DE20205707U1

DE20205707U1 - Keramisches Entladungsgefäß mit Innenradius

Info

Publication number: DE20205707U1
Application number: DE20205707U
Authority: DE
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2012-04-13

Description

Patent-Treuhand-Gesellschaft

für elektrische Glühlampen mbH., München

Titel: Keramisches Entladungsgefäß Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Keramisches Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Entladungsgefäße für Metallhalogenidlampen oder auch Natriumhochdrucklampen. Sie bestehen üblicherweise aus Aluminiumoxid, das mit Dotierstoffen versehen sein kann. Aber auch andere bekannte Materialien wie Saphir, Aluminiumnitrid o.a. können verwendet werden.

Stand der Technik

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. Insbe-K) sondere wird empfohlen, dass der Innendurchmesser in Höhe der Elektrodenspitze mindesten 60 % des Innendurchmessers in der Mitte beträgt.

Aus der EP-A 34 056 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 beschrieben, wobei das Achsverhältnis 1:4 bis 1:8 beträgt.

Bei derart langgestreckten Entladungsgefäßen ist für den Fall, dass die Füllung Metallhalogenide enthält, keine universelle Brennlage möglich. In vertikaler 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 Temperaturverteilung bei derart langgestreckten Geometrien des Entladungsgefäßes relativ inhomogen, so dass ein starker Temperatur-

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gradient auftritt. Bei vorgewählter cold-spot-Temperatur (die zum Erreichen der angestrebten lichttechnischen Werte notwendig ist) stellt sich bei langgestreckter Geometrie eine sehr hohe hot-spot-Temperatur ein, was zu einer Überlastung der Keramik 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 Enden eingesetzt sind. Derartige zylindrische Entladungsgefäße erlauben zwar eine universelle Brennlage, ihre Temperaturverteilung ist aber ebenfalls inhomogen, 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 Korrosionserscheinungen 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 erhöhen und damit die lichttechnischen Daten zu verbessern, bei diesen Geometrien durch die dort auftretende sehr hohe hot-spot-Temperatur begrenzt. Die hot-spot-Temperatur der Keramik ist auf maximal etwa 1250 ⁰C begrenzt, wenn Lebensdauern von 6 000 bis 10 000 Stunden angestrebt sind.

Es hat sich zudem herausgestellt, dass bei derartigen langgestreckten zylindrischen oder elliptischen Entladungsgefäßen wegen ihrer sehr inhomogenen Temperaturverteilung die lichttechnischen und elektrischen Lampendaten 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 gesockelte Lampen möglich. Bei ihnen ist normalerweise nur eine horizontale Brennlage zulässig.

Darstellung der Erfindung

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

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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen 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 Entladungsgefäßen 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 keramisches Entladungsgefäß für eine Hochdruckentladungslampe, das eine lichtemittierende Füllung enthält. Die Kontur der Innenwand des Entladungsgefäßes definiert ein Innenvolumen. Das Entladungsgefäß besitzt eine Längsachse sowie zwei Enden mit Öffnungen, wobei in den Enden elektrische Durchführungen gasdicht angebracht sind, die mit zwei Elektroden elektrisch verbunden sind, die sich im Innenvolumen in einem gegebenen Elektrodenabstand gegenüberstehen.

Das Entladungsgefäß ist einteilig oder auch zweiteilig hergestellt, ohne ein separates Stopfenteil. Es besteht aus einem Zentralteil und den zwei daran angesetzten Enden. Die Enden sind als integrale Stopfenteile ausgeführt, die relativ langgestreckt sind. Das Entladungsvolumen kann dabei an sich zylindrisch oder kugelig bzw. elliptisch sein.

Erfindungsgemäß ist der Übergangsbereich zwischen den Enden und dem Zentralteil innen eine glatte, stetige Kontur ohne Ecken. Es hat sich gezeigt, dass diese glatte Kontur die isotherme Temperaturverteilung fördert. Dagegen zeigen Ecken eine schlechte Wärmeableitung aus dem Durchführungsbereich heraus. Die Ecken werden dadurch sehr heiß. Hinzu kommt außerdem, dass Ecken ideale Angriffspunkte für Korrosion durch die aggressive Füllung bilden. Dagegen ist der Angriff durch Korrosion bei glatter Kontur deutlich reduziert und spielt keine Rolle mehr als begrenzender Faktor für die Lebensdauer. Bei gegebener Wandstärke D des Stopfenteils liegt der Krümmungsradius Ri der Innenwand des Übergangsbereichs zum Zentralbereich bevorzugt im Bereich Ri = 2D bis 4D.

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Im Falle einer zu flachen Krümmung, also einem zu großen Radius des Übergangsbereichs, wird das Entladungsgefäß zu wenig isotherm, so dass die cold-spot-Temperatur zu niedrig wird.

Bevorzugt ist in einer Ausführungsform auch der äußere Übergang glatt als Krümmungsradius Ra geformt. Im Falle gleicher Wandstärke D im Übergangsbereich wie im Stopfenteil folgt daraus Ra = Ri- D = 1D bis 3D. Dabei wir von konzentrischen Radien ausgegangen. Allerdings ist es häufig vorteilhaft, die Wandstärke im Übergangsbereich dicker als in der Mitte des Zentralbereichs zu wählen, denn durch die größere Wandstärke wird die Wärmeableitung zum Ende hin erhöht. Das Ende wird K) dadurch höher aufgeheizt und die Temperaturdifferenz zur Mitte des Zentralbereichs wird kleiner. In diesem Fall sind die beiden Radien nicht konzentrisch zu wählen. Vielmehr liegt der Mittelpunkt des Außenradius axial nach außen versetzt zum Mittelpunkt des Innenradius. Der Versatz liegt bevorzugt im Bereich 10 bis 150 % von D.

Ein typischer Wert von D ist dabei unabhängig von der Leistungsstufe im Bereich D = 0,5 bis 1,2 mm angesiedelt. Die vorliegenden Erfindung lässt sich sowohl für kleine als auch große Wattagen von 20 bis 400 W anwenden.

Alternativ kann Ra etwas kleiner als Ri-D gewählt werden, um bei konzentrischen Radien die zur Mitte des Zentralbereichs zunehmende Wandstärke zu realisieren. Hier gilt Ra = Ri - xD mit &khgr; = 1,0 bis 1,5.

Die Kontur der Innenwand weist bevorzugt die folgende, an sich bekannte Geometrie auf, siehe EP-A 841 687:

Die Innenkontur des Entladungsgefäßes kann man sich aus drei Teilen zusammengesetzt 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 die vorliegende Erfindung eine ausreichende Brennlagenunabhängigkeit auch bei zylindrischem oder elliptischem Zentralteil realisiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines keramischen Entladungsgefäßes;

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, mit Elektrode und Durchfüh-

rung bestückt;

Figur 3 eine Metallhalogenidlampe, im Schnitt mit Entladungsgefäß gemäß

Figur 2;
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Entladungsgefäßes.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Das in Fig. 1 gezeigte keramische Entladungsgefäß 1 ist für eine 70 W-Lampe gedacht. Es besteht aus einem Zentralteil 4, der das eigentliche Entladungsvolumen umschließt, bestehend aus einem kurzen 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 Enden des Entladungsgefäßes nach außen. Sie bilden keramische langgezogene Stopfen 5. Der Übergangsbereich 8 zwischen Stopfen 5 und Endstücken 3 weist eine glatte Kontur mit definiertem Krümmungsradius Ri auf. Auf diese Weise wird eine ideale Isothermie erzeugt.

In den Stopfen ist, ähnlich wie in EP-A 587 238 beschrieben, jeweils ein Elektrodensystem (in Figur 2 dargestellt) eingesetzt, wobei der Elektrodenabstand 7,5 mm beträgt. Das System weist eine Durchführung 6 und daran angesetzt eine Elektrode 7 auf, deren Schaft bevorzugt einen etwas kleineren Durchmesser als der der Durchführung besitzt.

Die im Entladungsvolumen enthaltene Füllung enthält eine Mischung der Metallhalogenide NaJ, CaJ2 und TIJ mit Seltenerd-Jodiden, wie z.B. DyJ3, TmJ3 und HoJ3, wie sie üblicherweise für Lampen mit hoher Wandbelastung eingesetzt werden. Damit wird eine anfängliche Farbtemperatur von 3030± 80 K in vertikaler und 2980

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± 80 K in horizontaler Brennlage erzielt. Der Temperaturunterschied zwischen coldspot und hot-spot beträgt bei dieser Lampe nur noch 20° im Gegensatz zu 70° bei konventionellen zylindrischen Lampen mit rechtwinklig angesetzten Endflächen.

Die Wandbelastung dieses Entladungsgefäßes beträgt etwa 28W/cm². Das Innenvolumen des Entladungsgefäßes ist 370 &mgr;&Igr;.

Je nach Wattage werden folgende Abmessungen verwendet:

Wattage[WJ	Wandstärke D	Innenradius	Außenradius	Stopfen	Df-Bohrung
	in mm	in mm	in mm	Außen-D	Durchmesser
	D	Ri	Ra	in mm	in mm
20	0,6	1,2	0,6	1,8	0,6
35	0,81	1,8	1	2,3	0,68
70	0,92	2,7	1,7	2,65	0,8
100	0,95	2,3	n.g.	2,85	0,95
150	0,82	2,3	1,5	2,6	0,95
250	0,95	2,1	1,2	3	1,1
400	1,05	3	2	3,5	1,4

n.g. = nicht gegeben

Dabei ist mit D die Wandstärke des Stopfens gemeint, der Innenradius steht für Ri K) des Übergangsbereichs, ähnlich steht Ra für den Außenradius Ra des Übergangs-■ bereichs. Die nächste Spalte zeigt den Außendurchmesser des Stopfenteils AD und die letzte Spalte den Bohrungsdurchmesser Df für die Durchführung 6.

In Figur 3 ist eine Metallhalogenidlampe 9 mit erfindungsgemäßem Entladungsgefäß gezeigt. Dabei ist das zweiendige Entladungsgefäß 1 in einem Außenkolben 10 mittels eines Gestells 11 gehaltert. Der Außenkolben 10 ist einseitig gesockelt (12).

Alle derartigen Lampen zeigen auch nach 10 000 Stunden noch keinerlei Korrosion des Entladungsgefäßes. Dagegen haben konventionelle Lampen gemäß dem eingangs vorgestellten Stand der Technik im gleichen Zeitraum eine Ausfallrate von 50 %.

Für spezielle Anwendungen, hier in der 100 W-Ausführung angeführt, wird kein Außenradius verwendet, siehe hierzu Figur 4. Statt dessen ist außen im Übergangsbe-

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reich 8 ein Auflagepodest 14 vorgesehen, das als definierte Auflagefläche dient. Es kann auch als Referenzebene für die Qualitätsprüfung verwendet werden.

In Figur 4 ist außerdem ein zweiteiliges Entladungsgefäß verwendet, dessen Nahtstelle als Wölbung 15 erkennbar ist, die um das Entladungsgefäß umläuft. Statt eines zweiteiligen kann auch ein dreiteiliges Entladungsgefäß verwendet werden, dessen Zentralteil in zwei Endkalotten und ein zylindrisches Mittelteil unterteilt ist. Die Stopfenenden sind aber in jedem Fall integral an die Endstücke, bevorzugt Kalotten, angesetzt.

Claims

1. Keramisches Entladungsgefäß (1) für eine Hochdruckentladungslampe, wobei ein Zentralteil (4) des Entladungsgefäßes ein Innenvolumen definiert für eine lichtemittierende Füllung, und das eine Längsachse sowie zwei Enden mit Öffnungen besitzt, wobei das Zentralteil (4) einteilig bis dreiteilig hergestellt ist, und wobei die Enden als integrale, langgestreckte Stopfen (5) am benachbarten Teil des Entladungsgefäßes ausgebildet sind, wobei die Öffnungen dazu gedacht sind, dass elektrische Durchführungen gasdicht darin angebracht sind, die mit zwei Elektroden elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Zentralteil (4) und Stopfen (5) ein Übergangsbereich (8) ausgebildet ist, dessen Innenkontur glatt ist und einen definierten Radius Ri aufweist.

2. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (8) auch außen einen definierten Radius Ra besitzt.

3. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke D des Entladungsgefäßes ca. 0,6 bis 1,1 mm beträgt.

4. Entladungsgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Radien konzentrisch zueinander sind.

5. Entladungsgefäß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Radien versetzt zueinander sind.

6. Entladungsgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius Ri gegeben ist durch Ri = 2 D bis 4 D.

7. Entladungsgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius Ra gegeben ist durch Ra = 1 D bis 3 D.

8. Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (8) außen ein Auflagepodest (14) angesetzt ist.

9. Entladungsgefäß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke zum Zentralteil hin abnimmt, wobei gilt Ra = Ri - xD.

10. Metallhalogenidlampe (9) mit einem Entladungsgefäß (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Entladungsgefäß zwei Durchführungen (6) und Elektroden (7) aufweist.