DE19714008A1 - Gleichstrombogenlampe - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrombogenlampe. In jüngster Zeit besteht ein zunehmendes Interesse an der Verbesserung solcher Bogenlampen, insbesondere für Projektionsanwendungen. Bei Projekti­ onsanwendungen sind vor allem die örtlich möglichst konzentrierte Lichter­ zeugung einerseits und andererseits die Homogenität der Lichterzeugung in diesem örtlichen Bereich von Interesse. Dabei spielt der sogenannte Farb­ trennungseffekt eine wesentliche Rolle. Mit diesem Begriff wird eine örtliche Trennung des Schwerpunkts der Lichterzeugung für verschiedene Spektral­ bereiche bzw. Farben des erzeugten Lichts bezeichnet, was zu einer Ver­ schlechterung der Lichtqualität für Projektionsanwendungen führt, die sich in Farbsäumen an Grenz- oder Randbereichen projizierter Bilder äußert.

Ein wesentliches weiteres Qualitätskriterium - nicht nur im Bereich der Pro­ jektion - sind ausreichende Anteile der Grundfarben blau, grün und rot für eine gute Farbwiedergabe und die angestrebte Farbtemperatur.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Gleichstrombo­ genlampe mit verbesserten Betriebseigenschaften, insbesondere im Hinblick auf Projektionsanwendungen, und eine verbesserte Projektionsvorrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch eine Gleichstromkurz­ bogenlampe mit einem bezüglich Ebenen senkrecht zu einer Lampenlängs­ achse dergestalt asymmetrisch geformten Kolben, daß die Kolbeninnenwand um die Anode herum weiter ist als um die Kathode bzw. durch eine Projek­ tionsvorrichtung mit einer solchen Projektionslampe.

In vielen Anwendungsbereichen, insbesondere bei Projektionsvorrichtun­ gen, spielt eine möglichst gute Lokalisierung der Lichterzeugung eine wich­ tige Rolle, weswegen die Erfindung von Kurzbogenlampen ausgeht. Nur mit einer möglichst geringen Bogenlänge läßt sich eine punktförmige Lichtquelle hinreichend gut annähern und damit eine gute optische Qualität bei der Projektion oder anderen Anwendungen, bei denen das von der Lampe emit­ tierte Licht durch ein optisches System geschickt wird, erreichen.

Zusätzlich dazu hat es sich hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Lichterzeu­ gung in ihrer örtlichen Ausdehnung, und zwar auch bei guter Lokalisierung wie bei Kurzbogenlampen, erfindungsgemäß weiterhin als entscheidend herausgestellt, für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Lampe, insbesondere an der Kolbeninnenwand, zu sorgen. Dies betrifft vor allem Temperaturgradienten entlang der Strecke zwischen Kathode und An­ ode in der Lampe. Diese Temperaturgradienten können deutlich verringert werden, wenn die geometrische Form des die Füllung enthaltenden Lam­ penkolbens geeignet gewählt wird. Dazu ist sie erfindungsgemäß asymme­ trisch, um auf die Asymmetrie der Temperaturverteilung der Elektroden einer Gleichstrombogenlampe angepaßt zu sein.

Bei Gleichstrombogenlampen ist nämlich die Anode prinzipiell einer sehr viel stärkeren thermischen Belastung ausgesetzt als die Kathode und wird dementsprechend heißer. Damit sie dieser thermischen Belastung standhal­ ten kann, ist die Anode bei Gleichstrombogenlampen generell sehr viel massiver ausgeführt als die Kathode. Insbesondere hat sie im allgemeinen einen größeren Durchmesser.

Es hat sich als nachteilig erwiesen, daß die höhere Anodentemperatur einer­ seits und der größere Anodendurchmesser wegen der geringeren Entfer­ nung zur Kolbeninnenwand und der größeren wärmeleitenden und wärme­ abstrahlenden Oberfläche andererseits bei symmetrischer Ausführung des Lampenkolbens zu wesentlich höheren Temperaturen der Lampe an der Anodenseite, insbesondere auch an der Kolbeninnenwand führen. Daraus ergibt sich eine Beeinflussung der physikalischen Parameter der Entladung und Lichterzeugung. Ziel ist, eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen der heißesten und kältesten Stelle im Kolben zu erreichen. Bei gleichmäßiger Temperaturverteilung ist einerseits die Lichtemission homo­ gen, andererseits kann die Temperatur auf einen optimalen Wert eingestellt werden, der sowohl den Anforderungen an die Lichtausbeute als auch de­ nen an die Lebensdauer und Maintenance genügt.

Erfindungsgemäß wird die Temperaturhomogenität der Lampe dadurch verbessert, daß die Kolbeninnenwand um die Anode herum weiter ist als um die Kathode herum. Dies kann, je nach gewählter Form der Elektroden und abhängig von herstellungstechnischen Gesichtspunkten, mit verschie­ denen konkreten geometrischen Formen erreicht werden, wobei geometrisch einfache und damit leicht herstellbare Kolbenformen bevorzugt sind.

Vor allem im Hinblick auf die genannten Projektionsanwendungen sind, wie bereits erwähnt, möglichst kurze Bogenlängen anzustreben. Dabei steht die Bogenlänge einerseits im Zusammenhang mit der Lampenleistung. Erfin­ dungsgemäß besonders bevorzugt sind Kurzbogenlampen mit auf die Bo­ genlänge bezogenen spezifischen Leistungen von mehr als 80, 100, 120 oder am besten 150 W/mm. Eine Bezugnahme auf die Kolbengröße ist wenig sinnvoll, weil die Kolbengröße durch die thermische Belastbarkeit des Kol­ benmaterials bestimmt ist und folglich bei zukünftigen Materialverbesse­ rungen (Keramik anstatt Quarzglas) deutlich abnehmen kann.

Quantitativ bevorzugte Bereiche für die Asymmetrie der Kolbenformen las­ sen sich beschreiben durch das Verhältnis von anodenseitiger zur kathoden­ seitiger Längsschnitt-Halbfläche. Damit sind, wie im Ausführungsbeispiel veranschaulicht, Flächen gemeint, die im Längsschnitt beiderseits einer die Kolbeninnenlänge mittig teilenden und auf der Lampenlängsachse senkrech­ ten Ebene liegen, die Lampenlängsachse jeweils zu einer Hälfte der Kol­ beninnenlänge enthalten und im übrigen von der Kolbeninnenwand be­ grenzt sind. Dieses Verhältnis liegt bevorzugt über 1,1 und weiter bevorzugt unter 1,5.

Häufig werden Formen in Lampenkolbenformmaschinen der vereinfachten Formherstellung halber mit der Kolbenform entsprechenden Innenflächen versehen, die sich im Längsschnitt durch Krümmungsradien beschreiben lassen. Insbesondere lassen sich häufig das anodenseitige und das kathoden­ seitige Ende des Kolbens durch einen Längsschnitt-Krümmungsradius (wie im Ausführungsbeispiel in der Figur veranschaulicht) beschreiben, wobei erfindungsgemäß bevorzugt ist, daß der anodenseitige Längsschnitt- Krümmungsradius kleiner als der kathodenseitige ist, vorzugsweise 50% bis 80% des letzteren beträgt. Das heißt, daß sich der Kolben anodenseitig stär­ ker krümmt bzw. weniger flach verläuft. So wird anodenseitig eine weitere Kolbenform erreicht. Zu beachten ist, daß dabei die Längsschnitt- Krümmungszentren der Krümmung oberhalb und unterhalb der Lampen­ längsachse nicht zusammenfallen müssen und anoden- und kathodenseitig verschieden liegen können, weil sich sonst durch den kleineren Krüm­ mungsradius eine engere Kolbenform ergäbe.

Die erfindungsgemäß verfolgte Absicht, Temperaturgradienten in der Lam­ pe abzubauen, kann im Prinzip auch durch einen geeigneten reflektierenden und/oder absorbierenden Wärmestaubelag am kathodenseitigen Kolbenen­ de verfolgt werden. Diese Maßnahme kommt im Prinzip auch zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Kolbenasymmetrie in Frage. Bevorzugt ist es jedoch, auf einen solchen Wärmestaubelag ganz zu verzichten, weil damit die Her­ stellung der Lampe um mindestens einen Arbeitsschritt vereinfacht wird. Die Kolbenasymmetrie läßt sich nämlich durch geeignete Formgebung der entsprechenden Formwerkzeuge in einer Lampenkolbenformmaschine errei­ chen, ohne daß dadurch der konventionelle Funktionsablauf anderweitig verändert würde. Ein weiterer Vorteil ist, daß Abschattungen vermieden werden.

Bevorzugt verläuft die Lampenlängsachse im Betrieb horizontal, ist die Lampe also für Horizontalbetrieb ausgelegt.

Da die erfindungsgemäße Gleichstrombogenlampe vor allem Vorteile zeigt, die sich bei der Projektion von Bildern zeigen, ist eine erfindungsgemäße Projektionsvorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erfindungs­ gemäße Projektionslampe enthält. Die gesamte Projektionsvorrichtung zeigt wegen der verbesserten Lichtqualität damit eine bessere optische Qualität, und ferner hinsichtlich der erläuterten Aspekte Lichtstrom, Lebensdauer und Maintenance auch Vorteile im Hinblick auf Energieverbrauch und Lampenwechselhäufigkeit. Daher wird auch für die Projektionsvorrichtung allgemein Schutz beansprucht. Insbesondere ist eine Projektionsvorrichtung mit horizontal eingebauter Lampe bevorzugt.

Ferner hat es sich als kritisch herausgestellt, für einen ausreichenden Rotan­ teil im Licht zu sorgen, einerseits zugunsten einer guten roten Farbwieder­ gabe und ferner um eine gewünschte Farbtemperatur, etwa zwischen 5.000 und 8.000 Kelvin, vorzugsweise 6.000 und 7.000 Kelvin, einstellen zu kön­ nen.

Der Rotanteil im erzeugten Licht kann durch Lithium in der Füllung der er­ findungsgemäßen Gleichstrombogenlampe verstärkt werden. Man findet jedoch, daß Lithium vorwiegend eine sehr langwellige Emission zeigt, also zu einem sehr tiefroten Anteil führt. Bei allen Anwendungen, die zu einem irgendwie gearteten visuellen Effekt führen, etwa bei der Projektion oder der Beleuchtung, sind jedoch nicht nur die rein physikalischen spektralen Leistungsanteile zu berücksichtigen, sondern darüber hinaus die physiologi­ sche Empfindlichkeit des menschlichen Auges, die mit der sogenannten V(λ)- oder Hellempfindlichkeits-Kurve dargestellt wird. Die spektrale Emp­ findlichkeit des menschlichen Auges nimmt dabei am langwelligen Rand deutlich ab. Daher muß, soweit sich der Rotanteil auf die Lithiumemission stützt, eine entsprechend erhöhte spektrale Leistung erzeugt werden, um den erwünschten - und letztlich interessierenden - Lichtstrom zu erzeugen.

Ferner hat sich herausgestellt, daß die Zugabe von Lithium zu der Lampen­ füllung den oben erwähnten Farbtrennungseffekt verstärkt.

Da die Füllung einer Metallhalogenidgleichstrombogenlampe notwendiger­ weise neben einem Zündgas, z. B. Argon, und einem Halogen, z. B. Brom oder Jod, auch Quecksilber enthalten muß, um die notwendige Brennspan­ nung aufzubauen, ist der grüne Farbanteil des Quecksilbers zu berücksichti­ gen. Die durch den Quecksilberanteil vorgegebene Grünkomponente muß bei der Farbtemperatureinstellung mit Rot kompensiert werden, was die oben skizzierte Problematik verschärft.

Wenn erfindungsgemäß Cadmium (Cd) oder Zink (Zn) in der Lampenfüllung verwendet wird, wird dadurch überraschenderweise nicht nur der Ro­ tanteil verstärkt, sondern darüber hinaus gleichzeitig der Farbtrennungsef­ fekt verringert. Die Zugabe von Cadmium oder Zink erlaubt also im Ver­ gleich zur (alleinigen) Lithiumzugabe für den Rotanteil eine wesentliche Verbesserung des Farbtrennungsproblems und, bei gleicher Leistung, einen verbesserten Lichtstrom.

Quecksilber ist im Zusammenhang dieser Erfindung als Alternative zu den anderen beiden 2B-Elementen Cadmium und Zink deswegen nicht geeignet, weil es zwar in gewissem Umfang ebenfalls die Farbtrennung verringert, dabei jedoch übermäßig den Grünanteil des Lichts verstärkt.

Zink bietet gegenüber Cadmium und Quecksilber ferner den Vorteil der bes­ seren Umweltverträglichkeit. Cadmium andererseits kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, weil die Rotwiedergabe noch besser ist. Er­ findungsgemäß bleibt also im Einzelfall die Entscheidungsmöglickeit zwi­ schen optimalen Lampendaten und Umweltgesichtspunkten.

Erfindungsgemäß kommen für Cd bzw. Zn insbesondere folgende bevor­ zugte Konzentrationen in Betracht: 0,2 bis 2,0 µmol/ml, besonders bevorzugt 0,3 bis 1,8 µmol/ml.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung zeigt der Bestandteil Yttrium ge­ rade zusammen mit der erläuterten erfindungsgemäßen Grundzusammen­ setzung besondere Vorteile. Diese liegen zum ersten in einer Verbesserung des Lichtstroms. Darüber hinaus ergibt sich zweitens eine längere Lebens­ dauer der Lampen und drittens eine geringere Abnahme des Lampen­ lichtstroms mit dem Betriebsalter der Lampe (sogenannte Maintenance). Yt­ trium ist also zur Erzielung der vorstehend erläuterten grundlegenden Wir­ kungen der Erfindung nicht notwendig, hat sich jedoch als in bezug auf Lichtstrom, Lebensdauer und Maintenance überraschend wirkungsvoller optionaler Zusatz herausgestellt.

Als weitere optionale Zusätze sind verschiedene chemische Elemente denk­ bar, insbesondere zur Einstellung der Farbtemperatur und Verstärkung der Grundfarben. Vor allem darf die obige Erläuterung der Nachteile von Lithi­ um nicht dahingehend verstanden werden, daß Lithium erfindungsgemäß ausgeschlossen wäre. Lithium kann in gewissen Mengen durchaus als "Rotelement" vorhanden sein, durch die erfindungsgemäße Verwendung von Cadmium bzw. Zink sind die erforderlichen Mengen jedoch geringer.

Die bevorzugt betrachtete Anwendung verlangt in den meisten Fällen einen hohen Blauanteil im Spektrum. Ein erfindungsgemäß bevorzugtes "Blauelement" ist Indium.

Weitere optionale Zusätze vor allem zur Verstärkung des Lichtstroms sind die Seltenerdmetalle, vor allem Dysprosium, sowie Thallium.

Als Halogen für die Einstellung gewünschter Dampfdrücke durch Bildung von Metallhalogenid-Verbindungen kommen bevorzugt Jod und/oder Brom in Betracht.

Beschreibung der Zeichnungen

In der Figur ist ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsge­ mäße Lampe gezeigt. Die bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels offenbarten Merkmale können auch einzeln oder in anderer Kombination erfindungswesentlich sein.

Die Figur zeigt im Längsschnitt eine Gleichstromkurzbogenlampe mit einer Längsachse 2, entlang der eine Anode 4 und eine Kathode 5 liegen. In Längsrichtung in der Mitte des durch eine Kolbeninnenwand 3 eingeschlossenen Kolbeninnenraums, also eine Kolbeninnenlänge 7 halbierend, ist fer­ ner eine auf der Lampenlängsachse 2 senkrecht stehende Mittelebene 1 ein­ gezeichnet.

Die Figur zeigt deutlich, daß der Kolben bezüglich dieser Mittelebene 1 asymmetrisch geformt ist. Konkret unterscheiden sich die anodenseitige Längsschnitt-Halbfläche und die kathodenseitige Längsschnitt-Halbfläche, denen jeweils der in der Figur links bzw. rechts von der Mittelebene liegen­ de Längsschnittflächenbereich innerhalb der Kolbeninnenwand 3 entspricht.

Ferner zeigt die Figur, daß der die anodenseitige Krümmung des Kolbens im Längsschnitt beschreibende Krümmungsradius 8 deutlich kleiner als der entsprechende kathodenseitige Krümmungsradius 9 ist. Vorzugsweise be­ trägt der Krümmungsradius 8 50%-80% des Krümmungsradius 9. Man er­ kennt ferner, daß die entsprechenden Längsschnittkrümmungsmittelpunkte oberhalb und unterhalb der Lampenlängsachse 2 nicht zusammenfallen und anodenseitig und kathodenseitig unterschiedlich liegen. Allerdings ist die Lampe rotationssymmetrisch um die Lampenlängsachse 2.

Die entsprechende asymmetrische Kolbengestaltung hat zur Folge, daß der Kolben um die im Vergleich zur Kathode 5 sehr viel dickere Anode 4 herum einen ausreichenden Abstand hält und sich somit insgesamt eine gleichmä­ ßige Temperaturverteilung in Längsrichtung ergibt.

Schließlich zeigt die Figur, daß der Abstand zwischen der Anode 4 und der Kathode 5, also die Bogenlänge 6, sehr kurz gewählt ist, im vorliegenden Fall 1,5 mm im Vergleich zu Krümmungsradien von 4 mm (8) und 6 mm (9) und einer Lampenleistung von 270 W (spezifische Leistung 180 W/mm). Die Kolbeninnenlänge 7 beträgt vorliegend knapp das 10-fache der Bogenlänge 6. Es ergibt sich eine Brennspannung von 35 V bei einem Lichtstrom von 18 Mm aus einem Füllungsvolumen von 0,7 ml bei einer Wandbelastung von 65 W/cm².

Mit folgender Füllung wurde eine Farbtemperatur von 6.800 K eingestellt: 200 mbar Argon, 20 mg Quecksilber, 0,11 mg Cadmiumjodid (CdJ₂) - entsprechend ca. 0,43 µmol Cd pro ml Kolbenvolumen -, 0,42 mg Quecksil­ berbromid (HgBr₂), 0,12 mg Quecksilberjodid (HgJ₂), 0,05 mg Indiumjodid (InJ₂), 0,05 mg Lithiumjodid (LiJ₂), 0,11 mg Dysprosium sowie 0,05 mg Yttri­ um. Cadmium kann dabei moläquivalent durch Zink ersetzt sein. Thallium­ jodid kann zugegeben werden bis zu einem Wert von 0,2 mg/ml.

Claims (16)

1. Gleichstromkurzbogenlampe mit einem bezüglich Ebenen (1) senkrecht zu einer Lampenlängsachse (2) dergestalt asymmetrisch geformten Kolben, daß die Kolbeninnenwand (3) um die Anode (4) herum weiter ist als um die Kathode (5).

2. Lampe nach Anspruch 1, bei der eine auf die Bogenlänge (6) bezogene spezifische Leistung größer als 80 W/mm ist.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Verhältnis zwischen einer anodenseitigen Längsschnitt-Halbfläche und einer kathodenseitigen Längsschnitt-Halbfläche größer als 1,1 ist.

4. Lampe nach Anspruch 3, bei der das Verhältnis kleiner als 1,5 ist.

5. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein anoden­ seitiger Längsschnitt-Krümmungsradius (8) kleiner als ein kathoden­ seitiger Längsschnitt-Krümmungsradius (9) ist.

6. Lampe nach Anspruch 5, bei der der anodenseitige Längsschnitt- Krümmungsradius (8) 50% bis 80% des kathodenseitigen Längsschnitt- Krümmungsradius (9) beträgt.

7. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Kolben oh­ ne Wärmestaubelag.

8. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit horizontal verlau­ fender Lampenlängsachse (2).

9. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Füllung aus zumindest folgenden Bestandteilen: einem Zündgas, Quecksilber und einem Halogen, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Bestandteil: Cadmium und/oder Zink.

10. Lampe nach Anspruch 9 mit dem Füllungsbestandteil Yttrium.

11. Lampe nach Anspruch 9 oder 10 mit dem Füllungsbestandteil Lithium.

12. Lampe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit dem Füllungsbestand­ teil Indium.

13. Lampe nach einem der Ansprüche 9-12 mit einem Seltenerdmetall, insbesondere Dysprosium, als Füllungsbestandteil.

14. Lampe nach einem der Ansprüche 9-13 mit dem Füllungsbestandteil Thallium.

15. Lampe nach einem der Ansprüche 9-14, bei der das Halogen in Form von Jod und/oder Brom vorliegt.

16. Projektionsvorrichtung mit einer Projektionslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche.