DE69836104T2

DE69836104T2 - Quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe, Spannungsversorgung für eine solche Lampe, sowie Beleuchtungseinrichtung mit einer solchen Lampe

Info

Publication number: DE69836104T2
Application number: DE69836104T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Kawasaki-shi Ishigami; Kiyoshi Yokosuka-shi Saita; Mikio Matsuda; Toshio Hirakutsa-shi Hiruta
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: DE69832925T3; EP1296354A3; DE69832925T2; US6873109B2; EP0883160A1; EP1296354A2; EP0883160B2; US20020047526A1; EP1274118B1; DE69832925D1; EP1274118A3; EP0883160B1; EP1274118A2; US7057349B2; US6353289B1; JPH11238488A; US20030209986A1; US20050179391A1; DE69836104D1; US6528946B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine im wesentlichen quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen, eine Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe und einen Scheinwerfer mit einer Metallhalogenid-Entladungslampe.
Eine Metallhalogenid-Entladungslampe umfasst eine lichtaussendende Röhre mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden. Ein Edelgas, ein Halogenid eines lichtaussendenden Metalls und Quecksilber sind in der lichtaussendenden Röhre dicht eingeschlossen und bilden die Metallhalogenid-Entladungslampe. Eine Entladungslampe dieser besonderen Konstruktion zeigt einen relativ hohen Wirkungsgrad und gute Farbwiedergabeeigenschaften und wird daher weithin eingesetzt.
Die Metallhalogenid-Entladungslampen werden in solche mit kurzem Bogen und solche mit langem Bogen eingeteilt. Die Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen wird in Projektoren wie Flüssigkristall-Projektoren eingesetzt, in denen Lichtstrahlen aus einer Lampe gesammelt und auf einen Schirm projiziert werden. Die Lampe wird auch in einem Overhead-Projektor eingesetzt und ebenfalls zur Beleuchtung von Läden als Tief- und Punktstrahler. Auch ist eine kleine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen seit einigen Jahren anstelle einer Halogenlampe als Scheinwerferlampe in Fahrzeugen im Einsatz.
Wie in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) No. 2-7347 beschrieben ist, ist es bei einer Metallhalogenid-Entladungslampe, die als Scheinwerferlampe eines Fahrzeugs eingesetzt wird, absolut notwendig, ungefähr 2 bis 15 mg Quecksilber einzuschließen.
Andererseits offenbart die japanische Patentveröffentlichung No. 3-112045 eine Metallhalogenid-Entladungslampe, die nicht den Einschluss von Quecksilber erfor dert. Bei diesem Stand der Technik wird ein Edelgas wie Helium oder Neon anstelle des Quecksilbers in der Lampe bei einem Druck von 100 bis 300 Torr eingeschlossen, um eine gewünschte Lampenspannung zu erzielen. Da die Atome jedes dieser Edelgase einen kleinen Radius aufweisen, dringt das Edelgas durch Quarzglas hindurch. Daher ist das hermetische Lampengefäß aus transparentem keramischen Material hergestellt.
Auf der anderen Seite wird die Metallhalogenid-Entladungslampe mit langem Bogen hauptsächlich für Zwecke allgemeiner Beleuchtung eingesetzt. Beispielsweise werden Entladungslampen dieses Typs für Beleuchtungseinrichtungen an hohen Decken, für Lichtprojektoren, für Straßenlampen und als Beleuchtungseinrichtungen für Straßen verwendet. Metallhalogenid-Entladungslampen, die ultraviolettes Licht erzeugen, werden auch für die Herstellung von lichtaushärtendem synthetischen Harz oder einer solchen Farbe eingesetzt. Die für diesen Zweck verwendete Metallhalogenid-Entladungslampe weist auch einen langen Bogen auf.
Bei allen Metallhalogenid-Entladungslampen mit kurzem Bogen und mit langem Bogen, soweit sie heute in praktischem Gebrauch sind, ist der Einsatz von Quecksilber absolut für notwendig gehalten worden, da in der Metallhalogenid-Entladungslampe das Quecksilber zur Erzielung einer gewünschten Lampenspannung dient, um zufriedenstellende elektrische Eigenschaften zu erhalten.
Mehr im Einzelnen: Wenn beispielsweise die Lampenspannung untunlich niedrig ist, muss der Lampenstrom zur Erzielung einer gewünschten Lampeneingangsleistung erhöht werden. In diesem Fall entstehen Probleme, insofern die Stromkapazität auch in den verbundenen Einrichtungen wie der Betriebseinrichtung, der Beleuchtungseinrichtung und der Verdrahtung ansteigen. Auch die Wärmeerzeugung steigt an.
Wenn auf der anderen Seite der Lampenstrom untunlich hoch ist, steigt der Elektrodenverlust, was zu einer geringen Lampeneffizienz führt. Mehr im Einzelnen ist der Elektrodenabfall einer Metallhalogenid-Entladungslampe bei jeder Lampe konstant.
Wenn demzufolge die Lampenspannung untunlich niedrig ist, muss der Lampenstrom erhöht werden, um die niedrige Lampenspannung auszugleichen, mit dem Ergebnis, dass der Elektrodenabfall proportional zum Lampenstrom ansteigt, so dass der Lampenwirkungsgrad verringert wird.
Wie vorstehend dargelegt, ist es generell vorteilhaft, bei einer Entladungslampe die Lampenspannung auf einen Wert einzustellen, der so dicht an der Eingangsspannung der Lampe wie möglich ist, d.h. so hoch wie möglich, so lange der Bogen nicht verschwindet.
Es sei nun der Grund beschrieben, warum in der konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe der Einschluss von Quecksilber erforderlich war. Dabei sei die Lampenspannung unter Bezugnahme auf 1 betrachtet. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, umfasst die Lampe ein hermetisches Gefäß 1, zwei Elektroden 2, 2 und Leitungsdrähte 3, 3. Die Lampenspannung V1, die die Spannung zwischen den Leitungsdrähten 3, 3 bei brennender Metallhalogenid-Entladungslampe darstellt, kann durch die nachstehende Formel (1) wiedergegeben werden: V1 = E × L + Vd, (1)worin E der Neigungsgrad des Potentialabfalls des Plasmas zwischen den Elektroden, L der Abstand zwischen den Elektroden und Vd ein Elektrodenabfall ist.
Der Neigungsgrad E des Potentialabfalls des Plasmas kann durch die nachstehende Formel (2) wiedergegeben werden: E = I/2 π∫σ rdr, (2) worin I der Lampenstrom, σ die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas, die eine Funktion der Temperatur T ist, und r der Abstand eines gewünschten Punktes von der Mitte in der Radialrichtung sind.
Wenn eine Substanz A während des Brennens der Metallhalogenid-Entladungslampe in dem Entladungsraum vorhanden ist, ist die elektrische Leitfähigkeit σ der Substanz A bei der Temperatur T durch die nachstehende Formel (3) gegeben: σ = C·NE /(T1/2·(NA·Q)), (3)worin C eine Konstante, N_E eine Elektronendichte, N_A eine Dichte der Substanz A und Q der Trefferquerschnitt des Elektrons auf die Substanz A ist.
Wie aus Formel (1) ersichtlich ist, nimmt die Lampenspannung V1 mit der Zunahme des Neigungsgrades E des Potentialabfalls und mit der Zunahme des Abstandes L zwischen den Elektroden zu. Auf der anderen Seite zeigt die Formel (2), dass der Neigungsgrad E des Potentialabfalls mit der Abnahme in der elektrischen Leitfähigkeit σ und mit Zunahme des Lampenstroms I zunimmt. Formel (3) lässt schließlich erkennen, dass die elektrische Leitfähigkeit σ mit einer Abnahme der Elektronendichte N_E und mit einer Zunahme der Dichte N_A der Substanz A und dem Trefferquerschnitt Q zunimmt. Daraus folgt, dass bei konstantem Abstand L zwischen den Elektroden und konstantem Lampenstrom I die Bedingungen für die Substanz A, unter denen die Lampenspannung V1 zunimmt, so aussehen, dass die Substanz A voraussichtlich nicht ionisiert wird, um den Wert N_E zu verringern, dass die Substanz A eine hohe Dichte innerhalb der Lampe aufweist, um den Wert N_A zu steigern, und dass die Substanz A einen großen Trefferquerschnitt Q für Elektronen aufweist.
Quecksilber hat bekanntlich einen sehr hohen Dampfdruck, d.h. 1 Atmosphäre bei 361 °C, wird im allgemeinen nicht ionisiert und hat einen großen Trefferquerschnitt für Elektronen. Es folgt, dass eine gewünschte Lampenspannung durch Bemessung der eingeschlossenen Quecksilbermenge in Abhängigkeit von der Größe der Lampe erhalten werden kann. Mit andern Worten: Quecksilber wird in der konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossen, weil eine gewünschte Lampenspannung leicht erhalten werden kann.
In diesem Zusammenhang sollte festgehalten werden, dass bei einer Metallhalogenid-Entladungslampe der Quecksilberdampfdruck mit zunehmender Miniaturisierung der Lampe, wobei der Abstand L zwischen den Elektroden zur Gewährleistung einer gewünschten Lampenspannung verkürzt wird, höher eingestellt werden muss. Beispielsweise ist in einer kleinen, einen kurzen Bogen aufweisenden Metallhalogenid-Entladungslampe, deren lichtemittierende Röhre ein inneres Volumen von 1 cc oder weniger aufweist, der Quecksilberdampfdruck bei brennender Lampe zumindest 20 Atmosphären hoch.
Es seien nun die Probleme beschrieben, die bei in einer Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossenem Quecksilber auftreten, und die Probleme, die in einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe ohne eingeschlossenes Quecksilber entstehen.
Probleme bei eingeschlossenem Quecksilber:
Luftverschmutzungs- und Wasserkontaminationsprobleme ziehen heutzutage weltweit die Aufmerksamkeit auf sich. Da Quecksilber für die Gesundheit eines menschlichen Wesens schädlich ist, ist es naturgemäß wünschenswert, die Menge des eingesetzten Quecksilbers zu verringern oder im Bereich der Beleuchtung überhaupt kein Quecksilber einzusetzen. Mit anderen Worten besteht das größte Problem bei den konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampen darin, dass in der Lampe Quecksilber eingeschlossen ist.
Außerdem bleiben viele Probleme ungelöst, wenn es an eine Metallhalogenid-Entladungslampe geht, in der zur Erzielung einer gewünschten Lampenspannung Quecksilber eingeschlossen ist, wie nachstehend dargelegt:
1. Mangelhaft im Anstieg der Spektraleigenschaften während der Startzeit:
Beim Einsatz einer Metallhalogenid-Entladungslampe im Scheinwerfer eines Fahrzeuges ist das sofortige Ansteigen des Lichtstroms erforderlich. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, wird ein Beleuchtungssystem eingesetzt, bei dem Xenon als Startergas unter hohem Druck eingeschlossen wird, und es wird in der Anfangsperiode der Beleuchtung ein großer Strom fließen gelassen, worauf der Strom mit der Zeit nach und nach abnimmt. Sicherlich kann das sofortige Ansteigen des Lichtstroms auf diese Weise zustande gebracht werden. Da jedoch in der Einschaltzeit Quecksilber schnell verdampft wird, nimmt es viel Energie auf und verursacht eine Verzögerung im Anstieg des Dampfdruckes eines lichtemittierenden Metalls. Daraus folgt, dass das Quecksilber mit der Emission von Licht hoher Intensität für 10 bis 20 Sekunden fortfährt. Es sei darauf hingewiesen, dass das von Quecksilber ausgesandte Licht keine gute Farbcharakteristik und keine guten Farbwiedergabeeigenschaften aufweist. Auch fällt die Chromatizität des von Quecksilber ausgesandten Lichts nicht in einen Weißbereich. Da der Anstieg der Spektraleigenschaften wie vorstehend beschrieben sehr schlecht ist, bedarf es einer langen Zeit, um eine Lichtemission mit den gewünschten Spektraleigenschaften zu erhalten.
2. Ungeeignet für die Lichtsteuerung (Dimmen):
Eine Änderung in der Temperatur der lichtemittierenden Röhre bringt eine große Veränderung in der Farbtemperatur des emittierten Lichts und somit in den Farbwiedergabeeigenschaften, wie aus 2 ersichtlich ist. 2 ist ein Diagramm der Verteilung des Emissionsspektrums einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für Projektionszwecke. Die Wellenlänge (nm) ist auf der Abszisse des Diagramms aufgetragen, während die relative Emissionsleistung auf der Ordinate wiedergegeben ist.
In der konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen sind 6,65 × 10⁴ Pa Argon als Edelgas, 1 mg Dysprosiumjodid (DyI₃) als Halogenid, 1 mg Neodymjodid (NdI₃) als Halogenid und 13 mg Quecksilber eingeschlossen. Das Emissionsspektrum besteht aus einer kontinuierlichen Lichtemission, die durch das Dysprosium und Neodym verursacht ist, und hellen Haupt-Spektrallinien aufgrund der durch die Pfeile oben in der Zeichnung angegebenen Elemente. Wie aus dem Diagramm abzulesen ist, hat das durch das Quecksilber hervorgerufene Spektrum der hellen Linien eine große Leistung.
Die Menge der Lichtemission jedes der lichtemittierenden Metalle ändert sich proportional zum Dampfdruck in der Lampe. Da der Dampfdruck eines Halogenids eines lichtemittierenden Metalls deutlich niedriger als der des Quecksilbers ist, verursacht eine Temperaturänderung in der lichtemittierenden Röhre eine Änderung der Verdampfungsmenge der Halogenide, was zu einer Änderung des Dampfdrucks in der Lampe führt. Daraus resultiert, dass die Menge des von dem lichtemittierenden Metall emittierten Lichts ebenfalls geändert wird.
Andererseits ist der Dampfdruck von Quecksilber so hoch, dass eine Temperaturänderung der lichtemittierenden Röhre keine wesentliche Änderung im Dampfdruck des Quecksilbers nach sich zieht, was zu einer kleinen Änderung der Lichtmenge führt, die durch die starken Spektrallinien des Quecksilbers verursacht ist. Wenn demzufolge die der lichtemittierenden Röhre zugeführte Eingangsleistung verringert wird, wird die Lichtemission des Quecksilbers relativ vorherrschend. Als Ergebnis sinkt die Farbtemperatur des emittierten Lichts, was zu schlechten Farbwiedergabeeigenschaften führt. Dies zeigt, dass die konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe, die den Einschluss von Quecksilber erfordert, für eine Lichtsteuerung (Dimmen) nicht geeignet ist.
Bei einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges ist Dimmen für das Einschalten des Lichtes zur Tageszeit (Tageslicht) erforderlich, wie in den USA und Europa praktiziert wird. Die Farbeigenschaften sind jedoch bei den konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampen, die den Einschluss von Quecksilber erfordern, merklich verschlechtert.
3. Weitgehende Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften:
Die Metallhalogenid-Entladungslampen mit eingeschlossenem Quecksilber sind im Hinblick auf die Temperatur der lichtemittierenden Röhren ungleichmäßig, was durch die Ungleichmäßigkeit der Größe der einzelnen Lampen bedingt ist. Als Ergebnis stellt sich eine Ungleichmäßigkeit in den Eigenschaften sogar bei der gleichen Eingangsleistung ein. Auch besteht eine Wahrscheinlichkeit der Änderung der Eigenschaften durch die Temperaturanhebung in dem kältesten Bereich ein, die durch die Schwärzung der lichtemittierenden Röhre über eine lange Zeitperiode zustande kommt. Diese Schwierigkeiten schaffen ein Problem insbesondere dann, wenn mehrere Metallhalogenid-Entladungslampen in Kombination für Beleuchtungszwecke wie beispielsweise in Läden eingesetzt werden.
4. Schwierig sofort wieder zu starten:
Wie vorstehend beschrieben, ist der Abstand zwischen dem Elektrodenpaar bei einer Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen gering, was es notwendig macht, den Quecksilberdampfdruck auf einen hohen Wert einzustellen. Konkret wird der Quecksilberdampfdruck auf einen so hohen Wert wie beispielsweise 20 Atmosphären eingestellt.
Ferner wird beim Einsatz in einem Frontscheinwerter eines Fahrzeuges auch Xenon in der Lampe unter hohem Druck eingeschlossen. Beispielsweise ist der Xenondruck im Betrieb ungefähr 35 Atmosphären hoch. Da der Quecksilberdampfdruck und der Xenondampfdruck während des Betriebs sehr hoch sind, ist es notwendig, eine Impulsspannung sehr großer Leistung während der Wiederstartzeit einzusetzen. Daraus folgt, dass die Startschaltung teuer wird. Außerdem müssen die Schaltung, die Lampe und das beide aufnehmende Gehäuse gegen eine hohe Spannung isoliert sein.
5. Bruch der lichtemittierenden Röhre:
Da der Quecksilberdampfdruck während des Betriebs wie vorstehend beschrieben sehr hoch ist, wird die mechanische Beanspruchung der Lampe im Betrieb über eine lange Zeitperiode vergrößert, so dass die Lampe zum Bruch neigt. Das Bruchproblem verringert die Zuverlässigkeit der Lampe merklich.
6. Geringe Projektionswandhelligkeit beim Einsatz im Projektor:
Wenn eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen in einem Projektor eingesetzt wird, in dem das von der als Lichtquelle benutzten Lampe emittierte Licht durch ein optisches System wie einen Flüssigkeitskristallprojektor gesammelt wird, um beispielsweise eine von dem Projektor entfernt angeordnete Projektionswand zu beleuchten, ist es sehr wichtig, den Verlust an von der Entladungslampe emittiertem Licht zu unterdrücken, der eintritt, wenn das emittierte Licht durch das optische System hindurchgeht, damit von dem emittierten Licht so viel wie möglich auf der Projektionswand ankommt. Damit die Helligkeit der Projektionswand durch Unterdrückung von Lichtverlusten verbessert werden kann, muss der Bogen der Entladungslampe dünn verengt werden. Der Ausdruck „enger Bogen" bedeutet, dass die Bogentemperaturverteilung schart ist.
Es sei in diesem Zusammenhang vermerkt, dass das von Quecksilber emittierte Licht absorbiert wird und somit optisch dick ist. Da durch die Absorption von Licht, welches in die Bereiche mittlerer und niedriger Temperatur emittiert wird, Energie absorbiert wird, wird die Temperatur erhöht. Dadurch wird die Bogentemperatur verteilt und bildet eine Parabel, was die Verengung des Bogens schwierig macht. Auf der anderen Seite ist es im Stand der Technik bekannt, dass, wenn die Lichtemission durch die Verwendung von Scandium oder einem seltenen Erdmetall als lichtemittierenden Metall sehr stark vergrößert wird, der Bogen sogar in Anwesenheit von Quecksilber verengt werden kann. In diesem Fall tritt jedoch starke Konvektion auf, wenn der Betriebsdruck des Quecksilbers hoch ist, so dass der Bogen instabil wird. Daraus folgt, dass diese Technik praktisch nicht eingesetzt werden kann.
Probleme der konventionellen Lampe, die nicht des Einschlusses von Quecksilber bedarf:
Bei der Metallhalogenid-Entladungslampe, die nicht des Einschlusses von Quecksilber bedarf, nimmt der Partialdruck von Helium oder Neon in der lichtemittierenden Röhre während des Betriebs deutlich zu. Wenn die lichtemittierende Röhre konstruktiv dem hohen Druck widerstehen kann, ist es sicherlich auch möglich, eine Metallhalogenid-Entladungslampe zu erhalten, bei der kein Quecksilber eingeschlossen ist. Die Möglichkeit an sich, eine Metallhalogenid-Entladungslampe, die nicht den Einschluss von Quecksilber erfordert, zu erhalten, ist einer günstigen Bewertung wert. Es ist jedoch praktisch schwer, eine Metallhalogenid-Entladungslampe einer der konventionellen Lampe ähnlichen Konstruktion dazu zu bekommen, dass sie dem hohen Druck in der Lampe während des Betriebs widersteht. Wenn beispielsweise in einer kleinen Metallhalogenid-Entladungslampe eine Lampenspannung von 50 bis 60 Volt erforderlich ist, muss erwartet werden, dass der Druck des Heliums oder Neons in der Lampe während des Betriebs der Lampe 150 Atmosphären übersteigt. Daraus folgt, dass das hermetische Behältnis, welches bei den konventionellen Lampen weithin verwendet wird, keine hohe Zuverlässigkeit erreichen kann, was die Maßnahmen gegen Bruch des hermetischen Behältnisses betrifft.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Metallhalogenid-Entladungslampe zu schaffen, die im wesentlichen ohne Quecksilber auskommt, welches der lebenden Umgebung des menschlichen Wesens schädlich ist, und die elektrische und Lichtemissionseigenschaften erreichen kann, die im wesentlichen denjenigen einer Metallhalogenid-Entladungslampe mit eingeschlossenem Quecksilber gleichwertig sind. Weiterhin besteht das Ziel in der Schaffung einer Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe und in der Schaffung einer Beleuchtungseinrichtung, in der die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe eingesetzt wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Metallhalogenid-Entladungslampe, die während der Startphase einen guten Anstieg der Chromatizität erlaubt, die eine Lichtsteuerung für den Zweck des Dimmens erlaubt, die nur eine geringe Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften aufweist, die einen leichten sofortigen Wiederstart erlaubt und die den Bruch des hermetischen Behältnisses wirksam verhindert. Ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe und in der Schaffung einer Beleuchtungseinrichtung, in der die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe verwendet ist.
Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung sind die Schaffung einer Metallhalogenid-Entladungslampe, in der kein Quecksilber eingeschlossen ist, die geringe Wärmeverluste aufweist und die wirksam verhindert, dass die Effizienz der Lichtemission sich verringert, ferner, eine Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe zu schaffen und einen Scheinwerfer mit der besonderen Metallhalogenid-Entladungslampe zu schaffen.
Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung sind die Schaffung einer Metallhalogenid-Entladungslampe, die durch einen Gleichstrom gestartet wird und Licht frei von Farbunterschieden und Farbseparationen emittiert, und die eine Herstellung der Betriebsschaltung zu geringen Kosten ermöglicht, die Schaffung einer Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe und die Schaffung einer Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung der besonderen Metallhalogenid-Entladungslampe.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Metallhalogenid-Entladungslampe, die für den Einsatz als Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges wie eines Automobils angepasst ist, ferner die Schaffung einer Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe und in der Schaffung eines Scheinwerfers mit der besonderen Metallhalogenid-Entladungslampe.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer praktischen Metallhalogenid-Entladungslampe, die das hermetische Gefäß wirkungsvoll am Bruch während des Betriebs der Lampe hindert, auch wenn die mechanische Festigkeit des hermetischen Gefäßes im wesentlichen einem konventionellen hermetischen Gefäß gleich ist, in welches Quecksilber eingeschlossen ist, in der Schaffung einer Betriebseinrichtung für die besondere Metallhalogenid-Entladungslampe und in der Schaffung einer Beleuchtungseinrichtung mit der besonderen Metallhalogenid-Entladungslampe.
Entsprechend einem in Anspruch 1 wiedergegebenen Hauptaspekt der Erfindung ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen geschaffen, die im wesentlichen ohne Quecksilber auszukommen erlaubt, mit folgenden Merkmalen:
ein feuerfestes und lichtdurchlassendes hermetisches Gefäß;
ein mit dem hermetischen Gefäß fest verbundenes Paar von Elektroden, deren gegenseitiger Abstand 6 mm oder weniger beträgt;
ein in dem hermetischen Gefäß dicht eingeschlossenes Entladungsmedium, welches ein erstes Halogenid, ein zweites Halogenid und ein Edelgas umfasst, wobei das erste Halogenid Halogenide von Natrium und Scandium umfasst und das zweite Halogenid derart gewählt ist, dass das betreffende Metall als Puffergas wirkt, und in einer Menge von 1 mg/cc oder mehr in dem Innenvolumen des hermetischem Gefäßes eingeschlossen ist.
Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Ausdrücke werden nachstehend definiert, um ihre technische Bedeutung zu beschreiben, soweit sie nicht anderweitig besonders angegeben wird:
Hermetisches Gefäß ... Das in der vorliegenden Erfindung verwendete feuerfeste und transparente hermetische Gefäß ist aus einem Material geformt, welches der normalen Betriebstemperatur einer Entladungslampe voll widerstehen kann und auch in der Lage ist, das von der Entladung emittierte sichtbare Licht eines gewünschten Wellenlängenbereichs zur Außenseite hindurchtreten zu lassen. Zur Bildung des hermetischen Gefäßes kann jegliches Material eingesetzt werden, sofern die vorstehend angegebenen Erfordernisse erfüllt sind. Es ist beispielsweise möglich Quarzglas oder ein keramisches Material wie transparentes Aluminiumoxid oder YAG oder Einkristalle daraus zu verwenden.
Es ist bei der vorliegenden Erfindung möglich, auf der inneren Oberfläche des hermetischen Gefäßes einen transparenten Film auszubilden, der in der erforderlichen Weise eine Widerstandsfähigkeit gegen Halogen und Metalle aufweist. Auch ist erforderlichenfalls eine Modifizierung der inneren Oberfläche des hermetischen Gefäßes möglich.
Elektrode ... Die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung kann auf einen Betrieb entweder durch einen Wechselstrom oder einen Gleichstrom ausgelegt sein. Im Falle eines Betriebes der Lampe durch einen Wechselstrom sind die beiden Elektroden gleich ausgebildet. Wenn jedoch die Lampe durch einen Gleichstrom betrieben wird, kann die Anode, deren Temperatur im allgemeinen bedeutend erhöht ist, eine Wärmeabstrahlfläche aufweisen, die größer als diejenige der Kathode ist.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung kann entweder von der Bauweise mit kurzem Bogen oder von derjenigen mit langem Bogen sein. Die Entladungslampe der Kurzbogenbauweise ist vom Typ der sogenannten Elektrodenstabilität, bei welchem der Abstand zwischen den in dem hermetischen Gefäß angeordneten Elektroden verringert ist, so daß die Elektroden die Bogenentladung stabilisieren können. Die Lichtemission der Entladungslampe kann daher diejenigen einer Punktlichtquelle soweit wie möglich angenähert werden, so dass ein optisches System wie ein Lichtreflektor oder eine Linse das Licht wirksam sammeln kann. Eine kleine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen wird in einem Projektor eingesetzt, wie z.B. einem Flüssigkristallprojektor, oder im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges wie eines Automobils. In diesem Fall beträgt ein geeigneter Abstand zwischen den Elektroden der Metallhalogenid-Entladungslampe in der Praxis höchstens 6 mm. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden 6 mm überschreitet, wird die Lichtemission der Entladungslampe weitgehend verschieden von derjenigen einer Punktlichtquelle, was zu schlechten Fokussierungseigenschaften des optischen Systems führt. Wenn z.B. eine Entladungslampe, in der der Abstand zwischen den Elektroden 6 mm überschreitet, als Lichtquelle in einem Flüssigkristallprojektor eingesetzt wird, verringert sich die Helligkeit der Projektionswand.
Unter diesen Umständen ist eine kleine Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung als Entladungslampe definiert, in der der Abstand zwischen den Elektroden höchsten 6 mm beträgt. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen den Elektroden höchstens 5 mm betragen. Wenn darüber hinaus die Entladungslampe in einem Projektor wie einem Flüssigkristallprojektor eingesetzt wird, sollte der Abstand zwischen den Elektroden 1 bis 3 mm betragen. Der in Frage stehende Abstand stellt im übrigen den Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden dar.
Auf der anderen Seite ist eine erfindungsgemäße Metallhalogenid-Entladungslampe mit langem Bogen von der Bauweise mit sogenannter Röhrenwand stabilität, bei der der Abstand zwischen den in dem hermetischen Gefäß angeordneten Elektroden länger als der Innendurchmesser des hermetischen Gefäßes eingestellt ist, so daß die Bogenentladung durch die innere Oberfläche des hermetischen Gefäßes stabilisiert werden kann. Im allgemeinen werden Metallhalogenid-Entladungslampen mit langem Bogen weithin für Beleuchtungszwecke eingesetzt.
Entladungsmedium ... Wie vorstehend schon beschrieben, besteht das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Entladungsmedium im wesentlichen aus einem ersten Halogenid, einem zweiten Halogenid und einem Edelgas.
Das erste Halogenid ist ein Halogenid eines Metalls, welches ein gewünschtes Licht wie sichtbares Licht oder ultraviolettes Licht aussendet. Wenn ein Halogenid eines Metalls, welches effizient ein sichtbares Licht aussendet, als erstes Halogenid verwendet wird, um das sichtbare Licht zu verwenden, ist der Dampfdruck des ersten Halogenids im allgemeinen während des Betriebs der Lampe nicht notwendigerweise hoch.
Das zweite Halogenid, welches ebenfalls ein Halogenid eines Metalls ist, sollte während des Betriebs der Lampe einen relativ hohen Dampfdruck aufweisen. Das in dem zweiten Halogenid enthaltene Metall ist nicht sonderlich beschränkt, da das Metall im Vergleich mit dem in dem ersten Halogenid enthaltenen Metall nicht viel sichtbares Licht aussendet. Der Ausdruck „relativ hoher Dampfdruck" bedeutet, daß der Dampfdruck nicht so hoch wie der Dampfdruck des Quecksilbers sein muß. Vorzugsweise sollte der Dampfdruck in dem hermetischen Gefäß während des Startens der Lampe ungefähr 5 Atmosphären oder weniger betragen. Im Betrieb der Lampe sollte der Dampfdruck des zweiten Halogenids mindestens 10 mal so hoch wieder derjenige des ersten Halogenids in dem Bereich der niedrigsten Temperatur der Lampe sein. Auch sollte das in dem zweiten Halogenid enthaltene Metall weniger sichtbares Licht emittieren als das in dem ersten Halogenid enthaltene Metall. Dies bringt es mit sich, dass, obwohl das in dem zweiten Halogenid enthaltene Metall geringfügig sichtbares Licht emittieren mag, die sichtbare Lichtemission des betreffenden Metalls relativ gering ist.
Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß das von Fe oder Ni emittierte Licht Komponenten mit Wellenlängen des ultravioletten Bereichs in einem Umfang aufweist, der größer als derjenige der Komponenten mit Wellenlängen eines sichtbaren Bereichs ist. Andererseits enthält das von Ti, Al, oder Zn emittierte Licht einen großen Anteil von Komponenten mit Wellenlängen des sichtbaren Bereichs. Wenn Ti, Al, oder Zn nur zur Emission von Licht angeregt werden, wird die Energie auf das besondere Metall konzentriert, so daß es eine große Menge von sichtbarem Licht emittiert. Wenn jedoch das in dem zweiten Halogenid enthaltene Metall ein Energieniveau besitzt, welches höher als dasjenige des ersten Halogenids ist, so daß das in dem zweiten Halogenid enthaltene Metall weniger Licht ausstrahlen dürfte, wird die Energie auf die Lichtemission aus dem ersten Halogenid unter der Bedingung konzentriert, daß das erste Halogenid und das zweite Halogenid zusammen vorhanden sind, so daß die Lichtemission des in dem zweiten Halogenid enthaltenen Metalls unterdrückt wird.
Der Dampf des zweiten Halogenids funktioniert während des Betriebs der Lampe im Grunde als Puffergas, wie es bei dem in einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe eingesetzten Quecksilber der Fall ist. Tabelle 1 gibt Beispiele verschiedener bei der vorliegenden Erfindung eingesetzter zweiter Halogenide und der Temperaturen, bei denen die Dampfdrücke dieser zweiten Halogenide 1 Atmosphäre erreichen. In der Literatur befinden sich im übrigen kleine Differenzen bei den Temperaturen, bei denen die Dampfdrücke dieser zweiten Halogenide 1 Atmosphäre erreichen. Die in Tabelle 1 angegebenen Werte werden jedoch als im wesentlichen korrekt angesehen.
Tabelle 1
Fast alle in Tabelle 1 gezeigten Halogenide haben einen Dampfdruck, der niedriger als derjenige von Quecksilber ist. Auch ist der Steuerbereich der Lampenspannung enger als derjenige für Quecksilber. Der Steuerbereich der Lampenspannung kann jedoch durch Einschließen mehrerer zweiter Halogenide in Kombination in dem hermetischen Gefäß erforderlichenfalls erweitert werden. Wenn sich beispielsweise AlI₃ im Zustand unvollständiger Verdampfung befindet und eine gewünschte Lampenspannung nicht erreicht wird, bleibt die Lampenspannung unverändert, auch wenn zusätzliches AlI₃ in dem hermetischen Gefäß eingeschlossen wird.
Wenn andererseits ZnI₂ anstelle von zusätzlichem AlI₃ in dem hermetischen Gefäß eingeschlossen wird, kann die Lampenspannung angehoben werden, da die durch die Funktion von ZnI₂ erzeugte Lampenspannung zu der durch das anfänglich eingeschlossene AlI₃ produzierten Lampenspannung hinzu addiert wird. Wenn darüber hinaus ein weiteres zweites Halogenid hinzugefügt wird, kann eine noch höhere Lampenspannung erhalten werden.
Es sollte auch festgehalten werden, daß es nicht absolut notwendig ist, daß das zweite Halogen kein sichtbares Licht emittiert. Das zweite Halogen darf sichtbares Licht emittieren, wenn das Verhältnis des emittierten sichtbaren Lichts zu dem gesamten von der Entladungslampe emittierten sichtbaren Licht klein genug ist, um den Effekt hinreichend klein zu halten, d.h. den Effekt, der von dem zweiten Halogenid emittierten sichtbaren Licht erzeugt wird, im Verhältnis zu dem gesamten von der Entladungslampe emittierten sichtbaren Licht.
Es kann darüber hinaus auch ein drittes Halogenid in dem hermetischen Gefäß der vorliegenden Erfindung über das erste und zweite Halogen hinaus eingeschlossen werden, um das dritte Halogenid beispielsweise die Bogentemperaturverteilung korrigieren zu lassen und Wärmeverluste zu unterdrücken.
Halogen ... Im Hinblick auf die Reaktivität ist es äußerst wünschenswert, Jod als Halogenelement in sowohl dem ersten als auch dem zweiten Halogenid zu verwenden. Es können auch Brom, Chlor und Fluor als Halogenelement eingesetzt werden, die in der Reihenfolge ihrer Erwähnung einer starke Reaktivität zeigen. Kurz gesagt können bei der Erfindung Jod, Brom, Chlor und Fluor eingesetzt werden. Es ist auch möglich verschiedene Halogenverbindungen in Kombination einzusetzen. Beispielsweise können ein Jodid und ein Bromid zusammen verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist in dem hermetischen Gefäß auch ein Edelgas eingeschlossen, welches als Startergas und Puffergas fungiert. Es kann jegliche Art von Edelgas bei der Erfindung eingesetzt werden, soweit es nicht durch das hermetische Gefäß hindurchdringt. Es sollte in diesem Zusammenhang festgehalten werden, daß Neon dazu neigt, durch ein Quarzglas hindurchzudringen. Naturgemäß ist es wünschenswert, wenn das hermetische Gefäß aus Quarzglas hergestellt ist, Argon, Krypton oder Xenon als in dem hermetischen Gefäß eingeschlossenes Edelgas einzusetzen.
Wenn das Edelgas bei hohem Druck eingeschlossen wird, können die Anstiegseigenschaften des von der Metallhalogenid-Entladungslampe emittierten Lichtstroms verbessert werden. Gute Anstiegseigenschaften des Lichtstroms sind bei jedem Einsatzzweck der Entladungslampe wünschenswert. Sie sind jedoch besonders wichtig, wenn die Entladungslampe beispielsweise in dem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges wie eines Automobils und in einem Flüssigkristallprojektor verwendet werden.
Quecksilber ... Die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung erlaubt es, „im wesentlichen" auf den Einsatz von Quecksilber zu verzichten. Mit anderen Worten: Es wird überhaupt kein Quecksilber in dem hermetischen Gefäß eingeschlossen. Es kann jedoch akzeptiert werden, wenn Quecksilber im Inneren des hermetischen Gefäßes in einer Menge von weniger als 0,3 mg/cc des Innenvolumens des hermetischen Gefäßes zugegen ist, vorzugsweise nicht mehr als 0,2 mg/cc.
Funktion ... Wie vorstehend beschrieben, umfasst das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Entladungsmedium als erstes Halogenid ein Halogenid eines Metalls, welches zu der Emission eines gewünschten Lichtes überwiegend beiträgt, und als zweites Halogenid ein Halogenid eines Metalls, welches im Vergleich zu dem Metall in dem ersten Halogenid kaum sichtbares Licht emittiert. Bei der vorliegenden Erfindung wird das zweite Halogenid im Wesentlichen an die Stelle des in einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe benutzten Quecksilbers gesetzt. Die Lampenspannung ist demzufolge bei der vorliegenden Erfindung hauptsächlich durch die Verdampfungsmenge des zweiten Halogenids bestimmt. Auch ist der Dampfdruck des Halogenids durch die Temperatur im kältesten Bereich des hermetischen Gefäßes bestimmt.
Der Dampfdruck des zweiten Halogenids während des Betriebs, der geringer als derjenige von Quecksilber, jedoch deutlich höher als derjenige des ersten Halogenids ist, sollte mindestens ungefähr 5 Atmosphären betragen.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung erfüllt eine gewünschte Funktion ohne das Erfordernis des Einschlusses einer wesentlichen Menge Quecksilber und erlaubt das Erreichen einer Lampenspannung, die zur Erlangung der elektrischen und der Lichtemissionseigenschaften ausreicht, die im Wesentlichen denen einer konventionellen Lampe gleichen, die aber den Einschluss von Quecksilber erfordert. Der vorstehend angegebene Ausdruck „im Wesentlichen" bedeutet, dass es bei der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der erhaltenen elektrischen und Lichtemissionseigenschaften akzeptabel ist, wenn diese denjenigen des Standes der Technik innerhalb eines praktisch brauchbaren Bereichs etwas unterlegen sind. Die in Rede stehende kleine Differenz verursacht keine praktischen Probleme angesichts der Tatsache, dass es möglich ist, die Metallhalogenid-Entladungslampe dieses Typs mittels einer elektronischen Betriebseinrichtung starten zu lassen. Die Lampenspannung kann bei der vorliegenden Erfindung jedoch weiter angehoben werden, wenn erforderlichenfalls das hermetische Gefäß mit einer Wärmeisolationseinrichtung versehen ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das hermetische Gefäß im Wesentlichen ohne Quecksilbereinschluss und die Emission sichtbaren Lichts wird im Wesentlichen nur durch das in dem ersten Halogenid enthaltene Metall erreicht. Demzufolge erlaubt die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung einen guten Anstieg der Chromatizität in der Startphase. Auch wenn die Beaufschlagung der Lampe geändert wird, können Änderungen in der Farbtemperatur und in den Farbwiedergabeeigenschaften des emittierten Lichts unterdrückt werden, so dass eine Lichtsteuerung (Dimmen) möglich wird.
Es verdient auch, festgehalten zu werden, dass bei der erfindungsgemäßen Metallhalogenid-Entladungslampe die Lampeneigenschaften von Ungleichmäßigkeiten in der Größe und Gestalt der Lampen weniger beeinflusst werden, so dass die Ungleichmäßigkeit in der Farbe des emittierten Lichts unterdrückt werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung kann auch ein sofortiger Wiederstart leicht erreicht werden, da der Dampfdruck des zweiten Halogenids in fast allen Fällen deutlich niedriger als derjenige von Quecksilber ist. Demzufolge kann die Höhe der Startimpulsspannung für den Wiederstart abgesenkt werden. Als Ergebnis kann die die elektrische Durchbruchsstärke der Einschalteinrichtung, der Starteinrichung, der Verdrahtung und der Beleuchtungseinrichtung verringert werden, was zu niedrigen Herstellungskosten führt.
Darüber hinaus ist bei der vorliegenden Erfindung der Dampfdruck während des Betriebs nicht extrem hoch. Im Einzelnen ist es nicht schwierig, den in Rede stehenden Dampfdruck auf ungefähr 60 % des Wertes abzusenken, der beim Einschluss von Quecksilber erforderlich ist, wodurch es möglich wird, das hermetische Gefäß im Wesentlichen vollständig vor einem Bruch im Betrieb zu bewahren.
Die erfindungsgemäße Halogenid-Entladungslampe der Erfindung erlaubt auch eine gewisse Verbesserung der Farbwiedergabeeigenschaften auf der Basis, dass die Effizienz der Lichtemission im Wesentlichen gleich bleibt.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt die Metallhalogenid-Entladungslampe der Erfindung mit kurzem Bogen im stationären Zustand Eigenschaften, die im Wesentlichen denjenigen des Standes der Technik gleich kommen.
Darüber hinaus kann die technische Idee der vorliegenden Erfindung über einen großen Bereich der Lampenleistung angewendet werden, der zwischen einzelnen Watt und mehreren Kilowatt liegt.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung kann entweder eine einzelne Röhre aufweisen, wobei das hermetische Gefäß direkt der äußeren Atmos-phäre ausgesetzt ist, oder eine doppelte Wandung, wobei das hermetische Gefäß in eine äußere Röhre eingesetzt ist. Sowohl die Lampentypen mit einzelner Röhre als auch diejenigen mit doppelter Wandung erbringen bei der Erfindung die gewünschte Funktion und Wirkung. Wenn ferner der Innenraum der äußeren Röhre bei dem Metallhalogenid-Entladungslampentyp mit doppelter Wandung unter Vakuum gehalten wird, kann der Wärmeverlust unterdrückt werden, so dass der Wirkungsgrad der Lichtemission weiter verbessert wird.
Es sollte auch noch bemerkt werden, dass, wenn die technische Idee der vorliegenden Erfindung auf eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen angewendet wird, es wünschenswert ist, die Lampe, wie vorstehend beschrieben, so konstruiert wird, dass der Bogen verengt wird. Wenn der Bogen verengt ist, kann die Wirksamkeit der Lichtsammlung verbessert werden. Demzufolge kann eine deutliche Verbesserung der Helligkeit erzielt werden, wenn eine Lampe der besonderen Konstruktion mit kurzem Bogen beispielsweise im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges, wie eines Automobils, in Kombination mit einem Reflektor verwendet wird oder in einem optischen System mit Reflektor, wie in einer Beleuchtungseinrichung für Läden oder in einer Beleuchtungseinrichung mit optischen Fasern.
Von dem ersten Halogenid wird bei der Erfindung ein sichtbares Licht ausgesandt. Darüber hinaus werden die Metallhalogenide, die für die verschiedenartigen allgemeinen Zwecke geeignet sind, nach dem Wirkungsgrad der Lichtemission und den Farbwiedergabeeigenschaften spezifiziert. Es kann eine einzelne Verbindung oder es können mehrere Verbindungen in Kombination mit dem ersten Halogenid verwendet werden.
Das bei der Metallhalogenid-Entladungslampe vorhandene hermetische Gefäß ist im Wesentlichen frei von Quecksilber, so dass die vorliegende Erfindung ihre Funktion und Wirkung hervorbringen kann.
Das in der Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung verwendete Entladungsmedium kann ein Cäsiumhalogenid enthalten. Wenn in dem hermetischen Gefäß ein Cäsiumhalogenid eingeschlossen wird, wird die Temperaturverteilung des Bogens abgeflacht, so dass der Temperaturgradient verkleinert wird, wie im Fall des Einschlusses von Quecksilber, mit dem Ergebnis, dass der Wärmeverlust in der lichtemittierenden Röhre verringert ist. Es folgt, dass der Wirkungsgrad der Lichtemission auf ein Niveau angehoben wird, welches nah an dem Fall des Einschlusses von Quecksilber liegt, verglichen mit dem Fall, dass kein Cäsiumhalogenid eingeschlossen ist.
Mehr im Einzelnen hat das durch Zersetzung des Cäsiumhalogenids im Bogen erzeugte Cäsium eine niedrige Ionisierungsspannung und neigt daher dazu, ionisiert zu werden und ein Elektron sogar in dem mittleren Temperaturbereich des Bogens freizugeben, welcher ein Bereich relativ niedriger Temperatur des Bogens ist. Daraus folgt, dass die Anwesenheit von Cäsium im Bogen die Elektronenkonzentration im mittleren Temperaturbereich des Bogens ansteigen lässt.
Es ist zu bemerken, dass die elektrische Leitfähigkeit σ proportional zur Elektronendichte ist. Da der Energieeintrag in eine bestimmte Temperaturregion durch σ × E² gegeben ist, worin E die elektrische Feldstärke darstellt, steigt die Eingangsenergie mit der elektrischen Leitfähigkeit σ an, d. h. mit dem Anstieg der Elektronendichte. Als Folge wird, wenn ein Cäsiumhalogenid in dem hermetischen Gefäß eingeschlossen ist, der Energieeintrag in dem Bereich mittlerer Temperatur gesteigert, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur in dem Bereich mittlerer Temperatur des Bogens angehoben wird.
Andererseits, da der gesamte Energieeintrag der Metallhalogenid-Entladungslampe konstant ist, wird die Temperatur in dem Bereich hoher Temperatur des Bogens relativ gesehen abgesenkt, wie aus der Energiebilanz hervorgeht. Die Temperaturverteilung des Bogens wird demzufolge abgeflacht, so dass der Temperaturgradient beim Einschluss eines Cäsiumhalogenids wie im Fall des Einschlusses von Quecksilber verringert ist.
Andererseits emittiert bei einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe, in der Quecksilber eingeschlossen ist, dieses Quecksilber ebenfalls Licht. Der Lichtemissionswirkungsgrad des Quecksilbers selbst ist jedoch nicht hinreichend hoch, wie vorstehend schon ausgeführt wurde. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch ist das hermetische Gefäß im Wesentlichen frei von Quecksilber. Ein Metall mit einem Licht-emissionswirkungsgrad höher als denjenigen von Quecksilber, z. B. Scandium oder Natrium, wird in dem hermetischen Gefäß eingeschlossen und liefert eine Metallhalo-genid-Entladungslampe, die einen hohen Wirkungsgrad der Lichtemission zeigt.
Der Verzicht auf Quecksilber bringt eine Funktion und eine Wirkung hervor, die denjenigen ähneln, die durch eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.
Eine Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein äußeres Röhrengehäuse für die lichtemittierende Röhre und Wärmeisolationsmittel für Unterdrückung des Verlustes an Wärme umfassen, die von der lichtemittierenden Röhre zusätzlich zu der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt wird. Da der Wärmeverlust der lichtemittierenden Röhre durch die Wärmeisolationsmittel unterdrückt wird, wird der Wirkungsgrad der Lichtemission der Metallhalogenid-Entladungslampe verbessert. Die Wärmeisolationsmittel können beliebig ausgebildet sein, solange sie den Verlust der von der lichtemittierenden Röhre erzeugten Wärme hintanhalten können. Beispielsweise können die Wärmeisolationsmittel in der folgenden Weise konstruiert sein.
Der innere Raum der äußeren Röhre wird unter Vakuum gehalten, so dass Konvektion und Leitung der von der lichtemittierenden Röhre erzeugten Wärme unterdrückt werden. Der Wärmeverlust wird also niedrig gehalten, um das Entladungsmedium warmzuhalten. Die wärmeisolierenden Mittel können jegliche gewünschte spezifische Ausbildung und Gestalt aufweisen. Außerdem können zur Ausbildung der wärmeisolierenden Mittel jegliche gewünschte Materialien eingesetzt werden. Bei der vorliegenden Erfindung soll der Innenraum der äußeren Röhre auf einem Vakuum gehalten werden. Im Einzelnen soll der Innendruck der äußeren Röhre höchstens 1,33 × 10³ Pa betragen.
Bei der Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung sollte ein Film verwendet werden, der Wärmestrahlen reflektiert, jedoch sichtbares Licht durchlässt. Der Film reflektiert die Wärmestrahlen, die von der lichtemittierenden Röhre nach außen ausgehen, zurück in die lichtemittierende Röhre, lässt aber das sichtbare Licht durch. Die Verwendung dieses besonderen Films erlaubt eine Verringerung des mit der Strahlung einhergehenden Wärmeverlustes und hält das Entladungsmedium warm. Der wärmereflektierende, das sichtbare Licht durchlassene Film kann auf der inneren und äußeren Oberfläche eines zylindrischen Körpers aus Quarzglas ausgebildet sein, der zwischen der lichtemittierenden Röhre und der äußeren Röhre angeordnet ist. Der Film kann auch auf der inneren und/oder äußeren Oberfläche der äußeren Röhre und auf der äußeren Oberfläche der lichtemittierenden Röhre angeordnet sein.
Es bedarf keines Hinweises, dass die vorstehend beschriebenen besonderen Mittel auch in geeigneter Weise in Kombination eingesetzt werden können.
Da die erfindungsgemäße Entladungslampe Wärmeisolationsmittel zur Unterdrückung des Verlustes von der lichtemittierenden Röhre erzeugter Wärme aufwei sen kann, kann der Verlust an Wärme, die durch die Entladung in der lichtemittierenden Röhre erzeugt wird, unterdrückt werden, so dass der Wärmeverlust der lichtemittierenden Röhre verringert ist. Daraus folgt, dass der Wirkungsgrad der Lichtemission verbessert ist.
Das hermetische Gefäß, welches gemäß der vorliegenden Erfindung zu der Metallhalogenid-Entladungslampe gehört, ist im Wesentlichen frei von Quecksilber, so dass es möglich wird, eine Funktion und eine Wirkung ähnlich derjenigen zu erhalten, die durch die Erfindung in ihrem ersten Aspekt erzeugt werden.
Wenn die konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe mit eingeschlossenem Quecksilber durch einen Gleichstrom betrieben wird, wird das lichtemittierende Metall, z.B. Natrium oder Scandium, positiv ionisiert und auf diese Weise gegen die Kathode hinbewegt, so dass die Konzentration des lichtemittierenden Metalls auf der Anodenseite niedriger wird als auf der Kathodenseite. Es wird auch etwas Quecksilber gegen die Kathode hinbewegt. Da jedoch Quecksilber ursprünglich in einer überwiegenden Menge eingeschlossen war, ist noch eine hinreichend große Menge auch auf der Anodenseite vorhanden. Als Ergebnis wird die Lichtemission des lichtemittierenden Metalls auf der Anodenseite merklich abgeschwächt, so dass das Licht auf der Anodenseite hauptsächlich von dem Quecksilber emittiert wird, obwohl eine hinreichend große Menge von Lichtemission aus dem lichtemittierenden Metall auf der Kathodenseite erhalten werden kann. Daraus ergibt sich, dass eine merkliche Farbseparation zwischen den beiden Elektroden zustande kommt, die die Entladungslampe für praktische Zwecke ungeeignet macht. Wenn Farbseparation zu vermeiden ist, wird eine Metallhalogenid-Entladungslampe, die den Einschluss von Quecksilber erfordert, nur für den Fall eingesetzt, dass die Entladungslampe durch einen Wechselstrom betrieben wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch der Unterschied in der Farbtemperatur zwischen den Elektroden klein, so dass die Entladungslampe in der Praxis einsetzbar ist, obwohl das Quecksilber im Wesentlichen durch das zweite Halogenid er setzt ist und die Entladungslampe durch einen Gleichstrom betrieben wird. Es sollte in diesem Zusammenhang vermerkt werden, dass, da das zweite Halogenid kaum sichtbares Licht emittiert, bei der vorliegenden Erfindung das in dem ersten Halogenid enthaltene Metall sogar auf der Anodenseite Licht hoher Intensität emittiert, so dass nur eine kleine Differenz in der Farbtemperatur zwischen den beiden Elektroden entsteht.
Es ist ferner daraufhin zuweisen, dass in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges wie eines Automobils oder in einer Lampe für Flüssigkristallprojektion eine elektronische Einrichtung für den Start und den Betrieb einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Metallhalogenid-Entladungslampe eingesetzt wird. Wenn ein Wechselstrom zum Betrieb der Entladungslampe verwendet wird, wird im allgemeinen ein Gleichstrom aus einer Batterie oder ein Gleichstrom, der durch Gleichrichtung eines Wechselstroms oder einer Netzfrequenz erhalten wurde, in einen hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt und dann der Metallhalogenid-Entladungslampe zugeführt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Metallhalogenid-Entladungslampe so ausgelegt, dass sie für den Betrieb mit einem Gleichstrom geeignet ist, so dass es unnötig wird, den Gleichstrom in einen hochfrequenten Wechselstrom umzuwandeln. Dies vereinfacht die Auslegung des elektronischen Schaltkreises zum Betrieb der Entladungslampe, so dass dieser klein, leicht und billig in der Herstellung wird.
Eine Metallhalogenid-Entladungslampe, die in einem Frontscheinwerfer mit einer Leistung von höchstens 100 W eingesetzt wird, weist das Merkmal auf, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden gering und die Belastung der Röhrenwandung der Entladungslampe hoch ist. Bei einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe mit eingeschlossenem Quecksilber ist ein hoher Quecksilberdampfdruck von mindestens 20 Atmosphären erforderlich, um die gewünschte Lampenspannung aufrecht zuhalten, wie vorstehend beschrieben. Als Ergebnis neigt das hermetische Behältnis dazu, relativ leicht zu brechen.
Es ist auch notwendig, Xenon unter hohem Druck einzuschließen, um die Anstiegseigenschaften des Lichtstroms zu verbessern. Insbesondere kann der Xenondruck während des Betriebs etwa 35 Atmosphären hoch sein. Es folgt, dass, um den Start durch Aufbrechen des Startergases zustande zubringen, ein Startimpuls hoher Spannung und Leistung aufgebracht werden muss. Da eine höhere Spannung des Startimpulses für einen sofortigen Start notwendig ist, muss die dielektrische Durchbruchsstärke des Startschaltkreises, der Beleuchtungseinrichtung und der Verdrahtung erhöht werden, um eine Anpassung an die hohe Spannung des Startimpulses zu erzielen, was zu hohen Herstellungskosten führt.
Wie vorstehend beschrieben ist es sicherlich möglich, das Problem im Zusammenhang mit den Anstiegseigenschaften des Lichtstroms durch Einschluss von Xenon unter hohem Druck zu lösen, indem ein Startimpuls hoher Spannung angebracht und ein großer Strom unmittelbar nach dem Start aufgebracht wird, dem eine allmähliche Absenkung der Stromzufuhr folgt. Die konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe bleibt jedoch wenig zufriedenstellend hinsichtlich der Anstiegseigenschaften der Chromatizität. Genauer gesagt emittiert Xenon das Licht zuerst und dann emittiert Quecksilber Licht. Die Lichtemission des Quecksilbers hält für 10 bis 20 Sekunden an. Das von dem Quecksilber emittierte Licht besitzt schwache Farbwiedergabeeigenschaften, die nicht in einem Bereich weißer Farbe gleichmäßig werden.
Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird Quecksilber nicht in dem hermetischen Behältnis eingeschlossen, so dass der Innendruck des hermetischen Gefäßes auf ungefähr 60 % des üblichen Niveaus abgesenkt werden kann. Es ist also deswegen möglich, die dem Stand der Technik im Hinblick auf den Bruch des hermetischen Behältnisses und der Spannung des Startimpulses innewohnenden Probleme deutlich zu verringern.
Das erste Halogenid auf ein Halogenid mindestens eines Metalls aus der Gruppe bestehend aus Natrium und Scandium beschränkt. Die besondere Beschränkung wirkt sich dahin aus, dass eine Emission weißen Lichts mit sehr hohem Wirkungsgrad der Lichtemission erhalten wird, wie es für einen Frontscheinwerter erforderlich ist.
Daraus ergibt sich, dass eine Metallhalogenid-Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung durchaus geeignet für den Einsatz im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges ist. Das zweite in der Metallhalogenid-Entladungslampe nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte Halogenid beschränkt auf ein Halogenid mit mindestens einem Metall aus der Gruppe bestehend aus Magnesium, Eisen, Kobalt, Chrom, Zink, Nickel, Mangan, Aluminium, Antimon, Beryllium, Rhenium, Gallium, Titan, Zirkon und Hafnium. Mit anderen Worten: die Metalle, die zur Bildung des zweiten Halogenids geeignet sind wirken als Puffergas.
Es sollte in diesem Zusammenhang festgehalten werden, dass die spezifizierten Metallhalogenide am geeignetsten als Hauptkomponente des zweiten Halogenids sind. Eine weiter verbesserte Lampenspannung kann erhalten werden, wenn ein Halogenid mindestens eines Metalls aus der Gruppe Magnesium, Kobalt, Chrom, Nickel, Antimon, Beryllium, Rhenium, Titan, Zirkon und Hafnium als Hilfskomponente des zweiten Halogenids zusammen mit der spezifizierten Hauptkomponente verwendet wird.
Das zweite in der Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossene Halogenid ist in einer Menge von 1 mg/cc des Innenvolumens des hermetischen Behältnisses oder mehr einzuschließen, insbesondere in einer Menge von 1 bis 200 mg/cc des Innenvolumens des hermetischen Gefäßes. Hierbei ist der Fall umfasst, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe in einem Frontscheinwerter eines Fahrzeuges eingesetzt wird.
Das in dem hermetischen Behältnis der Metallhalogenid-Entladungslampe einzuschließende Edelgas ist Xe unter einem Druck von mindestens einer Atmosphäre. Es soll den Druck des in dem hermetischen Behältnis eingeschlossenen Edelgases erhöhen, um die Anstiegseigenschaften des Lichtstroms zu verbessern. Die guten Anstiegseigenschaften des Lichtstroms, die für jeden Einsatz der Entladungslampe wünschenswert sind, sind besonders anzustreben, wenn die Entladungslampe in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Es ist der Einsatz einer kleinen Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen wünschenswert, wenn die Entladungslampe in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges verwendet werden soll.
Das in dem hermetischen Behältnis der Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossene Edelgas kann bei einem Druck von 1 bis 15 Atmosphären eingeschlossen werden. Dies gilt für einen Einschließdruck des Edelgases, der für den Fall geeignet ist, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges eingesetzt wird.
Das hermetische Behältnis der Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung kann einen Innendurchmesser von 3 bis 10 mm und einen Außendurchmesser von 5 bis 13 mm aufweisen. Diese Größe des hermetischen Behältnisses ist für den Fall geeignet, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe in dem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges eingesetzt wird.
Der Abstand zwischen den beiden in dem hermetischen Behältnis montierten Elektroden der Metallhalogenid-Entladungslampe soll weniger als 6 mm betragen. Dieser Abstand ist für den Fall geeignet, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges verwendet wird. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden 6 mm überschreitet, arbeitet die Entladungslampe nicht mehr als Punktlichtquelle, was zu einem niedrigen Sammeleffekt für das Licht führt. Der Abstand zwischen den Elektroden sollte bevorzugt in einen Bereich zwischen 1 und 5 mm fallen.
Nach der vorliegenden Erfindung kann die Metallhalogenid-Entladungslampe so ausgelegt sein, dass sie durch einen Gleichstrom betrieben wird, um die Beleuchtungseinrichtung zu miniaturisieren, wenn die Entladungslampe im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges eingesetzt wird und um die Herstellungskosten der Entladungslampe zu senken. Im Allgemeinen ist eine Batterie als Leistungsquelle in einem Fahrzeug wie einem Automobil angebracht. Der Einsatz einer Betriebseinrichtung unter Verwendung eines Gleichstroms erlaubt daher eine Vereinfachung der Schaltung, verglichen mit dem Fall, in dem ein Gleichstrom zunächst in einen Wechselstrom umgewandelt und dann der Metallhalogenid-Entladungslampe zum Betrieb derselben zugeführt wird. Der besondere Effekt ist auch in dem Fall gegeben, in welchem Steuermittel wie ein spannungssteigernder Zerhacker oder ein spannungssenkender Zerhacker zu Steuerung der Gleichstromleistung und Erlangung einer gewünschten Spannung eingesetzt wird, weil die besondere Steuerung erforderlichenfalls sogar im Fall der Verwendung von Wechselspannungsleistung zum Starten der Entladungslampe eingesetzt wird. In der vorliegenden Erfindung ist in dem hermetischen Behältnis kein Quecksilber eingeschlossen, so dass das Farbseparationsproblem in der Praxis nicht beachtet werden muss. Es ist daher möglich, zum Betrieb der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung einen Gleichstrom einzusetzen.
Das Entladungsmedium in der Metallhalogenid-Entladungslampe kann ein Cäsiumhalogenid enthalten. Das Cäsiumhalogenid in dem hermetischen Behältnis der Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossen, wenn diese in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges verwendet wird, um den Bogengradient abzuflachen und so den Wirkungsgrad der Lichtemission zu verbessern. Der Wirkungsgrad der Lichtemission dieser Entladungslampe ist höher als derjenige einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe mit eingeschlossenem Quecksilber.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe kann eine äußere Röhre umfassen, in der das hermetische Behältnis eingehaust ist. Der Innenraum kann unter Vakuum gehalten werden. Das hermetische Behältnis der Metallhalogenid-Entladungslampe kann, wenn diese im Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges eingesetzt wird, in der äußeren Röhre eingehaust sein, deren Innenraum unter Vakuum steht, so dass der Wirkungsgrad der Lichtemission der Entladungslampe höher wird als derjenige einer konventionellen Entladungslampe mit darin eingeschlossenem Quecksilber.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe kann weiterhin auch Mittel zur Entfernung ultravioletten Lichtes umfassen, die es gestatten ultraviolettes Licht „im Wesentlichen" aus dem an die Außenseite gelangenden Licht zu entfernen. Der Ausdruck Entfernung „im Wesentlichen" bedeutet, dass das ultraviolette Licht bis auf ein praktisch zulässiges Niveau entfernt wird. Mit anderen Worten: Die Entfernung im Wesentlichen beinhaltet nicht notwendig, dass 100 % des ultravioletten Lichtes entfernt werden.
Die Mittel zur Entfernung des ultravioletten Lichtes können jegliche Ausgestaltung aufweisen, so lange das ultraviolette Licht im wesentlichen entfernt wird. Die lichtemittierende Röhre kann beispielsweise in einer äußeren Röhre eingehaust sein, die aus einem Glasmaterial einer solchen Zusammensetzung hergestellt ist, dass es das ultraviolette Licht entfernen kann. Die äußere Röhre kann mit der Außenatmosphäre in Verbindung stehen. Alternativ kann die äußere Röhre hermetisch und ihr Innenraum auf einem Vakuum gehalten sein.
Es ist auch möglich, die Funktion der Entfernung des ultravioletten Lichtes der inneren Oberfläche der lichtemittierenden Röhre oder der lichtemittierenden Röhre selbst zuzuweisen. Im Einzelnen kann die Abschirmfunktion für ultraviolettes Licht dadurch herbeigeführt werden, dass die Materialtextur der inneren oder äußeren Oberfläche der lichtemittierenden Röhre in eine Abschirmtextur für ultraviolettes Licht umgewandelt wird oder indem ein transparenter Film ausgebildet wird, der das ultraviolette Licht auf der inneren oder äußeren Oberfläche der lichtemittierenden Röhre abschirmen kann. Es kann auch ein Paar von Abschirmzylindern für ultraviolettes Licht außenseitig der lichtemittierenden Röhre angeordnet werden.
Da das auf die Außenseite gelangende ultraviolette Licht bei der Erfindung im wesentlichen entfernt wird, wird der Frontscheinwerfer davor bewahrt, durch das ultraviolette Licht geschädigt zu werden. Auch wird das menschliche Auge vor einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht bewahrt. Schließlich wird bei Verwendung einer äußeren Röhre das hermetische Behältnis durch die äußere Röhre mechanisch geschützt.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit folgenden Merkmalen gegeben:
eine im wesentlichen quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen nach Anspruch 1 für einen Scheinwerfer; und
eine elektronische Betriebsschaltung, die die im wesentliche quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen mit Strom versorgt.
In diesem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe definiert, die die Anstiegseigenschaften des Lichtstroms erfüllt, die für den Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges erforderlich sind. Der Betriebsschaltkreis kann entweder durch einen Wechselstrom oder durch einen Gleichstrom betrieben werden. Die Betriebsschaltung kann jede beliebige Konstruktion aufweisen, solange die vorstehend angegebenen Erfordernisse erfüllt sind.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Scheinwerfer mit folgenden Merkmalen angeben:
ein Gehäuse des Scheinwerfers mit einem Reflektor; und
eine im wesentlichen quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen nach Anspruch 1 oder 2, die so angeordnet ist, dass das emittierte Licht in dem Reflektor des Gehäuses des Scheinwerfers geleitet wird; und eine elektronische Betriebsschaltung, die die Metallhalogenid-Entladungslampe mit Strom versorgt.
Um es noch einmal zu wiederholen: Die erfindungsgemäße Metallhalogenid-Entladungslampe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Halogenid eines Metalls, welches verglichen mit einem lichtemittierenden Metall, kaum sichtbares Licht ausstrahlt, in dem hermetischen Behältnis anstelle von Quecksilber eingeschlossen ist. Das besondere Metallhalogenid wird unter einem hohen Dampfdruck zusammen mit dem Halogen eines lichtemittierenden Metalls eingeschlossen. Die besondere Auslegung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine Metallhalogenid-Entladungslampe anzugeben, die elektrische und Lichtemissionseigenschaften an den Tag legt, die im wesentlichen denjenigen konventioneller Metallhalogenid-Entladungslampen gleicht, bei denen Quecksilber eingeschlossen ist.
Die vorliegenden Erfindung gibt auch eine Metallhalogenid-Entladungslampe an, die mindestens einen der nachstehenden Effekte a) bis e) hervorbringt:

a) Gute spektrale Anstiegseigenschaften beim Start.
b) Möglichkeit der Lichtsteuerung (Dimmen).
c) Geringe Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften.
d) Leichter sofortiger Wiederstart.
e) Hoher Widerstand gegen Bruch des hermetischen Behältnisses.

Die Erfindung geht mehr im Einzelnen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
1 ist eine schematische Darstellung der Lampenspannung in einer Metallhalogenid-Entladungslampe;
2 ist ein Diagramm der Spektralverteilung der Emission einer konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für Lichtprojektion;
3 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine schematische Darstellung des optischen Systems eines RGB Flüssigkristall-Lichtprojektors mit Farbseparation;
5 ist ein Diagramm der Bogentemperaturverteilung für eine Lampe 2 (vorliegende Erfindung) und eine Lampe 1 (Stand der Technik), wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind;
6 ist ein Querschnitt einer Lampe für einen Flüssigkristallprojektor, welche eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einen mit der Entladungslampe integral ausgebildeten Reflektor umfasst;
7 ist eine schematische Ansicht eines Flüssigkristallprojektors, bei welchem die Lampe nach 6 als Beleuchtungseinrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist;
8 ist ein Querschnitt einer Metallhalogenid-Entladungslampe nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Einschließdruck des Xenon und der Anstiegszeit des Lichtstroms in der Metallhalogenid-Entladungslampe nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der eingeschlossenen Menge von als zweites Halogenid verwendetem FeJ₂ und der Lampenspannung in der Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine perspektivische Ansicht eines Frontscheinwerfers, wie er in einem Fahrzeug, wie einem Automobil als Beleuchtungseinrichtung verwendet wird, entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
13 ist ein Chromatizitätsdiagramm, welches die Änderungen in der Chromatizität der Entladungslampe 2 (vorliegenden Erfindung) und der konventionellen Entladungslampe 1 in der Tabelle 18 in der noch zu beschreibenden Ausführungsform 16 erkennen lässt;
14 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ist ein Chromatizitätsdiagramm, welches die Anstiegseigenschaften der Spektraleigenschaften der Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik erkennen lässt;
16 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Einschließdruck des Edelgases und der Anstiegszeit des Lichtstroms, die für die Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der Erfindung gemäß 14 gilt;
17 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der eingeschlossenen Menge (mg/cc) von ZnI₂, welches als zweites Halogenid verwendet wird, und der Lampenspannung, was der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, wie sie in 14 dargestellt ist;
18 ist eine Schaltung der Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ist eine Schaltung der Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
20 ist eine schematische Darstellung eines Frontscheinwerfers eines Fahrzeugs als dritte Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
21 ist eine schematische Darstellung des Lichtverteilerteils in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs als dritte Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
22 ist eine schematische Darstellung einer Deckenbeleuchtung als vierte Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung.
Es werden nunmehr einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1:
3 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst die Entladungslampe ein hermetisches Behältnis 1, ein Paar von Elektroden 2, Metallfolien 3 für die Abdichtung und äußere Zuführdrähte 4. Die Metallhalogenid-Entladungslampe dieser Ausführungsform entspricht dem Typus mit kurzem Bogen.
Das hermetische Behältnis 1 wird hergestellt, indem unter Hitze ein Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 14 mm gedreht wird, so dass ein Kolben mit elliptischem Querschnitt entsteht. Ein Paar schlanker angeschmolzener Abdichtteile 1a, 1a ist einstückig mit den Enden in Richtung der längeren Achse des elliptischen hermetischen Behältnisses 1 verbunden.
Die Elektrode 2 umfasst einen Elektrodenschaft 2a und eine Elektrodenwicklung 2b. Der Spitzenteil des Elektrodenschaftes 2a steht etwas nach Innen vor, und es ist die Elektrodenwicklung 2b um den vorstehenden Spitzenteil des Elektrodenschaftes 2a herumgewickelt. Das außengelegene Ende des Elektrodenschaftes 2a ist mit einem Ende der abgedichteten Metallfolie 3 in dem Abdichtteil 1 verschweißt. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den Spitzen der Elektroden 2 4 mm. Die abgedichtete Metallfolie 3 besteht aus Molybdänfolie, die in dem Abdichtteil 1 hermetisch eingesiegelt ist, und es ist der äußere Zuführdraht 4 mit dem anderen Ende der Metall(Molybdän)folie 3 verschweißt.
In dem hermetischen Behältnis 1 ist ein Entladungsmedium dicht eingeschlossen, welches aus einem Edelgas, einem ersten Halogenid und einem zweiten Halogenid besteht. Im Einzelnen war Argon als Edelgas bei einem Druck von 6,65 × 10⁴ Pa eingeschlossen. Als erstes Halogenid war Disprosiumjodid (DyI₃) in einer Menge von 1 mg zusammen mit 1 mg Neodymjodid (NdI₃) eingeschlossen. Darüber hinaus waren noch 8 mg jedes der in Tabelle 2 wiedergegebenen Halogene als zweites Halogenid eingeschlossen.
Die Lampenspannung, der Wirkungsgrad der Lichtemission und die Farbtemperatur wurden bei einer konstanten Eingangsleistung von 150 W an Metallhalogenid-Entladungslampen mit kurzem Bogen gemessen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 2 dargestellt sind. Die Daten des Standes der Technik, der mit der Metallhalogenid-Entladungslampe der Erfindung übereinstimmte, mit Ausnahme des Umstandes, dass anstelle des zweiten Halogenids 13 mg Quecksilber dicht eingeschlossen waren, sind ebenfalls in Tabelle 2 wiedergegeben. Tabelle 2

Bemerkung: * Stand der Technik

Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, zeigte jede der Metallhalogenid-Entladungslampen der vorliegenden Erfindung eine Lampenspannung oberhalb 50 V und es wurde gefunden, dass sie der konventionellen Metallhalogenid-Entladungslampe (Probe Nr. 1) in dem Wirkungsgrad der Lichtemission und der Farbtemperatur im wesentlichen gleichwertig waren.
Es wurde sodann das Verhältnis der Projektionsschirmhelligkeit gemessen, indem jede der in Tabelle 2 wiedergegebenen Metallhalogenid-Entladungslampen in Kombination mit dem optischen System eines RGB Flüssigkristallprojektors mit Farbseparation gemäß 4 gemessen wurde, wobei die Ergebnisse in Tabelle 2 wiedergeben sind. Wie aus 4 ersichtlich ist, umfasst das optische System eine Metallhalogenid-Entladungslampe 5, die derjenigen in 3 gleich ist, einen Reflektor 6, einen Begrenzungsfilter 7 für ultraviolettes und infrarotes Licht, dichroitische Spiegel 8a, 8b für die Farbseparation, Flüssigkristallschirme 9_B , 9_G , 9_R , Spiegel 10a, 10b, Farbzusammenfügungsspiegel 11a, 11b und eine Projektionslinse 12. Die Großen Buchstaben B, G, R in 4 stellen die blaue optische Achse, die grüne optische Achse bzw. die rote optische Achse dar. Die Flüssigkristallschirme 9_B , 9_G und 9_R werden durch Bildsignale von blau, grün bzw. rot betrieben. Tabelle 2 zeigt, dass die Bildschirmhelligkeit für die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung ungefähr 1,4 mal so hoch wie diejenige des Standes der Technik war.
Ferner wurde die Temperaturverteilung bei der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung (Probe Nr. 2) und der konventionellen Entladungslampe (Probe Nr. 1) gemessen, wobei die Resultate in 5 wiedergegeben sind. Im Einzelnen ist 5 ein Diagramm, welches die Bogentemperaturverteilung für die Proben Nr. 1 (Stand der Technik) und Nr. 2 (vorliegenden Erfindung) wiedergibt. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Position in der Radialrichtung des hermetischen Behältnisses in einem Querschnitt wiedergegeben, der senkrecht zur Achse des hermetischen Behältnisses ist und durch die Mitte zwischen den beiden Elektroden verläuft. Andererseits ist auf der Ordinate des Diagramms die Bogentemperatur aufgetragen (absolute Temperatur K). Die Kurve A in 5 bezeichnet die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung (Probe Nr. 2), während die Kurve B die konventionelle Entladungslampe (Probe Nr. 1) wiedergibt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist der Bogen in der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung (Kurve A) enger.
Es wurden auch die Farbtemperaturen der Probe Nr. 2 und 3 (vorliegende Erfindung) und der Probe Nr. 1 (Stand der Technik) der Entladungslampen gemessen, wobei die Fälle erfasst wurden, in denen diese Entladungslampen unter Eingangsleistungen von 70 W, 90 W, 110 W und 130 W gestartet wurden und die Ergebnisse in Tabelle 3 wiedergegeben sind: Tabelle 3
Wie vorstehend beschrieben, ist bei einer Absenkung der Eingangsleistung bei der Entladungslampe des Standes der Technik (Probe Nr. 1) die Lichtemission von dem Quecksilber relativ vorherrschend, was zu einer deutlichen Verringerung der Farbtemperatur führt.
Bei den Entladungslampen der vorliegenden Erfindung (Proben Nr. 2 und 3) jedoch ist das hermetische Behältnis im Wesentlichen frei von Quecksilber. Auch ist die Emission sichtbaren Lichtes des zweiten Halogenids gering. Daraus folgt, dass das Licht hauptsächlich von dem lichtemittierenden Metall in dem ersten Halogenid emittiert wird, auch wenn die Eingangsleistung abgesenkt wird. Die Farbtemperatur ist etwas verringert, weil der Dampfdruck des lichtemittierenden Metalls mit fallender Eingangsleistung abgesenkt wird.
In den vorstehend beschriebenen Versuchen wurde die Eingangsleistung von 150 W (siehe Tabelle 2) auf 70 W (siehe Tabelle 3) erniedrigt. Hierbei wurde die Farbtemperatur um 2190 K verändert; die Veränderung in der Farbtemperatur bei den Entladungslampen der vorliegenden Erfindung war hingegen höchstens 500 K.
Es wurde auch der Wiederstart untersucht, wobei die Ergebnisse in Tabelle 4 dargestellt sind: Tabelle 4

Bemerkung: * Stand der Technik

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, ist die Wiederstartspannung in der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung niedrig. Dies beruht darauf, dass der Dampfdruck des zweiten Halogenids während der Startphase niedriger als derjenige von Quecksilber ist. Mehr im Einzelnen ist der Dampfdruck des zweiten Halogens beispielsweise in der Probe Nr. 3 der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung 0,6 Atmosphären, und es sind die Dampfdrücke der anderen zweiten Halogenide höchstens 5 Atmosphären. In der Probe Nr. 1 nach dem Stand der Technik, jedoch beträgt der Dampfdruck des Quecksilbers 28 Atmosphären, was zu der hohen Wiederstartspannung gemäß Tabelle 4 führt.
6 ist eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Entladungslampe für einen Projektor, die eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einen Reflektor umfasst, der mit der Entladungslampe einstückig ist. Die in den 3 und 6 gleichen Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Teile, und es wird daher eine Bezugnahme darauf in der folgenden Beschreibung weggelassen. In der Ausführungsform nach 6 sind eine Metallhalogenid-Entladungslampe 5 gleich der Entladungslampe in 3 und ein Reflektor 6 einstückig. Die Bezugszahl 5b in 6 stellt einen wärmeisolierenden Film auf der Außenseite des hermetischen Behältnisses 1 der Metallhalogenid-Entladungslampe 5 dar, wobei das hermetische Behältnis 1 die Elektrode auf der Seite der lichtprojizierenden Öffnung des Reflektors 6 umgibt.
Der Reflektor 6, der aus einer gebogenen Glasplatte mit einem parabolischen Querschnitt gebildet ist, umfasst einen Reflektorhauptkörper 6b und einen Halsteil 6a, der im Scheitel der parabolischen Konfiguration angeordnet ist. Ein mehrschichtiger Interterenz-Reflektionsfilm 6c, der das sichtbare Licht reflektiert und Infrarotlicht hindurchlässt, ist auf der inneren Oberfläche des Reflektorhauptkörpers 6b ausgebildet. Außerdem ist ein durchgehendes Loch 6d in dem Reflektorhauptkörper 6b ausgebildet.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe 5 umfasst einen Sockel 5a, die in den Halsteil 6a des Reflektors 6 eingepaßt und durch einen Sockelzement 7 festgelegt ist. Ein Leistungszuführdraht 8 ist zur Rückseite des Reflektors 6 durch das durchgehende Loch 6d des Reflektors 6 hindurchgeführt.
Die Bezugszahl 9 stellt die elektronische Betriebseinrichtung dar, die zur Zufuhr von elektrischer Leistung einer gewünschten Spannung und eines gewünschten Lampenstroms zu der Metallhalogenid-Entladungslampe 5 dient.
Ausführungsform 2:
7 zeigt schematisch einen Flüssigkristallprojektor als erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung. Die in 6 dargestellte Entladungslampe wird in dem Flüssigkristallprojektor nach 7 verwendet. Die in den 6 und 7 gemeinsam vorkommenden Bezugszahlen stellen die gleichen Teile des Projektors dar, und es wird daher eine Bezugnahme darauf in der folgenden Beschreibung weggelassen.
Wie in der Zeichnung dargestellt ist, umfasst der Flüssigkristallprojektor ein Flüssigkristalldisplay 11, eine Bildsteuereinrichtung 12, ein optisches System 13, ein Gehäuse 14 und einen Projektionsschirm 15. Das Flüssigkristalldisplay 11 dient zur Darstellung des Bildes unter Verwendung eines Flüssigkristallmaterials. Mehr im Einzelnen wird das Flüssigkristalldisplay 11 mit Licht bestrahlt, welches hinter dem Display 11 durch die Metallhalogenid-Entladungslampe 5 emittiert wird, die Bestandteil der Metallhalogenid-Entladungslampeneinrichtung ist. Das Licht wird durch den Reflektor 6 gesammelt. Die Bildsteuerung 12 dient zum Betrieb und zur Steuerung des Flüssigkristalldisplays 11. Kurz gesagt führt die Bildsteuerung 12 auch die Funktion eines Fernsehempfängers aus. Das Flüssigkristalldisplay 11 und die Bildsteuerung 12 sind in dem Gehäuse 14 untergebracht. Das optische System 13 dient zur Projektion des durch das Flüssigkristalldisplay hindurchtretenden Lichtes auf den Schirm 15.
Ausführungsform 3:
8 ist ein Längsschnitt oder eine Vorderansicht, die eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in den 3 und 8 gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Teile der Entladungslampe, und es wird eine Bezugnahme darauf in der nachfolgenden Beschreibung weggelassen.
Die Metallhalogenid-Entladungslampe der zweiten Ausführungsform ist ebenfalls von dem Typus mit kurzem Bogen und unterscheidet sich von der Entladungslampe der ersten Ausführungsform dadurch, dass in der zweiten Ausführungsform das Innenvolumen des hermetischen Behältnisses 1 nur 0,05 cc beträgt. Auch hat in der zweiten Ausführungsform das hermetische Behältnis 1 einen Innendurchmesser von 4 mm. Es ist keine Elektrodenwicklung um die Elektrode 2 herumgewickelt. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden beträgt 4,2 mm.
Das Entladungsmedium in der zweiten Ausführungsform bestand aus Xenongas, welches unter einen Druck von einer Atmosphäre eingeschlossen war, einem ersten Halogenid, welches Scandiumjodid (ScI₃) in einer Menge von 0,14 mg und Natriumjodid (NaI) in einer Menge von 0,86 mg umfasste, sowie einem zweiten Halogenid gemäß der Tabelle 5. Das zweite Halogenid war in dem hermetischen Behältnis 1 in einer Menge von 1 mg dicht eingeschlossen.
Die so hergestellten Metallhalogenid-Entladungslampen wurden hinsichtlich Lampenspannung, Wirkungsgrad der Lichtemission, dem allgemeinen Farbwiedergabeindex, auf den nachstehend als „Farbwiedergabeeigenschaften Ra" bezug genommen wird, und der Farbtemperatur getestet, wobei die Eingangsleistung konstant auf 35 W eingestellt wurde. Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse zusammen mit den Ergebnissen der Probe Nr. 1 für eine konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe. Die konventionelle Entladungslampe (Probe Nr. 1) stimmte mit den Entladungslampen der Erfindung überein, mit Ausnahme des Umstandes, dass anstelle des zweiten Halogens welches in den Entladungslampen der vorliegenden Erfindung eingeschlossen war, 1 mg Quecksilber dicht eingeschlossen war.
Tabelle 5
Wie aus Tabelle 5 zu ersehen ist, wurde gefunden, dass die Lampenspannung für die Metallhalogenid-Entladungslampe der vorliegenden Erfindung höher als 50 V war. Ferner wurde festgestellt, dass die Entladungslampe der Erfindung, die einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad der Lichtemission als der Stand der Technik (Probe Nr. 1) aufwies, die Farbwiedergabeeigenschaften verbesserte. Die experimentellen Daten in 5 belegen klar, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe der Erfindung im Hinblick auf die Eigenschaften in stationärem Zustand im Wesentlichen dem Stand der Technik gleichwertig ist.
Die Probe Nr. 3 der erfindungsgemäßen Entladungslampe und die Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe wurden sodann hinsichtlich ihrer Farbwiedergabeeigenschaften und der Farbtemperatur unter den Bedingungen getestet, dass jede dieser Entladungslampen mit einer Eingangsleistung von 15 W, 20 W, 25 W und 30 W gestartet wurde, wobei die Ergebnisse in Tabelle 6 gezeigt sind: Tabelle 6
Wie in Tabelle 6 dargestellt, betrugen die Änderungen in der Farbtemperatur und in den Farbwiedergabeeigenschaften bei der konventionellen Entladungslampe (Probe Nr. 1) bei einer Änderung der Eingangsleistung von 35 W (siehe Tabelle 5) auf 15 W 1520 K bzw. 23. Diese Änderungen sind sehr groß und machen es praktisch unmöglich, bei der Entladungslampe eine Lichtsteuerung (Dimmen) anzuwenden.
Bei der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung jedoch (Probe Nr. 3) betrugen die Änderungen in der Farbtemperatur und den Farbwiedergabeeigenschaften nur 320 K bzw. 8, so dass es keine Schwierigkeiten macht, die Lichtsteuerung bei dieser Entladungslampe einzusetzen.
Es wurde auch der Wiederstart der Entladungslampen (Probe Nr. 1 und 3) geprüft. Bei diesem Versuch wurde die Probe Nr. 10 der Entladungslampen, die bis auf den Umstand, dass Xenongas in dem hermetischen Behältnis bei einem Druck von 1,33 × 10⁴ pa dicht eingeschlossen war, mit der Entladungslampe Nr. 3 übereinstimmte, ebenfalls hinsichtlich der Wiederstartspannung getestet. Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse: Tabelle 7
Die Tabelle 7 zeigt klar, dass die Wiederstartspannung für die Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung wesentlich geringer als die Hälfte der Wiederstartspannung beim Stand der Technik ist (Probe Nr. 1). Insbesondere wurde eine deutliche Verbesserung in der Probe Nr. 10 festgestellt, in der ein Edelgas (Xenon) bei niedrigem Druck dicht eingeschlossen war, ohne dass ein hoher Wert auf die Anhebung des Lichtstroms gelegt wurde.
9 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Druck des eingeschlossenen Xenongases und der Anstiegszeit des Lichtstroms in der Metallhalogenid-Entladungslampe nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Diagramm ist der Druck des eingeschlossenen Xenons (Atmosphären) auf der Abszisse aufgetragen, während die Anstiegszeit (Sekunden) des Lichtstroms auf der Ordinate eingetragen ist. Wie aus 9 ersichtlich ist, wird die Anstiegszeit des Licht stroms merklich verkürzt, wenn der Druck des eingeschlossenen Xenons höher als eine Atmosphäre ist, wird aber außerordentlich lang, wenn der Druck des eingeschlossenen Xenons niedriger als eine Atmosphäre ist.
10 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der eingeschlossenen Menge an Eisenjodid (FeI₂) als zweites Halogenid und der Lampenspannung bei der Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Diagramm ist die eingeschlossene Menge des Eisenjodids (mg/cc) auf der Abszisse aufgetragen, während die Lampenspannung (V) auf der Ordinate aufgetragen ist. 10 zeigt, dass die Lampenspannung 30 V übersteigt, wenn die eingeschlossene Menge an FeI₂ 1 mg/cc des Innenvolumens des hermetischen Behältnisses übersteigt. Wenn im Übrigen die eingeschlossene Menge an FeI₂ 200 mg/cc des Innenvolumens des hermetischen Behältnisses übersteigt, verdampft das FeI₂ teilweise nicht mehr. Das nicht mehr verdampfte FeI₂ absorbiert Licht, was zu einem niedrigen Wirkungsgrad der Lichtemission der Entladungslampe führt.
Ausführungsform 4:
11 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist eine kleine Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen ähnlich derjenigen in 8 zur Anbringung im Frontscheinwerfer des Fahrzeugs wie eines Automobils ausgelegt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, umfasst die Entladungslampe des dritten Ausführungsbeispiels eine äußere Röhre 21, einen Sockel 22 und eine isolierende Röhre 23.
Die äußere Röhre 21 kann ultraviolettes Licht abschirmen. In der äußeren Röhre 21 ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe 5' eingehaust, die in ihrer Konstruktion im wesentlichen mit der Entladungslampe gemäß 8 übereinstimmt. Die äußere Röhre 21, die an beiden Enden an den Dichtteilen 1a festgelegt ist, ist nicht herme tisch sondern steht mit der Außenatmosphäre in Verbindung. Ein Dichtteil 1a ist an der Basis 22 befestigt. Der aus dem anderen Ende austretende äußere Leitungsdraht 4 verläuft parallel zur äußeren Röhre und führt in den Sockel 22 und wird dort mit einem (nicht dargestellten) Anschluss in dem Sockel 22 verbunden. Der äußere Leitungsdraht 4 ist mit der isolierenden Röhre 23 überdeckt.
Ausführungsform 5:
12 ist eine perspektivische Darstellung eines Frontscheinwerfers eines Fahrzeuges wie eines Automobils als zweite Ausführungsform der Beleuchtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst der erfindungsgemäße Frontscheinwerfer einen Reflektor 31 und eine vordere Abdeckung 32. Der Reflektor 31 ist aus einer gewölbten Kunststoffplatte mit parabolischem Querschnitt und einen Ansatz auf der Rückseite hergestellt. Die in 11 dargestellte Metallhalogenid-Entladungslampe, die in 12 nicht erkennbar ist, wird an dem Reflektor 31 von der Rückseite her an seinem Ansatz angebracht, bzw. entfernt.
Die vordere Abdeckung 32, die aus einer transparenten Kunststoffscheibe geformt ist, schließt die vordere Öffnung des Reflektors 31 hermetisch ab. Es kann ein Prisma oder eine Linse mit der vorderen Abdeckung 32 einstückig geformt sein.
Ausführungsform 6:
Es wurde eine Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert, die in Konstruktion und Größe der Entladungslampe in 8 gleich war und die zum Einsatz in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs angepasst. Das in der Entladungslampe dicht eingeschlossene Entladungsmedium war folgendes:
Erstes Halogenid ... 0,14 mg Scandiumjodid (ScI₃) und 0,7 mg Natriumjodid (NaI);
Zweites Halogenid ... 0,4 mg der in Tabelle 8 gezeigten Halogenide;
Edelgas ... 5 Atmosphären Xenongas.
Zum Vergleich wurde eine konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert indem zusätzlich zu dem zweiten Halogen 1 mg Quecksilber dicht eingeschlossen wurde.
Jede der so präparierten erfindungsgemäßen Entladungslampen und die konventionelle Entladungslampe wurden bei einer konstanten Lampeneingangsleistung von 35 W gestartet, um die Lampenspannung, den Wirkungsgrad der Lichtemission, die Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und die Farbtemperatur zu bewerten, wobei die Resultate in Tabelle 8 angegeben sind.
Tabelle 8
Die Lampenspannung in der konventionellen Entladungslampe ist durch die dicht eingeschlossene Menge von Quecksilber bestimmt. Bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe jedoch ist die Lampenspannung durch die Verdampfungsmenge des zweiten Halogenids bestimmt. Es folgt, dass eine gewünschte Lampenspannung bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe ohne Schwierigkeit erhalten werden kann, indem eine zufriedenstellende Wärmeisolation an der lichtemittierenden Röhre angebracht wird. Wie aus Tabelle 8 hervorgeht wurde gefunden, dass die Lampenspannung für die erfindungsgemäße Entladungslampe etwas niedriger als diejenige der konventionellen Entladungslampe war. Da jedoch die Lampenspannung höher als 50 V war, läßt die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung kein irgendwie geartetes praktisches Problem entstehen, da eine elektronische Starterschaltung zum Starten einer kleinen Metallhalogenid-Entladungslampe dieses Typs verwendet wird. Die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung ist der konventionellen Entladungslampe auch in dem Wirkungsgrad der Lichtemission etwas unterlegen. Die erfindungsgemäße Entladungslampe neigt jedoch zu einer gewissen Verbesserung der Farbwiedergabeeigenschaften, da sichtbares Licht in geringem Umfang durch das Metall in dem zweiten Halogenid emittiert wird, beispielsweise Aluminium.
13 ist ein Diagramm der Änderungen in der Chromatizität der Probe Nr. 2 der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung und der Probe Nr. 1 der in Tabelle 8 wiedergegebenen konventionellen Entladungslampe.
Das Diagramm zeigt den Chromatizitätsbereich weißer Farbe gemäß JIS (Japanese Industrial Standards) D 5500-1984 für Automobillampen. Die Kurve E in dem Diagramm bezeichnet die Änderungen in der Chromatizität für die erfindungsgemäße Entladungslampe, während die Kurve F die Änderungen der Chromatizität in der konventionellen Entladungslampe wiedergibt. Die in der Nähe der Messpunkte bei jeder dieser Kurven E und F eingetragenen Zahlen bedeuten die Zeit (Sekunden) nach dem Starten der Entladungslampe. In diesem Experiment wurde eine Betriebsschaltung eingesetzt, die so ausgelegt war, dass 2,6 A Lampenstrom unmittelbar nach dem Einschal ten der Leistungsquelle fließen konnten, worauf der Strom allmählich abgesenkt wurde, um die Lampenleistung auf eine Nennleistung von 35 W einzusteuern.
Wie aus 13 ersichtlich ist, emittiert die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung innerhalb 0,5 Sekunden oder kürzer nach dem Einschalten Licht im weißen Farbbereich; die konventionelle Entladungslampe emittiert Licht im weißen Farbbereich 18 Sekunden nach dem Einschalten.
Sowohl bei der Probe Nr. 2 der erfindungsgemäßen Entladungslampe als auch bei der Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe wurde bei einer Lampeneingangsleistung von 15 W, 20 W, 25 W und 30 W betrieben, um den allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra und die Farbtemperatur (K) bewerten zu können, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 9 wiedergegeben sind: Tabelle 9
Die Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe hat einen hohen Quecksilberdampfdruck, mit dem Ergebnis, dass das Quecksilber sich vollständig in verdampftem Zustand befindet, auch wenn die Lampeneingangsleistung auf 15 W erniedrigt ist. Daraus ergibt sich, dass die Lichtemission des Quecksilbers mit fallender Lampeneingangsleistung überwiegt, so dass die Farbtemperatur erhöht und die Farbwiedergabeeigenschaften erniedrigt werden. Es wird nicht schwierig sein zu verstehen, dass die konventionelle Entladungslampe im praktischen Sinne für das Dimmen ungeeignet ist.
Auf der anderen Seite bleiben bei der Probe Nr. 2 der erfindungsgemäßen Entladungslampe die Farbwiedergabeeigenschaften im Wesentlichen trotz der Veränderung der Lampeneingangsleistung unverändert. Es liegt auf der Hand, dass die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung ausreichend für das Dimmen angepasst ist.
Weiterhin wurde die Wiederstartspannung beim Wiederstarten der Entladungslampe in heißem Zustand sowohl für die erfindungsgemäßen Entladungslampen als auch für die konventionelle Entladungslampe gemessen, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 10 dargestellt sind. Für die Messung der Wiederstartspannung blieb die Entladungslampe 30 Minuten in Betrieb, worauf sie ausgeschaltet und dann erneut gestartet wurde. Wenn die Entladungslampe für eine längere Zeit aus bleibt, senkt sich die Elektrodentemperatur so ab, dass die Entladungslampe schwierig wiedergestartet werden kann. Die Dampfdrücke des Quecksilbers und der Metallhalogene in der lichtemittierenden Röhre sinken mit zunehmender Zeit, in der die Entladungslampe aus ist, ab, so dass der Wiederstart der Entladungslampe erleichtert ist. Wegen dieser widerstreitenden Tendenzen kann die Entladungslampe, wenn sie für ungefähr 10 Sekunden aus bleibt, äußerst schwierig wiedergestartet werden. Tabelle 10
Die Startspannung der Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe wurde hoch befunden, da der Quecksilberdampfdruck der Entladungslampe hoch blieb.
Andererseits war der Dampfdruck des in dem zweiten Metallhalogen enthaltenen Metalls während des fortdauernden Betriebs in den Proben Nr. 2 bis 6 der erfindungsgemäßen Entladungslampe deutlich niedriger als der Dampfdruck des Quecksilbers. Nichtsdestoweniger wird die Differenz zwischen dem Dampfdruck des in dem zweiten Halogenid enthaltenen Metalls und dem Quecksilberdampfdruck in 10 Sekunden nach dem Ausschalten der Lampe minimiert. Dies zeigt an, dass die erfindungsgemäße Entladungslampe in ihren Wiederstarteigenschaften zufrieden stellen kann, verglichen mit einer konventionellen Entladungslampe mit darin dicht eingeschlossenem Quecksilber.
Es wurden auch die Farbwiedergabeeigenschaften in der Nähe der Elektroden gemessen, wobei auch der Fall abgedeckt war, dass sowohl die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung als auch die konventionelle Entladungslampe durch einen Gleichstrom gestartet wurden, wobei die Ergebnisse in Tabelle 11 dargestellt sind. Im Einzelnen wurden die Farbtemperaturen (K) in der Nähe der Anode und in der Nähe Kathode gemessen, wobei auch der Fall erfasst war, dass das von der Entladungslampe emittierte Licht bei mit einer Eingangsleistung von 35 W gestarteten Entladungslampe auf einen Schirm projiziert wurde.
Tabelle 11
Wie aus der Tabelle 11 hervorgeht, besteht bei der Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe ein großer Unterschied in der Farbtemperatur zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite. Es ist schwer, die große Differenz in der Farbtemperatur durch angepasste Konstruktion des mit der konventionellen Entladungslampe ausgerüsteten Frontscheinwerfers auszugleichen.
Bei den Proben Nr. 2 bis 6 der erfindungsgemäßen Entladungslampe jedoch ist die Differenz in der Farbtemperatur zwischen der Anodenseite und Kathodenseite gering. Demgemäß kann die erfindungsgemäße Entladungslampe zufriedenstellend in praktischen Gebrauch genommen werden.
Ausführungsform 7:
Es wurde eine Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert, die im Wesentlichen der Entladungslampe in 11 gleicht und für den Einsatz im Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs geeignet war, mit der Ausnahme, dass die Endteile der äußeren Röhre 21 hermetisch mit den Dichtteilen 1a, 1a der lichtemittierenden Röhre 1 zusammengeschmolzen waren und der Innenraum der äußeren Röhre 21 in einem Vakuumzustand gehalten wurde. Die so präparierte Entladungslampe glich der Entladungslampe der Ausführungsform 6 in der übrigen Konstruktion einschließlich des in der lichtemittierenden Röhre eingeschlossenen Entladungsmediums. Ferner wurde eine konventionelle Entladungslampe präpariert, die der konventionellen Entladungslampe der Ausführungsform 6 glich, mit der Ausnahme, dass der Innenraum der äußeren Röhre auf einem Vakuumzustand gehalten wurde.
Sowohl die erfindungsgemäßen Entladungslampen als auch die konventionelle Entladungslampe wurden im Hinblick auf die Lampenspannung (V), den Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W), der Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und auf die Farbtemperatur (K) getestet, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 12 dargestellt sind.
Tabelle 12
Bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe wird durch die Errichtung eines Vakuumzustandes im Innenraum der äußeren Röhre die Lampenspannung gesteigert und der Wirkungsgrad der Lichtemission deutlich verbessert. Bei der konventionellen Entladungslampe jedoch stellte sich nur eine geringfügige Verbesserung der Lampenspannung und des Wirkungsgrades der Lichtemission ein.
Ausführungsform 8:
Es wurde eine Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert, die in Konstruktion und Größe der Entladungslampe in 8 glich und zum Einsatz im Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs angepasst. Das in der Entladungslampe dicht eingeschlossene Entladungsmedium war folgendes:
Erstes Halogenid ... 0,14 mg Scandiumjodid (ScI₃) und 0,7 mg Natriumjodid (NaI);
Zweites Halogenid ... 0,4 mg Zinkjodid (ZnI₂) und 0,1 mg der in Tabelle 27 gezeigten Halogenide;
Edelgas ... 5 Atmosphären Xenongas.
Jede der so präparierten erfindungsgemäßen Entladungslampen wurden im Hinblick auf die Lampenspannung (V), auf den Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W), auf die Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und auf die Farbtemperatur (K) getestet, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 13 wiedergegeben sind.
Tabelle 13
Das zweite Halogenid, welches generell einen Dampfdruck niedriger als derjenige von Quecksilber hat, trägt in größerem Umfang zur Bildung der Lampenspannung als Quecksilber unter dem gleichen Dampfdruck bei.
Quecksilber, welches stets einen hohen Dampfdruck aufweist, wird jedoch vollständig verdampft, wenn es in einer kleinen, gering belasteten Metallhalogenid-Entladungslampe eingeschlossen wird, d.h. mit einer Lampenleistung von höchstens 100 W. Eine solche Lampe wird beispielsweise in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges eingesetzt. Es kann daher die Lampenspannung über eine Steuerung der eingeschlossenen Menge an Quecksilber gesteuert werden.
Wenn es andererseits an eine erfindungsgemäße Entladungslampe geht, in der das zweite Halogenid an der Stelle von Quecksilber eingeschlossen ist, so erreicht der Dampfdruck des eingeschlossenen Halogenids einen Sättigungswert, bevor das Halogenid vollständig verdampft ist, wodurch eine weitere Steigerung der Lampenspannung nicht mehr möglich ist.
Es kann jedoch die Lampenspannung weiter gesteigert werden, wenn mehrere zweite Halogenide wie in dieser Ausführungsform 19 eingeschlossen werden. Wenn der Dampfdruck eines der zweiten Halogenide einen Sättigungswert erreicht hat, trägt die Verdampfung des anderen zweiten Halogenids zur Steigerung der Lampenspannung bei. Daraus folgt, dass die Lampenspannung im Fall des Einschlusses mehrerer zweiter Halogenide höher wird als im Fall des Einschlusses nur einer einzigen Art des zweiten Halogenids.
Ausführungsform 9:
Es wurde eine Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert, die in Konstruktion und Größe der Entladungslampe in 8 glich und zum Einsatz im Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs angepasst war. Das in der Entladungslampe dicht eingeschlossene Entladungsmedium war Folgendes:
Erstes Halogenid ... 0,14 mg Scandiumjodid (ScI₃) und 0,7 mg Natriumjodid (NaI);
Zweites Halogenid ... 0,4 mg der in Tabelle 14 gezeigten Halogenide;
Drittes Halogenid ... 0,1 mg Cäsiumjodid (CsI)
Edelgas ... 5 Atmosphären Xenongas.
Außerdem wurde eine konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe präpariert, die der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung glich, mit der Ausnahme, dass in der Entladungslampe anstelle des zweiten Halogenids in der erfindungsgemäßen Entladungslampe 1 mg Quecksilber dicht eingeschlossen wurde.
Sowohl die so präparierten erfindungsgemäßen Entladungslampen als auch die so präparierte konventionelle Entladungslampe wurden im Hinblick auf die Lampenspannung (V), auf den Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W), auf die Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und die Farbtemperatur (K) getestet, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 14 wiedergegeben sind.
Tabelle 14
In dieser Ausführungsform wurde als drittes Halogenid Cäsiumjodid CsI hinzugefügt. Obwohl die Hinzufügung von CsI keine merklichen Änderungen in den Farbwiedergabeeigenschaften Ra und der Farbtemperatur erbrachte, wird durch die CsI-Zugabe die Temperaturverteilung des Bogens abgeflacht und Wärmeverlust eingedämmt und auf diese Weise der Wirkungsgrad der Lichtemission verbessert. Beim Stand der Technik mit eingeschlossenem Quecksilber jedoch wurde eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Lichtemission trotz der Hinzufügung des dritten Halogenids nicht festgestellt.
Es sollte festgehalten werden, dass bei der vorliegenden Erfindung kein Quecksilber mit seinem niedrigen Wirkungsgrad der Lichtemission in der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen war, so dass die vorliegenden Erfindung einen höheren Wirkungsgrad der Lichtemission als der Stand der Technik erhielt.
Es wurde noch ein zusätzliches Experiment durchgeführt, bei dem die eingeschlossene Menge des dritten Halogenids, d.h. des Cäsiumjodids (CsI), in der Probe Nr. 3 der erfindungsgemäßen Entladungslampe nach Tabelle 14 geändert wurde, um die Änderungen in dem Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W) zu messen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 15 gezeigt sind: Tabelle 15

*LEE .. Wirkungsgrad der Lichtemission

Wie aus der Tabelle 15 hervorgeht, macht sich die Hinzufügung des CsI bemerkbar, wenn die hinzugefügte Menge 0,01 mg oder mehr ist. Wenn hingegen CsI exzessiv hinzugefügt wird, sinkt der Dampfdruck des lichtemittierenden Metalls mit der Folge, dass der Wirkungsgrad der Lichtemission absinkt.
Ferner wurden die Entladungslampen nach Tabelle 14 einem Wiederstarttest in heißem Zustand unter Bedingungen ähnlich denjenigen der Ausführungsform 6 unterworfen, um die Wiederstartspannung zu messen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 16 gezeigt sind: Tabelle 16
Die erfindungsgemäße Entladungslampe liegt in der Wiederstartspannung deutlich niedriger als der Stand der Technik, bei dem in der lichtemittierenden Röhre Quecksilber dicht eingeschlossen ist, ist jedoch in der Wiederstartspannung etwas höher als in dem Fall, dass das dritte Halogenid in Gestalt von Cäsiumjodid (CsI) Licht in der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen war. Die bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe erforderliche Wiederstartspannung der Tabelle 16 ruft jedoch kein praktisches Problem hervor.
Ausführungsform 10:
14 ist eine Vorderansicht einer Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in den 8 und 14 gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnen gleiche Teile der Entladungslampe, es wird darauf in der folgenden Beschreibung nicht mehr Bezug genommen. Die in 14 dargestellte achte Ausführungsform gleicht der Ausführungsform in 8 darin, dass sie zum Einsatz in einem Frontscheinwerfer eines Fahrzeuges geeignet ist, unterscheidet sich jedoch von der Ausführungsform nach 8 dadurch, dass die Ent ladungslampe der 14 durch einen Gleichstrom betrieben wird. Mehr im Einzelnen umfasst die Entladungslampe der 14 eine Kathode 2_K und eine Anode 2_A .
Das hermetische Behältnis 1, welches aus einem Zylinder mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Länge von 7 mm hergestellt wird, hat die Gestalt eines Kolbens mit elliptischen Querschnitt. Die Dichtteile 1a haben beide eine Länge von 30 mm und sind an den Endteilen des hermetischen Behältnisses 1 angebracht. Die Kathode 2_K besteht aus einem Wolframstäbchen, welches Thorium enthält und einen Durchmesser von 0,4 mm und eine Länge von 6 mm aufweist. Der äußere Endteil der Kathode 2_K ist an einem Ende einer Molybdänfolie 3 angeschweißt, die in dem Dichtteil 1a eingebettet ist und eine Breite von 1,5 mm, eine Länge von 15 mm und eine Dicke von 15 μm aufweist. Andererseits besteht die Anode 2_A aus einem Wolframstäbchen mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einer Länge von 6 mm. Der äußere Endteil der Anode 2_A ist mit einem Ende der Molybdänfolie 3 verschweißt. Der äußere Leitungsdraht 4 besteht aus einem leitenden Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Länge von 25 mm und ist mit dem jeweiligen anderen Ende der Molybdänfolie 3 verschweißt.
Bei der Herstellung der Metallhalogenid-Entladungslampe der vorstehend beschriebenen Konstruktion, werden zuerst zwei Dichtröhren zu Bildung der Dichtteile 1a an beiden Endteilen des hermetischen Behältnisses 1 hergestellt. Dann wird eine Verbindungsanordnung aus der Kathode 2_K , der Molybdänfolie 3 und des äußeren Leitungsdrahtes 4 in eine der Dichtröhren eingesetzt, worauf die Dichtröhre unter Wärme und unter Verwendung eines Sauerstoff-Wasserstoffbrenners zusammengeschmolzen und anschließend die Dichtröhre unter Einschnürung abgedichtet wird, so dass die Kathode 2_K dicht mit dem hermetischen Behältnis 1 verbunden wird. So dann werden die ersten und zweiten Halogenide durch die andere Dichtröhre in dem hermetischen Behältnis 1 dicht eingeschlossen, worauf in die Dichtröhre eine Verbindungsanordnung mit der Anode 2_A , der Molybdänfolie 3 und dem äußeren Leitungsdraht so eingesetzt wird, dass der Abstand zwischen der Anode und der Kathode auf 4,2 mm eingestellt ist.
Im nächsten Schritt werden diese Verbindungsanordnungen durch die Dichtröhren an einem Absaugsystem angebracht, um das hermetische Behältnis 1 abzusaugen, worauf Xenongas bei einem Druck von 2 Atmosphären in das hermetische Behältnis 1 eingeführt wird. Dann wird die andere Dichtröhre unter Beheizung mit einem Sauerstoff-Wasserstoffbrenner aufgeschmolzen, während das hermetische Behältnis 1 gekühlt wird, gefolgt von einer dichten Verbindung der Anode 2_A mit dem hermetischen Behältnis 1 mit einer eingeschnürten Abdichtung, wodurch die Metallhalogenid-Entladungslampe nach 14 hergestellt wird.
Das in dem hermetischen Behältnis 1 dicht eingeschlossene Entladungsmedium umfasste das erste und zweite Halogenid wie nachstehend angegeben:
Erstes Halogenid ... 0,17 mg Scandiumjodid (ScI₃) und 0,83 mg Natriumjodid (NaI); Z
weites Halogenid ... 0,4 mg ZnI₂ (Probe Nr. 2 der erfindungsgemäßen Entladungslampe);
... 0,2 mg AlI₃ (Probe Nr. 3 der erfindungsgemäßen Entladungslampe); und
... 0,4 mg FeI₂ (Probe Nr. 4 der erfindungsgemäßen Entladungslampe).
Es wurde auch die Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe gleich den erfindungsgemäßen Entladungslampen hergestellt, mit der Ausnahme, dass 1 mg Quecksilber in der konventionellen Entladungslampe anstelle des zweiten Halogens, welches in der erfindungsgemäßen Entladungslampe dicht eingeschlossen war, dicht eingeschlossen wurde.
Die Probe Nr. 2 der erfindungsgemäßen Entladungslampe und die Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe, die jeweils eine Lampeneingangsnennleistung von 35 W aufwiesen, wurden mit einer Lampeneingangsleistung von 20 W, 25 W, 30 W und 35 W betrieben, um den Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W), die Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und die Farbtemperatur (K) der Entladungslampen zu messen, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 17 dargestellt sind: Tabelle 17
15 ist ein Diagramm der Chromatizität, welches den Anstieg der Spektraleigenschaften der Probe Nr. 2 der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der Probe Nr. 1 der konventionellen Entladungslampe zeigt. Die Kurve G in 15 stellt den Anstieg der Spektraleigenschaften für die erfindungsgemäße Entladungslampe dar, während die Kurve H den Anstieg der Spektraleigenschaften für die konventionelle Entladungslampe wiedergibt. Wie aus 15 zu entnehmen ist, fällt das von der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung emittierte Licht unmittelbar nach dem Starten in einen Bereich weißen Lichts. Auf der anderen Seite fällt das von der konventionellen Entladungslampe emittierte Licht erst 18 Sekunden nach dem Starten in einen Bereich weißen Lichts.
Es wurde sodann ein Test mit intermittierenden Betrieb bei jeder der Proben der Entladungslampen unter der Bedingung ausgeführt, dass jede Lampe bei einer Lampeneingangsleistung von 42 W für 60 Minuten in Betrieb blieb, was 20 % höher als die Lampeneingangsnennleistung war. Danach wurden die Lampen für 15 Sekunden ausgeschaltet, um einen Blick auf einen Bruch des hermetischen Behältnisses zu werfen. Es wurde kein Bruch des hermetischen Behältnisses in irgendeiner der getesteten Proben 1000 Stunden nach dem Start des Tests festgestellt.
Ferner wurde die Wiederstartspannung gemessen, die für ein Starten in heißem Zustand zwei Sekunden nach dem Ausschalten der Entladungslampe erforderlich war, wobei die Ergebnisse in der Tabelle 18 wiedergegeben sind: Tabelle 18
16 ist ein Diagramm des Verhältnisses zwischen dem Druck des eingeschlossenen Edelgases (Atmosphären) und der Anstiegszeit des Lichtstroms, wobei der Fall abgedeckt war, dass der Druck des eingeschlossenen Edelgases in der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 14 geändert wurde. In dem Diagramm der 16 ist der Druck des eingeschlossenen Xenons (Atmosphäre) auf der Abszisse aufgetragen, während die Anstiegszeit (Sekunden) des Lichtstroms auf der Ordinate aufgetragen ist.
Wie aus 16 ersichtlich, war die Anstiegszeit des Lichtstroms erheblich verkürzt, sobald der Druck des eingeschlossenen Xenongases eine Atmosphäre überstieg, was bestätigt, dass die erfindungsgemäße Entladungslampe den praktischen Gebrauch zugeführt werden kann.
17 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Menge (mg/cc) des dicht eingeschlossen ZnI₂, welches als zweites Halogenid entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet wurde und der Lampenspannung (V), wobei der Fall abgedeckt war, dass die Menge des eingeschlossenen ZnI₂ in der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in 14 geändert wurde. Wie aus 17 ersichtlich ist, kann eine Lampenspannung oberhalb 30 V, wie sie für den Betrieb der Entladungslampe unter Einsatz einer elektronischen Betriebsschaltung erforderlich ist, erhalten werden, wenn die eingeschlossene Menge von ZnI₂ 1 mg/cc übersteigt.
Ausführungsform 11:
18 ist ein Schaltbild einer Betriebseinrichtung der Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung ist so aufgebaut, dass sie den Betrieb der Metallhalogenid-Entladungslampe durch einen Gleichstrom ermöglicht. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, fasst die Betriebseinrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Gleichstromquelle 71, einen Zerhacker 72, eine Steuerung 73, eine Messeinrichtung 74 für den Lampenstrom, eine Messeinrichtung 75 für die Lampenspannung, einen Starter 76 und eine Metallhalogenid-Entladungslampe 77.
Als Gleichstromleistungsquelle 71 wird eine Batterie oder eine Quelle gleichgerichteten Gleichstroms verwendet. Im Allgemeinen wird als Gleichstromleistungsquelle, wenn die Metallhalogenid-Entladungslampe im Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs eingesetzt wird, eine Batterie verwendet. Es kann jedoch als Gleichstromleistungsquelle auch eine Quelle gleichgerichteten Gleichstroms eingesetzt werden, die einen Wechselstrom gleichrichtet, um einen Gleichstrom zu erhalten. Es ist auch möglich, einen Elektrolyt-Kondensator 71a parallel zu der Gleichstromleistungsquelle zu schalten, um den Gleichstrom zu glätten.
Der Zerhacker 72 dient zur Umwandlung der Gleichspannung in eine gewünschte Spannung und gleichzeitig zur gewünschten Steuerung der Metallhalogenid-Entladungslampe 77. Wenn die Gleichstromleistungsquelle 71 eine niedrige Spannung aufweist, wird ein spannungserhöhender Zerhacker eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird ein spannungserniedrigender Zerhacker verwendet, wenn die Gleichstromleistungsquelle eine hohe Spannung aufweist.
Die Steuerung 73 dient zur Steuerung des Zerhackers 72. Beispielsweise lässt die Steuerung unmittelbar nach dem Start einen Lampenstrom von mindestens der dreifachen Größe des Nennstroms der Lampe von dem Zerhacker 72 über die Metallhalogenid-Entladungslampe fließen, wonach der Lampenstrom nach und nach auf den Nennstrom verringert wird.
Die Lampenstrom-Messeinrichtung 74, die mit der Entladungslampe 77 in Reihe geschaltet ist, dient zur Ermittlung des Lampenstroms, so dass ein gesteuerter Lampenstrom der Steuerung 73 zugeführt wird. Auf der anderen Seite dient die Lampenspannungsmesseinrichtung 75, die parallel zu der Entladungslampe 77 geschaltet ist, zur Aufbringung einer gesteuerten Lampenspannung auf die Steuerung 73.
Die Steuerung 73, auf die die ermittelten Signale des Lampenstroms und der Lampenspannung rückgekoppelt werden, erzeugt ein konstantes Leistungssteuerungssignal, so dass der Zerhacker 72 auf konstante Leistung gesteuert wird. Es sollte festgehalten werden, dass ein Mikrocomputer mit einem voreingegebenen zeitbasierten Steuerverlauf in der Steuerung 73 untergebracht ist, um den Zerhacker 72 derart zu steuern, dass unmittelbar nach dem Starten ein Lampenstrom mindestens dreimal so hoch wie der Nennstrom der Lampe durch die Metallhalogenid-Entladungslampe fließen kann, gefolgt von einem zeitlichen Abfall des Lampenstroms.
Der Starter 76 ist so ausgebildet, dass er zur Startzeit eine Impulsspannung von 20 kV auf die Metallhalogenid-Entladungslampe 77 gibt.
Gemäß der Betriebseinrichtung für die Metallhalogenid-Entladungslampe dieser Ausführungsform wird unmittelbar nach dem Starten ein gewünschter Lichtstrom erzeugt, obwohl für das Starten ein Gleichstrom verwendet wird. Als Ergebnis kann die Betriebseinrichtung der Erfindung zufriedenstellend im Frontscheinwerfer für ein Fahrzeug wie ein Automobil eingesetzt werden, was ein Ansteigen des Lichtstroms in einer Menge von 25 % und 80 % des Nennwertes in einer Sekunde bzw. 4 Sekunden nach dem Einschalten der Leistungsquelle erfordert.
Es sei festgehalten, dass ein Gleichstrom/Wechselstrom-Umwandler in der Betriebseinrichtung dieser Ausführungsform nicht erforderlich ist, so dass eine Kostenreduktion von ungefähr 30 % erreicht werden kann, verglichen mit einer Betriebseinrichtung, die eine Wechselstromleistungsquelle verwendet. Es kann auch eine Gewichtsreduktion um 15 % erreicht werden, was zu niedrigen Herstellungskosten der Betriebseinrichtung führt.
Ausführungsform 12:
19 ist ein Schaltbild, welches eine Betriebseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die in den 18 und 19 gemeinsamen Bezugszahlen bezeichnen die gleichen Teile der Schaltung und es wird daher eine Bezugnahme darauf in der folgenden Beschreibung weggelassen. Die zweite in 19 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform der 18 dadurch, dass die Metallhalogenid-Entladungslampe in der Betriebsschaltung der zweiten Ausführungsform durch einen Wechselstrom betrieben wird. Die Betriebsschaltung der zweiten Ausführungsform umfasst einen Wechselstromumwandler 78, der aus einem Vollbrückenumwandler besteht. Mehr im Einzelnen sind zwei Serienschaltungen, die je aus zwei Schaltern 78a, 78a bestehen, parallel zueinander zwischen den Ausgängen des Zerhackers 72 eingeschaltet, so dass sie eine Brückenschaltung bilden. Es ist auch der Oszillationsausgang eines Oszillators 78b abwechselnd mit den beiden diagonal einander gegenüberliegenden Schaltern verbunden, die in den vier Schaltern 78 enthalten sind, um einen hochfrequenten Wechselstrom zwischen den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung zu erzeugen. Die Metallhalogenid-Entladungslampe 77 wird durch den so erzeugten hochfrequenten Wechselstrom betrieben.
Ausführungsform 13:
20 zeigt schematisch einen Frontscheinwerfer für ein Fahrzeug als Beleuchtungseinrichtung entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 21 zeigt schematisch den Lichtverteilerteil, der in dem Frontscheinwerfer nach 20 enthalten ist. Der Frontscheinwerfer der 20 und 21 umfasst eine Betriebsschaltung 81, einen Lichtverteiler 82, eine optische Hauptfaser 83, einen Lichtverschluss 84, eine individuelle optische Faser 85 und eine Beleuchtungseinrichtung 86.
Die Betriebsschaltung in den 18 oder 19 kann als Betriebsschaltung 81 eingesetzt werden. Der Lichtverteiler 82 umfasst ein Gehäuse 82a, einen lichtsammelnden Reflektor 82b, eine Metallhalogenid-Entladungslampe 82c und einen optischen Verbinder 82d. Das von der Metallhalogenid-Entladungslampe 82c emittierte Licht wird von dem Teil des optischen Verbinders 82d auf die optische Faser 83 verteilt. Das von dem Lichtverteiler 82 verteilte Licht wird durch die optische Hauptfaser 83 dem Lichtverschluss 84 übertragen. Der Lichtverschluss 84 dient dazu, über die jeweilige optische Faser 85 das Licht jeder Beleuchtungseinrichtung 86 zuzuführen. Die Beleuch tungseinrichtung 86 besteht aus einer Leuchte 86a für einen starken Strahl, eine Beleuchtungseinrichtung 86b für einen schwachen Strahl und eine Nebelleuchte 86c. Zwei Beleuchtungseinrichtungen dieser besondere Konstruktion sind auf beiden Seiten des Vorderteils eines Fahrzeugs wie eines Automobils angebracht.
Ausführungsform 14:
Es wurde eine Metallhalogenid-Entladungslampe hergestellt, die für den Einsatz in der vorbeschriebenen Ausführungsform 13 angepasst ist. Die so hergestellte Entladungslampe stimmte in Ihrer Konstruktion im Wesentlichen mit der Entladungslampe nach 8 überein, außer dass die Entladungslampe bei dieser Ausführungsform auf eine Lampennennleistung von 80 W ausgelegt war. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden war auf 2 mm eingestellt, um die Wirksamkeit der Lichtsammlung zu verbessern. Das in dem hermetischen Behältnis dicht eingeschlossene Entladungsmedium war folgendes:
Erstes Halogenid ... 0,3 mg Scandiumjodid (ScI₃) und 1,5 mg Natriumjodid (NaI);
Zweites Halogenid (für Probe Nr. 2) ... 1 mg ZnI₂, 1 mg AlI₃ und 1 mg MnI₂;
Zweites Halogenid (für Probe Nr. 3) ... 2 mg ZnI₂, 1 mg GaI₃ und 1 mg CrI₂;
Edelgas ... 5 Atmosphären Xenongas.
Es wurde auch eine konventionelle Metallhalogenid-Entladungslampe hergestellt, die im Wesentlichen mit der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung übereinstimmte, außer dass anstelle des in der Entladungslampe der vorliegenden Erfindung dicht eingeschlossenen zweiten Halogenids in dem hermetischen Behältnis 15 mg Quecksilber dicht eingeschlossen waren.
Jede der so hergestellten erfindungsgemäßen Entladungslampen und die konventionelle Entladungslampe wurden bei einer Eingangs-Nennleistung von 80 W gestartet, um die Lampenspannung (V), den Wirkungsgrad der Lichtemission (Im/W), die Farbwiedergabeeigenschaften (allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra) und die Farbtemperatur (K) bewerten zu können, wobei die Ergebnisse in Tabelle 19 dargestellt sind: Tabelle 19
Wie aus der Tabelle 19 hervorgeht, zeigt die Entladungslampe der vorliegenden Erfindung Eigenschaften, die im Wesentlichen denjenigen einer konventionellen Entladungslampe mit dicht eingeschlossenem Quecksilber gleichen. Es sollte festgehalten werden, dass in dem System der Ausführungsform 13 die Notwendigkeit zur Änderung der Eingangsleistung zum Zwecke des Dimmens verstärkt ist. In dieser Hinsicht ist es überaus nützlich, dass das Dimmen erzielt werden kann.
Ausführungsform 15:
22 ist ein Querschnitt eines Deckenstrahlers in einer Beleuchtungseinrichtung entsprechend einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst der Deckenstrahler eine Metallhalogenid-Entladungslampe 91 und einen Strahlerkörper 92, der ein Basisgehäuse 92a, eine Lampenfassung 92b und eine Reflektorplatte 92c. Der Basiskörper 92a wird in einer Decke eingebettet und ist daher am unteren Ende mit einem Flansch „e" zur Anlage an der Decke versehen. Die Lampenfassung 92b ist an dem Basiskörper 92a befestigt. Der Reflektor 92c wird von dem Basiskörper 92a gehalten und ist so angeordnet, dass er die Metallhalogenid-Entladungslampe 91 derart umgibt, dass das Zentrum der Lichtemission der Entladungslampe 91 im Wesentlichen im Zentrum des Reflektors 92c gelegen ist.

Claims

Im wesentlichen quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für einen Scheinwerfer, mit einem feuerfesten und lichtdurchlässigen hermetischen Behältnis (1, 41, 51, 61) mit einem Innenvolumen zwischen 0,005 und 0,1 cm³, mit einem Paar von an dem hermetischen Behältnis fixierten Elektroden (2, 52, 62, 41a, 41c, 2_K , 2_A ), deren gegenseitiger Abstand 6 mm oder weniger beträgt, und mit einem in dem hermetischen Behältnis dicht eingeschlossenen Entladungsmedium, welches ein erstes Halogen, ein zweites Halogen und ein Edelgas enthält, wobei das erste Halogen Halogene des Natriums und Scandiums umfasst und das zweite Halogen derart ausgewählt ist, dass das entsprechende Metall als Puffergas wirkt, und in einer Menge von 1 mg/cm³ oder mehr in dem Innenvolumen des hermetischen Behältnisses dicht eingeschlossen ist.
Im wesentlichen quecksilberfreie Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für einen Scheinwerfer, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelgas Xenon unter einem Druck von mindestens einer Atmosphäre ist.
Beleuchtungseinrichtung für eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit einer im wesentlichen quecksilberfreien Metallhalogenid-Entladungslampe (5, 5', 77, 91) nach Anspruch 1 oder 2 mit kurzem Bogen für einen Scheinwerfer, und mit einer elektronischen Betriebsschaltung (71, 72, 73, 74, 75, 76, 78) zur Spannungsversorgung der im wesentlichen quecksilberfreien Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für einen Scheinwerfer.
Scheinwerfer mit einem Scheinwerfergehäuse (6, 92) mit einem Reflektor, mit einer im wesentlichen quecksilberfreien Metallhalogenid-Entladungslampe (5, 91) nach Anspruch 1 oder 2 mit kurzem Bogen für einen Scheinwerfer, die so angeordnet ist, dass das emittierte Licht dem Reflektor des Scheinwerfergehäuses zugeleitet wird, und mit einer elektronischen Betriebsschaltung (71, 72, 73, 74, 75, 76, 78) zur Versorgung der Metallhalogenid-Entladungslampe mit kurzem Bogen für den Scheinwerfer.