DE4438294A1

DE4438294A1 - Metallhalogenid-Entladungslampe für fotooptische Zwecke

Info

Publication number: DE4438294A1
Application number: DE4438294A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Dirks
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-02
Also published as: CN1161757A; CA2201591C; EP0788655A1; US5798612A; WO1996013851A1; CN1089942C; JPH10507868A; KR970707570A; CA2201591A1; KR100351338B1; DE59504652D1; EP0788655B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie geht insbesondere von der deutschen Patentanmeldung P 43 27 534.6 und dem DE-GM 94 01 436 aus.

Metallhalogenid-Entladungslampen dieser Art werden vorwiegend in optischen Reflektoren oder sonstigen optisch abbildenden Systemen eingebaut. Ihr Einsatzgebiet ist beispielsweise die Projektions- oder Lichtleitertechnik u. a. für die Overhead-, Dia-, Kino- und Videoprojektion bzw. Endoskopie und Boroskopie. Dementsprechend sind sehr kurze Lichtbögen (wenige Millimeter) und höchste Leuchtdichten (im Mittel einige 10 kcd/cm²) bei Farbtemperaturen von mehr als 5000 K und guter bis sehr guter Farbwiedergabe (Ra<85) erforderlich. Typisch Leistungswerte liegen im Be reich zwischen ca. 35 W und 600 W.

In der deutschen Patentanmeldung P 43 27 534.6 bzw. der DE-GM 94 01 436 ist eine derartige Lampe mit einer Füllung offenbart, die neben Quecksilber und einem Inert gas noch zusätzlich Halogenverbindungen der Elemente Aluminium und Indium ent hält. Nachteilig sind die erforderlichen hohen Zündspannungen (typisch ca. 12 kV).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den genannten Nachteil zu beseitigen und eine Metallhalogenid-Entladungslampe zu schaffen, die eine Farbtemperatur von mehr als 5000 K - bei sehr guter Farbwiedergabe - sowie eine relativ niedrige Zünd spannung aufweist und dies mit möglichst wenigen Füllungsbestandteilen realisiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen erläutert.

Das Entladungsgefäß der erfindungsgemäßen Metallhalogenid-Entladungslampe ent hält - außer den Metallen Aluminium (Al) und Indium (In) - zusätzlich das Ele ment Gallium (Ga) als weiteres Metall zur Bildung von Metallhalogeniden. Die Füll menge pro cm³ Gefäßvolumen des Elements Ga beträgt typisch bis zu 1 mg, ins besondere liegt sie im Bereich zwischen 0,02 mg und 1 mg, bevorzugt zwischen 0,03 mg und 0,2 mg. In Vorversuchen hatte es sich überraschenderweise gezeigt, daß durch Zusatz von Ga die Zündspannung der kalten Lampe von typisch 12 kV auf unter 8 kV abnimmt. Außerdem enthält die Füllung noch folgende weitere Bestand teile: mindestens ein Inertgas, beispielsweise Argon (Ar) oder Xenon (Xe) als Zünd gas mit einem typischen Fülldruck im Bereich zwischen ca. 10 kPa und 40 kPa, Quecksilber zur Einstellung der gewünschten Brennspannung, typisch im Bereich zwischen 15 mg und 30 mg für Brennspannungen zwischen 60 V und 90 V sowie ein oder mehrere Halogene, vorzugsweise Jod (I) und/oder Brom (Br) zur Bildung von Metallhalogeniden.

Ohne daß eine Festlegung auf irgendeine theoretische Erklärung beabsichtigt ist, wer den gegenwärtig zwei Hauptgründe für das beobachtete Verhalten angenommen. Zum einen bildet Ga mit dem Halogen oder den Halogenen der Füllung, insbesondere mit Jod (I) Verbindungen mit geringerer Elektronenaffinität als dies bei Al und In der Fall ist. Zum anderen wurde eine geringere Bildung von Metallhalogenid- und Queck silberkondensaten auf den Elektroden beobachtet. Die Kondensatbildung auf den Elektroden wird bei bisherigen Füllungssystemen der Kurzbogenlampen - im Unter schied zu Langbogenlampen - hauptsächlich für erhöhte Zündspannungen verant wortlich gemacht. Außer des verbesserten Zündverhaltens sowohl der kalten als auch der heißen Lampe kann eine verbesserte Reproduzierbarkeit des Bogenansatzes an den Elektrodenspitzen beobachtet werden. Möglicherweise trägt auch der im Ver gleich zu InI mehr als 10-fach höhere Dampfdruck des GaI zur rascheren Ausbildung des Bogens bei. Das Zündverhalten ist im wesentlichen durch eine geeignete Stöchio metrie der Füllungsbestandteile Al, In und Ga beeinflußbar.

In der DD-PS 2 54 270 ist eine Kurzbogenlampe offenbart, deren komplexe Füllung im wesentlichen aus den Elementen Quecksilber (Hg), Zink (Zn), Indium, Natrium (Na), Lithium (Li) sowie Halogenen zusammengesetzt ist. Zwar ist erwähnt, daß In moläquivalent vollständig oder teilweise durch Ga ersetzt werden kann. Dies dient allerdings nur zur Erzielung einer guten Farbwiedergabe und einer niedrigen Farb temperatur (im Bereich zwischen 2500 K und 4000 K). Ein Einfluß des Ga auf die Zündspannung ist hingegen nicht erwähnt. Außerdem eignet sich diese Lampe nicht für den angegebenen Einsatz in optisch abbildenden Systemen, da die Farbtemperatur des gesamten Systems in der Regel um ca. 1000 K bis 2000 K niedriger liegt, als die der Lampe ohne optisches System.

Die Farbtemperatur ist über die Mengenverhältnisse der Füllungsbestandteile Al, In und Ga beeinflußbar. Durch geeignete Wahl der Verhältnisse lassen sich Farbtempera turen zwischen 5000 K und 30000 K, insbesondere zwischen 5000 K und 15000 K, bevorzugt zwischen 5000 K und 11000 K einstellen. Beim Betrieb der Lampe mit einem optischen Reflektor resultieren daraus tageslichtähnliche oder höhere Farb temperaturen. Typische Massenverhältnisse für In zu Al und Ga zu Al liegen im Be reich zwischen ca. 1,0 bzw. 0,5 für niedere Farbtemperaturen und ca. 20 für hohe Farbtemperaturen. Die Füllmenge pro cm₃ Entladungsgefäßvolumen des Elements Al liegt typisch im Bereich zwischen 0,01 mg und 2 mg, bevorzugt zwischen 0,02 mg und 0,2 mg. Die Füllmenge des In liegt typisch im Bereich zwischen 0,03 mg/cm³ und 0,5 mg/cm³, bevorzugt zwischen 0,05 mg/cm³ und 0,3 mg/cm³. Die Füllmenge des Ga liegt typisch im Bereich zwischen 0,02 mg/cm³ und 1 mg/cm³, bevorzugt zwischen 0,03 mg/cm³ und 0,2 mg/cm³.

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, welches z. B. an einem oder an beiden Enden mit einer Wärmeschicht (beispielsweise ZrO₂) bedeckt ist. Unter Umständen kann die Homogenität der Licht- und Farbverteilung, wie an sich bekannt (s. z. B. DE- GM 94 01 436), durch Mattierung mindestens eines Teilbereichs der Außenwandung des Kolbens verbessert werden.

In einer ersten Ausführung befinden sich zwei gegenüberstehende Elektroden inner halb des Entladungsgefäßes. Die Elektroden sind jeweils mit einer Stromzuführung verbunden, die gasdicht nach außen geführt sind. Das innere Volumen des Ent ladungsgefäßes beträgt kleiner ca. 3 cm³. Der Elektrodenabstand beträgt kleiner ca. 10 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 6 mm. Durch diese kompakten Abmessungen ist die Lampe gut an das Ideal einer Punktlichtquelle angenähert und ermöglicht somit eine hohe optische Effizienz des Systems Lampe-Reflektor. Typische Leistungsstufen liegen im Bereich zwischen 150 W und 200 W.

In einer Variante befinden sich die Elektroden außerhalb des Entladungsgefäßes, z. B. auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes angeordnet. Der Vorteil ist, daß da durch eine Korrosion der Elektroden durch die Füllung in jedem Fall verhindert wird. Auf diese Weise sind im Prinzip höchste Leistungsdichten in der Entladung realisier bar.

Vorteilhaft wird die Lampe mit einem Reflektor zu einer Baueinheit zusammengefügt, wie in der EP-A 459 786 beschrieben. Dabei ist die Lampe näherungsweise axial im Reflektor montiert. Der Reflektor ist z. B. dichroitisch beschichtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt die

Figur eine schematische Darstellung der Lampe mit Reflektor.

In der Figur ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe 1 mit einer Leistung von 170 W und einem ellipsoidähnlichen Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, welches an seinen beiden Enden mit je einer Quetschdichtungen 3 hermetisch verschlossen ist, schematisch dargestellt. Das innere Volumen der Entladungsgefäßes 2 beträgt ca. 0,7 cm³. Die axial einander gegenüberstehenden Elektroden 4 haben einen Abstand von 5 mm. Sie bestehen aus einem Elektrodenschaft 5 aus Wolfram, auf den eine Wendel 6 ebenfalls aus Wolfram aufgeschoben ist. Der Schaft 5 ist im Bereich der Quetschung 3 über eine Folie 7 mit äußeren Stromzuführungen 8 verbunden.

Die Lampe 1 ist näherungsweise axial in einem parabolischen Reflektor 9 angeordnet, wobei der Bogen, der sich zwischen den beiden Elektroden 4 im Betrieb ausbildet, im Fokus des Paraboloids sitzt. Ein Teil der ersten Quetschdichtung 3a befindet sich direkt in einer zentralen Bohrung des Reflektors 9 und ist dort mittels Kitt in einem Sockel 10 gehaltert. Dabei ist die erste Stromzuführung 8a mit einem Schraubsockel kontakt 10a verbunden.

Die zweite Quetschdichtung 3b ist der Reflektoröffnung 11 zugewandt. Die zweite Stromzuführung 8b ist im Bereich der Öffnung 11 mit einem Kabel 12 verbunden, das elektrisch isoliert durch die Wandung des Reflektors 9 zu einem separaten Kontakt 10b zurückgeführt ist. Die äußeren Oberflächen der Enden 13 des Entladungsgefäßes 2 sind mit ZrO₂ zu Wärmestauzwecken beschichtet.

Die Füllung enthält 18 mg Hg und 20 kPa Ar als Grundgas. Darüber hinaus enthält das Entladungsgefäß 2 die in der folgenden Tabelle 1 aufgeführten Metallhalogenide.

Durch den Zusatz von Ga konnte die Zündspannung von ca. 12 kV auf weniger als 8 kV reduziert werden. Die spezifische Bogenleistung und die Brennspannung be tragen ca. 34 W pro mm Bogenlänge bzw. ca. 70 V. Tabelle 2 zeigt die erzielten licht technischen Werte.

Tabelle 1

Metallhalogenid-Komposition der Lampe

Tabelle 2

Mit der Füllung aus Tabelle 1 erzielte lichttechnische Werte

In der folgenden Tabelle 3 sind einige Füllungsvarianten mit den zugehörigen licht technischen Werten aufgeführt.

Tabelle 3

Füllungsvarianten für die Lampe aus Fig. 1 und die damit erzielten lichttechnischen Werte

Deutlich ist zu erkennen, wie durch gezielte Wahl der Mengenverhältnisse der Haupt komponenten Al, In, Ga der Füllung, in diesem Fall In/Al und Ga/Al die Farbtempera tur TF beeinflußbar ist.

Claims

1. Metallhalogenid-Entladungslampe für fotooptische Zwecke mit einem Ent ladungsgefäß und mit mindestens zwei Elektroden, wobei das Entladungsgefaß eine ionisierbare Füllung enthält, bestehend aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas, mindestens einem Halogen, Aluminium (AI) und Indium (In) sowie einem weiteren Metall zur Bildung von Metallhalogeniden, dadurch gekenn zeichnet, daß die Füllung als weiteres Metall Gallium (Ga) enthält.

2. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Galliums (Ga) im Bereich zwischen 0,02 mg und 1 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

3. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Galliums (Ga) vorzugsweise im Bereich zwischen 0,03 mg und 0,2 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

4. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Aluminiums (Al) im Bereich zwischen 0,01 mg und 2 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

5. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Aluminiums (Al) vorzugsweise im Bereich zwischen 0,02 mg und 0,2 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

6. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Indiums (In) im Bereich zwischen 0,03 mg und 0,5 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

7. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Indiums (In) vorzugsweise zwischen 0,05 mg und 0,3 mg pro cm³ des Gefäßvolumens liegt.

8. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenverhältnis zwischen Indium (In) und Aluminium (Al) im Bereich zwischen 0,5 und 20 liegt.

9. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenverhältnis zwischen Gallium (Ga) und Aluminium (AI) im Be reich zwischen 0,1 und 10 liegt.

10. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenverhältnis zwischen Gallium (Ga) und Indium (In) im Bereich zwischen 0,1 und 5 liegt.

11. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß als Halogene für die Halogenidverbindungen Jod (I) und Brom (Br) in einem Massenverhältnis zwischen 0,5 und 10 enthält.

12. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb des Entladungsgefäßes zwei Elektroden gegenüberstehen, wobei der Elektrodenabstand höchstens 10 mm beträgt.

13. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand zwischen 1 mm und 6 mm beträgt.

14. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes angeordnet sind, wobei sich zwischen Elektrode und Außenwandung optional ein zusätz liches Dielektrikum befinden kann.

15. Metallhalogenid-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Baueinheit mit einem optischen Reflektor bildet.