WO1994023441A1 - Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe für den einbau in optische systeme - Google Patents

Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe für den einbau in optische systeme Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a metal halide high-pressure discharge lamp with an average arc output of between 60 and 140 W / mm arc length for installation in optical systems according to the preamble of claim 1.
  • Metal halide high-pressure discharge lamps of this type are used in particular in projection (slide, overhead, narrow film and cinema projection) and glass fiber lighting systems (endoscopy, microscopy, effect lighting for film and television), where light with color temperatures between 4000 and 7000 K and good or very good color rendering is required in all color temperature ranges. They are characterized by a very short arc (a few mm) and extremely high luminance (on average a few 10 kcd / cm 2 ), which makes them ideal for installation in reflectors or other optically imaging systems.
  • Metal halide high-pressure discharge lamps with short arcs and correspondingly high luminance are known from EP 0 193 086 and DE-A 4 040 858, which emit light with a spectral composition similar to daylight.
  • EP 0 193 086 and DE-A 4 040 858 which emit light with a spectral composition similar to daylight.
  • the object of the invention is to provide a metal halide high-pressure discharge lamp which has an average lifespan of at least 1000 hours, has a very short arc with very high luminance and a color temperature between 4000 and 7000 K - with very good Color rendering - has and achieved this goal with as few elements in the filling.
  • the metal halide high-pressure discharge lamp according to the invention is operated at specific arc powers between 60 and 140 W per mm arc length and comparatively low wall loads between 40 and 85 W per cm 2 wall area.
  • bulb blackening or devitrification occurs after a short time at wall loads below or above about 60 W per cm 2 , the value for this limit varying depending on the cooling. As a result, the usable luminous flux drops and the lamp life is limited.
  • the filling of the lamp according to the invention which consists of mercury, at least one noble gas and at least one halogen and cesium, is tantalum and dysprosium, advantageously added with a weight ratio between 0.3 and 1.5, the sum of the fill quantities of these two important additives advantageously being between 0.2 and 1.5 mg per cm 3 of vessel volume.
  • Tantalum maintains the halogen cycle process even with relatively low wall loads and thus largely prevents blackening and devitrification of the bulb, so that a long average service life can be achieved. Tantalum also contributes to the continuum portion in the optical spectrum. With its multi-line spectrum, Dysprosium ensures a high radiation flux in the visible range of the optical spectrum.
  • the addition of tantalum and dysprosium according to the invention thus minimizes the tendency to devitrification and blackening of the bulb - ie the average life is extended accordingly - and the luminous flux and the color rendering are optimized.
  • lithium up to 0.2 mg per cm 3 of vessel volume can optionally be added, which increases the amount of rot in the radiation, which is particularly the case when the lamp is used in a dichroic Cold light reflector can be advantageous, which slightly increases the color temperature of the reflected radiation compared to the total radiation of the discharge.
  • lithium is an atomic line radiator, which preferably radiates in the hot arc core and is therefore radiated particularly efficiently by correspondingly focusing special reflectors which only depict the inner arc core.
  • the discharge vessel can contain up to 0.8 mg per cm 3 of vessel volume.
  • halogens iodine and bromine are advantageously used in a molar ratio between 0.2 and 2.
  • the figure shows a sectional side view of a metal halide high-pressure discharge lamp according to the invention
  • a metal halide discharge lamp 1 according to the invention with a power consumption of 400 W is shown schematically (not to scale) as it can be used in a reflector system.
  • the discharge vessel 2 made of quartz glass has an essentially spherical shape and has a neck 3, 4 at two diametrically opposed locations, into which pin-shaped tungsten electrodes 5, 6 are melted by means of sealing foils 7, 8 made of molybdenum .
  • the ends of the sealing foils 7, 8 facing away from the discharge space are welded to power supply lines 9, 10, which are connected to the electrical connections in the reflector when installed in a reflector system.
  • Table 1 shows two fillings according to the invention of the discharge vessel 2 of a 400 W lamp and the lifetimes achieved in each case as well as the lighting data of this lamp. By adding lithium in the filling 2, the color temperature is reduced by approximately 500 K compared to filling 1. Table 1
  • Luminous efficacy in lm / W 70 69 average luminance in kcd / cm 2 30 30
  • a further exemplary embodiment relates to a metal halide discharge lamp according to the invention with a power consumption of 270 W. Its structure differs from that of the lamp shown in the figure essentially only by a smaller discharge volume and a shorter electrode spacing and is therefore not illustrated.
  • Table 2 shows a filling according to the invention of the discharge vessel of a 270 W lamp and the light-technical data of this lamp.
  • Luminous efficacy 70 lm / W average luminance 35 kcd / cm 2

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)

Abstract

Bei der Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe (1) für den Einbau in optische Systeme und spezifische Bogenleistungen zwischen 60 und 140 W pro mm Bogenlänge enthält das Entladungsgefäß (2) Tantal und Dysprosium. Bei Wandbelastungen zwischen 40 und 85 W/cm2 werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn die Füllung pro cm3 Gefäßvolumen 0,2 bis 1,5 mg Tantal und Dysprosium in einem Gewichtsverhältnis Tantal zu Dysprosium zwischen 0,3 und 1,5 enthält. Dadurch werden bei einer Farbtemperatur von 5500 K Lampenlebensdauern von 1500 h erreicht.

Description

Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe für den Einbau in optische Systeme
Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Hoch- druckentladungslampe mit einer mittleren Bogenlei- stung zwischen 60 und 140 W/mm Bogenlänge für den Einbau in optische Systeme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen dieser Art werden insbesondere in Projektions- (Dia-, Overhead-, Schmalfilm- und Kinoprojektion) und Glasfaserbeleuchtungssysteme (Endoskopie, Mikrosko¬ pie, Effektbeleuchtung für Film und Fernsehen) eingesetzt, wo Licht mit Farbtemperaturen zwischen 4000 und 7000 K und guter bzw. sehr guter Farbwie¬ dergabe in allen Farbtemperaturbereichen benötigt wird. Sie zeichnen sich durch einen sehr kurzen Lichtbogen (wenige mm) und höchste Leuchtdichten (im Mittel einige 10 kcd/cm2) aus, was sie für den Einbau in Reflektoren oder sonstigen optisch abbil¬ denden Systemen prädestiniert.
Aus der EP 0 193 086 und der DE-A 4 040 858 sind Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen mit kurzen Lichtbögen und entsprechend hohen Leucht¬ dichten bekannt, die Licht mit tageslichtähnlicher spektraler Zusammensetzung abgeben. Nachteilig ist jedoch, daß diese Lampen nur mitt¬ lere Lebensdauern von einigen hundert Stunden aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallhaloge- nid-Hochdruckentladungslampe zu schaffen, die eine mittlere Lebensdauer von mindestens 1000 Betriebs¬ stunden hat, einen sehr kurzen Lichtbogen mit sehr hoher Leuchtdichte besitzt sowie eine Farbtempera- tur zwischen 4000 und 7000 K - bei sehr guter Farb¬ wiedergabe - aufweist und dieses Ziel mit möglichst wenig Elementen in der Füllung erreicht.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merk- male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Metallhalogenid-Hochdruckent- ladungslampe wird bei spezifischen Bogenleistungen zwischen 60 und 140 W pro mm Bogenlänge und ver¬ gleichsweise geringen Wandbelastungen zwischen 40 und 85 W pro cm2 Wandfläche betrieben. Mit herkömm¬ lichen Füllungen treten nach kurzer Zeit bei Wand¬ belastungen unterhalb bzw. oberhalb von ungefähr 60 W pro cm2 Kolbenschwärzungen bzw. Entglasung auf, wobei der Wert für diese Grenze je nach Küh¬ lung variieren kann. Dadurch sinkt der nutzbare Lichtstrom bzw. die Lampenlebensdauer wird be¬ grenzt.
Der Füllung der erfindungsgemäßen Lampe, die aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas und minde¬ stens einem Halogen und Cäsium besteht, ist Tantal und Dysprosium, vorteilhafterweise mit einem Ge- wichtsverhältnis zwischen 0,3 und 1,5 zugesetzt, wobei die Summe der Füllmengen dieser beiden wich¬ tigen Zusätze vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 1 ,5 mg pro cm3 Gefäßvolumen beträgt. Tantal hält auch bei relativ geringen Wandbelastungen den Halogenkreisprozeß aufrecht und verhindert so weitgehend eine Schwärzung und Entglasung des Kolbens, so daß eine hohe mittlere Lebensdauer erzielt werden kann. Außerdem trägt Tantal zum Kontinuumsanteil im optischen Spektrum bei. Dyspro- sium sorgt mit seinem Viellinienspektrum für einen hohen Strahlungsfluß im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums. Durch den erfindungsgemäßen Zusatz von Tantal und Dysprosium wird also die Entglasungsneigung und Kolbenschwärzung minimiert - d.h. die mittlere Lebensdauer wird entsprechend verlängert - und der Lichtstrom und die Farbwieder¬ gabe werden optimiert.
Soll die Farbtemperatur gesenkt und/oder eine besonders gute Farbwiedergabe erzielt werden, kann optional zusätzlich Lithium bis zu 0,2 mg pro cm3 Gefäßvolumen zugesetzt werden, welches den Rotan¬ teil der Strahlung erhöht, was insbesondere bei einem Einsatz der Lampe in einem dichroitischen Kaltlichtreflektor von Vorteil sein kann, der die Farbtemperatur der reflektierten Strahlung gegen¬ über der Gesamtstrahlung der Entladung etwas er¬ höht. Außerdem ist Lithium ein atomarer Linien¬ strahler, der bevorzugt im heißen Bogenkern strahlt und deshalb von entsprechend fokussierenden Spe- zialreflektoren, die nur den inneren Bogenkern abbilden, besonders effizient abgestrahlt wird.
Zur Bogenstabilisierung kann das Entladungsgefäß Cäsium bis zu 0,8 mg pro cm3 Gefäßvolumen enthal- ten. Als Halogene werden vorteilhafterweise Jod und Brom in einem molaren Verhältnis zwischen 0,2 und 2 verwendet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausfüh¬ rungsbeispiele näher erläutert.
Die Figur zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Metallhalogenid- Hochdruckentladungslampe
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Metallhaloge- nid-Entladungslampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 400 W schematisch (nicht maßstabsgerecht) dargestellt, wie sie in ein Reflektorsystem einge¬ setzt werden kann. Das Entladungsgefäß 2 aus Quarz¬ glas besitzt eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt und weist an zwei diametral gegenüberlie¬ genden Stellen je einen Hals 3, 4 auf, in den stiftförmige Wolfram-Elektroden 5, 6 mittels Dich¬ tungsfolien 7, 8 aus Molybdän eingeschmolzen sind. Die dem Entladungsraum abgewandten Enden der Dich¬ tungsfolien 7, 8 sind mit Stromzuführungen 9, 10 verschweißt, die beim Einbau in ein Reflektorsystem mit den elektrischen Anschlüssen im Reflektor verbunden werden.
Aus Tabelle 1 sind zwei erfindungsgemäße Füllungen des Entladungsgefäßes 2 einer 400 W-Lampe und die damit jeweils erzielten Lebensdauern sowie die lichttechnischen Daten dieser Lampe ersichtlich. Durch Zusatz von Lithium in der Füllung 2 wird die Farbtemperatur gegenüber Füllung 1 um ca. 500 K erniedrigt. Tabelle 1
Füllung 1 Füllung 2
Li in mg -- 0,005
J2 in mg 0,9 0,92
Br2 in mg 0,75 0,75
Cs in mg 0,22 0,22
Dy in mg 0,24 0,24
Ta in mg 0, 16 0, 16
Hg in mg 30,5 30,5
Ar in mbar 450 450
Entladungsgefäßvolumen in ml 1,3 1,3
Leistungsaufnahme in W 400 400
Wandbelastung in W/cm2 68 68
Spez. Leistung in W/mm
Bogenlänge 95 95
Farbtemperatur in K 5500 5000
Lebensdauer in h 1500 1500
Elektrodenabstand in mm 4 4
Lichtausbeute in lm/W 70 69 mittlere Leuchtdichte in kcd/cm2 30 30
Brennspannung in V 55 55
Farbwiedergabeindex Ra 90 90
Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft eine erfindungsgemäße Metallhalogenid-Entladungslampe mit einer Leistungsaufnahme von 270 W. Sie unter¬ scheidet sich in ihrem Aufbau von jenem der in der Figur gezeigten Lampe im wesentlichen nur durch ein kleineres Entladungsvolumen und einen kürzeren Elektrodenabstand und ist deshalb nicht bildlich dargestellt. Aus Tabelle 2 ist eine erfindungsgemäße Füllung des Entladungsgefäßes einer 270 W-Lampe und die licht¬ technischen Daten dieser Lampe ersichtlich.
Figure imgf000008_0001
Li 0,005 mg
J2 0,75 mg
Br2 0,36 rag
Cs 0,1 mg
Dy 0,13 mg
Ta 0,08 mg
Hg 13,2 mg
Ar 450 bar
Entladungsgefäßvolumen 0,55 ml
Leistungsaufnahme 270 W
Wandbelastung 81 W/cm2
Spez. Leistung 117 W/mm
Farbtemperatur 5000 K
Lebensdauer 1000 h
Elektrodenabstand 2 ,3 mm
Lichtausbeute 70 lm/W mittlere Leuchtdichte 35 kcd/cm2
Brennspannung 45 V
Farbwiedergabeindex Ra 80

Claims

Patentansprüche
1. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe (1) mit einer mittleren Bogenleistung zwischen 60 und
140 W/mm Bogenlänge für den Einbau in optische Systeme mit einem Entladungsgefäß (2) aus hochtem- peraturfestem lichtdurchlässigen Material, zwei hochtemperaturbeständigen Elektroden (5, 6) und einer Füllung, die aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas, mindestens einem Halogen, Cäsium sowie weiteren Metallen zur Bildung von Metallhalo- geniden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Licht mit einer Farbtemperatur zwi¬ schen 4000 und 7000 K, bei einer Wandbelastung der Lampe (1) zwischen 40 und 85 W pro cm2 Wandflä¬ che die Füllung als weitere Metalle Tantal und Dysprosium enthält.
2. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla¬ dungsgefäß Tantal und Dysprosium in einem Gewichts- Verhältnis zwischen 0,3 und 1,5 enthält.
3. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla¬ dungsgefäß Tantal und Dysprosium enthält, wobei die Summe der Füllmengen beider Bestandteile zwischen 0,2 und 1 ,5 mg pro cm3 des Gefäßvolumens liegt.
4. Metallhalogenid-Hochdruckentladungsla pe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla- dungsgefäß zusätzlich Lithium enthält.
5. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füll- menge des Lithiums bis zu 0,2 mg pro cm3 des Gefä߬ volumens beträgt.
6. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla¬ dungsgefäß als Halogene für die Halogenidverbindun- gen Jod und Brom in einem Molverhältnis zwischen 0,2 und 2 enthält.
7. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla¬ dungsgefäß Cäsium bis zu einer Menge von 0,8 mg pro cm3 des Gefäßvolumens enthält.
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