EP1217644B1 - Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe für digitale Projektionstechniken - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung geht aus von einer Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit einer Xenonfüllung, wie sie in der Kinoprojektion verwendet wird.
Stand der Technik
• Die bekannten Xenon-Kurzbogenlampen für Projektionszwecke wurden auf Bogenlängen und Elektrodengeometrien optimiert, die für die 35 bis 70 mm Filmprojektion ideal sind. Die Bilddiagonalen dieser Filme liegen im Bereich zwischen 28 und 60 mm. Setzt man solche Standard-Lampen in die modernen digitalen Projektionssysteme mit DMD-, DLP-, LCD- und D-ILA-Technik ein, so geht durch die Fehlanpassung zwischen Lampe und optischem System viel Licht verloren, das die Leinwand nicht erreicht. Dieses verlorengegangene Licht wird im Projektor in Wärme umgewandelt und führt zu zusätzlichen Problemen. Bisher konnte diese Problem nur durch eine größere Lampenleistung, die dann einen höhern Kühlaufwand erfordert, ein optimiertes Spiegeldesign, das hohe Anforderungen an die Genauigkeit und den Simulationsaufwand stellt und zusätzliche Doppelspiegel, die wiederum Kühlprobleme im Reflektorvolumen mit sich bringen, gelöst werden.
• Aus der DE-U-200 05 764 ist eine Xenon-Kurzbogenlampe mit einer Leistung von 3000 W, einer Bogenlänge von 4mm und einem Durchmesser des Anodenmantelkörpers von 21 mm bekannt. Zum Betrieb wird diese Lampe mit einem Lampenstrom von 110 A betrieben.
Darstellung der Erfindung
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurzbogenlampe mit Xenonfüllung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine optimale Fokussierung des Lichts auf kleine Querschnitte zwischen 10 und 25 mm, entsprechend den Diagonalen der Integratoren, wie sie bei digitalen Projektionstechniken (DMD, DLP, LCD und D-ILA) Verwendung finden, ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Die Lampe ist außerdem vorteilhaft mit einem Lampenstrom zu betreiben der den Merkmalen des Anspruchs 5 genügt.
• Durch die Festlegung des Abstands L in mm der beiden einander zugewandten Endabschnitte von Anode und Kathode im Heißzustand der Lampe gemäß der Relation 0,8 x P ≤ L ≤ 1 x P + 1, wobei P die Lampenleistung in kW ist, wird eine optimale Ausleuchtung des Bildfensters erreicht. Bei größeren Bogenlängen geht die Effizienz des Systems, d. h. das Verhältnis von abgegebenem Lichtstrom zu aufgenommener Leistung deutlich nach unten. Ist der Abstand Anode - Kathode kürzer als in der Relation, so sinkt die Lebensdauer der Lampe unter akzeptable Werte.
• Die stärkere Aufheizung der Anodenvorderfläche (Anodenplateau) bei kürzeren Bögen erfordert auch eine Anpassung der Anodengeometrie. So muss der Durchmesser D der Anode in mm der Relation D ≥ 2,1 x L+10 genügen, wobei L der Abstand der einander zugewandten Endabschnitte von Anode und Kathode in mm im Heißzustand der Lampe ist.
• Für eine optimale Lichtausbeute bei hoher Lebensdauer muß der der Kathode zugewandte kegelstumpfförmige Endabschnitt der Anode ein Plateau AP mit einem Durchmesser in mm besitzen, das der Relation 1,8 x L - 1 ≤ AP ≤ 1,8 x L + 1 genügt, wobei L wiederum der Abstand der einander zugewandten Enden von Anode und Kathode in mm im Heißzustand ist. Bei Abweichungen des Anodenplateaudurchmessers nach unten kommt es aufgrund starker Erosion (Kraterbildung) am Anodenplateau zu einer Lebensdauerverkürzung. Im Falle eines größeren Anodenplateaus als durch die Relation gegeben, geht die Systemeffizienz aufgrund der Abschattung zurück.
• Für eine optimale Leuchtdichteverteilung über die gesamte Lebensdauer ist vorteilhaft die Spitze des kegelförmigen Endabschnitts der Kathode als Halbkugel auszubilden, wobei der Radius R der Halbkugel in mm der Relation 0,12 x P + 0,1 ≤ R ≤ 0,12 x P + 0,5 mit P als Lampenleistung in kW genügt. Größere Durchmesser der Halbkugel resultieren in einer geringeren Leuchtdichte, kleinere Durchmesser führen zu einem verstärkten Kathodenabbrand.
• Vorteilhaft besitzt der kegelförmige Endabschnitt der Kathode einen Kegelwinkel α zwischen 36 und 44°. Außerdem weist der kegelstumpfförmige Endabschnitt der Anode für einen optimalen Betrieb einen Kegelwinkel β zwischen 90 und 105° auf. Spitzere Geometrien führen zu einem starken Abbrand der Elektrodenspitzen, während stumpfere Geometrien eine starke Abschattung im Projektor zur Folge haben.
• Für einen optimalen Betrieb mit einer ausreichend hohen Effizienz (Lumen/W) und einem akzeptablen Lichtstromrückgang über die Lebensdauer der Lampe sollte die Lampe bei einer Nennleistung P zwischen 0 und 5,5 kW mit einem Lampenstrom I in A der Relation 22 x P + 38 ≤ I ≤ 22 x P + 65 und bei einer Nennleistung P zwischen 5, 5 und 12 kW mit einem Lampenstrom I in A der Relation 14 x P + 100 ≤ I ≤ 22 x P + 65 betrieben werden. Während geringere Ströme die Lichtausbeute im System herabsetzen, steigt bei höheren Strömen die Erosion der Kathode und die Maintenance unterschreitet akzeptable Werte.
Beschreibung der Zeichnungen
• Mit den folgenden Figuren soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:

Figur 1

zeigt eine erfindungsgemäße Kurzbogen-Hochdruckentladungs-lampe

Figur 2

zeigt in vergrößerter Darstellung die Elektrodenanordnung der Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe gemäß Figur 1

• In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Xe-Füllung dargestellt. Die Lampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 3000 W besteht aus einem rotationssymmetrischen Lampenkolben 2 aus Quarzglas an dessen beiden Enden je ein Lampenschaft 3, 4 ebenfalls aus Quarzglas angesetzt ist. In den einen Schaft 3 ist ein Elektrodenstab 5 aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen, dessen inneres Ende eine Kathode 6 trägt. In den anderen Lampenschaft 4 ist ebenfalls ein Elektrodenstab 7 aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen, an dessen innerem Ende eine Anode 8 befestigt ist. An den äußeren Enden der Elektrodenschäfte 3, 4 sind Sockelsysteme 9, 10 zur Halterung und zur elektrischen Kontaktierung angebracht.
• Wie aus der Figur 2 ersichtlich setzt sich die Kathode 6 aus einem der Anode 8 zugewandten kegelförmigen Endabschnitt 6a und einem dem Elektrodenstab 5 zugewandten Endabschnitt 6b mit einem kreiszylindrischen und kegelstumpfförmigen Teilabschnitt zusammen, wobei sich zwischen diesen beiden Abschnitten 6a, 6b ein, als Wärmestaunut bezeichneter, ebenfalls kreiszylindrischer Abschnitt 6c von kleinerem Durchmesser befindet. Die Spitze des der Anode 8 zugewandten kegelförmigen Endabschnitts 6a mit einem Kegelwinkel α von 40° ist als Halbkugel mit einem Radius R von 0,6 mm ausgebildet.
• Die Anode 8 besteht aus einem kreiszylindrischen Mittelabschnitt 8a mit einem Durchmesser D von 22 mm und zwei kegelstumpfförmigen Endabschnitten 8b, 8c die der Kathode 6 bzw. dem Elektrodenstab 7 zugewandt sind. Das der Kathode 6 zugewandte kegelstumpfförmige Endabschnitt 8c besitzt ein Plateau AP mit einem Durchmesser von 6 mm. Alle Abschnitte der beiden Elektroden 6, 8 bestehen aus Wolfram.
• Die beiden Elektroden 6, 8 sind in der Achse des Lampenkolbens 2 so gegenüberstehend angebracht, dass sich im Heißzustand der Lampe ein Elektrodenabstand bzw. eine Bogenlänge von 3, 5 mm ergibt.
• Mit dieser Lampe lässt sich bei Einsatz in einem digitalen Projektionssystem gegenüber den herkömmlichen Kurzbogen-Hochruckentladungslampen mit Xenon-Füllung eine Steigerung von bis zu 50 % erzielen.

Claims (5)

1. Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1) mit einem Entladungsgefäß (2), das neben einer Kathode (6) und einer Anode (8), die einander gegenüberstehen, eine Füllung aus zumindest Xenon enthält, wobei die Kathode (6) einen der Anode (8) zugewandten kegelförmigen Endabschnitt (6a) und die Anode (8) einen kreiszylindrischen Mittelabschnitt (8a) und einen der Kathode (6) zugewandten kegelstumpfförmigen Endabschnitt (8c) aufweist und die Hochdruckenbadungslampe (1) für den Einsatz in digitale Projektionstechniken folgende weitere Merkmale besitzt:

   - der Abstand L in mm der beiden einander zugewandten Endabschnitte (6a, 8c) von Kathode (6) und Anode (8) im Heißzustand der Lampe ist durch die Relation $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{8}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{\le }\mathrm{L}\mathrm{\le }\mathrm{1}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}\mathrm{1}$$

   

   gegeben, wobei P die Lampenleistung in kW ist

   - der Durchmesser D des kreiszylindrischen Mittelabschnitts (8a) der Anode (8) in mm ist durch die Relation $$\mathrm{D}\mathrm{\ge }\mathrm{2}\mathrm{,}\mathrm{1}\mathrm{\times }\mathrm{L}\mathrm{+}\mathrm{10}$$

   

   gegeben, wobei L der Abstand der einander zugewandten Endabschnitte (6a, 8c) von Kathode (6) und Anode (8) in mm ist

   dadurch gekennzeichnet, dass
   der der Kathode (6) zugewandte kegelstumpfförmige Endabschnitt (8c) der Anode (8) ein Plateau AP mit einem Durchmesser in mm besitzt, das der Relation $$\mathrm{1}\mathrm{,}\mathrm{8}\mathrm{\times }\mathrm{L}-1\mathrm{\le }\mathrm{AP}\mathrm{\le }\mathrm{1},8\mathrm{\times }\mathrm{L}\mathrm{+}\mathrm{1}$$

   

   genügt, wobei L der Abstand der einander zugewandten Endabschnitte (6a, 8c) von Kathode (6) und Anode (8) in mm ist.
2. Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des kegelförmigen Endabschnitts (6a) der Kathode (6) als Halbkugel ausgebildet ist, wobei der Radius R der Halbkugel in mm der Relation $$\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{12}\mathrm{\times }\mathrm{P}+0,1\mathrm{\le }\mathrm{R}\mathrm{\le }\mathrm{0},12\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}0,5$$

   

   mit P als Lampenleistung in kW genügt.
3. Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kegelförmige Endabschnitt (6a) der Kathode (6) einen Kegelwinkel α zwischen 36 und 44° besitzt.
4. Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Kathode (6) zugewandte kegelstumpfförmige Endabschnitt (8a) der Anode (8) einen Kegelwinkel β zwischen 90 und 105° besitzt.
5. Verfahren zum Betreiben einer Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1) gemäß einer oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1)

   - bei einer Nennleistung P zwischen 0 und 5,5 kW mit einem Lampenstrom I in A der Relation $$\mathrm{22}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}\mathrm{38}\mathrm{\le }\mathrm{I}\mathrm{\le }\mathrm{22}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}\mathrm{65}$$

   

   - und bei einer Nennleistung P zwischen 5, 5 und 12 kW mit einem Lampenstrom I in A der Relation $$\mathrm{10}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}\mathrm{100}\mathrm{\le }\mathrm{I}\mathrm{\le }\mathrm{22}\mathrm{\times }\mathrm{P}\mathrm{+}\mathrm{65}$$

   

   betrieben wird.

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