DE60029750T2

DE60029750T2 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE60029750T2
Application number: DE60029750T
Authority: DE
Inventors: Walter Schlager; Ghaleb Natour; Xaver Riederer
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: EP1149406A1; DE60029750D1; CN1337061A; CN1169190C; EP1149406B1; WO2001035444A1; ES2267589T3; US6515423B1; JP2003514351A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit:

– einem Quarzglas-Leuchtkörper, welcher gasdicht geschlossen ist und eine Wand aufweist, die einen Entladungsraum umgibt;
– einer Füllung mit Quecksilber und Metallhalogeniden in dem Entladungsraum;
– einer, in dem Entladungsraum vorgesehenen Anode und Kathode, die, durch einen Elektrodenabstand D voneinander beabstandet, eine Entladungsstrecke definieren und mit Stromdurchführungen verbunden sind, welche sich von dem Entladungsraum durch die Wand des Leuchtkörpers nach außen erstrecken, wobei die Anode eine Spitze mit einer Oberfläche S mit einem stumpfen Ende aufweist;
– einem Lampenstrom I durch die Entladungsstrecke der Lampe, wobei der Lampenstrom I definiert wird als: I = P/Vwobei P die Nennleistung der Lampe in Watt und V die Lampenspannung in Volt darstellt;
– einem Verhältnis von Leistung zu Abstand, PGR, wobei dieses definiert wird als: PGR = P/Dwobei P die Nennleistung der Lampe in Watt und D den Elektrodenabstand D in mm darstellt.

Eine Lampe dieser Art ist aus EP-A-0 714 118 bekannt. Bei der bekannten Lampe wird der Entladungsraumfüllung eine Quecksilbermenge von 50 mg/cm³ hinzugefügt. Die bekannte Lampe weist eine Durchschnittsleistung von 250 W und eine mittlere Spannung von etwa 66 V auf. Der Lampenstrom I beträgt bei stabilem Betrieb der Lampe etwa 3,8 Ampere, die Anode der Lampe weist eine Spitze mit einem Durchmesser von 0,5 mm auf, wodurch sich ein S/I-Verhältnis von 0,051 mm²/A ergibt. Die bekannte Lampe ist eine Gleichstrom-Lampe und wird zu Projektionszwecken, zum Beispiel Flüssigkristallpro jektion, verwendet. Bei dieser Anwendung wird der Quarzglas-Leuchtkörper, wobei Quarzglas ein Glas mit einem SiO₂-Gehalt von mindestens 95 Gew.% ist, in einer optischen Einheit/einem optischen System, welche bzw. welches das Licht lenkt, zum Beispiel einen Reflektor mit einem Brennpunkt, montiert. Die Hauptanforderung an Hochdruckentladungslampen, welche zu Projektionszwecken eingesetzt werden, ist eine hohe Leuchtdichte. Eine hohe Leuchtdichte kann durch Konzentrieren einer hohen Eingangsleistung in einer Lampe mit einer kurzen Entladungsstrecke erreicht werden, was heißt, dass das PGR verhältnismäßig hoch ist. Dieses kann aus der Tatsache geschlossen werden, dass ein wesentlicher Teil der Entladungsstrecke dann in dem Brennpunkt des Reflektors oder zumindest neben diesem liegt. Weitere Anforderungen an Hochdruckentladungslampen, welche zu Projektionszwecken verwendet werden, sind hohe Abschirmungslumen, eine gute Erhaltung des Systems, eine stabile Entladungsstrecke, und dass der Brenner über die gesamte Lebensdauer klar bleiben sollte, d.h. Schwärzung und Wandbefall sollten auf ein akzeptables Maß reduziert werden. Die bekannte Lampe hat den Nachteil, dass sie einen Elektrodenabstand im Bereich von 2,5–3 mm und eine Lampenleistung im Bereich von 125–250 W aufweist. Dieses bedeutet einen PGR-Bereich von lediglich 40–80 W/mm. Somit macht ein verhältnismäßig großer Elektrodenabstand von 3 mm die bekannte Lampe für Beleuchtungssysteme mit hohen optischen Anforderungen verhältnismäßig ungeeignet, da wesentliche Teile der Entladungsstrecke außerhalb des Brennpunkts des Reflektors liegen. Jedoch führt, um den Nachteil des großen Elektrodenabstands zu überwinden, eine bloße Verringerung des Elektrodenabstands zu neuen Nachteilen der Lampe, zum Beispiel einer erhöhten Korrosion der Anode und/oder Instabilität der Entladungsstrecke, und damit zu einem frühen Ausfall der Lampe.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Hochdruchentladungslampe der eingangs beschriebenen Art vorzusehen, bei welcher den oben erwähnten Nachteilen entgegengewirkt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Hochdruckentladungslampe der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Endoberfläche S in mm² und der Lampenstrom I in Ampere einer Relation entsprechen, gemäß welcher 0,09 ≤ S/I ≤ 0,16, wobei 3,5 ≤ I ≤ 8,0 Ampere;
die Füllung einen Quecksilbergehalt zwischen 65 und 125 mg/cm³ enthält;
der Elektrodenabstand zwischen 1 und 2 mm liegt; und
das PGR mindestens 120 W/mm beträgt.
Tests zeigten, dass die Lampe der vorliegenden Erfindung, wie durch den Wortlaut des als Gesamtheit voneinander abhängiger Merkmale auszulegenden Anspruchs definiert, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfüllt. Zum Beispiel führt ein S/I-Verhältnis, welches geringer als der vorgegebene Bereich ist, zum Beispiel auf Grund einer Reduzierung der Endoberfläche S der Anode oder einer Zunahme des Lampenstroms I, zu einer zu hohen Temperatur der Anode auf ihrer Endoberfläche, s. Tabelle 1.
Tabelle 1
Diese Temperatur der Anode wird als zu hoch angesehen, da sie später zu einer erhöhten Korrosion der Anode auf ihrer Endoberfläche führt. Das somit von der korrodierten Anode abgelöste Material setzt sich auf der Wand des Leuchtkörpers ab und bewirkt eine Schwärzung der Wand. Dann verringert sich nicht nur die Lumeneffektivität der Lampe, sondern es wird ebenfalls die Gefahr einer kürzeren Brenndauer der Lampe erhöht. Sollte das S/I-Verhältnis größer als der vorgegebene Bereich sein, besteht eine zunehmende Gefahr der Instabilität der Entladungsstrecke. Instabilität der Entladungsstrecke wird als Flimmer wahrgenommen, was für das menschliche Auge unangenehm ist. Das Flimmern bedeutet, dass sich der Ansatzpunkt der Entladungsstrecke über die Endoberfläche der Anode verschiebt, wodurch die Position der Entladungsstrecke variiert. Ist die Lampe in einen Reflektor mit einem festen Brennpunkt eingebaut, besteht ein erhöhtes Risiko, dass die Entladungsstrecke zumindest einige Zeit außerhalb des Brennpunkts des Reflektors liegt, was zu Lichtverlust führt. Es ist ebenfalls wahrscheinlich, dass eine Instabilität der Entladungsstrecke und das sich ergebende Flimmern auftreten, wenn bei der bekannten Lampe lediglich der Elektrodenabstand (Zwischenraum) erhöht wird. Die Gefahr der Instabilität der Entladungsstrecke wird nicht erhöht, wenn eine Erhöhung des Quecksilbergehalts pro Volumeneinheit, d.h. des Betriebsdrucks, und eine Verringerung des Elektrodenabstands zusammen mit einer Einstellung der Endoberfläche S der Anode gemäß der vorgegebenen Relation mit dem Lampenstrom I erfolgen.
Um Anwendungen der Lampe mit hoher Helligkeit zu ermöglichen, sind verhältnismäßig hohe Werte der Leuchtdichte der Lampe erforderlich. Die Leuchtdichte L im Mittelpunkt der Entladungsstrecke ist direkt proportional zu der Lampenleistung P und umgekehrt proportional zu dem Elektrodenabstand D gemäß: L∝ (P/D), wobei P/D das PGR darstellt. Ein typischer, durchschnittlicher Leistungsverbrauch und eine typische, mittlere Spannung bei Lampen gemäß der vorliegenden Erfindung sind jeweils 200–400 W und 50–60 V. In Kombination mit dem Elektrodenabstand D zwischen 1 und 2 mm sind verhältnismäßig hohe Werte von mindestens 120 W/mm und sogar bis zu 200 W/mm bei dem PGR möglich. Auf Grund dieser verhältnismäßig hohen Werte des PGR werden die erforderlichen, verhältnismäßig hohen Werte der Leuchtdichte L erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Hochdruckentladungslampe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung einen Halogen enthaltenden Emitter, zum Beispiel einen Gasphasenemitter, aufweist. Das Halogen wird aus der Gruppe ausgewählt, welcher Chlor, Brom und Jod angehören. Emitter, welche gute Ergebnisse ergeben, sind Alkalibromide und, in etwas geringerem Maß, Lanthanbromide. Der Emitter verringert die Temperatur, welche zur Abgabe von Elektronen seitens der Kathode erforderlich ist. Ohne Emitter machen Lampenströme von 4 bis 6 Ampere Temperaturen der Wolframkathode von 3000 bis 3600 K erforderlich, wohingegen bei Vorhandensein eines Emitters, z.B. DyBr₃, Wolframkathodentemperaturen von 2200 bis 2800 K ausreichen, um den gleichen Strom zu erzeugen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung InBr und SnBr₂ enthält. Durch ihre Füllung, welche Seltenerdmetalle oder Halogenide aus Seltenerdmetallen enthält, neigt eine Hochdruckentladungslampe oftmals zur Korrosion ihrer Quarzglaswand. Eine Korrosion der Quarzglaswand erhöht das Risiko eines frühen Ausfalls der Lampe. Ein Weglassen oder Verringern der Menge der Seltenerdmetalle und der Verwendung von InBr und SnBr₂ als Hauptkomponenten der Entladungsfüllung reduziert das Risiko einer Korrosion der Quarzglaswand. Der Einsatz der Emitter LiBr, NaBr und KBr an Stelle von DyBr₃ führt trotz einer moderaten Erhöhung der Temperatur der Kathode zu einer weiteren Reduzierung der Korrosion der Quarzglaswand. Sollte DyBr₃ durch NaBr oder LiBr ersetzt werden, ist die Farbtemperatur der Lampe auf Grund einer stärkeren Gelb/Rot-Lichtemission durch Na oder Li geringer. Tabelle 2 zeigt die charakteristischen Eigenschaften bei Brenndauer Null der Lampe bei verschiedenen Emittern.
Tabelle 2
In sämtlichen Lampen mit einem Gasphasenemitter in der Füllung nimmt der Elektrodenabstand verhältnismäßig langsam zu, und die Entladung bleibt verhältnismäßig stabil. Dagegen erlitt die Lampe ohne einen Gasphasenemitter eine signifikante Kathodenkorrosion, was zu einer verhältnismäßig schnellen Zunahme des Elektrodenabstands führt. Durch die Kombination aus einem Gasphasenemitter und einer Füllung mit SnBr₂ und InBr blieb der Leuchtkörper klar, und es wurde bei Lampen mit einem Gasphasenemitter in der Füllung infolgedessen eine verhältnismäßig gute Erhaltung des Systems erreicht.
Wie in Tabelle 2 dargestellt, ist der Lumen-pro-Watt-Wert (lm/W) der Lampe mit NaBr als Gasphasenemitter verhältnismäßig hoch. Dieses ist auf die Emission von Natrium bei etwa 590 nm zurückzuführen. Jedoch kann diese Emission nicht für Daten/Video-Projektionslampen, welche auf einem Rot-Grün-Blau-System basieren, verwendet werden, da diese Emission zwischen Rot und Grün liegt. So weist die Lampe mit NaBr anscheinend eine Effektivität des Systems auf, welche in etwa der Systemeffektivität der Lampen mit einem anderen Gasphasenemitter gleichkommt. Es liegt im freien Ermessen, die Effektivität des Systems zu quantifizieren, da diese in großem Maße von der Art des gewählten, optischen Systems abhängig ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Verwendung von KBr als Gasphasenemitter eine weitere signifikante Reduzierung der Korrosion der Quarzglaswand des Leuchtkörpers im Vergleich zu der Korrosion der Quarzglaswand von Lampen mit Gasphasenemittern aus z.B. NaBr oder LiBr ergab. Des Weiteren zeigte sich, dass, wenn die Stromdurchführungen eine Molybdänfolie aufweisen, es insbesondere diese Folie ist, welche in der Lampe korrodiert wird. Erneut zeigte die Lampe mit KBr als Gasphasenemitter eine signifikante Verringerung des Korrosionsangriffs der Stromdurchführung. Im Besonderen wurde im Vergleich zu Lampen mit LiBr oder NaBr als Gasphasenemitter eine Verringerung der Korrosion ihrer Molybdänfolie beobachtet. Die Füllung mit InBr, SnBr₂ sowie Li/Na/K-Halogeniden und Quecksilber erwies sich als nicht aggressiv gegenüber Wolfram.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anode und Kathode Spitzen aufweisen, welche im Wesentlichen aus reinem Wolfram bestehen. Tests zeigten, dass die Verwendung von im Wesentlichen reinem Wolfram, d.h. nicht dotiertem Material, bekannt als „ZG-Wolfram", in einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit der Korrosion der Quarzglaswand resultiert. Die Verwendung des Al-K-Si-dotierten Materials, bekannt als „WD-Wolfram" oder Thorium-dotiertes Wolframmaterial, erhöhte das Risiko einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit der Korrosion der Quarzglaswand, welche als weiße Punkte auf der Quarzglaswand sichtbar ist. Dieses wurde, trotz der Tatsache, dass das Thorium-dotierte Wolframmaterial ebenfalls den Vorteil einer geringeren Austrittsarbeit der Anode und folglich eine niedrigere Temperatur der Anode bietet, ebenfalls bei Thoriumdotierten Wolfram beobachtet.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe an einem Lampensockel befestigt ist, wobei die Stromdurchführungen an jeweiligen Kontakten des Sockels befestigt sind. Der Lampensockel kann Mittel, z.B. Vorsprünge, zum Zusammenwirken mit einem optischen System, z.B. einem Reflektor, aufweisen, welches Mittel vorsieht, um zum Beispiel die Vorsprünge aneinander grenzend aufzunehmen. Durch diese Mittel besteht die Möglichkeit, die Entladungsstrecke in einer vorgegebenen Position anzuordnen, ohne die Lampe gegenüber dem System ausrichten zu müssen.
Eine Miniatur-Gleichstrom-Entladungslampe zum Einsatz für verhältnismäßig kleine Projektionen, z.B. zur Beleuchtung von Lichtventilen bis zu 38,1 mm, ist aus EP 910 111 bekannt. Diese Miniatur-Lampe hat eine Entladungsstrecke von 0,8–1,5 mm und verbraucht eine durchschnittliche Leistung im Bereich von 40–60 W, wodurch sich ein PGR-Bereich von 40–75 W/mm ergibt. Infolgedessen sind die Nachteile der Lampe die, dass deren Abschirmungslumen und Leuchtdichte L verhältnismäßig gering sind, was die Lampe zur Verwendung für verhältnismäßig große Projektionen ungeeignet macht. Eine Erhöhung der Leistung der Lampe oder Verringerung des Elektrodenabstands resultiert in einer Instabilität des Lichtbogenansatzes und/oder einer erhöhten Korrosion der Kathode und damit in einer verminderten Erhaltung des Systems.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – einen Aufriss einer Lampe;
2 – einen Aufriss einer gesockelten Lampe.
Die Hochdruckentladungslampe von 1 weist einen Quarzglasleuchtkörper 1, welcher gasdicht geschlossen ist und eine Wand 2 aufweist, die einen Entladungsraum 3 umgibt. In dem Entladungsraum 3 sind eine Anode 4 und eine Kathode 5 vorgesehen, die, durch einen Elektrodenabstand D voneinander beabstandet, eine Entladungsstrecke 6 definieren und mit Stromdurchführungen 7, 8 verbunden sind. Die Stromdurchführungen 7, 8 erstrecken sich von dem Entladungsraum 3 durch die Wand 2 des Leuchtkörpers 1 nach außen. Die Anode 4 weist eine Spitze 9 mit einer Oberfläche S mit einem stumpfen Ende und die Kathode 5 eine Spitze 9' auf, wobei beide Spitzen 9 und 9' aus „ZG-Wolfram" gefertigt sind. Der Entladungsraum weist ein Volumen von 0,38 cm³ auf. Die Lampe enthält eine Füllung aus 80 mb Argon, 29 mg Quecksilber, 0,05 mg InBr, 0,23 mg SnBr₂ und 0,05 mg NaBr als Gasphasenemitter. Der Elektrodenabstand D bei einer Brenndauer der Lampe von 0 Stunden beträgt 1,5 mm. Die Lampe weist eine Nennleistung von 250 W bei 50 V auf, der Lampenstrom I beträgt bei einem stabilen Betrieb der Lampe etwa 5 A. Die Endoberfläche S weist eine Oberfläche von 0,65 mm² auf, das S/I-Verhältnis beträgt somit 0,13 mm²/A. Die Lampe hat eine Farbtemperatur von etwa 5000 K und eine Leistungsfähigkeit von etwa 65 lm/W. Das berechnete Leistung-zu-Abstand-Verhältnis, PGR, der Lampe beträgt 165 W/mm.
In dem Ausführungsbeispiel von 2 wird der Leuchtkörper 1 von 1 in einem Lampensockel 10 montiert, welcher Kontakte 11 aufweist, an welche jeweilige Stromdurchführungen 7, 8 angeschlossen werden. Der Lampensockel 10 weist Vorsprünge 12 auf, welche dem Entladungsraum 3 zugewandt sind. Die Lampe dieses Ausführungsbeispiels eignet sich gut zur Verwendung in einem optischen System mit einer ringförmigen, sphärischen Fläche, um die Vorsprünge aneinander grenzend aufzunehmen und dadurch die Entladungsstrecke in dem optischen System in einer vorgegebenen Position anzuordnen, ohne dass es erforderlich ist, die Lampe gegenüber dem System auszurichten.

Claims

Hochdruckentladungslampe mit: – einem Quarzglas-Leuchtkörper (1), welcher gasdicht geschlossen ist und eine Wand (2) aufweist, die einen Entladungsraum (3) umgibt, – einer Füllung mit Quecksilber und Metallhalogeniden in dem Entladungsraum (3), – einer, in dem Entladungsraum (3) vorgesehenen Anode (4) und Kathode (5), die, durch einen Elektrodenabstand D voneinander beabstandet, eine Entladungsstrecke (6) definieren und mit Stromdurchführungen (7, 8) verbunden sind, welche sich von dem Entladungsraum (3) durch die Wand (2) des Leuchtkörpers (l) nach außen erstrecken, wobei die Anode (4) eine Spitze (9) mit einer Oberfläche S mit einem stumpfen Ende aufweist, – einem Lampenstrom I durch die Entladungsstrecke (6) der Lampe, wobei der Lampenstrom I definiert wird als: I = P/Vwobei P die Nennleistung der Lampe in Watt und V die Lampenspannung in Volt darstellt, – einem Verhältnis von Leistung zu Abstand, PGR, wobei dieses definiert wird als: PGR = P/Dwobei P die Nennleistung der Lampe in Watt und D den Elektrodenabstand D in mm darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Endoberfläche S in mm² und der Lampenstrom I in Ampere einer Relation entsprechen, gemäß welcher 0,09 ≤ S/I ≤ 0,16, wobei 3,5 ≤ I≤ 8,0 Ampere, die Füllung einen Quecksilbergehalt zwischen 65 und 125 mg/cm³ enthält, der Elektrodenabstand zwischen 1 und 2 mm liegt, und das PGR mindestens 120 W/mm beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung einen Halogen enthaltenden Emitter aufweist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasphasenemitter aus der Gruppe ausgewählt wird, welcher Alkalihalogenide und Lanthanoidhalogenide, vorzugsweise KBr, angehören, wobei das Halogenid aus der Gruppe ausgewählt wird, welcher Chlor, Brom und Jod angehören.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung InBr und SnBr₂ enthält.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (4) und die Kathode (5) Spitzen (9, 9') aufweisen, welche im Wesentlichen aus reinem Wolfram bestehen.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe an einem Lamensockel (10) befestigt ist, wobei die Stromdurchführungen (7, 8) an jeweiligen Kontakten (11) des Lampensockels befestigt sind.