DE60029088T2

DE60029088T2 - Hochdruck-gasentladungslampe

Info

Publication number: DE60029088T2
Application number: DE60029088T
Authority: DE
Inventors: Willem Van Erk
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2020-10-17
Also published as: JP2003514350A; CN1337059A; US6847167B1; CN1174464C; EP1149404B1; DE60029088D1; WO2001035443A1; EP1149404A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Gasentladungslampe umfassend:
ein gasdicht verschlossenes Quarzglas-Lampengefäß mit einem von einer Wandung umschlossenen Raum, in dem ein Elektrodenpaar angeordnet ist;
eine Außenfläche der genannten Wandung, die zwischen dem Elektrodenpaar verläuft; und
eine in dem Raum vorgesehene Füllung, die ein Edelgas und Halogenide von Zinn und Indium umfasst.
Eine derartige Hochdruck-Gasentladungslampe ist aus dem Patentdokument DE 24 55 277 (= US 4.001.626 ) bekannt. Die Lampe erzeugt im Betrieb Licht von verhältnismäßig hoher Intensität, weil in der Füllung Zinnhalogenid vorhanden ist. Durch das Vorhandensein von Indiumhalogenid in der Füllung hat das ausgesendete Licht einen Farbort und eine Farbtemperatur, die einem beabsichtigten Farbort und einer beabsichtigten Farbtemperatur bis zu einem gewissen Maße angenähert sind. Das Lampengefäß ist aus Quarzglas hergestellt, d.h. Glas mit einem SiO₂-Gehalt von zumindest 95 Gew.-%. Ein Nachteil der bekannten Lampe ist eine unakzeptabel schnelle Korrosion und/oder Kristallisation der Wandung des Lampengefäßes. Diese Korrosion und/oder Kristallisation ist teilweise auf ein chemisches Angreifen durch die Füllung zurückzuführen. Hierdurch hat die Lampe einen verhältnismäßig schlechten Lichtstromfaktor, und es tritt Lichtstreuung auf, sodass eine Bündelung des Lichtes verhältnismäßig schlecht ist. Die Korrosion und/oder Kristallisation führt zu zusätzlichen Nachteilen mit einem verhältnismäßig hohen Risiko einer verhältnismäßig kurzen Lebensdauer der Lampe und/oder Aufblasen, d.h. einer Zunahme des von der Wandung des Lampengefäßes umschlossenen Volumens.
Das gleiche Patentdokument beschreibt auch die Füllung, der Lithiumchlorid oder Natriumchlorid zugefügt worden ist. Das von einer Lampe, deren Füllung einen derartigen Zusatz aufweist, ausgesendete Licht hat einen Farbort und eine Farbtemperatur, die dem beabsichtigten Farbort und der beabsichtigten Farbtemperatur verhältnismäßig dicht angenähert sind. Eine solche Lampe leidet jedoch noch stärker unter dem Nachteil einer schnellen Korrosion und/oder Kristallisation der Wandung des Lampengefäßes.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Gasentladungslampe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in der den obigen Nachteilen wie Korrosion und Kristallisation von Quarzglas entgegengewirkt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wandung an ihrer Außenfläche eine Wandbelastung von zumindest 30 W/cm² hat, und dass die Füllung ein Alkalimetallhalogenid mit zumindest einem Alkali-Ion und zumindest einem Halogenid-Ion umfasst, wobei das Alkali-Ion aus der von Kalium, Rubidium und Cäsium gebildeten Gruppe gewählt ist und das Halogenid-Ion aus der von Chlor, Brom, und Iod gebildeten Gruppe gewählt ist.
Lithium- und Natriumhalogenide gehören zu der Gruppe der Alkalihalogenide. Kalium-, Rubidium- und Cäsiumhalogenide gehören auch zu dieser Gruppe. Das Patentdokument DE 24 55 277 beschreibt einen Nachteil von Lithiumchlorid und Natriumchlorid in der Füllung im Hinblick auf Korrosion und Kristallisation der Wandung des Lampengefäßes. Da Kalium-, Rubidium- und Cäsiumhalogenide auch zu dieser gleichen Alkaligruppe gehören, ist zu erwarten, dass diese Halogenide zu einer unakzeptabel schnellen Korrosion und Kristallisation von Quarzglas führen, wenn eines oder mehrere dieser Halogenide in der Füllung vorhanden wären. Die Erwartung ist daher, dass die Verwendung von Kalium-, Rubidium- oder Cäsiumhalogenid in der Füllung der bekannten Lampe nicht sinnvoll ist. In Experimenten zeigte sich überraschenderweise, dass die erfindungsgemäße Lampe sowohl im Vergleich zu der bekannten Lampe als auch im Vergleich zu Lampen mit sowohl Lithium- oder Natriumchlorid als auch Zinn- und Indiumhalogeniden in der Füllung eine längere Lebensdauer und ein verringertes Explosionsrisiko hat. Dieser überraschende Effekt äußert sich bei Lampen mit einer verhältnismäßig hohen Wandbelastung auf der Außenfläche der Wandung von zumindest 30 W/cm². Bei Lampen mit einer so hohen Wandbelastung haben große Teile der Wandung eine Temperatur oberhalb von 800 °C.
In Lampen mit einem kurzen Entladungsbogen von beispielsweise höchstens 10 mm tritt eine Wandbelastung von 30 W/cm² auf. Wenn ein in der Praxis nützlicher Lichtstrom aus Lampen mit einem so kurzen Entladungsbogen erhalten werden soll, herrscht im Betrieb häufig ein verhältnismäßig hoher Druck in dem Raum des Lampengefäßes, um eine geforderte Lampenspannung zu erhalten. Der verhältnismäßig hohe Druck in der Lampe führt zu einer starken Konvektion, wodurch lokal eine hohe Temperatur in der Wandung des Lampengefäßes auftritt, häufig eine Temperatur von mehr als 1050 °C. Die hohe Temperatur bringt eine erhebliche Zunahme des Risikos von Korrosion und/oder Kristallisation der Wandung des Lampengefäßes mit sich. Überraschenderweise zeigte sich bei der erfindungsgemäßen Lampe, dass die Korrosion und Kristallisation von Quarzglas sowohl im Vergleich zu der bekannten Lampe als auch im Vergleich zu Lampen mit sowohl Lithium- oder Natriumchlorid als auch Zinn- und Indiumhalogeniden in der Füllung verringert sind. Die erfindungsgemäße Hochdruck-Gasentladungslampe mit einer Wandbelastung auf der Außenfläche von mehr als 30 W/cm² und mit einem Entladungsbogen von weniger als 3 mm erwies sich als sehr gut geeignet für Projektionsanwendungen.
Bei einer günstigen Ausführungsform der Hochdruck-Gasentladungslampe ist das Alkali-Ion Kalium. Sehr gute Ergebnisse wurden in Experimenten besonders bei Verwendung von Kaliumhalogenid in der Lampe erhalten. Lampen mit Kaliumhalogenid in ihrer Füllung wiesen nach 1000 Betriebsstunden kaum Spuren von Korrosion und Kristallisation von Quarzglas auf. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lampen ist, dass Molybdänfolien, das sind Bestandteile von durch die Wandung des Lampengefäßes geführten und mit den Elektroden verbundenen elektrischen Leitern, viel weniger stark angegriffen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Hochdruck-Gasentladungslampe ist das Halogenid-Ion Brom. Das Halogenid erzeugt zusammen mit Elektrodenmaterial, beispielsweise Wolfram, beim Lampenbetrieb in der Lampe einen Zyklus, durch den einer durch Ablagerungen des Elektrodenmaterials verursachten Schwärzung der Wandung des Lampengefäßes entgegengewirkt wird. Experimente haben gezeigt, dass, wenn das Halogenid Chlor ist, der Wolframzyklus unter Schwierigkeiten abläuft, sodass für die Lampe ein größeres Risiko einer Schwärzung der Wandung besteht als wenn das Halogenid Brom oder Iod ist. Experimente haben auch gezeigt, dass, wenn das Halogenid Iod ist, in der Lampe Zinniodid gebildet wird. Das so gebildete Zinniodid hat eine Anzahl Eigenschaften, unter anderem eine Absorption von Strahlung im blauen Bereich des Spektrums. Diese Absorption führt zu einer geringeren Lichtausbeute der Lampe. Zudem kann diese Absorption zu Farbunterschieden in der Lampe führen, weil der Entladungsbogen einen Durchmessergradienten hat, beispielsweise infolge von Konvektion, was bedeutet, dass ein Gradient in der Absorption auftritt. Diese Farbunterschiede werden von einem Betrachter als störend wahrgenommen. Es hat sich auch in Experimenten gezeigt, dass, wenn das Halogenid Brom ist, diese Effekte in viel geringerem Maße auftreten oder überhaupt nicht.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Hochdruck-Gasentladungslampe umfasst die Hochdruck-Gasentladungslampe einen Reflektor, in dem das Lampengefäß fixiert ist. Das Generieren einer großen Menge an Lumen auf einem gegebenen Projektionsschirm, sogenannte "Schirmlumen", ist von wesentlicher Bedeutung, wenn die erfindungsgemäße Lampe in Projektionsanwendungen verwendet wird. Das Lampengefäß wird hierzu in dem Reflektor platziert, sodass das aus dem Entladungsbogen stammende Licht reflektiert wird und zu einem Lichtbündel geformt wird. Um eine große Menge an Schirmlumen zu erhalten, ist es wünschenswert, dass der Entladungsbogen während des Betriebs kurz ist, beispielsweise eine Länge von höchstens 3 mm hat. Es ist auch wünschenswert, dass der Entladungsbogen stabil ist und sich in, oder zumindest sehr nahe bei, einem Brennpunkt des Reflektors befindet. Das Fixieren des Lampengefäßes in dem Reflektor gewährleiste in einfacher Weise, dass der Entladungsbogen im Brennpunkt des Reflektors liegt. Hierdurch werden sehr günstige Bedingungen für eine wirksame Reflexion und Bündelung des Lichtes und somit eine sehr große Menge an Schirmlumen erhalten.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Hochdruck-Gasentladungslampe ist die Hochdruck-Gasentladungslampe eine Gleichstromlampe. Experimente mit Kaliumhalogenid, Rubidiumhalogenid oder Cäsiumhalogenid in der Füllung, besonders in Form eines Bromids, haben überraschenderweise ergeben, dass diese Halogenide als Emitter in der Gasphase arbeiten. Der Gasphasen-Emitter erniedrigt die von der Kathode beim Lampenbetrieb zum Liefern von Elektronen benötigte Temperatur. In gleichartigen Lampen ohne Emitter ist eine Temperatur der Wolfram-Elektrode von 3000 bis 3600 K notwendig, um Lampenströme von 4 bis 8 A zu erreichen. Bei Vorhandensein eines solchen Gasphasen-Emitters kann jedoch ein Strom bei einer Elektrodentemperatur realisiert werden, die ungefähr 500 K niedriger ist. Da die oben genannten Halogenide als Gasphasen-Emitter wirken, wird besonders in Gleichstromlampen der Vorteil erhalten, dass die Korrosion der Kathode, das sogenannte Rückbrennen, stark vermindert ist. Diese verminderte Korrosion bedeutet, dass sich die Länge des Entladungsbogens verhältnismäßig langsam vergrößert, sodass der Entladungsbogen für einen längeren Zeitraum eine verhältnismäßig hohe Stabilität behält.
Es sei bemerkt, dass die Verwendung von Selten-Erd-Halogeniden in einer Hochdruck-Gasentladungslampe mit einem Quarzglas-Lampengefäß unter anderem aus EP-A2-0 605 248 bekannt ist. Unter Selten-Erd-Halogeniden sollen die Halogenide der Elemente mit Ordnungszahlen 21, 39, und 57 bis 71 verstanden werden. Die Selten-Erd- Halogenide sind jedoch verhältnismäßig kostspielig und reagieren verhältnismäßig leicht mit dem Quarzglas-Lampengefäß. Daher hat eine Lampe mit einem Selten-Erd-Halogenid in ihrer Füllung auch den Nachteil einer schnellen Korrosion und Kristallisation des Quarzglas-Lampengefäßes.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruck-Gasentladungslampe ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung ist eine Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruck-Gasentladungslampe.
Die Hochdruck-Gasentladungslampe 1 in der Figur umfasst ein Quarzglas-Lampengefäß 2 mit einer Wandung 3, die eine Außenfläche 15 aufweist, und umfasst auch einen von der Wandung 3 umschlossenen Raum 4, in welchem Raum zwei Elektroden 5 angeordnet sind. Die Elektroden 5 sind aus einer Legierung von Wolfram mit 26 Gew.-% Rhenium hergestellt. Auch können die Elektroden 5 aus Molybdän, Wolfram, Rhenium hergestellt sein, oder aus Teilen zusammengesetzt sein, die aus Wolfram, Molybdän und/oder Rhenium bestehen. Die Elektroden 5 sind je mittels einer Molybdänfolie 6, die gasdicht in der Wandung 3 eingebettet ist, und mittels eines äußeren Stromleiters 7 mit einem jeweiligen äußeren Kontaktpunkt 14a und 14b verbunden. In dem Raum 4 befindet sich eine Füllung, die Argon als Edelgas, Quecksilber als Puffergas und Bromide von Zinn, Indium und Kalium umfasst. Die Hochdruck-Gasentladungslampe 1 ist als Wechselstromlampe ausgeführt, aber sie kann auch eine Gleichstromlampe sein. In der dargestellten Hochdruck-Gasentladungslampe 1 ist das Lampengefäß 2 mit Kitt 13 in einem konkaven elliptischen Reflektor 9 mit einer Reflexionsschicht 10 fixiert. Auch kann das Lampengefäß 2 in einem Reflektor von anderer Form, beispielsweise parabolisch, auf verschiedene Weise fixiert sein, beispielsweise eingeklemmt. Der Reflektor 9 ist offen, aber er kann auch geschlossen sein, beispielsweise mit einer Verschlussplatte. Der Reflektor 9 hat einen Brennpunkt 11. Die dargestellte Hochdruck-Gasentladungslampe 1 ist besonders zur Verwendung als Projektionslampe geeignet und hat eine Nennleistung von beispielsweise 400 W, einen kurzen Elektrodenabstand D von 2mm, und einen hohen Druck während des Lampenbetriebs, beispielsweise 60 bar. Die Lampe hat an ihrer Außenfläche 15 eine hohe Wandbelastung von 40 W/cm². Durch den kurzen Elektrodenabstand D und den hohen Druck hat die Lampe einen stabilen Entladungsbogen 12, der stark zusammengezogen ist und sich im Wesentlichen in oder nahe dem Brennpunkt 11 des Reflektors 9 befindet. In der Tabelle 1 unten wird eine Anzahl Lampenergebnisse für erfindungsgemäße Hochdruck-Gasentladungslampen und für Lampen mit Natriumhalogenid oder Lithiumhalogenid in der Füllung aufgeführt, sowie für Lampen, deren Füllungen frei Alkalimetallhalogeniden sind. Die Wandbelastung an der Außenfläche 15 der Wandung 3 beträgt für alle Lampen in Tabelle 1 ungefähr 40 W/cm2. Tabelle 1
Die Lampenergebnisse zeigen einen Unterschied in der Lichtausbeute der erfindungsgemäßen Lampe und der Lichtausbeute der bekannten Lampe. Wenn die erfindungsgemäße Lampe jedoch in einem üblichen Projektionssystem verwendet wird, das auf einer Trennung des Lichtes in Rot, Grün und Blau beruht, einem RGB-System, zeigte sich, dass die System-Lichtausbeute zumindest nahezu die gleiche ist wie für die bekannte Lampe. Die Wahl des Projektionssystems ist jedoch willkürlich und die System-Lichtausbeute ist stark von dieser Wahl abhängig, sodass die Angabe einer System-Lichtausbeute nicht viel Sinn hat.
Die Lampenergebnisse zeigen auch, dass die Hochdruck-Gasentladungslampe mit Kaliumbromid (L1, L3) in der Füllung viel weniger unter Korrosion des Quarzglases der Wandung zu leiden hat als Hochdruck-Gasentladungslampen ohne Alkalimetallhalogenide (16) oder mit Li- oder Na-Bromid (L2, L4, L5) in der Füllung. Das Ergebnis der verminderten Korrosion ist, dass die Lampe eine längere Nutzlebensdauer hat, vergleiche L3 mit L4; L5 und L6 und L1 mit L2.

Claims

Hochdruck-Gasentladungslampe (1) umfassend: ein gasdicht verschlossenes Quarzglas-Lampengefäß (2) mit einem von einer Wandung (3) umschlossenen Raum (4), in dem ein Elektrodenpaar (5) angeordnet ist; eine Außenfläche (15) der genannten Wandung (3), die zwischen dem Elektrodenpaar (5) verläuft; und eine in dem Raum (4) vorgesehene Füllung, die ein Edelgas und Halogenide von Zinn und Indium umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (3) an ihrer Außenfläche eine Wandbelastung von zumindest 30 W/cm² hat, und dass die Füllung ein Alkalimetallhalogenid mit zumindest einem Alkali-Ion und zumindest einem Halogenid-Ion umfasst, wobei das Alkali-Ion aus der von Kalium, Rubidium und Cäsium gebildeten Gruppe gewählt ist und das Halogenid-Ion aus der von Chlor, Brom, und Iod gebildeten Gruppe gewählt ist.
Hochdruck-Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe (1) einen Entladungsbogen (12) mit einer Länge von höchstens 10 mm hat.
Hochdruck-Gasentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Alkali-Ion Kalium ist.
Hochdruck-Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogenid-Ion Brom ist.
Hochdruck-Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gasentladungslampe (1) einen Reflektor (9) umfasst, in dem das Lampengefäß (2) fixiert ist.
Hochdruck-Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Gasentladungslampe (1) eine Gleichstromlampe ist.