DE19645960A1

DE19645960A1 - Keramisches Entladungsgefäß

Info

Publication number: DE19645960A1
Application number: DE19645960A
Authority: DE
Inventors: Dieter Lang
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 1998-05-14
Also published as: JP3723676B2; EP0841687A3; HUP9701882A2; CA2218639C; HUP9701882A3; US5936351A; HU220258B; HU9701882D0; CN1182276A; EP0841687A2; CN1102798C; CA2218639A1; JPH10144261A; EP0841687B1

Description

Die Erfindung geht aus von einem keramischen Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es handelt sich dabei insbesondere um keramische Entladungsgefäße für Me tallhalogenidlampen oder auch Natriumhochdrucklampen. Sie bestehen üb licherweise aus Aluminiumoxid, das mit Dotierstoffen versehen sein kann. Aber auch andere bekannte Materialien wie Saphir, Aluminiumnitrid o. ä. können verwendet werden.

Die DE-A 31 37 076 beschreibt langgestreckte zylindrische oder in der Mitte ausgebauchte Entladungsgefäße für Natriumhochdruckentladungslampen, wobei der Innendurchmesser des Entladungsvolumens größer als der an den Enden ist. Insbesondere wird empfohlen, daß der Innendurchmesser in Höhe der Elektrodenspitze mindesten 60% des Innendurchmessers in der Mitte beträgt.

Aus der EP-A 34056 ist ein Entladungsgefäß bekannt, das aus einem geraden zylindrischen Rohr gebildet ist, das Enden mit reduziertem Durchmesser besitzt. Das zylindrische Rohr kann einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Alternativ ist ein sehr langgestrecktes elliptisches Entladungsgefäß beschrie ben, wobei das Achsverhältnis 1 : 4 bis 1 : 8 beträgt.

Bei derart langgestreckten Entladungsgefäßen ist für den Fall, daß die Fül lung Metallhalogenide enthält, keine universelle Brennlage möglich. In ver tikaler Brennstellung ist nämlich die cold-spot-Temperatur, die sich dann im Bereich der unteren Elektrode befindet, deutlich niedriger als bei horizontal brennender Lampe. Dies hat eine ausgeprägte Farbverschiebung zwischen horizontaler und vertikaler Brennlage zur Folge. Weiterhin ist die Tempera turverteilung bei derart langgestreckten Geometrien des Entladungsgefäßes relativ inhomogen, so daß ein starker Temperaturgradient auftritt. Bei vor gewählter cold-spot-Temperatur (die zum Erreichen der angestrebten licht technischen Werte notwendig ist) stellt sich bei langgestreckter Geometrie eine sehr hohe hot-spot-Temperatur ein, was zu einer Überlastung der Ke ramik des Entladungsgefäßes führen kann.

Aus der EP-A 587 238 ist ein zylindrisches Entladungsgefäß mit rechtwinklig angesetzten Endflächen bekannt, bei dem die Elektroden vertieft in die En den eingesetzt sind. Derartige zylindrische Entladungsgefäße erlauben zwar eine universelle Brennlage, ihre Temperaturverteilung ist aber ebenfalls in homogen, so daß auch hier eine sehr hohe hot-spot-Temperatur entsteht.

Ein hoher Temperaturgradient, wie er sowohl in langgestreckten elliptischen als auch in zylindrischen Entladungsgefäßen entsteht, begünstigt Korrosi onserscheinungen an der Keramik während der Lebensdauer der Lampe.

Weiterhin wird die mit der Verwendung der Keramik gegebene prinzipielle Möglichkeit, die cold-spot-Temperatur im Vergleich zu Quarzglas zu erhö hen und damit die lichttechnischen Daten zu verbessern, bei diesen Geome trien durch die dort auftretende sehr hohe hot-spot-Temperatur begrenzt. Die hot-spot-Temperatur der Keramik ist auf maximal etwa 1250°C be grenzt, wenn Lebensdauern von 6000 bis 10 000 Stunden angestrebt sind.

Es hat sich zudem herausgestellt, daß bei derartigen langgestreckten zylin drischen oder elliptischen Entladungsgefäßen wegen ihrer sehr inhomoge nen Temperaturverteilung die lichttechnischen und elektrischen Lampenda ten stark von der Brennlage abhängig sind. Derartige Entladungsgefäße können daher nur zum Einsatz kommen, wenn keine Unabhängigkeit dieser Lampendaten von der Brennlage gefordert ist. Dies ist nur für zweiseitig ge sockelte Lampen möglich. Bei ihnen ist normalerweise nur eine horizontale Brennlage zulässig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Entladungsge fäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, das eine sehr homogene Temperaturverteilung besitzt und daher für jede Brennlage ge eignet ist. Insbesondere soll auch der Einsatz bei einseitig gesockelten Lam pen möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi gen Ansprüchen.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine spezielle "bauchige" Geometrie des Entladungsgefäßes, die bei jeder Brennlage zu nahezu gleichwertigen photometrischen Lampendaten führt, im Gegensatz zu den bekannten Entla dungsgefäßen mit langgestreckter zylindrischer oder elliptischer Geometrie. Diese Geometrie führt insbesondere zu einer reduzierten hot-spot- Temperatur und zu einer sehr gleichmäßigen Temperaturverteilung.

Im einzelnen handelt es ich bei der vorliegenden Erfindung um ein kerami sches Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe, das eine lich temittierende Füllung enthält. Die Kontur der Innenwand des Entladungsge fäßes definiert ein Innenvolumen V. Das Entladungsgefäß besitzt eine Längsachse sowie zwei Enden mit Öffnungen, wobei in den Enden elektri sche Durchführungen gasdicht angebracht sind, die mit zwei Elektroden elektrisch verbunden sind, die sich im Innenvolumen in einem gegebenen Elektrodenabstand EA gegenüberstehen.

Die Kontur der Innenwand weist die folgende Geometrie auf:

Die Innenkontur des Entladungsgefäßes kann man sich aus drei Teilen zu sammengesetzt denken, nämlich ein im wesentlichen gerades zylindrisches Mittelteil mit der Länge L und mit dem Innenradius R sowie zwei daran auf beiden Seiten anschließende, im wesentlichen halbkugelförmige Endstücke mit demselben Radius R.

Es hat sich herausgestellt, daß eine ausreichende Brennlagenunabhängigkeit durch die gleichzeitige Einhaltung mehrerer geometrischer Randbedingun gen gewährleistet wird.

Grundlegende Bedingung ist, daß die Länge des zylindrischen Mittelteils kleiner oder gleich seinem Innenradius ist:

L ≦ R.

Anders ausgedrückt, muß der Innendurchmesser des Entladungsgefäßes mindestens 2/3 der Gesamtlänge des Entladungsgefäßes betragen. Beson ders bevorzugt gilt L ≦ 0,8 R.

L und R sind so zu wählen, daß bestimmte Randbedingungen für den Elek trodenabstand EA eingehalten werden. Diese definieren einen oberen und unteren Grenzwert für die Einsetzlänge der Elektroden im Innenvolumen.

Die gesamte Innenlänge des Entladungsgefäßes muß um mindestens 10% größer sein als der Elektrodenabstand EA. Sonst kommen die Elektroden dem Endenbereich zu nahe und erhitzen den Durchführungsbereich zu stark:

2R + L ≧ 1,1 EA.

Der Durchmesser (2R) des Entladungsgefäßes muß mindestens eine Länge von 80% des Elektrodenabstands EA besitzen, sonst wird das Entladungsge fäß in der Mitte durch die Krümmung des Lichtbogens unnötig stark erhitzt. Gleichzeitig darf der Durchmesser höchstens eine Länge von 150% des Elek trodenabstands EA besitzen, da ansonsten das Mittelteil zu kalt bleibt:

1,5 EA ≧ 2R ≧ 0.8 EA.

Insgesamt ergibt sich aus diesen Bemessungen für das Entladungsgefäß ein Verhältnis zwischen der Gesamtlänge und dem maximalen Innendurchmes ser von höchstens 1,5, bevorzugt kleiner gleich 1,3.

Mit dieser Geometrie kann die Wandbelastung des Entladungsgefäßes (das ist die auf die innere Oberfläche bezogene Nennleistung) bevorzugt auf Wer te zwischen 25 und 35 W/cm²eingestellt werden, und zwar bei kleinwattigen Lampen eher bei 35 W/cm², bei höherwattigen eher bei 25 W/cm². Dies gilt insbesondere im Bereich von etwa 20 W bis ca. 250 W Lampenleistung. Da mit ist die Wandbelastung um etwa 10% niedriger als bei konventionellen Lampen gemäß dem oben zitierten Stand der Technik.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Wandbelastung des Entladungsgefäßes (in W/cm²) abhängig von der Nennleistung P (in W) und den Größen R und L (jeweils in cm) des Entladungsgefäßes so gewählt, daß

25 ≦ P/(4πR² + 2πRL) ≦ 35.

Das Volumen V des Entladungsgefäßes liegt bei einer 35 W-Lampe bei ca. 100-150 µl und steigt je Watt zusätzlicher Nennleistung um ca. 7-10 µl. Ent sprechendes gilt bei geringerer Leistung.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Innenvolumen V des Entladungsgefäßes (in µl) abhängig von der Nennleistung P (in W) nach folgender Formel gewählt:

0,22.P^5/3 ≦ V ≦ 0,32.P^5/3.

Für das Erzielen einer möglichst homogenen Temperaturverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn L ≦ 0.6 R gewählt wird. Dies ist be sonders für kleinwattige Lampen von Bedeutung, bei denen die Wärmever luste an den Enden, relativ gesehen, am höchsten sind. In diesem Fall kann die Innenkontur in guter Näherung durch ein Rotationsellipsoid mit der kleinen Halbachse a und der großen Halbachse b beschrieben werden, wobei

R ≦ a ≦ 1.1 R und b = R + L/2.

Vorteilhaft beträgt die Wandstärke des Entladungsgefäßes zumindest in der Mitte des Entladungsgefäßes zwischen 5 und 15% des Innenradius R. Be sonders geeignet ist ein Entladungsgefäß, bei dem die Wandstärke zu den Enden hin zunimmt und an den Enden bis zum Doppelten der Wandstärke in der Mitte beträgt.

Normalerweise besteht das Entladungsgefäß aus Aluminiumoxid, das evtl. mit Magnesiumoxid und anderen Oxiden dotiert sein kann oder auch aus anderen Materialien wie Aluminiumnitrid oder Saphir.

Die vorliegenden Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf eine Hoch druckentladungslampe mit einem keramischen Entladungsgefäß wie oben beschrieben.

An den Enden des Entladungsgefäßes sind bevorzugt separate keramische Stopfen (evtl. auch als Cermet ausgeführt) zur Aufnahme der Stromdurch führungen angebracht. Die Enden können aber auch integrale Bestandteile des Entladungsgefäßes sein.

Die Durchführungen können aus dem an sich bekannten Formenschatz (z. B. ein Rohr oder Stift aus Niob oder Molybdän oder ein leitendes Cermet) aus gewählt werden, insbesondere als Kapillaren ausgeführt sein, in die ein ge eignetes Elektrodensystem eingelötet wird,.

Beschrieben wird hier im wesentlichen die Innenkontur des Entladungsgefä ßes. Die für die vorliegende Erfindung weniger wichtige Außenkontur ist dann durch die Wandstärke mehr oder weniger vorbestimmt.

Die Außenkontur ist im einfachsten Fall durch eine gleichmäßige Wandstär ke vorgegeben. Die Wandstärke beträgt zwischen 5% und 15% des Innen radius des Entladungsgefäßes. Zweckmäßiger ist es jedoch, eine von der Mit te zu den Enden hin leicht ansteigende Wandstärke zu haben. Dies wirkt er stens als Maßnahme für Wärmestau und leitet außerdem verstärkt Wärme von der Mitte zu den Enden hin, was die Wärmeverluste durch das Elektro densystem und den Durchführungsbereich teilweise kompensiert. Somit wird eine weitere Homogenisierung der Temperaturverteilung erzielt. Die Wandstärke steigt in diesem Fall von typisch 10% des Innenradius in der Mitte des Entladungsgefäßes bis auf das Doppelte dieses Wertes im Endbe reich. Dies verhindert außerdem eine schnelle Korrosion der Keramik wäh rend der Lebensdauer, die im Endbereich am ehesten auftritt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nä her erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 das keramische Entladungsgefäß einer Metallhalogenidlampe im Schnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines keramischen Entla dungsgefäßes im Schnitt,

Fig. 3 das Prinzip der elliptischen Näherung für kleine Längen L,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines keramischen Entla dungsgefäßes im Schnitt, basierend auf der Näherung gemäß Fig. 3.

Das in Fig. 1 gezeigte keramische Entladungsgefäß 1 ist für eine 70 W-Lampe gedacht. Es besteht aus einem zylindrischen geraden Mittelteil 2 mit der Länge L = 2 mm und zwei halbkugelförmigen Endstücken 3 mit dem Radius R = 4 mm. Die Gesamtlänge des Innenvolumens ist 10 mm. Die Wandstärke des Entladungsgefäß ist konstant 0,9 mm. Der maximale Außendurchmesser ist 9,8 mm. An den Endstücken 3 erstrecken sich axial jeweils zylindrische, integrale etwa 1,5 mm lange Ansatzstücke 4 nach außen. In ihnen sind ke ramische langgezogene Stopfen 5 eingesetzt. Sie sind etwas vertieft in die Ansatzstücke 4 eingesetzt, so daß sie die Idealform der halbkreisförmigen Innenkontur noch besser annähern. Im einfachsten Fall haben sie innere Stirnseiten 6, die gerade sind (Fig. 1, linke Hälfte). Vorteilhaft ist die Innen stirnseite 6' des Stopfens abgeschrägt oder selbst konkav gebogen und daher der halbkreisförmigen Innenkontur noch besser angepaßt (Fig. 1, rechte Hälfte). Auf diese Weise wird eine ideale Isothermie erzeugt.

In den Stopfen ist, ähnlich wie in EP-A 587 238 beschrieben, jeweils ein Elek trodensystem (nicht dargestellt) eingesetzt, wobei der Elektrodenabstand 7,5 mm beträgt. Die im Entladungsvolumen enthaltene Füllung enthält eine Mi schung der Metallhalogenide NaJ und TIJ mit Seltenerd-Jodiden, wie z. B. DyJ₃, TmJ₃ und HoJ₃, wie sie üblicherweise für Lampen mit hoher Wandbela stung eingesetzt werden. Damit wird eine anfängliche Farbtemperatur von 2980 ± 80 K in vertikaler und 2920 ± 100 K in horizontaler Brennlage erzielt. Der Temperaturunterschied zwischen cold-spot und hot-spot beträgt bei die ser Lampe nur noch 20° im Gegensatz zu 70° bei konventionellen zylindri schen Lampen mit rechtwinklig angesetzten Endflächen.

Die Wandbelastung dieses Entladungsgefäßes beträgt etwa 27 W/cm². Das Innenvolumen des Entladungsgefäßes ist 300 µl.

In Fig. 2 ist ein Entladungsgefäß 1 für eine 35 W-Lampe gezeigt. Hier ist die Länge des zylindrischen Mittelteils 2 aber 1,9 mm, während der Radius der halbkugelförmigen Endstücke 3 jetzt 2,55 mm beträgt. Die Gesamtlänge des Innenvolumens ist 6.5 mm.

Die Wandstärke des Entladungsgefäßes 1 nimmt von der Mitte (0,8 mm) nach außen hin auf maximal 0,95 mm zu. Der maximale Außendurchmesser ist 6,8 mm. Auch hier sind wieder integrale Ansatzstücke 4 und separate Stopfen 5 vorgesehen.

In weiteren ähnlich aufgebauten Ausführungsbeispielen ist die Lampenlei stung höher gewählt. Bei 100 W Leistung ist L = 3 mm und R = 4,6 mm. Bei 150 W Leistung ist L = 3,2 mm und R = 6 mm. Bei 250 W Leistung ist L = 5 mm und R = 7,6 mm.

Um die Erfordernisse, denen die oben dargestellte Kontur genügt, noch be friedigend zu erfüllen, genügt auch eine näherungsweise Einhaltung der oben angegebenen Abmessungsvorschriften mit maximal 10% Abweichung.

Daher ist für den Grenzfall kleiner Längen des Mittelteils (L 0,5 R) die Be schreibung der Innenkontur mittels einer elliptischen Formel mit den Halb achsen a und b möglich, da diese Näherung auf 10% genau ist.

Unter der Voraussetzung, daß die kleine Halbachse a der Ellipse so gewählt ist, daß die Abweichung von der idealen Kontur (mit Radius R und Länge L des Mittelteils) höchstens 10% ist:

R ≦ a ≦ 1,1 R,

und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die große Halbachse b als b = R + L/2 dargestellt werden kann, ist in Fig. 3 ein Vergleich der beiden Kon turen gezeigt. Es ergibt sich dabei ein Verhältnis für die Halbachsen des El lipsoids von:

b/a ≦ 1,25.

Die restlichen Bemessungsregeln hinsichtlich Elektrodenabstand und Wand belastung gelten dabei unverändert weiter.

In Fig. 4 ist das Beispiel einer 70 W-Lampe dargestellt, bei der die Innenkon tur 10 des Entladungsgefäßes 9 als geschlossenes Ellipsoid geformt ist mit den Abmessungen a = 4,4 mm sowie b = 5 mm, ausgehend von einem Design mit R = 4 mm. Somit ist b/a = 1,14. Die Endstücke 11 sind zusammen mit den Stopfen 12 integral aus einem einzigen Keramikformteil hergestellt, das aus Aluminiumoxid besteht. Die Wandstärke nimmt von der Mitte, wo sie 0,8 mm beträgt, zu den Enden kontinuierlich auf das Doppelte zu.

Alle derartigen Lampen zeigen auch nach 9000 Stunden noch keinerlei Kor rosion des Entladungsgefäßes. Dagegen haben die besten konventionellen Lampen gemäß dem eingangs vorgestellten Stand der Technik bereits nach 8000 Stunden eine Ausfallrate von 50%.

Claims

1. Keramisches Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe, wo bei die Kontur der Innenwand des Entladungsgefäßes ein Innenvolumen V definiert, das eine lichtemittierende Füllung enthält, und das eine Längsachse sowie zwei Enden mit Öffnungen besitzt, wobei in den Öff nungen elektrische Durchführungen gasdicht angebracht sind, die mit zwei Elektroden elektrisch verbunden sind, die sich im Innenvolumen in einem gegebenen Elektrodenabstand EA gegenüberstehen, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kontur der Innenwand die folgende Geometrie aufweist:

- die Kontur besitzt ein im wesentlichen gerades zylindrisches Mittelteil der Länge L und dem Innenradius R sowie zwei im wesentlichen halbkugel förmige Endstücke mit demselben Radius R,
- die Länge des zylindrischen Mittelteils ist kleiner oder gleich seinem In nenradius:
L ≦ R
- die Innenlänge des Entladungsgefäßes ist mindestens 10% größer als der Elektrodenabstand EA:
2R + L ≧ 1.1 EA,
- der Durchmesser (2R) des Entladungsgefäßes entspricht mindestens 80% des Elektrodenabstands EA; gleichzeitig darf er höchstens eine Länge von 150% des Elektrodenabstands EA besitzen:
1.5 EA ≧ 2 R ≧ 0.8 EA

2. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandbelastung des Entladungsgefäßes zwischen 25 und 35 W/cm² liegt.

3. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandbelastung des Entladungsgefäßes (in W/cm²) abhängig von der Nennleistung P (in W) des Entladungsgefäßes so gewählt ist, daß

25 ≦ P/(4πR² + 2πRL) ≦ 35

4. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenvolumen V des Entladungsgefäßes mindestens 100 µl be trägt.

5. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenvolumen des Entladungsgefäßes (in µl) abhängig von der Nennleistung P (in W) nach folgender Formel gewählt ist:
0,22.P^5/3 ≦ V ≦ 0,32.P^5/3.

6. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß L ≦ 0.5 R.

7. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur durch ein Rotationsellipsoid mit den Halbachsen a und b beschrieben wird, wobei
R ≦ a≦ 1,1 R und b = R + L/2.

8. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Entladungsgefäßes zumindest in der Mitte des Entladungsgefäßes zwischen 5 und 15% des Innenradius R beträgt.

9. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke zu den Enden hin zunimmt und dort bis zum Dop pelten der Wandstärke in der Mitte beträgt.

10. Keramisches Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Öffnungen Stopfen angebracht sind, deren entladungsseitige Stirnseiten konkav gebogen sind.

11. Hochdruckentladungslampe mit einem keramischen Entladungsgefäß nach einem der vorhergehenden Ansprüche.