines Reflektors abzubildende Lichtquelle bildet. Zur Formung des gewünschten Lichtbündels auf der Strasse ist es erforderlich, dass die Lichtquelle möglichst punktförmig ausgebildet ist, d. h., dass eine möglichst hohe Lumineszenz auf einem kleinen Raum erzeugt wird. Dadurch kann der Reflektor besser ausgestaltet und der Lichtbogen genauer auf die Strasse abgebildet werden. Das gilt entsprechend auch für Scheinwerfer, die statt eines Reflektor ein optisches Projektionssystem verwenden. Es ist ebenso erforderlich, dass der Entladungs bogen als punktförmige Lichtquelle seine Position möglichst genau behält. Diesen Anfor derungen liegen insbesondere gesetzliche Regeln zugrunde. Bekannte Hochdruck-Gasent ladungslampen für Kraftfahrzeuge haben weiterhin den Nachteil, dass für die Gasent ladung giftiges Quecksilber in der Füllung verwendet wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hochdruck-Gasentladungslampe derart zu schaffen, dass deren Lichtbogen eine höhere Lumineszenz auf einem kleinen Raum erzeugt und die als Lichtquelle in Kraftfahrzeugscheinwerfern verwendet werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Hochdruck-Gasentladungslampe, insbesondere Kraftfahr zeuglampe, gelöst, bei der das Entladungsgefäß einen Entladungsraum mit einer Breite B von weniger als 4 mm und eine Länge C von weniger als 8 mm umschließt, und die Füllung NaJ, ScJ₃, Xe, ZnJ₂, und kein Hg umfasst. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass bei Verwendung von ZnJ₂ in der Füllung der Lichtbogen im Bereich der Bogenachse eine höhere Lumineszenz pro Ausdehnung des Bogens erzeugt. Da sich die Füllung im Betriebszustand der Lampe im Entladungszustand befindet, ist im Entladungs gefäß mehr freies J vorhanden, welches zu einer Einschnürung des Lichtbogens und zu einer höheren Lumineszenz in Bereich der Bogenachse führt. Im Vergleich zu etwa 100 Mcd/m², die herkömmliche Kraftfahrzeuglampen erzeugen, wird mit einer erfin dungsgemäßen Lampe ein Maximum von etwa 150 Mcd/m² erreicht. Die in der Lampe gemäß der Erfindung verwendete Füllung benötigt kein Quecksilber (Hg) für die lichter zeugende Gasentladung. Eine solche Lampe besitzt daher auch unter umwelttechnischen Aspekten sehr große Vorteile, da das giftige und umweltschädliche Hg bei Herstellung und Entsorgung der Lampen besonders aufwendig behandelt werden muss. Der Kolben der Lampe hat vorzugsweise ein langgestreckte Form mit zwei zylindrischen Teilstücken als Halsbereiche und einem dazwischen angeordneten, meist weitgehend ellipsoidförmigen Entladungsgefäß mit einem weitgehend zylindrischen Abschnitt in der Mitte des Entla dungsgefäßes. Die Elektroden erstrecken sich in diesem Fall von beiden Seiten jeweils von außen durch die zylindrischen Teilstücke bis in das Entladungsgefäß, wo sie einen Elektro denabstand von etwa 4 mm haben. Das Entladungsgefäß kann aus herstellungstechnischen Gründen eine Ellipsoid- oder Kugelform haben, was jedoch für eine Lampe gemäß der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist. Zu beachten sind vielmehr die Anforderungen an die Geometrie, die einzuhalten sind, um die Lampe in Kraftfahrzeugen einsetzen zu können. Das sind gesetzlich geregelte oder von der Automobilindustrie gestellte Anfor derungen, so dass die erfindungsgemäße Lampe gegen derzeit verwendete Hochdruck- Gasentladungslampen in Kraftfahrzeugscheinwerfern ausgetauscht werden kann. Solche Anforderungen betreffen insbesondere die Abmessungen der Lampe und des Ortes der Lichterzeugung (d. h. des Lichtbogens), die elektrischen Daten (wie z. B. Leistung und Spannung) der Lampe, die von einem elektrischen Vorschaltgerät (EVG) geliefert werden müssen, sowie die Effizienz und den Farbwiedergabeindex R_a der Lampe.

Die Lichterzeugung wird durch die Gasentladung der Füllung aus ZnJ₂, Xe und der Mischung aus den Metallhalogeniden NaJ und ScJ₃ in der Entladungskammer realisiert.

Die Verwendung von ZnJ₂ ist zur Einstellung einer hinreichend hohen Brennspannung erforderlich. Zur Lichterzeugung trägt maßgeblich die Metallhalogenid-Mischung bei (NaJ und ScJ₃), während das Edelgas Xe das Zünden und Anlaufen der Entladung erleichtert. Die Metallhalogenid-Mischung erhöht auch die Lebensdauer der Lampe durch Bindung von verunreinigenden Gasanteilen (Schmutz-Getter). Weiterhin beeinflusst die Mischung der Halogenide NaJ und ScJ₃ den Farbpunkt des erzeugten Lichtes.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hochdruck-Gasentladungslampe sind in den weiteren Ansprüchen und im beschriebenen Ausführungsbeispiel angegeben.

Im folgenden soll die erfindungsgemäße Hochdruck-Gasentladungslampe anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Hochdruck-Gasentladungslampe zur Verwendung als Kraftfahrzeuglampe gemäß der Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine Hochdruck-Gasentladungslampe 1 dargestellt, die einen rohrför migen Kolben 2 aus Quarzglas und zwei gegenüberliegende Elektroden 3 und 4 besitzt. Der Kolben 2 hat eine Länge im Bereich von 50 bis 110 mm. Ungefähr in der Mitte des Kolbens 2 ist ein Entladungsgefäß 5 angeordnet. Das Entladungsgefäß 5 wird von zwei Quetschungen im Kolben 2 vakuumdicht abgeschlossen.

Die Elektrode 4 besteht aus einer Außenelektrode 41 zur äußeren Kontaktierung, einer Molybdänfolie 42 und einer Innenelektrode 43. Die zweite Elektrode 3 ist in entsprechen der Weise aufgebaut. Die Molybdänfolie 42 verbindet die Außenelektrode 41 mit der Innenelektrode 43 im Bereich einer Quetschung des Kolbens 2. Die Innenelektroden 43 erstreckt sich in das Entladungsgefäß 5 hinein und hat dort einen Elektrodenabstand E_a von etwa 4 mm von der anderen Innenelektrode. Solche Lampen werden als sogenannte D2-Lampen in Scheinwerfen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Das Entladungsgefäß 5 umschließt einen Entladungsraum 6, welcher im mittleren Bereich weitgehend zylindrisch ist und dort eine mit B bezeichnete Breite bzw. Durchmesser von 2,7 mm hat. Das Entladungsgefäß 5 hat eine mit A bezeichnete äußere Breite von etwa 6,2 mm und eine mit C bezeichnete Länge von 7,4 mm. Für den Entladungsraum 6 ergibt sich ein Volumen von etwa 0,027 cm³. Im Entladungsraum 6 befindet sich eine Füllung, die aus 100 µg ZnJ₂, Xe mit einem Kaltfülldruck von 6 bar (d. h. bei Raumtemperatur) sowie einer Metallhalogenid-Mischung aus NaJ und ScJ₃ besteht. Da das ZnJ₂ meist in gepresster Form zur Verfügung steht, unterliegt die eingefüllte Menge geringfügigen Schwankungen. Die Füllung enthält insgesamt etwa 300 µg der Halogenid-Mischung, die sich ungefähr im Verhältnis 70 : 30 aufteilen, so dass ungefähr 210 µg NaJ und 90 µg ScJ₃ enthalten sind. Dies entspricht bei dem Volumen des Entladungsraumes 6 ungefähr 50 µmol/cm³ NaJ und 8 µmol/cm³ ScJ₃ (entsprechend einem Molverhältnis von etwa 6 : 1) sowie etwa 11 µmol/cm³ ZnJ₂. Die angegebenen Mengen für NaJ und ScJ₃ können eben falls herstellungsbedingt schwanken, ohne die lichttechnischen Eigenschaften der erfin dungsgemäßen Lampe 1 nachhaltig zu beeinträchtigen. Die Metallhalogenid-Mischung in der Füllung begrenzt die mögliche mittlere Wandtemperatur des Entladungsgefäßes 5 auf ca. 1270 K, da bei höheren Temperaturen die Mischung mit dem Wandmaterial Quarz chemisch reagieren würde.

Eine Menge ZnJ₂ mit einem Gewicht von 100 µg entspricht einem Partialdruck von 2,4 bar im Entladungsgefäß. Der maximale ZnJ₂-Druck ist begrenzt durch die Bogenein schnürung, die aus der hohen Elektronenaffinität der Jod-Atome resultiert. Die Bogenein schnürung führt bei horizontalem Betrieb der Lampe, wie beispielsweise in einem Kraft fahrzeugscheinwerfer, aufgrund der Gravitation zu einer Bogendurchbiegung. Die Bogen durchbiegung führt dann zu einer schlechten Abbildung des Lichtbogens durch den Reflektor des Scheinwerfers, da dieser außerhalb der Achse des Reflektors liegt. Das gilt analog für Scheinwerfer mit Projektionssystemen. Die Bogendurchbiegung führt weiterhin zu einem großen Unterschied zwischen der heißesten und kältesten Temperatur im Ent ladungsgefäß 5, was die lichttechnischen Eigenschaften der Lampe 1 wie Effizienz und Farbtemperatur verschlechtert. Es hat sich gezeigt, dass diese Nachteile bis zu einem ZnJ₂ Partialdruck von 4 bar zu vernachlässigen sind. Die Lampe 1 enthält daher vorzugsweise eine Menge von 50-200 µg ZnJ₂, was beim Volumen des Entladungsraumes 6 etwa 5-20 µmol/cm³ oder einem Partialdruck von etwa 1,2-3,6 bar entspricht. Durch den geringeren Partialdruck des Puffergases ZnJ₂ im Vergleich zum Hg-Partialdruck von etwa 25 bar in bekannten Lampen wird die Lampe 1 gemäß der Erfindung mit einer Betriebs spannung von U_B = 39-45 V betrieben. Aufgrund der reduzierten Betriebsspannung muss der Lampenstrom auf etwa 0,8-1 A erhöht werden.

Im Ausführungsbeispiel wird die Lampe 1 mit einer Betriebsspannung von 42 V bei einer Leistung von 39 W versorgt, so dass ein Lampenstrom von ca. 0,9 A fließt. Der deutlich höhere Lampenstrom kann mit den beschriebenen Elektroden 3, 4 realisiert werden. Die Innenelektrode 43 besteht aus einen Wolframdraht. Der Wolframstift 43 hat im Entla dungsgefäß 5 einen Durchmesser von etwa 0,25 mm, der zur Verbesserung der Strom leitfähigkeit auf etwa 0,4 mm vergrößert werden kann. Die Verwendung einer Menge von 100 µg ZnJ₂ führt zu einer leichten Bogeneinschnürung mit einer Erhöhung der Lumi neszenz auf etwa 150 Mcd/m². Als lichttechnische Werte erzielt die Lampe 1 eine Effizienz von etwa 90 lm/W, ein Farbwiedergabeindex von R_a = 68, eine Farbtemperatur des erzeug ten Lichtes von ca. T_C = 4300 K und eine mittleren Wandtemperatur des Entladungsgefäßes 5 von etwa 1270 K. Daher erfüllt die Lampe 1 die Anforderungen zur Verwendung als Lichtquelle in Kraftfahrzeugscheinwerfern und kann bekannte D2-Lampen ersetzen.

Claims

1. Hochdruck-Gasentladungslampe (1), insbesondere Kraftfahrzeuglampe, mit

- einem Kolben (2) umfassend wenigstens zwei Halsbereiche und ein vakuumdichtes Entladungsgefäß (5) aus Quarzglas,
- wenigstens zwei in das Entladungsgefäß (5) hineinragende Elektroden (3, 4) und
- einer Füllung im Entladungsgefäß (5), die im Betriebszustand in einem Entladungszustand ist,
bei der das Entladungsgefäß (5) einen Entladungsraum (6) mit einer Breite B von weniger als 4 mm und eine Länge C von weniger als 8 mm umschließt, und die Füllung NaJ, ScJ₃, Xe, ZnJ₂, und kein Hg umfasst.

2. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 4) aus Wolframdraht bestehen.

3. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum (6) ein Volumen von 0,025-0,03 cm³ besitzt.

4. Lampe (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung folgende Anteile enthält: 200-220 µg NaJ, 80-100 µg ScJ₃, Xe mit einem Fülldruck von etwa 6 bar bei Raumtemperatur und 50 µg bis 200 µg ZnJ₂.

5. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung folgende Anteile enthält: 45-55 µmol/cm³ NaJ, 7-9 µmol/cm³ ScJ₃, Xe mit einem Fülldruck von etwa 6 bar bei Raumtemperatur und 5 bis 20 µmol/cm³ ZnJ₂.

6. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lampe (1) im Betriebszustand eine Betriebsspannung U_B von weniger als 60 V anliegt.

7. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lampe (1) im Betriebszustand eine Betriebsspannung U_B im Bereich von 39-45 V anliegt.

8. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) im Betriebszustand einen Betriebsstrom von 0,8 bis 1,0 A aufnimmt.

9. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) im Betriebszustand eine Leistung von 35-40 W aufnimmt.

10. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) eine Lichtausbeute von mindestens 85 lm/W und einen Farbwiedergabeindex R_a von 62-72 besitzt.

11. Lampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung 100 µg ZnJ₂, entsprechend einem Gasdruck von 2,4 bar, enthält.