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Dokumentenidentifikation DE69610960T2 22.03.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 0762476
Titel Elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität und Leuchte mit einer derartigen Lampe
Anmelder Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma, Osaka, JP
Erfinder Hochi, Akira, Nara-shi, Nara 631, JP;
Horii, Shigeru, Takatsuki-shi, Osaka 569, JP;
Takeda, Mamoru, Soraku-gun, Kyoto 619-02, JP;
Matsuoka, Tomizo, Neyagawa-shi, Osaka 572, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69610960
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.08.1996
EP-Aktenzeichen 961135514
EP-Offenlegungsdatum 12.03.1997
EP date of grant 15.11.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.03.2001
IPC-Hauptklasse H01J 61/12
IPC-Nebenklasse H01J 65/04   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der ein Metall-Halogen, das fortlaufend Licht durch Molekularstrahlung emittiert, in einem lichtdurchlässigen Kolben abgedichtet ist, und Licht durch eine Bogenentladung erzeugt wird, wodurch hervorragende Farberzeugungseigenschaften und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.

2. Stand der Technik in Bezug auf die Erfindung

Eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der japanischen Patentzusammenfassung Bd. 10, Nr. 91 und aus JP- A-60235353 bekannt.

In den letzten Jahren haben Entladungslampen hoher Intensität und insbesondere Metall-Halogenlampen Halogenlampen als Punktlichtquellen hoher Leistung bei verschiedenen Anwendungen, einschließlich der Bühnen- und Fernsehbeleuchtung und Lichtquellen für Flüssigkristallvideoprojektoren, wegen ihres hohen Wirkungsgrads und der ausgezeichneten Farberzeugungseigenschaften ersetzt. Diese Art Lampen findet auch Anwendung bei der Sportbeleuchtung zur Hochqualitätsfernsehübertragung, bei der Beleuchtung in Museen und Kunstgalerien, usw., wobei ihre ausgezeichneten Farbwiedergabeeigenschaften verwendet werden. Metall-Halogenlampen enthalten jedoch als Füllung eine große Menge an Quecksilber, die bis zu mehreren zehn Milligramm pro Kubikzentimeter des Volumeninhalts betragen kann, und es ist sehr erwünscht, Quecksilber unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes auszuschließen.

Im Vergleich zu Bogenentladungslampensystemen mit Elektroden haben elektrodenlose Entladungslampensysteme den Vorteil, dass die elektromagnetische Energie ohne wei teres mit der Füllung gekoppelt werden kann und es deshalb einfach ist, Quecksilber aus der Füllung auszuschließen, die zur Lichtemission durch Entladung verwendet wird. Des weiteren tritt, da es keine Elektroden in dem Entladungsraum gibt, eine Schwärzung der Kolbeninnenwände aufgrund einer Elektrodenverdampfung nicht auf. Dies verbessert merklich die Lebensdauer der Lampe.

Quecksilberfreie Füllungen für Entladungslampen hoher Intensität nach dem Stand der Technik sind unten in beispielhafter Weise beschrieben. In der elektrodenlosen Entladungslampe, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-152852 geoffenbart ist, wird Xenon als ein Entladungsgas verwendet, und LiI, NaI, TlI, InI usw. sind als Leuchtstoffe in der Lampe eingeschlossen, wobei weißes Licht durch Kombination monochromer Linienspektren erzeugt wird, die von diesen Leuchtstoffen abgestrahlt werden. Dieser Stand der Technik offenbart als Entladungserregungseinrichtung eine Einrichtung, die HF Energie induktiv koppelt.

Bei der Hochleistungslampe, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-132018 (US Patent Nr. 5,404,076) geoffenbart ist, sind S&sub2;, Se&sub2;, usw. als Leuchtstoffe in der Lampe eingeschlossen, und ein grünlich weißes Licht wird durch das kontinuierliche Spektrum der Molekularstrahlung erzeugt. Dieser Stand der Technik offenbart eine Entladungserregungseinrichtung, die Mikrowellenenergie verwendet.

Des weiteren offenbart das US Patent Nr. 3,259,777 eine Erfindung, die sich auf eine Metall-Halogenlampe mit Elektrode bezieht, wie eine zu einem Metall-Halogen gehörenden Füllung verwendet, die Indiumiodid, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei diesem Stand der Technik wird die Lampe unter Verwendung elektrischer Energie betrieben, die ausreichend hoch ist, die Elektroden nahezu bis zu ihrem Schmelzpunkt zu erwärmen, damit das Metall-Halogen, wie Indiumiodid, bei hoher Leistung entladen wird.

Jedoch wies die elektrodenlose Entladungslampe, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-152852 geoffenbart ist, das Problem auf, dass, wenn Anteile von Na und TI, die Licht in Bereichen mit hohem spektralen Lichtausstrahlungswirkungsgrad emittieren, erhöht werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, sich die Farbwiedergabeeigenschaften verschlechtern, und wenn die Farbwiedergabeeigenschaften verbessert werden sollen, der Wirkungsgrad verringert werden muss. Ein anderes Problem, auf das hingewiesen wurde, ist, dass Indium- und Thalliumiodid ein kontinuierliches Spektrum bei hohem Druck mit einer sich ergebenden Abnahme der Linienspektren erzeugen, wodurch eine Farbverschiebung bewirkt wird. Des weiteren haben die Lichteigenschaften, die durch eine Kombination von Linienspektren erzeugt werden, wie es in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-152852 geoffenbart ist, ein schlechtes Farbwiedergabevermögen, und es ist schwierig, zufriedenstellende Farberzeugungseigenschaften zu erhalten.

Mit der Hochleistungslampe, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-132018 geoffenbart ist, ist, selbst wenn die Art des Gases und die Bedingungen der Füllung geändert werden, die Chromatizität stets von dem Ort des schwarzen Körpers im Wesentlichen nach grün verschoben, und es ist nicht möglich, zufriedenstellendes weißes Licht zu erhalten. Ein Verfahren, das in Betracht gezogen werden kann, die farbwiedergaben der Hochleistungslampe der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-132018 zu verbessern, ist, irgendeine Art einer Metallverbindung als Leuchtstoff hinzuzufügen und dadurch ein Linienspektrum hinzuzufügen, um die Chromatizität zu ändern. Jedoch sind Metallsulfide, die durch die Reaktion der hinzugefügten Metallverbindung mit Schwefel erzeugt werden, häufig relativ stabil und haben einen niedrigen Dampfdruck und sind schwierig in ein Plasma umzuwandeln. Dies hat zu dem Problem geführt, dass die Arten von Metallen, die hinzugefügt werden können, begrenzt sind, wodurch die Freiheit bei der Auslegung der Lichtfarbe verringert und es schwierig gemacht wird, die Farberzeugungseigenschaften zu verbessern. Des weiteren nimmt, wenn die spektralen Eigenschaften der Emission geändert werden, indem eine Füllung hinzugefügt oder ein Farbtemperaturumwandlungsfilter verwendet wird, die spektrale Emissionsintensität in von grün verschiedenen Bereichen zu, wo der spektrale Lichtausstrahlungswirkungsgrad niedrig ist, wodurch sich notwendigerweise eine Abnahme des Wirkungsgrads ergibt.

In dem US Patent Nr. 3,259,777 wird andererseits für den Lampenbetrieb mit Elektroden und mit quecksilberfreien Füllungen eine beträchtliche Last auf die Elektroden angewendet, da die Lampe nahe dem Schmelzpunkt der Elektroden betrieben wird. Bei dieser Lampenkonstruktion tritt deshalb eine schnelle Schwärzung der Kolbeninnenwände wegen der Elektrodenverdampfung auf, und ein merklicher Abfall der Lampenlebensdauer ist unvermeidbar.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die oben aufgezeigten Probleme bei der Entladungsanregungseinrichtung und den Füllungen nach dem Stand der Technik zu überwinden, die als Leuchtstoffe zu Entladung verwendet werden, und es ist eine Zielsetzung der Erfindung, eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität zu schaffen, die als Füllung einen Leuchtstoff verwendet, der kein Quecksilber enthält, und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad und sehr gute Farberzeugungseigenschaften liefert, indem das kontinuierliche Spektrum der Molekularstrahlung aktiv verwendet wird, das Metall-Halogenide, wie Indium-, Gallium- und Thalliumhalogenide, bei hohem Druck emittieren.

Eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Merkmale, wie sie im Anspruch 1 angegeben sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Schema, das das Emissionsspektrum einer elektrodenlosen Entladungslampe zeigt, die mit Indiumiodid und Argon gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt ist.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines elektrodenlosen Mikrowellenentladungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist ein Schema, das die Korrelation zwischen dem Energieeingang und dem Lichtausstrahlungswirkungsgrad bei elektrodenlosen Entladungslampen zeigt, die mit Indiumhalogeniden und Argon gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt sind.

Fig. 4 ist ein Schema, das die Korrelation zwischen dem Energieeingang und dem allgemeinen Farbwiedergabeindex für elektrodenlose Entladungslampen zeigt, die mit Indiumhalogeniden und Argon gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt sind.

Fig. 5 ist ein Schema, das die Korrelation zwischen der Füllmenge an Indiumhalogeniden und dem Lichtausstrahlungswirkungsgrad bei elektrodenlosen Entladungslampen zeigt, die mit Indiumhalogeniden und Argon gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt sind.

Fig. 6 ist ein Schema, das die Korrelation zwischen der Füllmenge an Indiumhalogeniden und dem allgemeinen Farbwiedergabeindex für elektrodenlose Entladungslampen zeigt, die mit Indiumhalogeniden und Argon gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt sind.

Fig. 7 ist ein Schema, das das Emissionsspektrum einer elektrodenlosen Entladungslampe zeigt, die mit Galliumiodid und Argon gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt ist.

Fig. 8 ist ein Schema, das das Emissionsspektrum einer elektrodenlosen Entladungslampe zeigt, die mit Zink und TlI gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefüllt ist.

Angabe der Bezugszeichen:

21. Kolben

22. Füllung

24. Mikrowellenhohlraum

27. Magnetron

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

(Ausführungsform 1)

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt ein Emissionsspektrum, das erhalten wird, wenn eine Lampe, die mit einem sphärischen, elektrodenlosen Entladungskolben aus Quarzglas konstruiert ist, der einen Innendurchmesser von 3,8 cm aufwies und mit Argongas bei 666,6 Pa (5 Torr) und Indiumiodid (InI) mit 2,2 · 10&supmin;&sup5; mol/cm der Innenabmessung gefüllt war, die dem Innenabstand von Wand zu Wand des Kolbens in Richtung eines elektrischen Felds entspricht, in einem elektrodenlosen Mikrowellensystem für eine Entladungslampe hoher Intensität, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, mit einer Mikrowelleneingangsenergie von 800 W betrieben wurde, um durch Entladung Licht zu erzeugen. Die hier und in anderen Teilen dieser Beschreibung gezeigten Emissionsspektren sind alle eine Aufzeichnung der in Intervallen von 5 nm gemessenen Strahlungsintensität, wobei der maximale Wert der Emissionsintensität mit 1 bewertet ist.

Die Konstruktion und Arbeitsweise des elektrodenlosen Mikrowellenentladungssystems, das bei der Erfindung verwendet wird, um die emittierte Strahlung zu erhalten, und in Fig. 1 gezeigt ist, ist unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Die Konstruktion dieses elektrodenlosen Mikrowellenentladungssystems ist im Wesentlichen die gleiche wie die der Hochleistungslampe, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-132018 geoffenbart ist. In Fig. 2 ist der Kolben 21 aus Quarzglas hergestellt und enthält eine Füllung 22, wie Indiumiodid und Argongas. Der Kolben 21 ist innerhalb eines Mikrowellenhohlraums 24 mittels eines Tragpfostens 23 gehalten, der aus einem dielektrischen Material hergestellt ist. Der Tragpfosten 23 kann mit einem Motor verbunden sein, wobei die Achse des Tragpfostens zu der Drehachse des Motors ausgerichtet ist. In diesem Fall wird der Kolben 21 mit ungefähr 1000 bis 3600 UpM durch den Motor gedreht. Bei dieser Ausführungsform wurde das in Fig. 1 gezeigte Emissionsspektrum erhalten, indem man die Füllung 22 innerhalb des Kolbens 21 Licht emittieren ließ, während der Kolben 21 mit 3600 UpM gedreht wurde. Diese Anordnung dient dazu, den Kolben bei einer gleichmäßigen Temperatur zu halten und das Entladungsplasma zu stabilisieren. Die durch ein Magnetron 27 erzeugte Energie wird über einen Wellenleiter 26 zugeführt, der mit einem Kopplungsschlitz 25 des Mikrowellenhohlraums 24 in Verbindung steht. Die derart zugeführte Mikrowellenenergie erregt die Füllung 22 innerhalb des Kolbens 21, wodurch ein Plasmazustand bewirkt und dadurch Licht emittiert wird. Indem der Mikrowellenhohlraum 24 unter Verwendung eines leitenden Gitters oder Ähnlichem konstruiert wird, das so gebildet ist, dass die Mikrowellenenergie im Wesentlichen blockiert und innerhalb des Kolbens 21 erzeugtes Licht im Wesentlichen hindurchgelassen wird, kann das erzeugte Licht außerhalb des Mikrowellenhohlraums 24 gewonnen werden, während die Mikrowellenenergie daran gehindert wird, nach außerhalb des Mikrowellenhohlraums 24 herauszulecken.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, eine Lichtausstrahlung mit einem intensiven, kontinuierlichen Spektrum über den gesamten sichtbaren Bereich durch Indiumjodide erhalten werden. Die Linienspektren der blauen Abschnitte bei 410 nm und 451 nm, die von dem Indiumelement emittiert werden, sind als die Emissionsspektren von Indiumiodid bei hoher Entladungsintensität bekannt. Diese Linienspektren werden üblicherweise verwendet, die Intensität der blauen Strahlung einer Metall-Halogenlampe zu erhöhen. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch sind die Linienspektren des Indiumelements stark verringert und das kontinuierliche Spektrum der Molekularstrahlung tritt über den gesamten sichtbaren Bereich auf. Als Ergebnis kann eine weiße Lichtquelle erhalten werden, die einen hohen Wirkungsgrad und hervorragende Farbwiedergabeeigenschaften liefert.

Zum Vergleich der Farbwiedergabeeigenschaften wird zuerst eine Metall-Halogenidlampe mit Elektrode nach dem Stand der Technik beschrieben. Eine Metall-Halogenidlampe, die Hg +InI + TII + Ni enthält und hauptsächlich aus Linienspektren besteht, weist einen allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra von ungefähr 60 und einen speziellen Farbwiedergabeindex R9 von ungefähr -150 auf, wobei letzterer ein Maß der Farberscheinung von Hellrot ist. Der Wirkungsgrad der Lampe ist ungefähr 80 Im/W. Die Farbwiedergabeeigenschaften sind bei allen Lichtfarben niedrig, und man kann sagen, dass die Wiedergabe von Hellrot unter anderen nahezu Null ist. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform war der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra 96 und der Wirkungsgrad der Lampe war ungefähr 100 Im/W und der spezielle Farbwiedergabeindex R9 war 77, der als ein Maß der Erscheinung von Hellrot dient und schwierig zu erreichen ist. Auf diese Weise liefert die Lampe der vorliegenden Erfindung gleichzeitig sehr hervorragende Farbwiedergabeeigenschaften und einen ausgezeichneten Lichtausstrahlungswirkungsgrad.

Ein weiterer Vorteil der elektrodenlosen Entladungslampe hoher Intensität nach der Erfindung ist die Verwendung von nur einer Art Füllung als Hauptquelle der Entladungsstrahlung. Herkömmliche Metall-Halogenlampen enthalten Füllungen, die aus verschiedenen Metallen und Metall-Halogeniden bestehen, um weißes Licht zu erzeugen. Die Partialdrücke dieser Metallzuschläge werden durch den Anteil bei jeder Füllung der Lampe und die Temperatur des kältesten Bereichs des Kolbens bestimmt. Jedoch ändern sich die Parameter des Anteils der Füllung und die Temperatur des kältesten Bereichs aufgrund solcher Faktoren wie Herstellungstoleranzen und Alterung. Dies beeinflusst die optischen Eigenschaften, wie den gesamten Lichtausstrahlungsfluss und die Chromatizität der emittierten Strahlung.

Beispielsweise erzeugen Metall-Halogenlampen, die Füllungen aus Hg + InI + TII + NaI, usw. enthalten, weißes Licht, indem Blau des In Elements, Grün des TI Elements und Gelb des Ne Elements kombiniert werden; entsprechend beeinflussen Unterschiede bei den Füllungsanteilen stark den Farbausgleich und die Ausgangseigenschaften. Es wurde jedoch darauf hingewiesen, dass Metalle, wie Na, Sc und Dy, die verbreitet in Metall- Halogenlampen verwendet werden, mit dem Quarzgas, das für den Lampenkolben verwendet wird, während des Betriebs reagieren und nach und nach den Anteil der Füllung verringern, der zur Entladungserzeugung wirksam ist. Als Ergebnis verschiebt sich die Lampenfarbe und der Lichtausgang fällt, wenn die Lampe altert. Andererseits minimiert entsprechend der Lampe der vorliegenden Erfindung die Verwendung der spezifizierten Metall-Halogenide die Wirkungen von Herstellungstoleranzen und Alterung bei den Farbwiedergabeen der Lampe.

Tabelle 1 zeigt mehrere Beispiele von Emissionseigenschaften von Kolben, wenn der Gehalt an Indiumiodid und der Gehalt an Indiumbromid von Kolben zu Kolben geändert wird. Alle hier gezeigten Kolben wurden mit einer elektrischen Eingangsenergie von 800 W betrieben, während sie bei 3000 bis 3600 UpM in dem elektrodenlosen Mikrowellenentladungssystem gedreht wurden, das in Fig. 2 gezeigt ist.

[Tabelle 1]

Man kann sehen, dass bei gleicher Füllmenge eine Lampe mit Indiumbromid eine höhere, korrelierte Farbtemperatur als eine Lampe mit Indiumiodid aufweist. Das früher beschriebene Beispiel der Ausführungsform ist in der zweiten Zeile gezeigt. Es ist gezeigt, dass die Werte des Farbwiedergabeindex weiter verbessert werden können, indem die Füllmenge, usw. geändert wird. Ein maximaler Wert von 95 wurde für den speziellen Farbwiedergabeindex R9 erreicht, der die Farberscheinung von Hellrot angibt.

Sowohl für Indiumiodid als auch für Indiumbromid ist die Tendenz derart, dass die korrelierte Farbtemperatur bei Erhöhen der Füllmenge abnimmt. Der Grund hierfür ist, dass die Spitzenwellenlänge in dem kontinuierlichen Spektrum der Molekülstrahlung von Indiumhalogeniden in Richtung zu der Seite der langen Wellenfänge wandert, wenn die Füllmenge zunimmt. Man nimmt an, dass dieses auftritt, weil der internukleare Abstand der Indiumhalogenmoleküle abnimmt, wenn die Menge an Molekülen von Indiumhalogenen zunimmt, und als Ergebnis nimmt die Differenz beim Energieübergang ab. Jedoch ist die Größe dieser Farbverschiebung gegenüber geringen Änderungen nicht empfindlich und stellt kein Problem in Bezug auf die Herstellungstoleranzen dar, die vorhergehend beschrieben wurden.

Im Gegenteil erlaubt diese Eigenschaft eine größere Freiheit bei der Auslegung der korrelierten Farbtemperatur. Es ist deshalb möglich, Lampen mit korrelierten Farbtemperaturen zu konstruieren, die für verschiedene Anwendungsgebiete geeignet sind. Bei spielsweise wird als Lichtquelle für einen Flüssigkristall-Videoprojektor eine Lampe mit relativ hochkorrelierter Farbtemperatur oberhalb von 7000ºK benötigt, um die Emission blauer Strahlung hervorzuheben. Die elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität der vorliegenden Erfindung kann solche Bedürfnisse erfüllen, indem die Füllmenge der Indiumhalogenide geändert wird.

Die Farbwiedergabeeigenschaften und die korrelierte Farbtemperatur werden durch die Spektralverteilung des von dem Entladungsbogen emittierten Lichts bestimmt, und der Lampenwirkungsgrad wird stark beeinflusst. Die Spektralverteilung wird stark durch die Lichtbogentemperatur bestimmt. Gemäß W. Elenbaas, "The High Pressure Mercury Vapour Discharge", North Holland Publishing Company (1951), wird die effektive Temperatur Teff eines Entladungsbogens in einer Hochdruckquecksilberdampflampe durch die folgende Gleichung ausgedrückt.

[Gleichung 1]

wo P die elektrische Eingangsenergie pro Einheitslänge des Lichtbogens (z. B. W/cm) ist, Pcond der Wärmeleitungsverlust pro Einheitslänge der Elektrode-Elektrode-Strecke des Lichtbogens (z. B. W/cm) ist, M die Füllmenge an Quecksilber pro Einheitslänge der Elektrode-Elektrode-Strecke des Lichtbogens (z. B. mg/cm) ist, k die Boltzmann-Konstante und e eine elektrische Ladung ist, Va das mittlere Anregungspotential von Quecksilber ist und C, und γ Konstanten sind. Ein tatsächlicher Entladungsbogen hat eine solche Temperaturverteilung, dass die Temperatur in der Mitte des Rohrdurchmessers am höchsten ist und bei Annäherung an die Rohrwand abnimmt. Hier wird eine gleichförmige, effektive Temperatur Teff der Einfachheit halber festgelegt und die Berechnung wird durch Annäherung unter Verwendung eines zylinderförmigen Lichtbogens und der Annahme gemacht, dass die Elektrode-Elektrode-Strecke die Lichtbogenlänge ist.

Das obige Beispiel betrifft eine Hochdruckquecksilberdampflampe, wobei aber auch bei einer elektrodenlosen Entladungslampe hoher Intensität, wie sie bei der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist, die Spektraleigenschaften ebenfalls durch Annäherung bestimmt werden können, wenn die Eingangsenergie und die Füllmenge an Leuchtstoffen pro Einheitslänge des Lichtbogens verwendet werden. Jedoch wird, da die elektrodenlose Entladungslampe hoher Energie keine Elektroden besitzt, die Lichtbogenlänge zwischen den Elektroden durch die effektive Länge des Lichtbogens in Richtung des elektrischen Felds der elektrischen Eingangsenergie ersetzt. Um die effektive Länge des Lichtbogens abzuleiten, muss ein Durchschnittswert aus der Temperaturverteilung des Lichtbogens berechnet werden, wobei aber, da sich die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von der Füllmenge des Lichtbogens und der Eingangsenergie ändert, dieses Verfahren sehr kompliziert und als Konstruktionsmittel nicht geeignet ist.

Man nimmt an, dass sich in einer elektrodenlosen Entladungslampe hoher Intensität die Lichtbogengröße nahezu proportional zu dem Abstand von Innenwand zu Innenwand des Kolbens (Innendurchmesser in dem Fall eines sphärischen Kolbens) ist. Entsprechend kann, wenn die Lichtbogenlänge durch den Abstand von Innenwand zu Innenwand des Kolbens in Richtung des elektrischen Felds der elektrischen Eingangsenergie angenähert wird und die elektrische Eingangsenergie und die Füllmenge pro Einheitslänge bestimmt werden, angenäherte Spektralkennlinien erhalten werden. Auf der Grundlage des obigen Prinzips haben wir die Änderungen der Spektralkennlinie als Funktion der Änderungen bei den Leuchtstoffen und der elektrischen Eingangsenergie pro Einheitslänge des Abstands von Innenwand zu Innenwand des Kolbens in Richtung des elektrischen Felds gemessen und optimale Werte bestimmt. Dies liefert einen Index, wenn die Entladungskolbenform auf verschiedene Weise geändert wird und macht eine effiziente Konstruktionsarbeit möglich. Das Folgende beschreibt, wie sich der Lampenwirkungsgrad und der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra als Funktion der Füllmenge von Indiumhalogeniden und der Eingangsenergie pro Einheitslänge des Abstands von Innenwand zu Innenwand des Kolbens in Richtung des elektrischen Felds der elektrischen Eingangsenergie ändert.

Die Fig. 3 und 4 sind Kurvendarstellungen, die die Wirkung der Eingangsenergie auf die optische Kennlinie der Lampen zeigt. Es wurden insgesamt vier Lampen hergestellt, von denen jede mit einem sphärischen, elektrodenlosen Entladungskolben aus Quarzglas mit einem Innendurchmesser von 3,8 cm konstruiert war. Zwei Lampen wurden mit Argongas bei 6666 Pa (50 Torr) und Indiumiodid mit 1,1 · 10&supmin;&sup5; mol bzw. 2,2 · 10&supmin;&sup5; mol pro Zentimeter Kolbeninnendurchmesser gefüllt, und die zwei anderen Lampen wurden mit Argongas bei 1333 Pa (10 Torr) und Indiumbromid mit 1,4 · 10&supmin;&sup5; mol bzw. 2,7 · 10&supmin;&sup5; mol pro Zentimeter Kolbeninnendurchmesser gefüllt. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils, wie sich der Lampenwirkungsgrad und der allgemeine Farbwiedergabeindex ändern, wenn die Eingangsenergie zu jeder Lampe in dem elektrodenlosen Mikrowellenentladungslampensystem verändert wird, das in Fig. 2 gezeigt ist. Jede Lampe wurde betrieben, indem sie durch den Motor mit 3600 UpM gedreht wurde, wie bei dem früher beschriebenen Beispiel der Ausführungsform.

Wie man aus Fig. 3 sehen kann, steigt der Lichtausstrahlungswirkungsgrad einer jeden Lampe an, wenn die elektrische Eingangsmikrowellenenergie zu der Lampe zunimmt. Es gibt einen Sättigungspunkt bei dem Anstieg des Lichtausstrahlungswirkungsgrads. Dieser Sättigungspunkt verschiebt sich zu einem höheren, elektrischen Eingangsenergiebereich, wenn die Füllmenge erhöht wird.

In Fig. 4 ist die Änderung des allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra als Funktion der elektrischen Eingangsenergie pro Einheitslänge des Kolbeninnendurchmessers gezeigt. In Bereichen, in denen die elektrische Eingangsenergie ungefähr 50 W/cm oder größer ist, nimmt Ra einen Wert von 80 oder größer an, der für allgemeine Beleuchtungsanwendungen ausreichend ist. Wenn die elektrische Eingangsenergiedichte ungefähr 100 W/cm oder größer ist und vorzugsweise ungefähr 150 W/cm oder größer, können ausgezeichnete Farbwiedergabeeigenschaften und ein hoher Wirkungsgrad gleichzeitig erreicht werden.

In einem Bereich, in dem die elektrische Eingangsenergiedichte niedrig ist, ist eine ausreichende Menge an Indiumiodid innerhalb des Kolbens noch nicht verdampft worden, was ein Grund für den niedrigen Wirkungsgrad und die geringen Farbwiedergabeeigenschaften ist. In diesem niedrigen Energiebereich ist, da der Plasmadruck weiterhin niedrig ist, das Linienspektrum des Indiumelements eine vorrangige Lichtquelle. Als Ergebnis können kein zufriedenstellender Wirkungsgrad und Farbwiedergabeeigenschaften erhalten werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils, wie sich der Lampenwirkungsgrad und der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra ändern, wenn die Füllmenge an Indiumiodid oder Indiumbromid verändert wird. Die Kolbenform und die Betriebsbedingungen sind die gleichen, wie sie in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben wurden. Die elektrische Eingangsenergie pro Einheitslänge des Kolbeninnendurchmessers war 210 W/cm. Die durchgezogene Kurve zeigt die Änderung des Wirkungsgrads mit der Füllmenge, während die gestrichelte Linie die Änderung des allgemeinen Farbwiedergabeindex zeigt. Wenn die Füllmenge ungefähr 0,5 · 10&supmin;&sup5; mol/cm oder größer war, ist der allgemeine Farbwiedergabeindex oberhalb von 80, was ein für allgemeine Beleuchtungsanwendungen ausreichender Wert ist. Wenn die Füllmenge ungefähr 2 · 10&supmin;&sup5; mol/cm oder größer ist, können ein hoher Wirkungsgrad von 90 Im/W oder darüber und ein hoher Farbwiedergabeindex von 95 oder darüber gleichzeitig erreicht werden.

Entsprechend ist es für allgemeine Beleuchtungsanwendungen erwünscht, dass die Füllmenge an Indiumiodid innerhalb dieses Bereichs festgelegt wird. Jedoch fällt, wenn die Füllmenge ungefähr 5 · 10&supmin;&sup5; mol/cm oder größer in dem Fall von Indiumiodid und ungefähr 7 · 10&supmin;&sup5; mol/cm oder größer in dem Fall von Indiumbromid ist, der allgemeine Farbwiedergabeindex auf 80 oder einen kleineren Wert und der Lampenwirkungsgrad fällt auch. Das Füllen mit einer übermäßigen Menge an Indiumhalogeniden ist deshalb für allgemeine Beleuchtungsanwendungen nicht erwünscht.

(Beispiel 2)

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 7 zeigt ein Emissionsspektrum, das erhalten wurde, wenn eine Lampe, die mit einem sphärischen, elektrodenlosen Entladungskolben aus Quarzglas konstruiert wurde, der einen Innendurchmesser von 2,8 cm aufwies und mit Argongas bei 267 Pa (2 Torr) und Galliumiodid (Gab) mit 2,6 · 10&supmin;&sup5; mol/cm pro Einheitslänge des Innendurchmessers gefüllt war, in dem elektrodenlosen Mikrowellenentladungslampensystem hoher Intensität, das in Fig. 2 gezeigt ist, wie bei der ersten Ausführungsform betrieben wurde, wobei die Mikrowelleneingangsenergie 550 W war, um Licht durch Entladung zu erzeugen.

Bei der zweiten Ausführungsform wird jedoch der Mechanismus zur Drehung des Kolbens nicht verwendet. Das Emissionsspektrum, das in Fig. 7 gezeigt ist, ist eine Aufzeichnung der Strahlungsintensität, die in Intervallen von 5 nm wie in Fig. 1 gemessen wurde.

Hier wurde ein kontinuierliches Spektrum durch Molekülstrahlung erhalten, das aus den Linienspektren des Galliumelements bei 403 nm und 417 nm und den Linienspektren von Natrium, Lithium und Kalium und den darin enthaltenen Verunreinigungen, bestand.

Bezüglich der Eigenschaften der Lampe der vorliegenden Ausführungsform war der Lampenlichtausstrahlungswirkungsgrad 43 Im/W, der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra 96 und die korrelierte Farbtemperatur 6920 K. Da das durch die Galliumhalogenide erzeugte, kontinuierliche Spektrum ein Maximum in einem kürzeren Wellenlängenbereich als das kontinuierliche Spektrum der Indiumhalogenide hat, ergibt sich eine höher korrelierte Farbtemperatur. Diese Eigenschaft ist für Anwendungen geeignet, bei denen eine Lampe mit einer hochkorrelierten Farbtemperatur verlangt wird, wie als Lichtquelle für eine Flüssigkristallvideoprojektion. Es ist auch möglich, die korrelierte Farbtemperatur oder andere Eigenschaften durch Hinzufügen von Indiumhalogeniden zu verändern.

Bei elektrodenlosen Lampen, die mit Galliumiodid oder Galliumbromid gefüllt sind, ändern sich, wenn die Füllmenge oder die elektrische Eingangsenergie verändert wird, die optischen Eigenschaften in der gleichen Weise, wie sie bei den Indiumhalogenidlampen der ersten Ausführungsform beobachtet wurden.

Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben wurden, werden die Halogenide von Indium und Gallium als Metall-Halogenide verwendet, die ein kontinuierliches Spektrum durch Molekülestrahlung emittieren. Alternativ können Thalliumhalogenide in gleicher Weise wie die oben erwähnten Halogenide als Metall-Halogenidzuschläge verwendet werden, die ein kontinuierliches Spektrum durch Molekülstrahlung emittieren.

(Ausführungsform 3)

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 8 zeigt ein Emissionsspektrum, das erhalten wurde, wenn eine Lampe, die mit einem sphärischen, elektrodenlosen Entladungskolben aus Quarzglas konstruiert wurde, der einen Innendurchmesser von 2,8 cm aufwies und mit Argongas bei 267 Pa (2 Torr), 40 mg Zink (2,2 · 10&supmin;&sup4; mol/cm) und 8 mg TlI (0,9 · 10&supmin;&sup5; mol/cm) pro Einheitslänge des Innendurchmessers gefüllt war, in dem elektrodenlosen Mikrowellenentladungslampensystem hoher Intensität, das in Fig. 2 gezeigt ist, mit einer Mikrowelleneingangsenergie von 550 W betrieben wurde, um Licht durch Entladung zu erzeugen.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsformen kann die Emission von Lichtausstrahlung mit dem Linienspektrum von TI bei 535 nm erhalten werden, das einem kontinuierlichen Spektrum überlagert ist, das sich über den gesamten sichtbaren Bereich erstreckt, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Wenn die Lampe nur mit Argongas und TI gefüllt ist, so dass die Lichtausstrahlung hauptsächlich durch das Linienspektrum bei 535 nm erzeugt wird, fällt der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra auf 15 oder niedriger ab, was für eine allgemeine Beleuchtung nicht geeignet ist. Andererseits erreicht die Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform einen allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra von 84, was eine dramatische Verbesserung zeigt.

[Tabelle 2]

Ferner ist, wie es in Tabelle 2 gezeigt ist, der Lichtausstrahlungswirkungsgrad mehr als zweimal so groß wie der einer Lampe, die ausgelegt ist, kontinuierliches Licht durch Entladung hoher Intensität ohne Zinkgehalt zu emittieren. Der Grund hierfür ist, dass die Emission in dem kontinuierlichen Spektralabschnitt hauptsächlich erhöht ist, obgleich es dort keine merkliche Änderung bei der Intensität des Linienspektrums bei 535 nm gibt. Man nimmt an, dass dies wegen der Gegenwart von Zink ist, das zu einem erhöhten Kolbeninnendruck beiträgt. Es ist somit gezeigt, dass ein hoher Wirkungsgrad durch die Hinzufügung von Zink erreicht werden kann.

(Ausführungsform 4)

Da der erwünschte Betriebsdruck, der für eine Lichtausstrahlung von Metall-Halogeniden geeignet ist, erhalten werden kann, indem Zink als Füllung ohne die Verwendung von Quecksilber verwendet wird, sind die Arten der Metall-Halogenide nicht auf jene oben angegebenen Ausführungsformen begrenzt.

In allen obigen Ausführungsformen ist es offensichtlich, dass eine gefährliche UV Strahlung jenseits von 350 nm, die bei Quecksilberdampflampen hoher Intensität ein Problem ist, stark unterdrückt wird. Die UV Strahlung von herkömmlichen Metall-Halogenlampen ergab sich hauptsächlich wegen des Linienspektrums des Quecksilbers. Wenn kein Quecksilber enthalten ist, bietet es natürlich die obige Wirkung. Dies schafft einen bedeutenden Vorteil für die Sicherheitsförderung für den menschlichen Körper bei allgemeinen Beleuchtungsanwendungen und für den Schutz von Ausstellungsgegenständen in Museen und Kunstgalerien.

Bei der ersten bis vierten Ausführungsform wurde Quarzglas als das lichtdurchlässige Material des Kolbens 21 verwendet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, wobei man aber erkennt, dass das Kolbenmaterial nicht auf Quarzglas beschränkt ist. Beispielsweise kann die Wärmebeständigkeit des Kolbens verbessert werden, wenn ein lichtdurchlässiges Aluminiumoxid-Keramikmaterial als Kolbenmaterial verwendet wird. Somit kann der Kolben hergestellt werden, eine höhere Temperatur und einen höheren Druck zu ertragen, wodurch ein Betrieb mit einer höheren, elektrischen Eingangsenergie möglich gemacht wird.

Dies ermöglicht auch den Ausschluss des vorhergehend beschriebenen Kolbendrehmechanismus, wodurch es möglich wird, den Systemwirkungsgrad zu verbessern und die Herstellungskosten des elektrodenlosen Entladungslampensystems hoher Intensität zu verringern.

Des weiteren erkennt man, dass die elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität nach der Erfindung, die durch die erste bis vierte Ausführungsform dargestellt ist, auch bei der Verwendung eines elektrodenlosen Entladungslampensystems hoher Intensität anwendbar ist, wie es in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-152852 geoffenbart ist, bei dem die Füllung zur Entladung durch induktive HF-Kopplung erregt wird.

Wie es oben beschrieben wurde können entsprechend der vorliegenden Erfindung, wenn ein intensives, kontinuierliches Emissionsspektrum verwendet wird, das durch Molekülstrahlung von Metall-Halogeniden erzeugt wird, eine ausgezeichnete, elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität und ein elektrodenloses Entladungslampensystem hoher Intensität erhalten werden, die eine lange Lebensdauer und hervorragende Farbwiedergabeeigenschaften und optische Eigenschaften hohen Wirkungsgrads aufweisen, ohne dass Quecksilber verwendet werden muss.


Anspruch[de]

1. Elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität, die umfasst:

einen lichtdurchlässigen Kolben (21) zur Begrenzung einer Entladung darin; eine Füllung (22), die innerhalb des lichtdurchlässigen Kolbens (21) abgedichtet und durch ein Edelgas, wahlweise Zink und einen Leuchtstoff gebildet ist; und

eine Entladungsanregungseinrichtung (24), um elektrische Energie auf die Füllung anzuwenden und eine Bogenentladung einer vorgegebenen Länge im Inneren des Kolbens zu starten und aufrechtzuerhalten;

wobei der lichtdurchlässige Kolben keine in dem Entladungsraum freiliegenden Elektroden aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff ein Metall-Halogenid ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Indiumhalogenid, Galliumhalogenid und Thalliumhalogenid oder einer Mischung davon besteht,

der Kolben mit dem Metall-Halogenid in einer Menge von 5 umol oder mehr pro Zentimeter Länge des Bogens gefüllt ist, und

die Entladungsanregungseinrichtung (24) Energie von 50 W oder mehr pro Zentimeter in Längenrichtung des Entladungsbogens anwenden kann,

die Lampe dadurch ein kontinuierliches Spektrum durch Molekularstrahlung emittieren kann.

2. Elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität, entsprechend Anspruch 1,

wobei das Metall-Halogenid ein Halogenid enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Jod, Brom und Chlor oder einer Mischung davon besteht, und

das Edelgas ein Element umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ar, Kr und Xe oder einer Mischung davon besteht.

3. Elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität, gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der lichtdurchlässige Kolben sphärisch ist.

4. Elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität gemäß Anspruch 4, wobei der lichtdurchlässige Kolben sphärisch ist und der Anteil an in dem lichtdurchlässigen Kolben eingeschlossenen Zink 5 · 10&supmin;&sup5; mol oder mehr pro Zentimeter Bogenlänge ist.

5. Elektrodenloses Entladungslampensystem hoher Intensität, das eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität verwendet, wie sie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beschrieben ist, wobei die Entladungsanregungseinrichtung (24) eine Einrichtung zur Einkopplung von Mikrowellenenergie in die Füllung ist.

6. Elektrodenloses Entladungslampensystem hoher Intensität, das eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität verwendet, wie sie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beschrieben ist, wobei die Entladungsanregungseinrichtung (24) eine Einrichtung zur induktiven Kopplung von HF-Energie mit der Füllung (22) ist.

7. Elektrodenloses Entladungslampensystem hoher Intensität gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 und 6, das ferner eine Einrichtung zur Drehung des Kolbens umfasst.







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