EP0869537B1

EP0869537B1 - Gleichstrombogenlampe

Info

Publication number: EP0869537B1
Application number: EP98104179A
Authority: EP
Inventors: Andreas Dr. Genz; Frank Werner
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2002-12-04
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: EP0869537A1; DE59806489D1; DE19714009A1; EP1069594A3; EP1069594A2; JPH10283992A; US6051929A; DE59805855D1; EP1069594B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrombogenlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In jüngster Zeit besteht ein zunehmendes Interesse an der Verbesserung solcher Bogenlampen, insbesondere für Projektionsanwendungen. Bei Projektionsanwendungen sind vor allem die örtlich möglichst konzentrierte Lichterzeugung einerseits und andererseits die Homogenität der Lichterzeugung in diesem örtlichen Bereich von Interesse. Dabei spielt der sogenannte Farbtrennungseffekt eine wesentliche Rolle. Mit diesem Begriff wird eine örtliche Trennung des Schwerpunkts der Lichterzeugung für verschiedene Spektralbereiche bzw. Farben des erzeugten Lichts bezeichnet, was zu einer Verschlechterung der Lichtqualität für Projektionsanwendungen führt, die sich in Farbsäumen an Grenz- oder Randbereichen projizierter Bilder äußert.

Der Farbtrennungseffekt wird während des Lampenbetriebs durch das zwischen Anode und Kathode der Gleichstrombogenlampe wirkende elektrische Gleichfeld verursacht. Das elektrische Gleichfeld beeinflußt die Konzentrationsverteilung der lichterzeugenden Metallionen zwischen Anode und Kathode. Dadurch wird die räumliche Verteilung der Metallionen zwischen Anode und Kathode in der Regel inhomogen. Zudem stellen sich für verschiedenartige Metallionen unterschiedliche Konzentrationsverteilungen ein. Da verschiedenartige Metallionen unterschiedliche spektrale Beiträge zum Gesamtlichtstrom der Lampe leisten, resultiert schließlich der unerwünschte Farbtrenneffekt.

Desweiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Gleichstrombogenlampe mit einer halogenhaltigen Füllung. Dadurch befinden sich während des Lampenbetriebs Metallhalogenide innerhalb des Entladungsgefäßes. Metallhalogenide haben einen höheren Dampfdruck als die entsprechenden elementaren Metalle. Außerdem erzeugen die hohen spezifischen Bogenleistungen von typisch ca. 80 W pro mm Bogenlänge und mehr ebenfalls hohe Dampfdrücke der lichterzeugenden Metallhalogenide. Dadurch ist einerseits ein hoher Lichtstrom der Lampe sichergestellt. Andererseits verstärken die hohen Dampfdrücke im allgemeinen auch den Farbtrenneffekt.

Ein wesentliches weiteres Qualitätskriterium - nicht nur im Bereich der Projektion - sind ausreichende Anteile der Grundfarben blau, grün und rot für eine gute Farbwiedergabe und die angestrebte Farbtemperatur.

Zum Stand der Technik wird verwiesen auf die EP 0 714 118 A1, die eine Gleichstromkurzbogenmetallhalogenidlampe zeigt, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegt.

Außerdem zeigt die US 2,965,790 eine Bogenlampe mit einem asymmetrisch geformten Kolben, bei dem die Kolbeninnenwand um die Anode herum weiter ist als um die Kathode.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Gleichstrombogenlampe mit verbesserten Betriebseigenschaften, insbesondere im Hinblick auf Projektionsanwendungen, und eine verbesserte Projektionsvorrichtung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst durch eine Gleichstrombogenlampe mit einer Füllung aus zumindest folgenden Bestandteilen: einem Zündgas, Quecksilber, einem Halogen und Cadmium und/oder Zink, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Bestandteil Yttrium bzw. eine Projektionsvorrichtung mit einer solchen Projektionslampe.

Es hat sich als kritisch herausgestellt, für einen ausreichenden Rotanteil im Licht zu sorgen, einerseits zugunsten einer guten roten Farbwiedergabe und ferner, um eine gewünschte Farbtemperatur, etwa zwischen 5.000 und 8.000 Kelvin, vorzugsweise 6.000 und 7.000 Kelvin, einstellen zu können.

Der Rotanteil im erzeugten Licht kann durch Lithium in der Füllung der erfindungsgemäßen Gleichstrombogenlampe verstärkt werden. Man findet jedoch, daß Lithium vorwiegend eine sehr langwellige Emission zeigt, also zu einem sehr tiefroten Anteil führt. Bei allen Anwendungen, die zu einem irgendwie gearteten visuellen Effekt führen, etwa bei der Projektion oder der Beleuchtung, sind jedoch nicht nur die rein physikalischen spektralen Leistungsanteile zu berücksichtigen, sondern darüber hinaus die physiologische Empfindlichkeit des menschlichen Auges, die mit der sogenannten V(λ)- oder Hellempfindlichkeitskurve dargestellt wird. Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges nimmt dabei am langwelligen Rand deutlich ab. Daher muß, soweit sich der Rotanteil auf die Lithiumemission stützt, eine entsprechend erhöhte spektrale Leistung erzeugt werden, um den erwünschten - und letztlich interessierenden - Lichtstrom zu erzeugen.

Ferner hat sich herausgestellt, daß die Zugabe von Lithium zu der Lampenfüllung den oben erwähnten Farbtrennungseffekt verstärkt.

Da die Füllung einer Metallhalogenid-Gleichstrom-Bogenlampe notwendigerweise neben einem Zündgas, z.B. Argon, und einem Halogen, z.B. Brom oder Jod, auch Quecksilber enthalten muß, um die notwendige Brennspannung aufzubauen, ist der grüne Farbanteil des Quecksilbers zu berücksichtigen. Die durch den Quecksilberanteil vorgegebene Grünkomponente muß bei der Farbtemperatureinstellung mit Rot kompensiert werden, was die oben skizzierte Problematik verschärft.

Wenn erfindungsgemäß Cadmium oder Zink in der Lampenfüllung verwendet wird, wird dadurch nicht nur der Rotanteil verstärkt, sondern darüber hinaus gleichzeitig der Farbtrennungseffekt verringert. Die Zugabe von Cadmium oder Zink erlaubt also im Vergleich zur (alleinigen) Lithiumzugabe für den Rotanteil eine wesentliche Verbesserung des Farbtrennungsproblems und, bei gleicher Leistung, einen verbesserten Lichtstrom.

Quecksilber ist im Zusammenhang dieser Erfindung als Alternative zu den anderen beiden 2B-Elementen Cadmium und Zink deswegen nicht geeignet, weil es zwar in gewissem Umfang ebenfalls die Farbtrennung verringert, dabei jedoch übermäßig den Grünanteil des Lichts verstärkt.

Zink bietet gegenüber Cadmium und Quecksilber ferner den Vorteil der besseren Umweltverträglichkeit. Cadmium andererseits kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, weil die Rotwiedergabe noch besser ist. Erfindungsgemäß bleibt also im Einzelfall die Entscheidungsmöglichkeit zwischen optimalen Lampendaten und Umweltgesichtspunkten.

Erfindungsgemäß kommen für Cd bzw. Zn insbesondere folgende bevorzugte Konzentrationen in Betracht: 0,05 bis 3,0 µmol pro ml Gefäßvolumen.

Für verschiedene elektrische Lampenleistungen in Projektoren haben sich insbesondere folgende Konzentrationsbereiche für Cd bzw. Zn bewährt:

Leistungsaufnahme der Lampe	Konzentration in µmol/ml	Einsatzfeld
bis 170 W	0,3 bis 3,0	Heim- bzw. Konsummarkt
170 bis 300 W	0,2 bis 2,0	Geschäftsbereich
300 bis 3000 W	0,05 bis 1,0	Professionelle Großbildprojektion

Alle angegebenen Werte sind als Circa-Werte zu verstehen. Die Konzentrationsangaben beziehen sich auf die Summe der Einzelkonzentrationen von Cd bzw. Zn, wobei auch die Konzentration eines der beiden Einzelkomponenten Null sein kann.

Gemäß der Erfindung zeigt zusätzlich der Bestandteil Yttrium zusammen mit der erläuterten Grundzusammensetzung besondere Vorteile. Diese liegen zum ersten in einer Verbesserung des Lichtstroms. Darüber hinaus ergibt sich zweitens eine längere Lebensdauer der Lampen und drittens eine geringere Abnahme des Lampenlichtstroms mit dem Betriebsalter der Lampe (sogenannte Maintenance). Yttrium ist also zur Erzielung der vorstehend erläuterten grundlegenden Wirkungen der Erfindung nicht notwendig, hat sich jedoch als in bezug auf Lichtstrom, Lebensdauer und Maintenance überraschend wirkungsvoller optionaler Zusatz herausgestellt.

Als weitere optionale Zusätze sind verschiedene chemische Elemente denkbar, insbesondere zur Einstellung der Farbtemperatur und Verstärkung der Grundfarben. Vor allem darf die obige Erläuterung der Nachteile von Lithium nicht dahingehend verstanden werden, daß Lithium erfindungsgemäß ausgeschlossen wäre. Lithium kann in gewissen Mengen durchaus als "Rotelement" vorhanden sein, durch die erfindungsgemäße Verwendung von Cadmium bzw. Zink sind die erforderlichen Mengen jedoch geringer.

Die bevorzugt betrachtete Anwendung verlangt in den meisten Fällen einen hohen Blauanteil im Spektrum. Ein erfindungsgemäß bevorzugtes "Blauelement" ist Indium.

Weitere optionale Zusätze vor allem zur Verstärkung des Lichtstroms sind die Seltenerdmetalle, vor allem Dysprosium, sowie Thallium.

Als Halogen für die Einstellung gewünschter Dampfdrücke durch Bildung von Metallhalogenid-Verbindungen kommen bevorzugt Jod und/oder Brom in Betracht.

Über das Füllungssystem hinausgehende Aspekte der Erfindung betreffen die geometrische Gestaltung der Lampe.

In vielen Anwendungsbereichen, insbesondere bei Projektionsvorrichtungen, spielt eine möglichst gute Lokalisierung der Lichterzeugung eine wichtige Rolle, weswegen die Erfindung von Kurzbogenlampen ausgeht. Nur mit einer möglichst geringen Bogenlänge läßt sich eine punktförmige Lichtquelle hinreichend gut annähern und damit eine gute optische Qualität bei der Projektion oder anderen Anwendungen, bei denen das von der Lampe emittierte Licht durch ein optisches System geschickt wird, erreichen.

Zusätzlich dazu hat es sich hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Lichterzeugung in ihrer örtlichen Ausdehnung, und zwar auch bei guter Lokalisierung wie bei Kurzbogenlampen, erfindungsgemäß weiterhin als entscheidend herausgestellt, für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Lampe, insbesondere an der Kolbeninnenwand, zu sorgen. Dies betrifft vor allem Temperaturgradienten entlang der Strecke zwischen Kathode und Anode in der Lampe. Diese Temperaturgradienten können deutlich verringert werden, wenn die geometrische Form des die Füllung enthaltenden Lampenkolbens geeignet gewählt wird. Dazu ist sie erfindungsgemäß asymmetrisch, um auf die Asymmetrie der Temperaturverteilung der Elektroden einer Gleichstrombogenlampe angepaßt zu sein.

Bei Gleichstrombogenlampen ist nämlich die Anode prinzipiell einer sehr viel stärkeren thermischen Belastung ausgesetzt als die Kathode und wird dementsprechend heißer. Damit sie dieser thermischen Belastung standhalten kann, ist die Anode bei Gleichstrombogenlampen generell sehr viel massiver ausgeführt als die Kathode. Insbesondere hat sie im allgemeinen einen größeren Durchmesser.

Es hat sich als nachteilig erwiesen, daß die höhere Anodentemperatur einerseits und der größere Anodendurchmesser wegen der geringeren Entfernung zur Kolbeninnenwand und der größeren wärmeleitenden und wärmeabstrahlenden Oberfläche andererseits bei symmetrischer Ausführung des Lampenkolbens zu wesentlich höheren Temperaturen der Lampe an der Anodenseite, insbesondere auch an der Kolbeninnenwand führen. Daraus ergibt sich eine Beeinflussung der physikalischen Parameter der Entladung und Lichterzeugung. Ziel ist, eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen der heißesten und kältesten Stelle im Kolben zu erreichen. Bei gleichmäßiger Temperaturverteilung ist einerseits die Lichtemission homogen, andererseits kann die Temperatur auf einen optimalen Wert eingestellt werden, der sowohl den Anforderungen an die Lichtausbeute als auch denen an die Lebensdauer und Maintenance genügt.

Erfindungsgemäß wird die Temperaturhomogenität der Lampe dadurch verbessert, daß die Kolbeninnenwand um die Anode herum weiter ist als um die Kathode herum. Dies kann, je nach gewählter Form der Elektroden und abhängig von herstellungstechnischen Gesichtspunkten, mit verschiedenen konkreten geometrischen Formen erreicht werden, wobei geometrisch einfache und damit leicht herstellbare Kolbenformen bevorzugt sind.

Vor allem im Hinblick auf die genannten Projektionsanwendungen sind, wie bereits erwähnt, möglichst kurze Bogenlängen anzustreben. Dabei steht die Bogenlänge im Zusammenhang mit der Lampenleistung. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind Kurzbogenlampen mit auf die Bogenlänge bezogenen spezifischen Leistungen von mehr als 80, 100, 120 oder am besten 150 W/mm. Eine Bezugnahme auf die Kolbengröße ist wenig sinnvoll, weil die Kolbengröße durch die thermische Belastbarkeit des Kolbenmaterials bestimmt ist und folglich bei zukünftigen Materialverbesserungen (Keramik anstatt Quarzglas) deutlich abnehmen kann.

Quantitativ bevorzugte Bereiche für die Asymmetrie der Kolbenformen lassen sich beschreiben durch das Verhältnis von anodenseitiger zur kathodenseitiger Längsschnitt-Halbfläche. Damit sind, wie im Ausführungsbeispiel veranschaulicht, Flächen gemeint, die im Längsschnitt beiderseits einer die Kolbeninnenlänge mittig teilenden und auf der Lampenlängsachse senkrechten Ebene liegen, die Lampenlängsachse jeweils zu einer Hälfte der Kolbeninnenlänge enthalten und im übrigen von der Kolbeninnenwand begrenzt sind. Dieses Verhältnis liegt bevorzugt über 1,1 und weiter bevorzugt unter 1,5.

Häufig werden Formen in Lampenkolbenformmaschinen der vereinfachten Formherstellung halber mit der Kolbenform entsprechenden Innenflächen versehen, die sich im Längsschnitt durch Krümmungsradien beschreiben lassen. Insbesondere lassen sich häufig das anodenseitige und das kathodenseitige Ende des Kolbens durch einen Längsschnitt-Krümmungsradius (wie im Ausführungsbeispiel in der Figur veranschaulicht) beschreiben, wobei erfindungsgemäß bevorzugt ist, daß der anodenseitige Längsschnitt-Krümmungsradius kleiner als der kathodenseitige ist, vorzugsweise 50% bis 80% des letzteren beträgt. Das heißt, daß sich der Kolben anodenseitig stärker krümmt bzw. weniger flach verläuft. So wird anodenseitig eine weitere Kolbenform erreicht. Zu beachten ist, daß dabei die Längsschnitt-Krümmungszentren der Krümmung oberhalb und unterhalb der Lampenlängsachse nicht zusammenfallen müssen und anoden- und kathodenseitig verschieden liegen können, weil sich sonst durch den kleineren Krümmungsradius eine engere Kolbenform ergäbe.

Die erfindungsgemäß verfolgte Absicht, Temperaturgradienten in der Lampe abzubauen, kann alternativ auch durch einen geeigneten reflektierenden und/oder absorbierenden Wärmestaubelag am kathodenseitigen Kolbenende erreicht werden. Diese Maßnahme kommt im Prinzip auch zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Kolbenasymmetrie in Frage.

Bei der Asymmetrie kann man aber auf einen solchen Wärmestaubelag ganz verzichten. Der Vorteil ist, daß damit die Herstellung der Lampe um mindestens einen Arbeitsschritt vereinfacht wird. Die Kolbenasymmetrie läßt sich nämlich durch geeignete Formgebung der entsprechenden Formwerkzeuge in einer Lampenkolbenformmaschine erreichen, ohne daß dadurch der konventionelle Funktionsablauf anderweitig verändert würde. Ein weiterer Vorteil ist, daß Abschattungen vermieden werden.

Beschreibung der Zeichnungen

In der Figur ist ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Lampe gezeigt. Die bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels offenbarten Merkmale können auch einzeln oder in anderer Kombination erfindungswesentlich sein.

Die Figur zeigt im Längsschnitt eine Gleichstrom-Kurzbogenlampe mit einer Längsachse 2, entlang der eine Anode 4 und eine Kathode 5 liegen. In Längsrichtung in der Mitte des durch eine Kolbeninnenwand 3 eingeschlossenen Kolbeninnenraums, also eine Kolbeninnenlänge 7 halbierend, ist ferner eine auf der Lampenlängsachse 2 senkrecht stehende Mittelebene 1 eingezeichnet.

Die Figur zeigt deutlich, daß der Kolben bezüglich dieser Mittelebene 1 asymmetrisch geformt ist. Konkret unterscheiden sich die anodenseitige Längsschnitt-Halbfläche und die kathodenseitige Längsschnitt-Halbfläche, denen jeweils der in der Figur links bzw. rechts von der Mittelebene liegende Längsschnittflächenbereich innerhalb der Kolbeninnenwand 3 entspricht.

Ferner zeigt die Figur, daß der die anodenseitige Krümmung des Kolbens im Längsschnitt beschreibende Krümmungsradius 8 deutlich kleiner als der entsprechende kathodenseitige Krümmungsradius 9 ist. Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius 8 50% - 80% des Krümmungsradius 9. Man erkennt ferner, daß die entsprechenden Längsschnittkrümmungsmittelpunkte oberhalb und unterhalb der Lampenlängsachse 2 nicht zusammenfallen und anodenseitig und kathodenseitig unterschiedlich liegen. Allerdings ist die Lampe rotationssymmetrisch um die Lampenlängsachse 2.

Die entsprechende asymmetrische Kolbengestaltung hat zur Folge, daß der Kolben um die im Vergleich zur Kathode 5 sehr viel dickere Anode 4 herum einen ausreichenden Abstand hält und sich somit insgesamt eine gleichmäßige Temperaturverteilung in Längsrichtung ergibt.

Schließlich zeigt die Figur, daß der Abstand zwischen der Anode 4 und der Kathode 5, also die Bogenlänge 6, sehr kurz gewählt ist, im vorliegenden Fall 1,5 mm im Vergleich zu Krümmungsradien von 4 mm (8) und 6 mm (9) und einer Lampenleistung von 270 W (spezifische Leistung 180 W/mm). Die Kolbeninnenlänge 7 beträgt vorliegend knapp das 10-fache der Bogenlänge 6. Es ergibt sich eine Brennspannung von 35 V bei einem Lichtstrom von 18 klm aus einem Füllungsvolumen von 0,7 ml bei einer Wandbelastung von 65 W/cm².

Mit folgender Füllung wurde eine Farbtemperatur von 6.800 K eingestellt: 200 mbar Argon, 20 mg Quecksilber, 0,11 mg Cadmiumjodid (CdI₂)- entsprechend ca. 0,43 µmol Cd pro ml Kolbenvolumen -, 0,42 mg Quecksilberbromid (HgBr₂), 0,12 mg Quecksilberjodid (HgI₂), 0,05 mg Indiumjodid (InI₂), 0,05 mg Lithiumjodid (LiI₂), 0,11 mg Dysprosium sowie 0,05 mg Yttrium. Cadmium kann dabei moläquivalent durch Zink ersetzt sein. Thalliumjodid kann zugegeben werden bis zu einem Wert von 0,2 mg/ml.

Claims

Gleichstrombogenlampe mit einer Füllung aus zumindest folgenden Bestandteilen:

Argon als Zündgas,

Quecksilber und

einem Halogen,

Cadmium und/oder Zink,

gekennzeichnet durch den zusätzlichen Bestandteil:

Yttrium.
Lampe nach Anspruch 1 mit dem Füllungsbestandteil Lithium.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Füllungsbestandteil Indium.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Seltenerdmetall, insbesondere Dysprosium, als Füllungsbestandteil.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit dem Füllungsbestandteil Thallium.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Halogen in Form von Jod und/oder Brom vorliegt.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gesamtkonzentration für Cadmium und/oder Zink insgesamt in folgendem Bereich liegt: 0,05 bis 3,0 µmol pro ml Volumen des Lampengefäßes.
Lampe nach Anspruch 7, wobei in Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsaufnahme folgende Konzentrationsbereiche für Cadmium und/oder Zink insgesamt gelten: Leistungsaufnahme der Lampe Konzentration in µmol/ml bis 170 W 0,3 bis 3,0 170 bis 300 W 0,2 bis 2,0 300 bis 3000 W 0,05 bis 1,0
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem kathodenseitigen Wärmestaubelag.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem bezüglich Ebenen (1) senkrecht zu einer Lampenlängsachse (2) dergestalt asymmetrisch geformten Kolben, daß die Kolbeninnenwand (3) um die Anode (4) herum weiter ist als um die Kathode (5).
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche als Kurzbogenlampe.
Lampe nach Anspruch 11, bei der eine auf die Bogenlänge (6) bezogene spezifische Leistung größer als 80 W/mm ist.
Lampe nach einem der Ansprüche 10 - 12, bei der das Verhältnis zwischen einer anodenseitigen Längsschnitt-Halbfläche und einer kathodenseitigen Längsschnitt-Halbfläche größer als 1,1 ist, wobei die Längsschnitt-Halbflächen im Längsschnitt durch die Lampe beiderseits einer die Innenlänge eines Kolbens der Lampe mittig teilenden und auf der Lampenlängsachse (2) senkrechten Ebene liegen und die Lampenlängsachse (2) jeweils zu einer Hälfte der Kolbeninnenlänge enthalten sowie im übrigen von der Kolbeninnenwand (3) begrenzt sind.
Lampe nach Anspruch 13, bei der das Verhältnis kleiner als 1,5 ist.
Lampe nach einem der Ansprüche 10 - 14, bei der ein anodenseitiger Längsschnitt-Krümmungsradius (8) kleiner als ein kathodenseitiger Längsschnitt-Krümmungsradius (9) ist.
Lampe nach Anspruch 15, bei der der anodenseitige Längsschnitt-Krümmungsradius (8) 50% bis 80% des kathodenseitigen Längsschnitt-Krümmungsradius (9) beträgt.
Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche als Tageslichtlampe.
Verwendung einer Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit horizontal verlaufender Lampenlängsachse (2).
Projektionsvorrichtung mit einer Lampe nach einem der Ansprüche 1 - 17 als Projektionslampe.