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EP0692139B1 - Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe für den einbau in optische systeme - Google Patents

Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe für den einbau in optische systeme Download PDF

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EP0692139B1
EP0692139B1 EP94911079A EP94911079A EP0692139B1 EP 0692139 B1 EP0692139 B1 EP 0692139B1 EP 94911079 A EP94911079 A EP 94911079A EP 94911079 A EP94911079 A EP 94911079A EP 0692139 B1 EP0692139 B1 EP 0692139B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
discharge lamp
dysprosium
lamp according
pressure discharge
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP94911079A
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English (en)
French (fr)
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EP0692139A1 (de
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Andreas Genz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
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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

Definitions

  • the invention relates to a metal halide high-pressure discharge lamp with a medium bow performance between 60 and 140 W / mm arc length for the Installation in optical systems according to the generic term 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 maximum luminance (on average a few 10 kcd / cm 2 ), which makes them ideal for installation in reflectors or other optical imaging systems.
  • EP 0 386 601 describes a metal halide discharge lamp for reprography and projection disclosed.
  • the electrode spacing and the electrical power consumption is 5 mm or 100 W. indicated, from which an average arc power of 20 W per mm arc length results.
  • the discharge vessel the lamp contains mercury, zinc, indium, Lithium, thallium, a halogen and a rare earth metal such as. Lanthanum, or scandium Dysprosium.
  • U.S. Patent 4,229,673 is a metal halide discharge lamp disclosed with an outer bulb.
  • an electrode distance of 43 mm is specified, corresponding to an average arc output of almost 10 W per mm arc length.
  • the discharge vessel the lamp contains mercury, neodymium iodide and Cesium iodide and optionally additional sodium iodide.
  • For installation in optical systems Lamp due to its outer bulb and the large one Electrode gap not suitable.
  • the object of the invention is a metal halide high-pressure discharge lamp to create the one average lifespan of at least 1000 operating hours has a very short arc with very has high luminance and a color temperature between 4000 and 7000 K - with very good Color rendering - has.
  • 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 with wall loads below or above approximately 60 W per cm 2 , the value for this limit varying depending on the cooling. This reduces the usable luminous flux 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 filling quantities of these two important additives advantageously is 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 flow 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 lifespan is extended accordingly - and the luminous flux and the color rendering are optimized.
  • lithium can optionally be added in addition, up to 0.2 mg per cm 3 of vessel volume, which increases the red component of the radiation, which is particularly the case when the lamp is used in a dichroic cold light reflector Advantage can be that slightly increases the color temperature of the reflected radiation compared to the total radiation of the discharge.
  • lithium is an atomic line emitter, which preferably radiates in the hot arc core and is therefore emitted particularly efficiently by correspondingly focusing special reflectors, which only depict the inner arc core.
  • the discharge vessel can contain cesium up to 0.8 mg per cm 3 of vessel volume. Iodine and bromine are advantageously used as halogens in a molar ratio between 0.2 and 2.
  • FIG. 1 In the figure is a metal halide discharge lamp according to the invention 1 with a power consumption of 400 W schematic (not to scale) shown how they are used in a reflector system can be.
  • the discharge vessel 2 made of quartz glass has an essentially spherical shape Shape and points to two diametrically opposite Place a neck 3, 4 in each pin-shaped tungsten electrodes 5, 6 by means of sealing foils 7, 8 are melted from molybdenum.
  • the ends of the sealing films facing away from the discharge space 7, 8 are with power leads 9, 10 welded when installed in a reflector system with the electrical connections in the reflector get connected.
  • 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.
  • the color temperature is reduced by approximately 500 K compared to filling 1.
  • Filling 1 Filling 2 Li in mg - 0.005 J 2 in mg 0.9 0.92 Br 2 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 Discharge tube volume in ml: 1.3 1.3 Power consumption in W: 400 Wall load in W / cm 2 : 68 68 Specific power in W / mm Arc length: 95 95 Color temperature in K: 5500 5000 Lifetime in h: 1500 1500 Electrode distance in mm: 4th 4th Luminous efficacy in lm / W: 70 69 medium luminance in kcd / cm 2 : 30th 30th Burning voltage in V: 55 55 Color rendering index Ra
  • Another embodiment relates to a Metal halide discharge lamp according to the invention with a power consumption of 270 W. It differentiates differ in structure from that in the Lamp shown essentially only by one smaller discharge volume and a shorter one Electrode gap and is therefore not pictorial shown.
  • Table 2 shows a filling of the discharge vessel of a 270 W lamp according to the invention and the lighting data of this lamp.
  • Discharge tube volume 0.55 ml
  • Power consumption 270 W.
  • Wall load 81 W / cm 2
  • Specific performance 117 W / mm
  • Color temperature 5000 K. Lifespan : 1000 h
  • Luminous efficacy 70 lm / W medium luminance: 35 kcd / cm 2 Burning voltage: 45 V
  • Color rendering index Ra 80

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe mit einer mittleren Bogenleistung 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, Mikroskopie, Effektbeleuchtung für Film und Fernsehen) eingesetzt, wo Licht mit Farbtemperaturen zwischen 4000 und 7000 K und guter bzw. sehr guter Farbwiedergabe 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 abbildenden Systemen prädestiniert.
Aus der EP 0 193 086 und der DE-A 4 040 858 sind Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampen mit kurzen Lichtbögen und entsprechend hohen Leuchtdichten bekannt, die Licht mit tageslichtähnlicher spektraler Zusammensetzung abgeben.
Nachteilig ist jedoch, daß diese Lampen nur mittlere Lebensdauern von einigen hundert Stunden aufweisen.
In der EP 0 386 601 ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe für die Reprographie und Projektion offenbart. Für den Elektrodenabstand und die elektrische Leistungsaufnahme sind 5 mm bzw. 100 W angegeben, woraus eine mittlere Bogenleistung von 20 W pro mm Bogenlänge resultiert. Das Entladungsgefäß der Lampe enthält Quecksilber, Zink, Indium, Lithium, Thallium, ein Halogen sowie ein Seltenerdmetall wie z.B. Lanthan, Scandium oder Dysprosium.
In der US-PS 4 229 673 ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit einem Außenkolben offenbart. Für eine elektrische Leistungsaufnahme von 400 W ist ein Elektrodenabstand von 43 mm angegeben, entsprechend einer mittleren Bogenleistung von knapp 10 W pro mm Bogenlänge. Das Entladungsgefäß der Lampe enthält Quecksilber, Neodymjodid und Cäsiumjodid sowie optional zusätzlich Natriumjodid. Für den Einbau in optische Systeme ist die Lampe aufgrund ihres Außenkolbens sowie des großen Elektrodenabstands nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe zu schaffen, die eine mittlere Lebensdauer von mindestens 1000 Betriebsstunden hat, einen sehr kurzen Lichtbogen mit sehr hoher Leuchtdichte besitzt sowie eine Farbtemperatur zwischen 4000 und 7000 K - bei sehr guter Farbwiedergabe - aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe wird bei spezifischen Bogenleistungen zwischen 60 und 140 W pro mm Bogenlänge und vergleichsweise geringen Wandbelastungen zwischen 40 und 85 W pro cm2 Wandfläche betrieben. Mit herkömmlichen Füllungen treten nach kurzer Zeit bei Wandbelastungen unterhalb bzw. oberhalb von ungefähr 60 W pro cm2 Kolbenschwärzungen bzw. Entglasung auf, wobei der Wert für diese Grenze je nach Kühlung variieren kann. Dadurch sinkt der nutzbare Lichtstrom bzw. die Lampenlebensdauer wird begrenzt.
Der Füllung der erfindungsgemäßen Lampe, die aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas und mindestens einem Halogen und Cäsium besteht, ist Tantal und Dysprosium, vorteilhafterweise mit einem Gewichtsverhältnis zwischen 0,3 und 1,5 zugesetzt, wobei die Summe der Füllmengen dieser beiden wichtigen 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. Dysprosium 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 Farbwiedergabe 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 Rotanteil der Strahlung erhöht, was insbesondere bei einem Einsatz der Lampe in einem dichroitischen Kaltlichtreflektor von Vorteil sein kann, der die Farbtemperatur der reflektierten Strahlung gegenüber der Gesamtstrahlung der Entladung etwas erhöht. Außerdem ist Lithium ein atomarer Linienstrahler, der bevorzugt im heißen Bogenkern strahlt und deshalb von entsprechend fokussierenden Spezialreflektoren, die nur den inneren Bogenkern abbilden, besonders effizient abgestrahlt wird.
Zur Bogenstabilisierung kann das Entladungsgefäß Cäsium bis zu 0,8 mg pro cm3 Gefäßvolumen enthalten. Als Halogene werden vorteilhafterweise Jod und Brom in einem molaren Verhältnis zwischen 0,2 und 2 verwendet.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Figur
zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe
In der Figur ist eine erfindungsgemäße Metallhalogenid-Entladungslampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 400 W schematisch (nicht maßstabsgerecht) dargestellt, wie sie in ein Reflektorsystem eingesetzt werden kann. Das Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas besitzt eine im wesentlichen kugelförmige Gestalt und weist an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen je einen Hals 3, 4 auf, in den stiftförmige Wolfram-Elektroden 5, 6 mittels Dichtungsfolien 7, 8 aus Molybdän eingeschmolzen sind. Die dem Entladungsraum abgewandten Enden der Dichtungsfolien 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.
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 unterscheidet 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 lichttechnischen Daten dieser Lampe ersichtlich.
Li 0,005 mg
J2 0,75 mg
Br2 0,36 mg
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 (7)

  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 hochtemperaturfestem lichtdurchlässigen Material, zwei hochtemperaturbeständigen Elektroden (5,6) und einer Füllung, die aus Quecksilber, mindestens einem Edelgas, Cäsium, Dysprosium sowie weiteren Metallen zur Bildung von Metallhalogeniden besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Licht mit einer Farbtemperatur zwischen 4000 und 7000 K, bei einer Wandbelastung der Lampe (1) zwischen 40 und 85 W pro cm2 Wandfläche die Füllung als weiteres Metall zur Bildung von Metallhalogeniden Tantal enthält.
  2. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß Tantal und Dysprosium in einem Gewichtsverhältnis Tantal zu Dysprosium zwischen 0,3 und 1,5 enthält.
  3. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß Tantal und Dysprosium enthält, wobei die Summe der Füllmengen beider Bestandteile zwischen 0,2 und 1,5 mg pro cm2 des Gefäßvolumens liegt.
  4. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß als Metall zur Bildung von Metallhalogeniden zusätzlich Lithium enthält.
  5. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmenge des Lithiums bis zu 0,2 mg pro cm3 des Gefäßvolumens beträgt.
  6. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß als Halogene für die Halogenidverbindungen Jod und Brom in einem Molverhältnis Jod zu Brom zwischen 0,2 und 2 enthält.
  7. Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß Cäsium bis zu einer Menge von 0,8 mg pro cm3 des Gefäßvolumens enthält.
EP94911079A 1993-03-31 1994-03-25 Metallhalogenid-hochdruckentladungslampe für den einbau in optische systeme Expired - Lifetime EP0692139B1 (de)

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DE4310539 1993-03-31
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EP0692139A1 EP0692139A1 (de) 1996-01-17
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EP (1) EP0692139B1 (de)
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DE (2) DE4310539A1 (de)
WO (1) WO1994023441A1 (de)

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