DE3850904T2 - Metall-Halogenidlampe mit einem Wärmerückverteilungselement - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Metall-Halogenid- Entladungslampen und vor allen Dingen auf solche Lampen, die jeweils um die Bogenröhre herum ein Element für den Wärmeschutz und die Rückverteilung von Wärme aufweisen.
• Metall-Halogenid-Entladungslampen besitzen gewöhnlich eine mittlere oder verhältnismäßig hohe Leistung, wie 175 bis 1500 Watt. Die Effizienz solcher Lampen bezüglich Lichtausbeute nimmt ab mit der Wattzahl der Lampe. Man war allgemein bisher der Meinung, daß bei Wattzahlen von 100 Watt oder weniger Metall- Halogenidlampen bezüglich ihrer Effizienz nicht zufriedenstellend wären.
• Bei Lampen mit mittleren und verhältnismäßig hohen Wattzahlen ist es allgemeine Praxis, innerhalb der äußeren Hülle eine inerte Füllung vorzusehen, um Oxidation der Metallteile der Halterung der Bogenröhre zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil der inerten Gasfüllung innerhalb der äußeren Hülle besteht in einer hohen Zündspannung, die ein Überschlagen zwischen den Metallteilen der Halterung der Bogenröhre vermeidet. Andererseits gibt es infolge von Konvektionsströmen des inerten Gases innerhalb der äußeren Hülle unerwünschte Wärmeverluste, die die Lampeneffizienz signifikant herabsetzen, insbesondere bei Lampen niedrigerer Wattzahl.
• Ein bekannter Versuch zur Reduzierung der unerwünschten Wärmeverluste infolge von Konvektionsströmen innerhalb der äußeren Hülle ist in den U.S. Patenten 4,499,396 und 4,580,989 offenbart, die beide für Fohl et al erteilt und auf die Patentinhaberin übertragen wurden. Dabei wird eine domförmige Quarzhülse innerhalb der gasgefüllten äußeren Hülle einer Metall- Halogenid-Entladungslampe derart angeordnet, daß Konvektionsströme unterdrückt werden und konvektiver Wärmeverlust wesentlich reduziert wird.
• In der EP-A-165 587 (U.S. Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 621,648, eingereicht am 18. Juni 1984 und auf die Patentinhaberin übertragen) ist eine Metall-Halogen- Entladungslampe offenbart, die rund um die Bodenentladungsröhre innerhalb einer evakuierten äußeren Hülle eine lichtdurchlässige Umfassung aufweist. Die Offenbarung gemäß 621,648 lehrt, daß verschiedene Temperaturen über den Körper der in Betrieb befindlichen Bogenröhre ungleichmäßig anwachsen, sobald eine Einfassung der Bogenentladungsröhre in Kombination mit einer evakuierten äußeren Hülle verwendet werden. Die Temperatur des Hot Spots wächst in einem geringerem Ausmaß an als die Cold Spot Temperatur, so daß die Verteilung der Betriebstemperaturen über den Körper der Bogenröhre mehr isotherm ist, was in einem verbesserten Betriebsverhalten der Lampe resultiert. Die Offenbarung der 621,648 gibt jedoch keine Anleitung bezüglich der Auswahl von physikalischen Parametern für die Umfassung gegenüber der Bogenentladungsröhre, um die Vorteile des Wärmeschutzes und der Rückverteilung von Wärme in einer evakuierten äußeren Hülle zu optimieren.
• Der Stand der Technik ist bis zu dem Punkt fortgeschritten, bei welchem Metall-Halogenidlampen niedrigerer Wattzahl kommerziell sinnvoll sind. Trotzdem wäre es ein wesentlicher Beitrag zur Technik, einen Lampenaufbau zur Verfügung zu stellen, welcher die Charakteristiken des Betriebsverhaltens von Metall- Halogenidlampen unterschiedlicher Wattzahlen, insbesondere bei Lampen niedrigerer Wattzahl, optimieren würde.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten internen Lampenaufbau für eine Metall-Halogenidlampe mit einer Einfassung um die Bogenentladungsröhre innerhalb einer evakuierten äußeren Hülle zu schaffen, derart, daß die Charakteristiken des Betriebsverhaltens der Lampe, beispielsweise Lichtausbeute und Farbwiedergabe, wesentlich verbessert werden.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten internen Lampenaufbaus für eine Metall- Halogenidlampe mit einer Einfassung um die Bogenentladungsröhre innerhalb einer evakuierten äußeren Hülle, derart, daß der Wärmeverlust reduziert und Wärmestrahlung, die zu der Bogenröhre zurückgestrahlt wird, gleichmäßiger über den Körper der Bogenröhre verteilt wird, als dies für ihre Gegenstücke nach dem Stand der Technik typisch ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Zurverfügungstellung eines optimalen Bereichs für die Positionierung einer wärmeschützenden Einfassung um die Bogenentladungsröhre einer Metall-Halogenidlampe mit einer evakuierten äußeren Hülle, derart, daß das Betriebsverhalten der Lampe verbessert und lebensdauerbegrenzende Prozesse innerhalb der äußeren Hülle verzögert werden.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung verbesserter Elemente für das Zurückwerfen von Strahlungshitze auf die Bogenentladungsröhre und für die Verteilung der zurückgeworfenen Wärme so gleichmäßig wie möglich über den Körper dieser Röhre, derart, daß der Dauerbetrieb der Bogenentladungsröhre sich näher an isotherm abspielt, als sich dies bei vergleichbaren Metall-Halogenidlampen des Standes der Technik finden läßt.
• Diese Aufgaben werden nach einem Aspekt der Erfindung gelöst durch die Schaffung einer Metall-Halogenid-Bogenentladungslampe mit einer hermetisch abgedichteten äußeren Hülle. Die äußere Hülle besitzt eine Längsachse. Innerhalb der äußeren Hülle ist eine Bogenröhre montiert. Die Bogenröhre besitzt einen im wesentlichen zylindrischen Körper um die Längsachse und zumindest ein Ende. Der Körper der Bogenröhre schließt einen Innenraum ein, der eine gasförmige Füllung und ein Metall-Halogenid-Additiv enthält. Der Körper besitzt einen äußeren Radius, r. Innerhalb der äußeren Hülle ist rund um die Längsachse und die Bogenröhre umgebend eine im wesentlichen zylindrische, lichtdurchlässige Einfassung montiert. Die Einfassung besitzt einen inneren Radius, R. Innerhalb der äußeren Hülle besteht ein Vakuum. Es sind Elemente zur Montage der Bogenröhre und der Einfassung vorgesehen. Die Lampe ist gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis r/R größer ist als näherungsweise 0,54 und kleiner als näherungsweise 0,68, mit einem bevorzugten Bereich von etwa 0,60 bis etwa 0,63. Das Verhältnis r/R ist der Wert des äußeren Radius des Körpers der Bogenröhre dividiert durch den Wert des inneren Radius der Einfassung.
• Lampen, die wie oben beschrieben konstruiert sind, werden zeigen, was als optimale Balance zwischen Wärmeschutz auf der einen Seite und Rückverteilung der Strahlungswärme auf der anderen Seite innerhalb eines weiten Bereichs von Nennleistungen angesehen wird, derart, daß das Lampenbetriebsverhalten wesentlich verbessert sein wird.
• Fig. 1 ist eine Ansicht einer Ausführungsform der Metall- Halogenid-Entladungslampe nach der Erfindung.
• Fig. 2 ist ein Diagramm des thermischen Differentials, d. h., Temperatur des Hot Spots minus der Temperatur des Cold Spots als eine Funktion der Wandladung der Bogenröhre bei einer Lampe nach der Erfindung und einer vergleichbaren Lampe nach dem Stand der Technik.
• Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Lampe 5 längs der Linie 3-3 der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, wobei Teile zwecks Klarheit weggelassen worden sind. Diese Figur zeigt den äußeren Radius des Körpers der Bogenröhre und den inneren Radius der die Bogenröhre umgebenden Einfassung.
• Zwecks besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Merkmalen, Vorteilen und Fähigkeiten derselben wird auf die nachfolgende Offenbarung und die Ansprüche in Verbindung mit den oben genannten Zeichnungen bezug genommen.
• Gemäß Fig. 1 besitzt eine Metall-Halogenid-Bogenentladungslampe 5 eine evakuierte äußere Hülle 7 mit einer Längsachse A-A. Die Hülle 7 ist hermetisch an einem Glasstiel 9 mit einem daran befestigten, äußeren Sockel 11 angeschmolzen. Ein Paar elektrischer Leiter 13 und 15 ist in den Stiel 9 eingesiegelt und tritt durch diesen hindurch und bildet eine Zuleitung für die Speisung der Entladungslampe 5 mit Energie von einer externen Quelle. Innerhalb der äußeren Hülle 7 ist ein Halterungselement 17 mittels einer Schelle 54 am Stiel 9 befestigt, erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Längsachse A-A und bildet nahe dem oberen Bereich der Hülle 7 einen kreisförmigen Ring 19. Der Ring 19 umgibt eine Eindrückung 20, die die Halterung 17 in der korrekten Ausrichtung hält. Eine erste Schelle 21 kann an der Halterung 17 so angeschweißt sein, daß sie sich in einer zur Längsachse A-A normalen Richtung erstreckt. Eine temperaturausgleichende Einrichtung 23 besitzt an einem Ende 29 ein Paar einandergegenüber angeordneter Kerben 25 und 27. Die Kerben 25 und 27 sind dazu ausgebildet, über die erste Schelle 21 zu gleiten, die dazu dient, die temperaturausgleichende Einrichtung 23 zu halten. Eine zweite Schelle 30 ist an der Halterung 17 befestigt und dient ebenfalls dazu, das temperaturausgleichende Element 23 zu haltern.
• Die Bogenröhre 31 besitzt eine Gasfüllung, die ein Startgas, Quecksilber und Natrium und/oder Scandium-Metallhalogenide aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist die Bogenröhre 31 doppelendig; die Bogenröhre besitzt Quetschdichtungen 33 und 35 an ihren jeweils einander gegenüberliegenden Enden. In die Quetschdichtungen 33 und 35 sind Metallfolienelemente 37 und 39 eingesiegelt. Ferner sind mit den Folienelementen 37 und 39 elektrische Leiter 41 und 43 verbunden und erstrecken sich von den Quetschdichtungen 33 und 35 nach außen. Ein Leiter 13 ist an einem Leiter 41 befestigt, der durch eine Öffnung in dem temperaturausgleichenden Element 23 hindurchtritt. Eine Leitung 47 ist an einem Leiter 43 befestigt, der durch eine Öffnung im temperaturausgleichenden Element 23 hindurchtritt. Ein flexibler Leiter 49 verbindet die Leitung 47 mit einem Leiter 15. An der Halterung 17 sind Getter 51 und 53 befestigt und dienen dazu, das Vakuum innerhalb der äußeren Hülle 7 aufrechtzuerhalten.
• Das temperaturausgleichende Element 23 kann eine an beiden Enden offene, zylindrische Hülse sein, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, welche die Bogenröhre 31 in Querrichtung einschließt oder umgibt. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann das temperaturausgleichende Element an einem oder an beiden Enden geschlossen sein, beispielsweise als eine zylindrische Hülse mit einem Dom an einem oder beiden Enden. Laboratoriumsbeispiele haben gezeigt, daß eine an beiden Enden offene Hülse genauso gut funktioniert wie eine an einem oder beiden Enden geschlossene Hülse, solange, wie die offenen Enden der Hülse sich annähernd bis zu den Enden der Quetschdichtungen der Bogenröhre oder darüberhinaus erstrecken, und solange die dimensionalen Begrenzungen gemäß folgender Diskussion eingehalten werden. Eine Lampe mit einer offenen Hülse läßt sich wirtschaftlicher herstellen. Aus diesem Grund wird eine an beiden Enden offene Hülse bevorzugt. Die Hülse 31 wird vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt.
• Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Lampe 5 längs der Linie 3-3 der Fig. 1, wobei bestimmte Teile aus Klarheitsgründen weggelassen worden sind. In Fig. 3 werden die Bogenröhre 31, die einschließende Hülse 23 und die äußere Hülle 7 als konzentrische Flächen oder Wände um die Längsachse A-A gezeigt. Die Wand 31 der Bogenröhre besitzt eine innere Oberfläche 61 und eine äußere Oberfläche 63. Der äußere Radius r der Bogenröhre 31 erstreckt sich von der Achse A-A zur äußeren Oberfläche 63 der Bogenröhre 31. Der innere Radius R der Hülse 23 erstreckt sind von der Achse A-A zur inneren Oberfläche 65 der Hülse 23.
• Beim Stand der Technik wurde die Balance zwischen der Befriedigung der Forderungen bezüglich des Wärmeschutzes auf der einen Seite und des Wärmeausgleichs beziehungsweise der Rückverteilung von Wärme auf der anderen Seite nicht beachtet. Es ist bekannt, daß eine transparente Quarzhülse, die eine Bogenröhre umgibt, als Wärmeschutz wirkt, und daß ferner der Schutz beziehungsweise der Wärmerückhalt am größten ist, wenn das Verhältnis der Oberflächengröße der Bogenröhre zur Oberflächengröße der Hülse sich für den idealen Fall von infiniten Zylindern Eins annähert. Siehe C.S. Liu, Wärmeschutzsysteme für Bogenlampen, Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol. 8, No. 4, July 1979. Gleichfalls ist es bei der Lampe nach den Fig. 1 und 3 bekannt, daß sich der Wärmeschutz verbessert, wenn sich das Verhältnis r/R Eins nähert. Was jedoch in der Vergangenheit nicht beachtet wurde ist der Umstand, daß die Rückverteilung von Strahlungswärme anderweitigen Bemessungsregeln folgt. Das von der vorliegenden Erfindung gelehrte, überraschende Resultat besteht darin, daß das zusätzliche Erfordernis einer gleichmäßigen Wärme-Rückverteilung ein optimales Radiusverhältnis etabliert, r/R (gemäß Fig. 3), erheblich kleiner als das des Wärmeschutzes allein. Insbesondere fällt das optimale Radiusverhältnis in den Bereich von etwa 0,54 bis etwa 0,68 und vorzugsweise in den Bereich von etwa 0,60 bis 0,63, und zwar für Lampen mit Nennleistungen von etwa 100 Watt bis etwa 400 Watt. Darüberhinaus ist es aufgrund von bisher durchgeführten Laborexperimenten zu erwarten, daß dieser optimale Bereich ziemlich universell auf Lampen anwendbar ist, die Nennleistungen von wesentlich unter 100 Watt und wesentlich über 400 Watt aufweisen.
• Bei einem ersten Laborbeispiel zeigte eine 100 Watt Metall- Halogenidlampe einen optimalen Wärmerückhalt und eine optimale Wärme-Rückverteilung mit einer Bogenröhre, die einen äußeren Radius von etwa 6 mm und einen inneren Hülsenradius von 10 mm aufwies. Der Begriff "Optimum" wird verwendet, um die besten Werte bezüglich Lichtausbeute und Farbgleichmäßigkeit anzugeben. Mit "bester Wert der Lichtausbeute" ist gemeint, daß das Verhältnis der Lichtabgabe von der Lampe (in "Lumen" gemessen) zur elektrischen Leistungseingabe (gemessen in "Watt") sich einem maximal erreichbaren, numerischen Wert annähert. Mit "bester Wert der Farbgleichmäßigkeit" ist gemeint, daß Messungen der Lampenfarbe, beispielsweise der "Farbwertkoordinaten", die gleichen oder nahezu die gleichen Werte beibehalten: (a) von einer Lampe zur nächsten, (b) über die Lebensdauer während die Lampe altert, und/oder (c) wenn die Lampe in verschiedenen Ausrichtungen bezüglich der Richtung der Schwerkraft betrieben wird. Bei einem zweiten Laborbeispiel zeigte eine 400 Watt Metall-Halogenidlampe eine Optimum-Lichtausbeute und Farbgleichmäßigkeit mit einer Bogenröhre, die einen äußeren Radius von 11 mm und einen inneren Hülsenradius von 17,5 mm aufwies.
• Bezugnehmend auf das Vergleichsdiagramm nach Fig. 2 läßt sich feststellen, daß das thermische Differential oder der Temperaturunterschied (in Celsius) zwischen den Hot und Cold Spots (d. h. Punkten höchster und niedrigster Temperatur) der Oberfläche einer Entladungsröhre in Übereinstimmung mit der Wandladung (Watt/cm²) der Bogenröhre variiert. Das Temperaturdifferential ist gleichmäßig geringer für eine Metall- Halogenid-Entladungslampe mit einer evakuierten äußeren Hülle (Kurve A) als bei einer Entladungslampe mit einer gasgefüllten äußeren Hülle (Kurve B). In beiden Fällen handelte es sich bei den Entladungslampen um 100 Watt Metall-Halogenid- Entladungslampen mit einer eine Bogenröhre umgebenden Quarzhülle. Bei Kurve A hatten die Lampen nach der Erfindung ein Radiusverhältnis von annähernd 0,60. Spezifische Daten der Kurve A sind in der folgenden Tabelle angegeben.
Tabelle 1 - Kurve A*
• Wandladung (Watt/cm²) Thermisches Differential (Grad Celsius)
• 11,6 93
• 15,5 60
• 19,4 44
• 23,2 28 * Alle Lampen besaßen ein Radiusverhältnis von etwa 0,60
• Man würde erwarten, daß die Betriebstemperaturen über den Körper der Bogenröhre gleichmäßig ansteigen würden, wenn die äußere Hülle evakuiert ist. Das Temperaturdifferential wächst jedoch ungleichmäßig an, wenn eine Einfassung für die Bogenröhre in Verbindung mit einer evakuierten äußeren Hülle verwendet wird. Mit "ungleichmäßig" ist gemeint, daß die Hot Spot-Temperatur in einem geringeren Ausmaß anwächst als die Cold Spot-Temperatur, so daß die Verteilung der Betriebstemperaturen über den Körper der Bogenröhre sich mehr an isotherm annähert.
• Es ergeben sich wesentliche Vorteile aus dem mehr isothermen Betrieb der Bogenröhre. Allgemein werden sich die meisten Lampencharakteristiken verbessern, beispielsweise die Effizienz bezüglich der Lichtausbeute, sobald sich der Betrieb der Bogenröhre dem eines isothermen Betriebs nähert. Für eine festgelegte Hot Spot-Temperatur ist die Cold Spot-Temperatur heißer als erwartet. Dies verbessert die Farbwiedergabe, da sich mehr von dem Metall-Halogenid-Additiv im Dampfzustand befindet. Bei einer vorgegebenen Cold Spot-Temperatur ist der Hot Spot kühler als erwartet. Konsequenterweise ist das freie Natrium und/oder Scandium in dem Additiv weniger reaktiv bezüglich der Quarzwand der Bogenröhre in der Nachbarschaft des Hot Spot. Weil die Temperaturdifferentiale reduziert sind, sind auch die Wärmespannungen innerhalb der Bogenröhrenwand reduziert.
• Fig. 2 zeigt, daß der isotherme Betrieb einer Bogenröhre mit einer wärmeschützenden Hülseneinfassung innerhalb einer evakuierten äußeren Hülle unmittelbar mit der Wandladung verbunden ist. Die vorliegende Erfindung trägt bei zu diesem Prinzip und verbessert dasselbe durch die Lehre, daß bei einer vorgegebenen Wandladung der isotherme Betrieb der Bogenröhre optimiert werden kann, indem man die Hülse derart dimensioniert, daß das r/R-Radiusverhältnis in einen vorgeschriebenen optimalen Bereich fällt, und zwar für einen verhältnismäßig großen Bereich von Lampen-Nennleistungen. Für eine vorgegebene Wandladung zeigt die Erfindung, daß ein Lampenkonstrukteur eine Wahlmöglichkeit bezüglich der Bemessungsparameter besitzt, die das Betriebsverhalten von Lampen signifikant beeinflußt.

Claims (11)

1. Halogen-Metalldampf-Entladungslampe mit

(a) einer hermetisch abgedichteten äußeren Hülle mit einer Längsachse;

(b) einer innerhalb der äußeren Hülle montierten Bogenröhre, die einen im wesentlichen zylindrischen Körper um die genannte Längsachse und zumindest ein Ende aufweist, wobei der Körper einen Innenraum einschließt, der eine gasförmige Füllung und ein Halogen-Metalldampf-Additiv enthält, und wobei der Körper einen äußeren Radius r besitzt;

(c) einer im wesentlichen zylindrischen, lichtdurchlässigen Einfassung, die innerhalb der äußeren Hülle um die Längsachse montiert ist und die Bogenröhre umgibt, wobei diese Einfassung einen inneren Radius R besitzt;

(d) einem Vakuum innerhalb der äußeren Hülle; und

(e) Elementen für die Montage der Bogenröhre und der Einfassung, gekennzeichnet dadurch, daß

(f) das Verhältnis r/R größer als annähernd 0,45 und kleiner als annähernd 0,68 ist.

2. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher der Körper der Bogenröhre eine vorbestimmte Wandbelastung aufweist und der Körper während des Dauerbetriebs der Lampe einen Punkt höchster Temperatur und einen Punkt niedrigster Temperatur besitzt, wobei der Unterschied zwischen den höchsten und den niedrigsten Temperaturen kleiner ist als näherungsweise 93ºC, wenn die vorbestimmte Wandbelastung zumindest 11,6 W pro cm² beträgt.

3. Lampe nach Anspruch 2, bei welcher die Differenz zwischen den höchsten und den niedrigsten Temperaturen kleiner ist als näherungsweise 60ºC, wenn die vorbestimmte Wandbelastung zumindest 15,5 W pro cm² beträgt.

4. Lampe nach Anspruch 2, bei welcher der Unterschied zwischen den höchsten und den niedrigsten Temperaturen kleiner ist als näherungsweise 44ºC, wenn die vorbestimmte Wandbelastung zumindest 19,4 W pro cm² beträgt.

5. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher das Halogen-Metalldampf- Additiv Natrium enthält.

6. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher das Halogen-Metalldampf- Additiv Skandium enthält.

7. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher die Lampe eine gerechnete Leistung von näherungsweise 400 W oder weniger besitzt.

8. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher die Bogenröhre zweiendig ist.

9. Lampe nach Anspruch 8, bei welcher die Bogenröhre an einander gegenüberliegenden Enden Abdichtungen aufweist, die Einfassung eine an beiden Enden offene zylindrische Hülse ist, und die Enden der Einfassung sich näherungsweise bis zu den Enddichtungen der Bogenröhre oder darüber hinaus erstrecken.

10. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher die Einfassung an ihrem einen Ende eine Kuppel aufweist.

11. Lampe nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis r/R größer als näherungsweise 0,60 und kleiner als näherungsweise 0,63 ist.