EP0762475A1 - Metallhalogenid-Entladungslampe für Projektionszwecke - Google Patents

Metallhalogenid-Entladungslampe für Projektionszwecke Download PDF

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EP0762475A1
EP0762475A1 EP96112969A EP96112969A EP0762475A1 EP 0762475 A1 EP0762475 A1 EP 0762475A1 EP 96112969 A EP96112969 A EP 96112969A EP 96112969 A EP96112969 A EP 96112969A EP 0762475 A1 EP0762475 A1 EP 0762475A1
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μmol
filling
metal
discharge lamp
vessel
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Andreas Dr. Genz
Hans-Werner Gölling
Joachim Dr. Dirks
Clemens Barthelmes
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection
    • HELECTRICITY
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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02Details
    • H01J61/12Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/125Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having an halogenide as principal component
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827Metal halide arc lamps

Definitions

  • the invention relates to a metal halide discharge lamp according to the preamble of claim 1 and the preamble of claim 6.
  • Metal halide discharge lamps of this type are mainly installed in optical reflectors or other optical imaging systems. Your area of application is, for example, projection or light guide technology for overhead, slide and cinema projection as well as especially for video projection or for endoscopy and boroscopy. Accordingly, very short arcs (typical arc lengths of at most a few mm) and maximum luminance (on average more than approx. 30 kcd / cm 2 ) at color temperatures of more than 4500 K and good color rendering are required for good imaging results. Typical power values are in the range between approx. 100 W and 600 W. In addition, the temporal constancy of the location of the discharge arc within the lamp vessel is of particular importance. When the arc is unstable, the discharge arc stochastically moves out of the focus of the lamp reflector and thus impairs the quality of the optical image.
  • WO 94/23441 discloses such a lamp for specific arc powers between 60 and 140 W per mm arc length with a filling which, in addition to mercury (Hg) and an inert gas, also contains halogen compounds of the elements cesium (Cs), dysprosium (Dy) and Contains tantalum (Ta). It is disadvantageous that, at higher than the specified arc powers, there is an increase in unrest.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantage mentioned and to provide a metal halide discharge lamp which has a color temperature of more than 4500 K - with good color rendering - and a low level of unrest even at very high specific arc powers.
  • the task formulated at the beginning can also be solved with a filling which, in contrast to the cited prior art, dispenses with Cs as the filling component.
  • a filling which, in contrast to the cited prior art, dispenses with Cs as the filling component.
  • Nb niobium
  • the Nb acts directly on the arch attachment in the electrode area. Without intending to be bound by any theoretical explanation, it is believed that the Nb forms a mixed phase with the electrode material, which contributes to arc stability.
  • the filling of the discharge vessel of the metal halide discharge lamp according to the invention consists of the following filling components: Nb, a rare earth metal (SE), preferably Dy, Hg, an inert gas and one or more halogens, preferably iodine (I) and / or bromine ( Br) for the formation of metal halides.
  • Dy can also be replaced in whole or in part by another rare earth element with comparable properties in gas discharge, e.g. by holmium (Ho).
  • Ho holmium
  • the typical filling quantity per cm 3 volume of the discharge vessel is for the rare earth metal (SE), in particular also for Dy, in the range between 0.3 ⁇ mol and 3 ⁇ mol and for Nb in the range between 0.3 ⁇ mol and 3 ⁇ mol, preferably in the range between 1 ⁇ mol and 1.5 ⁇ mol.
  • the filling pressure The inert gas serving as the ignition gas, for example argon (Ar) or xenon (Xe), is typically in the range between approximately 20 kPa and 60 kPa.
  • the amount of mercury is used to set the desired lamp arc voltage. It is typically in the range between approx. 5 mg and 15 mg per mm arc length for burning voltages between 30 V and 50 V.
  • the discharge vessel additionally contains up to approx. 3 ⁇ mol Cs per cm 3 vessel volume.
  • the filling quantity of the C is preferably in the range between 0.5 ⁇ mol and 2.5 ⁇ mol per cm 3 of vessel volume.
  • This filling system is particularly suitable for the highest demands on arc rest and lamp life as well as especially with specific power densities of approx. 200 W and more per mm arc length.
  • the Cs addition gives you a further degree of freedom for the lamp design. This degree of freedom can be used, for example, to optimize the electrode geometry with a view to a longer service life.
  • the disadvantage is that the luminous efficiency decreases with increasing Cs content. In individual cases, a suitable compromise will be made for the concrete value of the Cs share.
  • the lamp is advantageously combined with a reflector to form a structural unit, as described in DE-PS 28 40 031.
  • the lamp is mounted approximately axially in the reflector.
  • the reflector is e.g. dichroic coated.
  • Quartz glass or a transparent ceramic material, for example Al 2 O 3, is suitable as the material for the lamp bulb.
  • a discharge vessel which is closed on both sides is particularly suitable for the lamp.
  • Two electrodes face each other inside the discharge vessel.
  • the electrodes are each connected to a power supply, which are led gas-tight to the outside.
  • Typical values for the specific arc power are in the range between approx. 100 W and 200 W or more per mm arc length, in particular in the Range between approx. 150 W and 200 W per mm arc length. Average luminance levels of typically more than 45 kcd / cm 2 are achieved.
  • the discharge vessel 2 made of quartz glass has an essentially spherical shape and has a neck at two diametrically opposite locations, into which pin-shaped tungsten electrodes 3 are melted by means of sealing foils 4 made of molybdenum.
  • the ends of the sealing foils 4 facing away from the discharge space are welded to power leads 5, which in turn are connected to electrical connections 6, 7 of the reflector base system.
  • the reflector base system consists - apart from the electrical connections 6, 7 - essentially of the reflector 8 and a two-part ceramic base 9, 10.
  • the internal volume of the discharge vessel 2 enclosing an ionizable filling is approximately 0.33 cm 3 .
  • the axially opposed electrodes 3 are 1.6 mm apart.
  • the filling in addition to 12 mg Hg and 45 kPa Ar as the base gas, the filling consists of the further filling constituents listed in Table 1 below in the amounts specified there.
  • the volume-related molar amounts of some filling components calculated from this are listed in Table 2 below.
  • the specific arc power and the operating voltage are approx. 167 W per mm arc length or approx. 35 V.
  • Table 3 shows the lighting values of the lamp achieved with this filling.
  • the filling in addition to 12 mg Hg and 45 kPa Ar as the base gas, the filling consists of the further filling components listed in Table 4 below in the amounts specified there.
  • the volume-related molar amounts of some filling components calculated from this are listed in Table 5 below.
  • the specific arc power and the burning voltage are approx. 167 W per mm arc length or approx. 35 V.
  • Table 6 shows the lighting values of the lamp achieved with this filling.

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Abstract

Eine Metallhalogenid-Entladungslampe (1) für Projektionszwecke mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß (2) in dem sich zwei Elektroden (3) gegenüberstehen, enthält eine ionisierbare Füllung, bestehend aus Quecksilber, Edelgas, Halogen, einem Seltenerdmetall, bevorzugt Dysprosium sowie Niob. Durch das Niob ist auch bei spezifischen Bogenleistungen von bis zu 200 W pro mm Bogenlänge die Bogenunruhe noch gering. Bei einer Farbtemperatur von 5000 K werden Leuchtdichten von mehr als 45 kcd/cm<2> erzielt. Optional ist für höchste spezifischen Bogenleistungen zusätzlich Cäsium zugesetzt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
  • Metallhalogenid-Entladungslampen dieser Art werden vorwiegend in optische Reflektoren oder sonstige optisch abbildende Systeme eingebaut. Ihr Einsatzgebiet ist beispielsweise die Projektions- oder Lichtleitertechnik u.a. für die Overhead-, Dia- und Kinoprojektion sowie besonders für die Videoprojektion bzw. für die Endoskopie und Boroskopie. Für gute Abbildungsergebnisse sind dementsprechend sehr kurze Lichtbögen (typische Bogenlängen von allenfalls wenigen mm) und höchste Leuchtdichten (im Mittel mehr als ca. 30 kcd/cm2) bei Farbtemperaturen von mehr als 4500 K und guter Farbwiedergabe erforderlich. Typische Leistungswerte liegen im Bereich zwischen ca. 100 W und 600 W. Außerdem kommt der zeitlichen Konstanz des Ortes des Entladungsbogens innerhalb des Lampengefäßes eine besondere Bedeutung zu. Bei Bogenunruhe wandert der Entladungsbogen nämlich stochastisch aus dem Fokus des Lampenreflektors und beeinträchtigt so die Qualität der optischen Abbildung.
  • In der WO 94/23441 ist eine derartige Lampe für spezifische Bogenleistungen zwischen 60 und 140 W pro mm Bogenlänge mit einer Füllung offenbart, die neben Quecksilber (Hg) und einem Inertgas noch zusätzlich Halogenverbindungen der Elemente Cäsium (Cs), Dysprosium (Dy) und Tantal (Ta) enthält. Nachteilig ist, daß bei höheren als den angegebenen Bogenleistungen zunehmend Bogenunruhen auftreten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteil zu beseitigen und eine Metallhalogenid-Entladungslampe zu schaffen, die eine Farbtemperatur von mehr als 4500 K - bei guter Farbwiedergabe - sowie eine auch bei sehr hohen spezifischen Bogenleistungen geringe Bogenunruhe aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den darauf gerichteten Unteransprüchen erläutert.
  • Eine weitere erfindungsgemäß Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet. Weitere vorteilhafte Merkmale dieser Lösung sind in den darauf gerichteten Unteransprüchen erläutert.
  • Wie Messungen gezeigt haben, läßt sich die eingangs formulierte Aufgabe auch mit einer Füllung lösen, die - im Unterschied zum zitierten Stand der Technik - auf Cs als Füllungskomponente verzichtet. Als überraschendes Ergebnis der Messungen ist durch den Zusatz von Niob (Nb) anstelle von Ta die Bogenunruhe - auch ohne Cs - selbst bei spezifischen Bogenleistungen von bis zu 200 W pro mm Bogenlänge noch gering. Durch den Verzicht auf Cs wird eine höhere Lichtausbeute erzielt.
  • Nach gegenwärtigem Stand der Erkenntnis wirkt das Nb unmittelbar im Elektrodenbereich auf den Bogenansatz. Ohne eine Festlegung auf irgendeine theoretische Erklärung zu beabsichtigen wird davon ausgegangen, daß das Nb mit dem Elektrodenmaterial eine Mischphase bildet, welche zur Bogenstabilität beiträgt.
  • Die Füllung des Entladungsgefäßes der erfindungsgemäßen Metallhalogenid-Entladungslampe besteht gemäß der ersten Lösung aus folgenden Füllungskomponenten: Nb, einem Seltenen Erdmetall (SE), bevorzugt Dy, Hg, einem Inertgas und einem oder mehreren Halogenen, vorzugsweise Jod (I) und/oder Brom (Br) zur Bildung von Metallhalogeniden.
  • Selbstverständlich kann Dy auch ganz oder teilweise durch ein anderes Element der Seltenen Erden mit vergleichbaren Eigenschaften in der Gasentladung ersetzt werden, z.B. durch Holmium (Ho).
  • Die typische Füllmenge pro cm3 Volumen des Entladungsgefäßes liegt für das Seltene Erdmetall (SE), insbesondere auch für Dy, im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol sowie für Nb im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol, bevorzugt im Bereich zwischen 1 µmol und 1,5 µmol. Der Fülldruck des als Zündgas dienenden Inertgases, beispielsweise Argon (Ar) oder Xenon (Xe), liegt typisch im Bereich zwischen ca. 20 kPa und 60 kPa. Die Füllmenge des Quecksilbers dient zur Einstellung der gewünschten Brennspannung der Lampe. Sie liegt typisch im Bereich zwischen ca. 5 mg und 15 mg pro mm Bogenlänge für Brennspannungen zwischen 30 V und 50 V.
  • In einer zweiten Lösung enthält das Entladungsgefäß zusätzlich bis zu ca. 3 µmol Cs pro cm3 Gefäßvolumen. Bevorzugt liegt die Füllmenge des Cs im Bereich zwischen 0,5 µmol und 2,5 µmol pro cm3 Gefäßvolumen.
  • Dieses Füllungssystem eignet sich insbesondere für höchste Anforderungen an die Bogenruhe und Lebensdauer der Lampe sowie insbesondere auch bei spezifischen Leistungsdichten von ca. 200 W und mehr pro mm Bogenlänge. Durch den Cs Zusatz gewinnt man nämlich einen weiteren Freiheitsgrad für das Lampendesign. Dieser Freiheitsgrad läßt sich beispielsweise für eine Optimierung der Elektrodengeometrie in Hinblick auf eine höhere Lebensdauer nutzen. Der Nachteil ist allerdings, daß mit zunehmendem Cs Anteil die Lichtausbeute abnimmt. Im Einzelfall wird man für den konkreten Wert des Cs Anteils also einen geeigneten Kompromiß eingehen.
  • Vorteilhaft wird die Lampe mit einem Reflektor zu einer Baueinheit zusammengefügt, wie in der DE-PS 28 40 031 beschrieben. Dabei ist die Lampe näherungsweise axial im Reflektor montiert. Der Reflektor ist z.B. dichroitisch beschichtet.
  • Als Material für den Lampenkolben eignet sich Quarzglas oder auch ein transparentes Keramikmaterial, beispielsweise Al2O3. Für die Lampe eignet sich insbesondere ein zweiseitig verschlossenes Entladungsgefäß.
  • Innerhalb des Entladungsgefäßes stehen sich zwei Elektroden gegenüber. Die Elektroden sind jeweils mit einer Stromzuführung verbunden, die gasdicht nach außen geführt sind.
  • Typische Werte für die spezifische Bogenleistung liegen im Bereich zwischen ca. 100 W und 200 W oder mehr pro mm Bogenlänge, insbesondere im Bereich zwischen ca. 150 W und 200 W pro mm Bogenlänge. Dabei werden mittlere Leuchtdichten von typisch mehr als 45 kcd/cm2 erzielt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Füllungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt die
    • Figur eine schematische geschnittene Darstellung der Lampe mit Reflektor.
  • In der Figur ist der Längsschnitt einer mit einem Reflektor fest verbundenen Metallhalogenid-Entladungslampe 1 mit einer Leistung von 270 W schematisch dargestellt. Das Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas besitzt eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt und weist an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen je einen Hals auf, in den stiftförmige Wolfram-Elektroden 3 mittels Dichtungsfolien 4 aus Molybdän eingeschmolzen sind. Die dem Entladungsraum abgewandten Enden der Dichtungsfolien 4 sind mit Stromzuführungen 5 verschweißt, die ihrerseits mit elektrischen Anschlüssen 6,7 des Reflektor-Sockelsystems verbunden sind. Das Reflektor-Sockelsystems besteht - außer aus den elektrischen Anschlüssen 6, 7 - im wesentlichen aus dem Reflektor 8 und einem zweiteiligen Keramiksockel 9, 10. Für eine detailliertere Erläuterung des Reflektor-Sockelsystem sei auf die DE-PS 28 40 031 verwiesen.
  • Das innere Volumen des eine ionisierbare Füllung umschließenden Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 0,33 cm3. Die axial einander gegenüberstehenden Elektroden 3 haben einen Abstand von 1,6 mm.
  • In einem ersten Beispiel besteht die Füllung neben 12 mg Hg und 45 kPa Ar als Grundgas aus den in der folgenden Tabelle 1 aufgeführten weiteren Füllungsbestandteilen in den dort angegebenen Mengen. Die daraus errechneten volumenbezogenen molaren Mengen einiger Füllungskomponenten sind in der nachfolgenden Tabelle 2 aufgelistet. Die spezifische Bogenleistung und die Brennspannung betragen ca. 167 W pro mm Bogenlänge bzw. ca. 35 V. Tabelle 3 zeigt die mit dieser Füllung erzielten lichttechnischen Werte der Lampe.
    Figure imgb0001
  • In einem zweiten Beispiel besteht die Füllung neben 12 mg Hg und 45 kPa Ar als Grundgas aus den in der folgenden Tabelle 4 aufgeführten weiteren Füllungsbestandteilen in den dort angegebenen Mengen. Die daraus errechneten volumenbezogenen molaren Mengen einiger Füllungskomponenten sind in der nachfolgenden Tabelle 5 aufgelistet. Die spezifische Bogenleistung und die Brennspannung betragen ca. 167 W pro mm Bogenlänge bzw. ca. 35 V. Tabelle 6 zeigt die mit dieser Füllung erzielten lichttechnischen Werte der Lampe.
    Figure imgb0002

Claims (10)

  1. Metallhalogenid-Entladungslampe für Projektionszwecke mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß in dem sich zwei Elektroden gegenüberstehen, die mit nach außen geführten Stromzuführungen verbunden sind, wobei das Entladungsgefäß eine ionisierbare Füllung enthält, bestehend aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas, mindestens einem Halogen, einem Seltenerdmetall (SE) sowie einem weiteren Metall zur Bildung von Metallhalogeniden, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als weiteres Metall Niob (Nb) enthält.
  2. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Nb im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
  3. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Nb vorzugsweise im Bereich zwischen 1,0 µmol und 1,5 µmol pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
  4. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als Seltenerdmetall Dysprosium (Dy) enthält, wobei die Füllmenge des Dy im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
  5. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß als Halogene für die Halogenidverbindungen Jod (I) und Brom (Br) in einem Molverhältnis Jod zu Brom im Bereich zwischen 0,2 und 2 enthält.
  6. Metallhalogenid-Entladungslampe für Projektionszwecke mit einem lichtdurchlässigen Entladungsgefäß in dem sich zwei Elektroden gegenüberstehen, die mit nach außen geführten Stromzuführungen verbunden sind, wobei das Entladungsgefäß eine ionisierbare Füllung enthält, bestehend aus Quecksilber (Hg), mindestens einem Edelgas, mindestens einem Halogen, Cäsium (Cs) und einem Seltenerdmetall (SE) sowie einem weiteren Metall zur Bildung von Metallhalogeniden, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als weiteres Metall Niob (Nb) enthält.
  7. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Nb im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
  8. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Cs pro cm3 des Gefäßvolumens in folgendem Bereich liegt: 0 µmol < Cs ≤ 3 µmol.
  9. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Cs pro cm3 des Gefäßvolumens vorzugsweise in folgendem Bereich liegt: 0,5 µmol ≤ Cs ≤ 2,5 µmol.
  10. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung als Seltenerdmetall Dysprosium (Dy) enthält, wobei die Füllmenge des Dy im Bereich zwischen 0,3 µmol und 3 µmol pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
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