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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Lichtbogenröhren
für Hochintensitätsentladungslampen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Metallhalogenidentladungslampen
mit bauchig ausgeformten keramischen Lichtbogenröhren.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Für
Beleuchtungsanwendungen finden Hochintensitätsentladungslampen (HID-Lampen),
die Metallhalogenidsalze enthalten, breite Anwendung. Seit vielen
Jahren werden die zum Einschließen
der Entladung verwendeten Lichtbogenröhren aus Quarz hergestellt.
Jüngst
sind von Beleuchtungsherstellern für Metallhalogenid-HID-Lampen
keramische Lichtbogenröhren
eingeführt
worden. Die Lichtbogenröhren
bestehen aus polykristallinem Aluminiumoxid und können bei
höheren
Temperaturen als Quarz betrieben werden. Lampen mit keramischen
Lichtbogenröhren
weisen über
die Lebensdauer der Lampe hinweg eine reduzierte Farbverschiebung,
eine verbesserte Wirksamkeit und Lumenmaintenance und höhere CRI-Werte
als ähnliche,
mit Lichtbogenröhren
aus Quarz hergestellte Lampen auf.
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Die keramischen Lichtbogenröhren handelsüblicher
Metallhalogenidlampen wiesen anfangs die Form eines geraden Kreiszylinders
auf. Diese Lichtbogenröhren
waren in der Regel aus drei bis fünf getrennten, im voraus gesinterten
Keramikteilen konstruiert, wie sie im US-Patent Nr. 5,424,609 beschrieben
sind. Die Teile wurden in mehreren Sinterungsschritten durch Preßsitz verbunden.
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Jüngst
wurde ein weiterentwickeltes Lichtbogenröhrendesign eingeführt, das
einen zweiteiligen Lichtbogenröhrenaufbau
verwendet. Ein derartiger Aufbau ist in 1 im Querschnitt dargestellt und in der
am 15.2.2002 eingereichten, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 10/077,504
beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Dieses Design
stellt im Vergleich zu den bisherigen drei- und fünfteiligen
Konstruktionen eine wesentliche Verbesserung dar. Im Gegensatz zu
den geradzylindrigen Formen der bisherigen Konstruktionen weist
dieses Design gekrümmte
Wände 19 in
den Endschächten 17a, 17b auf
und wird allgemein als bauchig ausgeformt bezeichnet. Durch die
bauchige Form erhält
man im Vergleich zu geradzylindrigen Formen eine gleichförmigere
Temperaturverteilung und eine reduzierte Hot-Spot-Temperatur.
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Gemäß dem in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit
der laufenden Nummer 10/077,504 beschriebenen Verfahren wird die
Lichtbogenröhre
hergestellt, indem zwei geformte Keramikhälften in ihrem ungebrannten
Zustand zusammengefügt
werden. Die zusammenzufügenden
Oberflächen
werden erhitzt, um ein lokalisiertes Schmelzen des Bindemittels
zu bewirken. Die Oberflächen
werden dann durch abwechselndes Zusammendrücken und Dehnen zusammengeführt und
zusammengefügt.
Bei diesem Verfahren bleibt, wie in 1 dargestellt,
in der Mitte der Lichtbogenröhre
dort eine kosmetische Naht 5 zurück, wo die beiden Hälften verbunden
wurden.
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Die Entladungskammer 12 der
Lichtbogenröhre
enthält
Metallhalogenidsalze, Quecksilber und ein Puffergas. Wenn die Lampe
arbeitet, bilden die Metallhalogenidsalze ein geschmolzenes Kondensat.
Die Position des Metallhalogenidsalzkondensats in der Lichtbogenröhre beeinflußt die spektrale
Kennlinie der Lampe. Bei vertikal betriebenen Lichtbogenröhren befindet
sich das Metallhalogenidkondensat allgemein in einem Becken 7 im
unteren Endschacht 17a. Aus Gründen, die man nicht vollständig versteht,
wandern jedoch Tröpfchen 8 des
Metallhalogenidkondensats an der Innenwand der Lichtbogenröhre bis
in die Nähe
der Naht 5 in der Mitte der Entladungskammer 12 nach
oben.
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Die Wanderung des Kondensats während des
Lampenbetriebs führt
zu einer unerwünschten
Fluktuation der Farbtemperatur der Lampen, weil die Farbtemperatur
der Emission von der Lichtbogenentladung höher ist, wenn sich das Kondensat
im Endschacht befindet, als wenn es sich im mittleren Gebiet der
Lichtbogenröhre
befindet. So liegt beispielsweise die Farbtemperatur einer Lampe,
die eine Füllchemie
enthält,
die für den
Betrieb bei 4200 K ausgelegt ist (10 Gew.-% NaI, 12 Gew.-% T1I,
33 Gew.-% CaI2, 15 Gew.-% DyI3,
15 Gew.-% HoI3, 15 Gew.-% TmI3),
im Bereich zwischen 4100 und 4400 K, wenn sich das Kondensat im
Endschacht befindet, und zwischen 3800 und 4000 K, wenn sich das
Kondensat im mittleren Gebiet der Entladungskammer befindet. Um
eine konsistente Farbtemperatur aufrechtzuerhalten, ist es deshalb
wichtig, die Position des Kondensats in der Lichtbogenröhre zu steuern.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
darin, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Bereitstellung eines Mittels zum Steuern der Position
des Metallhalogenidkondensats in einer bauchig ausgeformten keramischen
Lichtbogenröhre.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird eine keramische Lichtbogenröhre bereitgestellt, die folgendes
umfaßt:
einen axialsymmetrischen Körper
mit gegenüberliegenden,
Elektroden aufnehmenden Gliedern, die sich vom Körper nach außen entlang
der Symmetrieachse erstrecken, wobei der Körper eine Entladungskammer
mit einem unteren Endschacht umschließt, wobei der untere Endschacht
des Endes eine gekrümmte
Wand und einen von der gekrümmten
Wand in die Entladungskammer vorstehenden Umfangswulst aufweist.
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Gemäß einer weiteren Aufgabe der
Erfindung wird eine Metallhalogenidlampe bereitgestellt, die einen eine
keramische Lichtbogenröhre
enthaltenden zugeschmolzenen Außenkolben
umfaßt,
wobei die keramische Lichtbogenröhre
einen eine Entladungskammer umschließenden axialsymmetrischen Körper aufweist, wobei
der Körper
einen unteren Endschacht und gegenüberliegende, Elektroden aufnehmende
Glieder aufweist, die vom Körper
entlang der Symmetrieachse nach außen verlaufen, wobei durch
jedes Elektroden aufnehmende Glied eine Elektrodenbaugruppe verläuft, die
mit dem Elektroden aufnehmenden Glied verschmolzen ist, wobei sich
ein proximales Ende der Elektrodenbaugruppen in die Entladungskammer
erstreckt, wobei die Elektrodenbaugruppen mit einer externen Stromquelle
verbunden werden können,
wobei die Entladungskammer eine Metallhalogenidfüllung enthält, wobei der untere Endschacht
eine gekrümmte
Wand und einen von der gekrümmten
Wand in die Entladungskammer vorstehenden Umfangswulst aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsdarstellung des Kondensatwanderungsproblems, das
man in einer bauchig ausgebildeten Lichtbogenröhre des Stands der Technik
beobachtet.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der mit einem inneren Wulst versehenen Lichtbogenröhre der
vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung einer geformten Lichtbogenröhrenhälfte vor
dem Zusammenbau der mit einem internen Wulst versehenen Lichtbogenröhre der
vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine teilweise weggebrochene Darstellung einer Metallhalogenidlampe,
die die mit einem internen Wulst versehene Lichtbogenröhre der
vorliegenden Erfindung enthält.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zum besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung sowie anderer und weiterer Aufgaben, Vorteile und
Fähigkeiten
dieser wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Ansprüche in Verbindung
mit den oben beschriebenen Zeichnungen Bezug genommen.
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Die keramische Lichtbogenröhre der
vorliegenden Erfindung erzielt eine Kontrolle über die Position des Metallhalogenidkondensats
durch Anordnen eines internen Barrierewulstes mindestens im unteren
Endschacht der Lichtbogenröhre.
Der interne Wulst ist an der gekrümmten Wand des Endschachts
angeordnet und hält
das Kondensat im wesentlichen im unteren Endschacht. Die Effektivität des Wulstes
kann sichtbar beobachtet werden, da das Kondensat im unteren Endschacht
im Gebiet unmittelbar unter dem Wulst einen dunklen Ring bildet.
Lampen, die mit mit einem internen Wulst versehenen Lichtbogenröhren hergestellt
werden, weisen bei der Farbtemperatur weniger Variation zwischen
den Lampen und einen höheren
Wirkungsgrad (Lumen pro Watt (LPW)) auf.
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2 ist
eine Querschnittsdarstellung der mit einem internen Wulst versehenen
Lichtbogenröhre
der vorliegenden Erfindung. Die Lichtbogenröhre ist für den vertikalen Betrieb in
einer Orientierung entweder mit dem Sockel nach oben oder mit dem
Sockel nach unten gezeigt. Die Lichtbogenröhre besteht aus einem durchscheinenden
oder transparenten Keramikmaterial, in der Regel polykristallinem
Aluminiumoxid. Die bauchig ausgeformte Lichtbogenröhre weist
einen axialsymmetrischen Körper 6 auf,
der eine Entladungskammer 12 umschließt. Zwei gegenüberliegend
angeordnete, Elektroden aufnehmende Glieder 2 erstrecken
sich von dem Körper 6 aus
entlang der Symmetrieachse 20 nach außen. Wie hier gezeigt, wird
bevorzugt, daß die
Elektroden aufnehmenden Glieder aus Kapillarröhrchen bestehen, die einstöckig mit
dem Lichtbogenröhrenkörper geformt
worden sind.
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Elektrodenbaugruppen 14 sind
in jedes Elektroden aufnehmende Glied 2 eingeführt. Die
distalen Enden 3 der Elektrodenbaugruppen 14 ragen
aus der Lichtbogenröhre
heraus, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Die Elektrodenbaugruppen
sind durch ein Frittenmaterial 9 (bevorzugt eine Al2O3-SiO2-Dy2O3-Fritte) hermetisch
mit den Elektroden aufnehmenden Gliedern verschmolzen und verlaufen durch
diese zu proximalen Enden 11, die in die Entladungskammer 12 hineinragen.
Die proximalen Enden der Elektrodenbaugruppen können mit einer Wolframspule
oder einem anderen ähnlichen
Mittel ausgestattet sein, um einen Anschlußpunkt für die Bogenentladung bereitzustellen.
Beim Lampenbetrieb leiten die Elektrodenbaugruppen einen elektrischen
Strom von einer nicht gezeigten externen Stromquelle zum Inneren
der Lichtbogenröhre,
wodurch die Ausbildung einer Lichtbogenentladung in der Entladungskammer
gestattet wird.
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Die Entladungskammer enthält ein in
der Regel Metallhalogenidsalze und Quecksilber umfassendes Füllmaterial.
Die Zusammensetzung der Füllung
kann variiert werden, um verschiedene Emissionskennlinien zu erzeugen.
Zu typischen Metallhalogenidfüllungen
zählen
die Iodide von Na, Ca, Tl, Tm, Ho und Dy. Eine Füllung, die so ausgelegt ist,
daß sie
eine Farbtemperatur von 3000 K aufweist, enthält beispielsweise 51 Gew.-%
NaI, 14 Gew.-% TlI, 14 Gew.-% CaI2, 7 Gew.-%
DyI3, 7 Gew.-% HoI3,
7 Gew.-% TmI3, wohingegen eine besonders
bevorzugte Füllung,
die so ausgelegt ist, daß sie
eine Farbtemperatur von 4200 K aufweist, 10 Gew.-% NaI, 12 Gew.-%
TlI, 33 Gew.-% CaI2, 15 Gew.-% DyI3, 15 Gew.-% HoI3,
15 Gew.-% TmI3 enthält. Die Entladungskammer enthält weiterhin
ein Puffergas, das in der Regel Argon mit einem Druck von 30–300 Torr ist.
Die Metallhalogenidfüllung
bildet wie oben beschrieben beim Lampenbetrieb ein geschmolzenes
Kondensat. Bei einer vertikal betriebenen Lichtbogenröhre sammelt
sich das Kondensat allgemein in einem Becken 7 um den Punkt
herum an, an dem das proximale Ende 11 der Elektrodenbaugruppe 14 in
den unteren Endschacht 17a eintritt. Bei einigen Arten
von Metallhalogenidfüllungen
wandern allgemein Tropfen 8 aus geschmolzenem Kondensat
die Innenwand der Lichtbogenröhre
hoch und hinein in das mittlere Gebiet der Entladungskammer in der
Nähe der
Naht 5. Die Wanderung der Kondensattropfen 8 die
Innenwand hinauf ist in 1 dargestellt.
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Wieder unter Bezugnahme auf 2 behindert die Lichtbogenröhre der
vorliegenden Erfindung das Wandern des Kondensats durch Anordnen
eines internen Barrierewulstes 15 im unteren Endschacht 17a. Beim
Betrieb der Lichtbogenröhre
zwängt
der interne Wulst 15 das Kondensat im wesentlichen auf
das Gebiet unter dem internen Wulst ein. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der interne
Barrierenwulst 15 ein Umfangswulst, der von der gekrümmten Wand 19 des unteren
Endschachts 17a aus in die Entladungskammer 12 hineinragt.
Obwohl nur in den unteren Endschacht ein Wulst aufgenommen werden
muß, wo
sich das Kondensat sammelt, wird bevorzugt, daß beide Endschächte 17a, 17b der
Lichtbogenröhre
interne Wulste 15 enthalten, wie in 2 gezeigt. Durch diese bevorzugte Ausführungsform
kann die Lampe in einer Orientierung entweder mit dem Sockel nach
oben oder mit dem Sockel nach unten betrieben werden, wodurch die
Vielseitigkeit der Lampe vergrößert wird.
Außerdem
wird die Herstellung der Lichtbogenröhre vereinfacht, da nur ein Formteil
hergestellt werden muß,
weil beide Hälften
der Lichtbogenröhre
identisch sind.
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3 ist
eine Querschnittsdarstellung einer der zur Herstellung der Lichtbogenröhre verwendeten
geformten Hälften.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Umfangswulst 15 aus zwei orthogonalen Flächen 24 und 25.
Eine der Flächen 24 verläuft parallel
zur Symmetrieachse der Lichtbogenröhre, und die andere Fläche 25 verläuft senkrecht
zur Achse. Die beiden orthogonalen Flächen schneiden sich unter Bildung der
Kante 27 des Wulstes 15. Ein bevorzugtes Verfahren
zum Zusammenfügen
der beiden geformten Hälften ist
in der gleichzeitig anhängigen
US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 10/077,504 beschrieben.
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4 ist
eine teilweise weggebrochene Darstellung einer Metallhalogenidlampe,
die die mit einem internen Wulst versehene Lichtbogenröhre 1 enthält. Die
Lampe ist in einer Orientierung mit dem Sockel nach unten gezeigt.
Die Lichtbogenröhre 1 ist
an einem Ende mit einer Zuleitung 31 verbunden, die am
Rahmen 35 angebracht ist, und am anderen Ende mit einer
Zuleitung 32, die an einem Befestigungspfosten 43 angebracht ist.
Der Lampe wird durch den Schraubsockel 40 Strom zugeführt. Der
Gewindeteil 61 des Schraubsockels 40 ist durch
einen mit einem zweiten Befestigungspfosten 44 verbundenen
Zuführdraht 51 mit
dem Rahmen 35 verbunden. Der Sockelkontakt 65 des
Schraubsockels 40 ist durch einen Isolator 60 elektrisch
vom Gewindeteil 61 getrennt. Der Zuführdraht 32 stellt
eine elektrische Verbindung zwischen dem Sockelkontakt 65 und
dem Befestigungspfosten 43 bereit. Eine UV erzeugende Zündhilfe 39 ist
zwischen dem Befestigungspfosten 43 und dem Rahmen 35 angeschlossen.
Die Zuführdrähte 51 und 32 verlaufen
durch den Glasfuß 47 und
sind in diesen eingeschmolzen. Ein äußerer Glaskolben 30 umgibt
die Lichtbogenröhre
und ihre zugeordneten Komponenten und ist mit dem Fuß 47 verschmolzen,
um eine gasdichte Umgebung bereitzustellen. In der Regel ist der
Außenkolben
evakuiert, obwohl er in einigen Fällen bis zu 400 Torr Stickstoffgas
enthalten kann. Ein Getterstreifen 55 wird zum Reduzieren
der Verunreinigung der Kolbenumgebung verwendet.
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BEISPIELE
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Eine Reihe von 20 Metallhalogenidlampen
mit bauchig ausgeformten Lichtbogenröhren von 70 Watt wurden hergestellt.
Die Lichtbogenröhren
enthielten 260 Torr Argon, und eine Metallhalogenidfüllung für 4200 K
umfaßte
4,0 mg Hg, 0,725 mg NaI, 2,393 mg CaI2,
0,870 mg TlI, 1,088 mg DyI3, 1,088 mg HoI3 und 1,088 mg TmI3.
Die Lampen wurden in vier Gruppen unterteilt:
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Gruppe 1: mit einem internen Wulst
versehene Lichtbogenröhren
plus 0,5 mg Fritte und NDL-Füllung.
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Gruppe 2: standardmäßige Lichtbogenröhren plus
0,5 mg Fritte und NDL-Füllung.
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Gruppe 3: mit internem Wulst versehene
Lichtbogenröhren
plus standardmäßige NDL-Füllung.
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Gruppe 4: standardmäßige Lichtbogenröhren plus
standardmäßige NDL-Füllung.
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Jede Gruppe enthielt fünf Lampen.
Bekannterweise wird durch die zu den Gruppen 1 und 2 hinzugefügte kleine
Menge an Frittenmaterial (Al2O3-SiO2-Dy2O3)
in diesen Lampen das Kondensatwanderungsproblem verschärft. Dies
macht sie für
die Durchführung
beschleunigter Alterungstests nützlich.
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Die Lampen wurden vertikal mit dem
Sockel nach oben 100 Stunden lang an 70-W-Elektronikvorschaltgeräten betrieben.
Photometrische Daten wurden aufgezeichnet, und sie sind in Tabelle
1 angegeben. Für
jede Messung sind Mittelwerte und die Standardabweichung angegeben.
Bei Gruppe 4 sind nur Daten für vier
Lampen angegeben, da eine Lampe nicht zünden wollte. Tabelle
1
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Die Lampen, die die Lichtbogenröhren mit
dem internen Wulst sowohl in der eine Fritte enthaltenden als auch
der frittenfreien Gruppe (Gruppen 1 und 3) enthielten, wiesen bei
der Farbtemperatur eine geringere Aufweitung als die Lampen mit
den standardmäßigen Lichtbogenröhren (Gruppen 2 und
4) auf. Die Lampen mit den mit einem internen Wulst versehenen Lichtbogenröhren wiesen
außerdem
eine höhere
mittlere Wirksamkeit (LPW) als die standardmäßigen Lampen auf.
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Wenngleich die Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, die gegenwärtig als
die bevorzugten angesehen werden, ist für den Fachmann offensichtlich,
daß daran
zahlreiche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich
der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, abzuweichen.