EP0169510B1 - Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe Download PDF

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EP0169510B1
EP0169510B1 EP85109049A EP85109049A EP0169510B1 EP 0169510 B1 EP0169510 B1 EP 0169510B1 EP 85109049 A EP85109049 A EP 85109049A EP 85109049 A EP85109049 A EP 85109049A EP 0169510 B1 EP0169510 B1 EP 0169510B1
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metal halide
pressure discharge
vessel
discharge lamp
discharge vessel
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Alexander Dipl.-Ing. Dobrusskin
Bernd Dipl.-Phys. Lewandowski
Walter Kiele
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/125—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having an halogenide as principal component
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827—Metal halide arc lamps

Definitions

  • the invention relates to a metal halide high pressure discharge lamp according to the first part of the main claim.
  • mercury vapor high pressure discharge lamps with addition of rare earth halides, in particular dysprosium and / or holmium and / or thulium, are known. These lamps with a luminous efficacy of greater than 85 Im / W are intended to emit radiation which has a spectral composition that is as similar as possible to daylight and a light color of approximately 6000 K with a color rendering index of greater than 90. Lamps of this type are used in particular in lighting systems for stage, film and television, where a color temperature as close as possible to daylight and very good color rendering are required.
  • a metal halide high-pressure discharge lamp is known from US Pat. No. 3,852,630, which has an addition of gadolinium iodide, a color temperature of 4950 K and a color rendering index of 83.5 being achieved.
  • lamps with this filling composition and power consumption below 4000 W produce light that achieves the desired values of color temperature and color rendering.
  • lamps of higher power consumption and the same halide composition however, the color temperature of the light drops significantly, so that these lamps no longer meet the requirements placed on them.
  • a color temperature of approx. 6000 K is necessary because the installation of such lamps in lighting systems causes the color temperature of the emitted light to drop by several 100 K due to the design and configuration of the system.
  • the illuminating light must have a color temperature of approx. 5600 K, so that the lamps without a lighting system should have a light with a color temperature of approx. 6000 K.
  • the aim of the invention was therefore to find metal halide compositions and quantity ranges for these compositions, with which even in the case of high-pressure discharge lamps with power consumption, well over 4000 W of light can be generated which has a color temperature of approximately 6000 K with very good color rendering.
  • the metal halide high pressure discharge lamp with the features mentioned in the preamble of the main claim is characterized according to the invention by the features mentioned in the characterizing part of the main claim.
  • the radiation emission in metal halide high-pressure discharge lamps with a power consumption of 4000 W and more is essentially determined by transitions from highly excited states (Rydberg atoms) and by the radiation transitions in multiply charged ions.
  • the incomplete or free inner shells of rare earths e.g. Ho: 4f, 5d, 5f in LS coupling
  • a well-functioning halogen circuit is particularly important for a long medium life. Optimal conditions for an average lifespan of 250 hours are achieved in the above lamp if the discharge vessel contains bromine and / or iodine as halogens and these elements are present in an excess of halogen in the discharge vessel which exceeds the stoichiometric ratio of the rare earth halide compounds.
  • the discharge vessel also contains cesium to produce a diffuse arc.
  • the amount of cesium must be such that it is just sufficient to stabilize the bow. However, it must not exceed this amount, since cesium accelerates the devitrification and the highly stressed lamps here have bulb temperatures of approx. 900 ° C, which are only slightly below the transformation point for quartz glass at approx. 1100 ° C.
  • the discharge vessel 2 of quartz mm with a wall thickness of 5 and an outer diameter d 1 of 65 mm has two lamp shafts 3, 4.
  • the total length 1 1 with the shafts 3, 4 is 465 mm.
  • the rod-shaped tungsten electrodes 5, 6 are connected to the sleeve bases 9, 10 via molybdenum foils 7, 8, which are melted vacuum-tight into the lamp shafts 3, 4 and have a diameter d 2 of 25.5 mm and a length 1 2 of 60 mm to have.
  • the standardized bases 9, 10 of type K 25s also have connection cables 11, 12 of 150 mm length with cable lugs 13, 14.
  • the discharge vessel 2 with a volume of 105.5 cm 3 and an electrode spacing of 32 mm has a filling which consists of 12.6 mg Ho, 12.0 mg Gd, 60.6 mg CsBr, 90.0 mg HgBr 2 and 70.7 mg HgJ 2 and an additional 939.6 mg elemental Hg and 400 hPa Ar.
  • the luminous efficacy of the metal halide high-pressure discharge lamp 1 with a color temperature of 6000 K and a color rendering index Ra of greater than 95 is 84 Im / W.
  • the lamp is operated on a supply voltage of 380 V in burning position p 15 and has a burning voltage of 225 V at a current of 65 A.
  • FIG. 2 a spectrum of light in the range of a wavelength between 350 and 780 nm, as emitted by the lamp shown in FIG. 1, is compared with a daylight spectrum D (60) (according to the CIE standard) with a color temperature of 6000 K.
  • D daylight spectrum
  • the figure shows that the spectral radiance of the lamp according to the invention largely corresponds to the daylight curve of 6000 K.

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  • Discharge Lamp (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe gemäß dem ersten Teil des Hauptanspruchs.
  • Aus der DE-C-19 40 539 un der DE-C-21 14 804 sind Quecksilberdampf-Hockdruckentladungslampen mit Zusatz von Halogeniden der Seltenen Erden, insbesondere von Dysprosium und/oder Holmium und/oder Thulium bekannt. Diese Lampen mit einer Lichtausbeute von größer 85 Im/W sollen Strahlung abgeben, die eine möglichst tageslichtähnliche spektrale Zusammensetzung und eine Lichtfarbe von ca. 6000 K mit einem Farbwiedergabeindex von größer 90 besitzt. Lampen dieser Art werden insbesondere in Beleuchtungssystemen für Bühne, Film und Fernsehen eingesetzt, wo eine möglichst tageslichtähnliche Farbtemperatur und eine sehr gute Farbwiedergabe benötigt werden.
  • Aus US-A-3 852 630 ist eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe bekannt, die einen Zusatz von Gadoliniumjodid aufweist, wobei eine Farbtemperatur von 4950 K und ein Farbwiedergabeindex von 83,5 erreicht werden.
  • Es zeigte sich, daß Lampen mit dieser Füllungszusammensetzung und Aufnahmeleistungen unter 4000 W Licht erzeugen, das die gewünschten Werte der Farbtemperatur und der Farbwiedergabe erreicht. Bei Lampen höherer Leistungsaufnahme und gleicher Halogenidzusammensetzung geht jedoch die Farbtemperatur des Lichts deutlich zurück, so daß diese Lampen die an sie gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllen.
  • Eine Farbtemperatur von ca. 6000 K ist deshalb notwendig, weil durch den Einbau solcher Lampen in Beleuchtungssysteme die Farbtemperatur des ausgesandten Lichts aufgrund der Konstruktion und Ausgestaltung des Systems um einige 100 K sinkt. Für die Erstellung guter Film-bzw. Fernsehaufnahmen muß aber das Beleuchtungslicht eine Farbtemperatur von ca. 5600 K aufweisen, so daß die Lampen ohne Beleuchtungssystem ein Licht mit einer Farbtemperatur von ca. 6000 K besitzen sollten.
  • Ziel der Erfindung war es daher, Metallhalogenidzusammensetzungen und Mengenbereiche für diese Zusammensetzungen zu finden, mit denen sich auch bei Hochdruckentladungslampen mit Leistungsaufnahmen deutlich über 4000 W Licht erzeugen läßt, das eine Farbtemperatur von ca. 6000 K bei sehr guter Farbwiedergabe besitzt.
  • Die Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Merkmalen ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs erwähnten Merkmale gekennzeichnet.
  • Die Strahlungsemission bei Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen mit Leistungsaufnahmen von 4000 W und mehr wird wesentlich durch Übergänge aus hochangeregten Zuständen (Rydbergatome) sowie durch die Strahlungsübergänge in mehrfach geladenen Ionen bestimmt. Die nicht vollständig besetzten bzw. freien inneren Schalen bei Seltenen Erden (z.B. Ho:4f, 5d, 5f in LS-Kopplung) führen zusätzlich wegen der hohen Multiplizität der Terme zu einer weiteren Linienvielfalt (Quasikontinuum). Berechnungen der spektralen Eigenschaften dieses Lampentyps sind nicht sinnvoll, da durch die zahlreichen und komplizierten Abhängigkeiten der Einzelparameter eine strenge Aussage bezüglich Farbort und Farbwiedergabe nicht möglich ist.
  • Es wurden deshalb Untersuchungen mit unterschiedlichen Mengenzusammensetzungen der Füllungselemente Gadolinium, Holmium und Dysprosium bei Hochdruckentladungslampen mit Leistungsaufnahmen zwischen 4000 und 14 000 W durchgeführt. Dabei zeigte sich, daß für Lichtausbeuten von über 80 lm/W mit einer Farbtemperatur von 6000 K und einem Farbwiedergabeindex von größer 95 das Entladungsgefäß pro cm3 seines Volumens 0,01 bis 2,3 mg Gadolinium sowie jeweils 0,01 bis 2,4 mg Holmium und/ oder Dysprosium enthalten muß.
  • Für eine lange mittlere Lebensdauer ist ein gut funktionierender Halogen-Kreislauf von besonderer Bedeutung. Optimale Bedingungen für eine mittlere Lebensdauer von 250 Stunden werden bei der obigen Lampe erzielt, wenn das Entladungsgefäß als Halogene Brom und/oder Jod enthält und diese Elemente in einem das stöchiometrische Verhältnis der Seltenerdhalogenid-Verbindungen übersteigenden Halogenüberschuß im Entladungsgefäß vorliegen.
  • Das Entladungsgefäß enthält außerdem zur Erzeugung eines diffusen Bogenansatzes Cäsium. Die Menge des Cäsiums muß dabei so bemessen sein, daß sie für eine Bogenstabilisierung gerade ausreicht. Sie darf diese Menge jedoch nicht überschreiten, da Cäsium die Entglasung beschleunigt und die hier vorliegenden hochbelasteten Lampen Kolbentemperaturen von ca. 900°C besitzen, die nur wenig unterhalb des Transformationspunktes für Quarzglas bei ca. 1100°C liegen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren erläutert.
    • Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe.
    • Figur 2 zeigt ein Spektrum des Lichts, wie es von der in Figur 1 dargestellten Lampe abgegeben wird, im Vergleich zu einem Tageslichtspektrum.
  • In Figur 1 ist eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 12 000 W dargestellt. Das Entladungsgefäß 2 aus Quarz mit einer Wandstärke von 5 mm und einem Außendurchmesser d1 von 65 mm besitzt zwei Lampenschäfte 3, 4. Die Gesamtlänge 11 mit den Schäften 3, 4 beträgt 465 mm. Die stabförmigen Wolframelektroden 5, 6 sind über Molybdänfolien 7, 8, die vakuumdicht in die Lampenschäfte 3, 4 eingeschmolzen sind, mit den Hülsensockeln 9, 10 verbunden, die einen Durchmesser d2 von 25,5 mm und eine Länge 12 von 60 mm haben. Die genormten Sockel 9, 10 vom Typ K 25s besitzen außerdem Anschlußkabel 11, 12 von 150 mm Länge mit Kabelschuhen 13, 14.
  • Das Entladungsgefäß 2 mit einem Volumen von 105,5 cm3 und einem Elektrodenabstand von 32 mm besitzt eine Füllung, die sich aus 12,6 mg Ho, 12,0 mg Gd, 60,6 mg CsBr, 90,0 mg HgBr2 und 70,7 mg HgJ2 sowie zusätzlich 939,6 mg elementarem Hg und 400 hPa Ar zusammensetzt.
  • Die Lichtausbeute der Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Farbtemperatur von 6000 K und einem Farbwiedergabeindex Ra von größer 95 beträgt 84 Im/W. Die Lampe wird an einer Versorgungsspannung von 380 V in Brennstellung p 15 betrieben und besitzt dabei eine Brennspannung von 225 V bei einer Stromstärke von 65 A.
  • In Figur 2 ist ein Spektrum des Lichts im Bereich einer Wellenlänge zwischen 350 und 780 nm, wie es von der in Figur 1 dargestellten Lampe abgegeben wird, einem Tageslichtspektrum D (60) (nach CIE-Norm) mit einer Farbtemperatur von 6000 K gegenübergestellt. Die Figur zeigt, daß die spektrale Strahlstärke der erfindungsgemäßen Lampe weitgehend mit der Tageslichtkurve von 6000 K übereinstimmt.

Claims (4)

1. Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe (1) mit einer Leistungsaufnahme größer 4000 W, einem Entladungsgefäß (2) aus hocktemperaturfestem, lichtdurchlässigen Material als einzigen Kolben, zwei hochtemperaturbeständigen Elektroden (5, 6) sowie einer Füllung aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas und Halogeniden von Holmium und/oder Dysprosium, wobei die Lampe eine spezifische Wandbelastung zwischen 50 und 120 W/cm2 und eine spezifische Bogenleistung zwischen 1000 und 5000 W/cm besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) zur Erzielung einer Farbtemperatur von ca. 6000 K und eines Farbwiedergabeindexes Ra von größer 90 Holmium und/oder Dysprosium in einer Menge von jeweils 0,01 bis 2,4 mg pro cm3 des Gefäßes (2) enthält, und daß zusätzlich Gadoliniumhalogenid im Entladungsgefäß (2) vorhanden ist, wobei das Gadolinium in einer Menge von 0,01 bis 2,3 mg pro cm3 des Gefäßes (2) vorliegt.
2. Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) als Halogene Brom und/oder Jod enthält.
3. Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) einen das stöchiometrische Verhältnis der Seltenerd-Halogenidverbindungen übersteigenden Halogenüberschuß aufweist.
4. Metallhalogenid-Hockdruckentladungslampe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) Cäsium enthält.
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