DE20213995U1

DE20213995U1 - Bogenentladungsröhre aus Quarz für eine Halogen-Metalldampflampe

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Publication number: DE20213995U1
Application number: DE20213995U
Authority: DE
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2012-09-12
Also published as: JP2003157800A; US20040058616A1; JP2009064787A; CA2396801A1; US6786791B2; CN1409360A; US20030057836A1; KR20030027722A; CN1303639C; CA2396801C; US6661173B2; BE1015383A3

Description

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Bogenentladungsröhre aus Quarz für eine Halogen-Metal ldampflampe und Verfahren zu ihrer Herstellung

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung bezieht sich auf Bogenentladungsröhren, die in Halogen-Metalldampfentladungslampen verwendet werden. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf zylindrische Bogenentladungsröhren aus Quarz für Halogen-Metalldampflampen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Mit niedriger Leistung arbeitende Halogen-Metalldampflampen (35 - 150 Watt) kommen potentiell als Kandidaten in Betracht, um Glühlampen bei allgemeinen Beleuchtungsanlagen und kommerziellen Anwendungen für Auslagen und Vitrinen zu ersetzen, weil sie eine höhere Effizienz und eine längere Nutzungsdauer bieten. Im Vergleich zu Glühlampen zeigen mit niedriger Leistung arbeitende Halogen-Metalldampflampen jedoch häufig eine schlechtere Farbwiedergabe und eine (von Lampe zu Lampe) variierende Farbkonsistenz. Aus diesem Grund werden derzeit alternative Konstruktionsansätze untersucht, um die Farbmängel zu beheben, ohne die hohe Effizienz und die lange Nutzungsdauer zu opfern.

Bei handelsüblichen Halogen-Metalldampflampen wird die Bogenentladungsröhre aus einem Stück Quarzrohr gefertigt. Jedes Ende des Quarzrohrs wird zwischen einem Paar gegenüberliegender Klemmbacken zusammengedrückt, um eine gasundurchlässige Abdichtung um eine Elektrodenbaugruppe herum zu bilden, während der Quarz sich in einem durch Wärme plastifizierten Zustand befindet. Aufgrund dieses Quetschabdichtungsverfahrens werden die Enden zwischen dem zylindrischen Hauptkörper der Bogen-

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entladungsröhre und dem durch die Pressung abgeflachten Abdichtungsbereich etwas deformiert und gerundet. Die gekrümmte Form dieser Endbohrungen kann in Abhängigkeit von dem Durchmesser und der Wandstärke des ursprünglichen Quarzrohrs, der Konzentration der Wärme während der Bearbeitung und dem Druck des eingeschlossenen I-nertgases während des Pressarbeitsgangs variieren.

Die fotometrischen Leistungsparameter von Halogen-Metalldampf lampen sind von den Partialdrücken der eingeschlossenen Metallhalogenidsalze abhängig. Ihre Dampfdrücke werden primär durch die Wandtemperatur der Bogenentladungsröhre in dem Bereich gesteuert, wo die Metallhalogeniddämpfe kondensieren. Diese Zone befindet sich gewöhnlich im untersten Bereich der Bogenentladungsröhre, und zwar aufgrund der Schwerkraft und der internen Gaskonvektionsströmung. Die Temperatur dieser so genannten "kalten Zone" sollte hoch genug sein, damit eine ausreichende Verdampfung der strahlenden Metallhalogenidarten möglich ist. Allerdings darf die Temperatur nicht zu hoch sein, da sonst die lange Nutzungsdauer der Bogenentladungsröhre aufgrund von chemischen Reaktionen mit der Wand oder der Entglasung des Quarzes beeinträchtigt wird. Daher ist eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Wandtemperatur (die für Quarz etwa 900 ⁰C nicht übersteigt) für eine Nutzungsdauer von mehr als etwa 6.000 Stunden wünschenswert. Die Wandtemperatur von 900 ⁰C ist hoch genug, damit viele Metallhalogenidsalze verdampfen, und niedrig genug, um eine entsprechende Nutzungsdauer der Bogenentladungsröhre zu realisieren. Im Falle von Lampen, in denen Bogenentladungsröhren aus Quarz eingesetzt werden, sinkt die Nutzungsdauer einer Lampe in der Regel um den Faktor zwei für jeden Anstieg der Temperatur um 50 ⁰C über 900 ⁰C hinaus.

Eines der bekannten Mittel zur Realisierung einer gleichmäßigeren Verteilung der Wandtemperatur besteht

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darin, einen wärmedämmenden Überzug wie beispielsweise Zirkonoxid auf der äußeren Oberfläche der Endbohrungen der Bogenentladungsröhre aufzubringen. Die meisten herkömmlichen Halogen-Metalldampflampen verwenden diesen wärmedämmenden Überzug an einem Ende oder an beiden Enden der Bogenentladungsröhre. Abgesehen davon, dass der Überzug ein zusätzlicher Kostenfaktor ist, ist er auch eine Hauptursache für die Veränderlichkeit der fotometrischen Leistung solcher Lampen, und zwar wegen des intrinsischen, von Lampe zu Lampe vorhandenen Unterschieds in der Höhe des Überzugs, seinen Adhäsionseigenschaften und seiner Tendenz zur Verfärbung.

Eine wirkungsvollere, aber kostspieligere Weise, eine nahezu gleichmäßige Verteilung der Wandtemperatur zu erhalten, besteht darin, Entladungsgefäße in elliptischen oder birnenförmigen Körpern für senkrecht betriebene Lampen oder in gekrümmten Röhren für den waagerechten Betrieb zu formen. Allerdings ermöglicht diese Methode im Allgemeinen keinen universalen Betrieb der Lampe (d. h. einer Lampe, die in Bezug auf die Schwerkraft willkürlich angeordnet ist) und erfordert zeitaufwändige Schritte zur Bearbeitung des Glases, die bei Bogenentladungsröhren mit geraden röhrenförmigen Körpern nicht notwendig sind.

Eine hohe Bogenbelastung (W/cm) und eine hohe Wandbelastung (W/cm²) sind von kritischer Bedeutung für eine Verbesserung der Leistung von mit niedriger Leistung arbeitenden Halogen-Metalldampflampen. In der Regel überschreitet die durchschnittliche elektrische Wandbelastung für 35-W- bis 150-W-Bogenentladungsröhren mit Quarzkörper herkömmlicher Konstruktion nicht den Wert von 20 W/cm² (beziehungsweise eine Bogenbelastung von 100 W/cm), um eine Betriebslebensdauer von mehr als etwa 6.000 Stunden zu erreichen. Diese empirisch ermittelten Grenzen ergeben sich aus der Tatsache, dass bei einer erhöhten Belastung die Temperaturen auf der Wand

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der Bogenentladungsröhre zu hoch für Quarz werden, um die ganze gewünschte Lebensdauer durchzuhalten. Um innerhalb dieser Belastungsgrenzen zu bleiben, haben die Lampenkonstrukteure die Größe und die Form der Bogenentladungskammer angepasst, und zwar insbesondere die Einführungslänge der Elektrode, die Hohlraumlänge der Lampe und den Lampendurchmesser in Bogenentladungsröhren mit elliptischer oder ellipsoidischer Konstruktion. Eine zusätzliche Steuerung der Temperaturverteilungen und -niveaus in Halogen-Metalldampflampen ist durch Änderungen der chemischen Eigenschaften der Füllung der Bogenentladungsröhre vorgenommen worden.

Zylindrische Bogenentladungsröhren aus Quarz mit konservativ niedrigen Wandbelastungen (10 - 13 W/cm²) wurden in der Anfangszeit (den 1960ern) der Entwicklung von Halogen-Metalldampflampen abgelehnt, weil sie keinen angemessenen Wirkungsgrad in mit niedriger Leistung arbeitenden Lampen erbrachten. Nahezu symmetrische longitudinale Temperaturprofile der äußeren Oberfläche sind mit keramischen Bogenentladungsröhren erreicht worden, die eine gerade, kreiszylindrische Form haben, siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 5,424,609 und 5,751,111. Allerdings liegen die Betriebstemperaturen von keramischen Bogenentladungsröhren in der Regel über 975 °C, was weit über dem Grenzwert von 900 ⁰C für Bogenentladungsröhren aus Quarz liegt.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhre für eine Halogen-Metalldampf lampe bereitzustellen, die bei einer hohen durchschnittlichen Wandbelastung betrieben werden kann,

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ohne dass eine maximale Oberflächentemperatur der Entladungskammer von etwa 900 °C überschritten wird.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, eine aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhre für eine Halogen-Metalldampf lampe bereitzustellen, die ein nahezu symmetrisches longitudinales Temperaturprofil der Oberfläche aufweist, wenn sie in einem eingeschwungenen thermischen Zustand arbeitet.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Bogenentladungsröhren aus Quarz für eine Halogen-Metalldampflampe bereitzustellen, welche diese erwünschten Eigenschaften aufweisen.

In Übereinstimmung mit einem Ziel der Erfindung wird eine Bogenentladungsröhre aus Quarz für eine Halogen-Metalldampf lampe bereitgestellt, die einen Quarzkörper umfasst, der eine Entladungskammer mit einer Füllung aus Metallhalogenid enthält, wobei die Entladungskammer im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat und gegenüberliegende Elektroden enthält, wobei die Entladungskammer ein nahezu symmetrisches longitudinales Temperaturprofil der Oberfläche aufweist, wenn sie in einem eingeschwungenen thermischen Zustand betrieben wird, wobei der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur des Profils weniger als etwa 30 ⁰C beträgt und die maximale Temperatur des Profils niedriger als etwa 900 ⁰C ist.

In Übereinstimmung mit einem anderen Ziel der Erfindung wird eine Bogenentladungsröhre aus Quarz für eine Halogen-Metalldampflampe bereitgestellt, die einen Quarzkörper umfasst, der eine Entladungskammer mit einer Füllung aus Metallhalogenid einschließt, wobei die Entladungskammer im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat und gegenüberliegende Elektroden

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enthält, die an jedem Ende der Entladungskammer angeordnet und koaxial zu der Achse der Kammer sind, wobei der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden eine Bogenlänge definiert, wobei der Innendurchmesser der Entladungskammer in Zentimetern näherungsweise gleich [(I + P/50)^1/2 - 1] ist, wobei P die zugeführte Leistung in Watt ist und wobei das Verhältnis aus der Bogenlänge zu dem Innendurchmesser ungefähr gleich Eins ist.

In Übereinstimmung mit noch einem anderen Ziel der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Bogenentladungsröhre aus Quarz für eine Halogen-Metalldampflampe bereitgestellt, wobei die Bogenentladungsröhre aus Quarz Quarzkörper aufweist, der eine Entladungskammer mit einer Füllung aus Metallhalogenid einschließt, die Entladungskammer im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat und gegenüberliegende Elektroden enthält, die an jedem Ende der Entladungskammer angeordnet und koaxial zu der Achse der Kammer sind, der Abstand zwischen den gegenüberliegenden E-lektroden eine Bogenlänge definiert, die Entladungskammer einen Durchbohrungspunkt aufweist, an dem jede entsprechende Elektrode in die Entladungskammer eingeführt wird, der Abstand zwischen dem Durchbohrungspunkt und dem entsprechenden Elektrodenende innerhalb der Entladungskammer eine Einführungslänge der Elektrode festlegt, die Bogenentladungsröhre, wenn sie in einem eingeschwungenen thermischen Zustand arbeitet, ein longitudinales Temperaturprofil der Oberfläche hat und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Auswahl einer Bogenlänge und eines Innendurchmessers für die Entladungskammer, wobei der Innendurchmesser in Zentimeter größer ist als [ (1 + P/50)^1/2- 1], wobei P die zugeführte Leistung in Watt ist, und wobei das Verhältnis aus der Bogenlänge zu dem Innendurchmesser ungefähr gleich

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Eins ist;

b) Formung der Bogenentladungsröhre;

c) Betrieb der Bogenentladungsröhre mit einer vorher festgelegten durchschnittlichen Wandbelastung, um einen eingeschwungenen thermischen Zustand zu erreichen;

d) Messung eines longitudinalen Temperaturprofils der Oberfläche der Entladungskammer, um eine maximale Temperatur und eine minimale Temperatur zu erreichen;

Wiederholung der Schritte b) bis d) , während der Innendurchmesser der Entladungskammer mit jedem iterativen Schritt stufenweise verringert wird, bis die maximale Temperatur des longitudinalen Temperaturprofils der Oberfläche in der Mitte zwischen den Enden der Entladungskammer liegt; und

Wiederholung der Schritte b) bis d) , während die Einführungslänge der Elektrode mit jedem iterativen Schritt stufenweise verändert wird, bis der Unterschied zwischen der minimalen Temperatur und der maximalen Temperatur des Profils minimiert ist, ohne dass dies dazu führt, dass die maximale Temperatur etwa 900 ⁰C überschreitet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Abbildung 1 ist eine graphische Darstellung der Temperaturen von kalten und heißen Stellen einer arbeitenden Bogenentladungsröhre aus Quarz dieser Erfindung, wobei die Temperaturen eine Funktion der Wandbelastung sind.

Abbildung 2 ist ein Diagramm einer aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhre dieser Erfindung.
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Abbildung 3 ist ein Temperaturprofil der Oberfläche einer arbeitenden Bogenentladungsröhre aus Quarz dieser Erfindung.

Abbildung 4 ist ein Temperaturprofil der Oberfläche einer arbeitenden Bogenentladungsröhre aus Quarz nach dem Stand der Technik.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und anderer sowie zusätzlicher Ziele, Vorteile und Eignungsmöglichkeiten der Erfindung wird auf die folgende Offenbarung und die beigefügten Patentansprüche in Verbindung mit den oben beschriebenen Zeichnungen verwiesen.

Für aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhren, die in Halogen-Metalldampflampen und insbesondere in mit niedriger Leistung arbeitenden Halogen-Metalldampflampen verwendet werden, wurde entdeckt, dass eine zylindrische Entladungskammer mit einer speziellen Geometrie und einem speziellen Durchmesser eine unerwartete thermische Leistung und unerwartete fotometrische Vorteile liefert, die es möglich machen, dass Halogen-Metalldampf lampen erfolgreich bei hohen durchschnittlichen Wandbelastungen von etwa 25 bis etwa 40 W/cm² arbeiten, ohne dass die maximal zulässige Wandtemperatur der Bogenentladungskammer von etwa 900 °C überschritten wird. Insbesondere hat die Entladungskammer der aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhre dieser Erfindung im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders. Nachdem im Betrieb ein eingeschwungener thermischer Zustand erreicht worden ist, weisen die aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren dieser Erfindung ein im Wesentlichen symmetrisches und nahezu isothermisches longitudinales Temperaturprofil der Oberfläche auf, und

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zwar betrachtet längs der Achse der Entladungskammer, ohne dass die maximal zulässige Temperatur von etwa 900 ⁰C überschritten wird. Wie hierin definiert ist, wird das longitudinale Temperaturprofil der Oberfläche längs der Achse des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer ermittelt, nachdem die Bogenentladungsröhre im Betrieb einen eingeschwungenen thermischen Zustand erreicht hat. Vorzugsweise beträgt der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur des Profils weniger als etwa 30 ⁰C, und noch besser ist es, wenn er sich auf weniger als etwa 20 ⁰C beläuft. Darüber hinaus weisen die arbeitenden Bogenentladungsröhren eine hohe Effizienz, eine gute Farbwiedergabe (vorzugsweise einen FARBWIEDERGABEINDEX von mehr als etwa 80) und eine verbesserte Farbkontrolle für einen universalen Betrieb auf. Ein zusätzlicher Vorteil der zylindrischen Bogenentladungsröhre gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Lackierung der Enden, die in herkömmlicher Weise verwendet wird, um die Wärmeverluste von den Endbohrungen von Bogenentladungsröhren nach dem Stand der Technik zu verringern, nicht erforderlich ist. Dieser Herstellungsvorteil und dieser wirtschaftliche Vorteil sind eine direkte Folge der geometrisch induzierten Reduzierung des Temperaturgradienten längs der äußeren Oberfläche der Entladungskammer.

Von zentraler Bedeutung für die Konstruktion der zylindrischen, aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhre ist die Spezifikation des Durchmessers des walzenförmigen Teils der Entladungskammer. Dieser Teil muss ausreichend klein gewählt werden, so dass die Wärmeübertragung von dem Plasmabogen zu der Kammerwand durch Gaskonvektion im Vergleich zu derjenigen von aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren einer herkömmlichen Konstruktion wesentlich reduziert wird. Die Erfüllung dieser Bedingung kann festgestellt werden, indem man im eingeschwungenen Zustand die Temperaturverteilung auf

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der Oberfläche der Außenwand einer in senkrechter Position arbeitenden, zylindrischen Bogenentladungsröhre aus Quarz ermittelt. Wenn der Durchmesser zu groß ist, liegt die maximale Temperatur auf der Außenwand der zylindrischen Kammer in der Nähe des oberen Endes des zylindrischen, walzenförmigen Teils, und zwar wegen des beträchtlichen, durch Konvektion erfolgenden Wärmetransports von dem Plasmabogen zu der Wand. Dementsprechend wird das longitudinale Temperaturprofil der Oberfläche der Entladungskammer keine Zentralsymmetrie (Spiegelebene) aufweisen. Dieses Merkmal der thermischen Asymmetrie weist darauf hin, dass der Wärmetransport von dem Bogen zu der Wand innerhalb der zylindrischen Entladungskammer durch die Gaskonvektion dominiert wird. Wenn der Durchmesser der zylindrischen Entladungskammer verkleinert wird, wandert der Punkt der maximalen Temperatur der Wandkammer in den mittleren Bereich des walzenförmigen Teils und weist darauf hin, dass ein Übergang von einem Wärmetransport, der durch Gaskonvektion dominiert wird, zu einem Wärmetransport stattfindet, der durch Wärmeleitung dominiert wird. Dies ist eine Folge der gleichzeitigen Verringerung der Geschwindigkeit des heißen Gases, das innerhalb der Bogenentladungsröhre strömt. Wenn dies geschieht, wird das longitudinale Temperaturprofil der Oberfläche der Entladungskammer einen hohen Grad an Zentralsymmetrie aufweisen.

Die hierin beschriebenen Bogenentladungsröhren sind für einen universalen Betrieb konstruiert, d. h. einen Betrieb, der von der Orientierung der Bogenentladungsröhre hinsichtlich der Schwerkraft unabhängig ist. Die Bogenentladungsröhren, die als Beispiele hierin angegeben sind, wurden in einer senkrechten Position betrieben. Im Allgemeinen neigt der Plasmabogen in einer Bogenentladungsröhre, die nicht in einer senkrechten Position betrieben wird, dazu, sich aufgrund der Auftriebskräfte, die durch Temperaturgradienten innerhalb

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des Plasmabogens induziert werden, nach oben zu krümmen. Allerdings ist es bekannt, dass eine akustisch modulierte Wellenform der zugeführten Leistung verwendet werden kann, um begradigte Bögen in Bogenentladungsröhren zu erreichen, die in nicht senkrechten Orientierungen betrieben werden, so wie dies beispielsweise in dem US-Patent Nr. 6,124,683 beschrieben ist, das per Bezugnahme hierin eingefügt wird. Daher wird angenommen, dass die Vorteile dieser Erfindung in einer Bogenentladungsröhre, die in einer nicht senkrechten Orientierung betrieben wird, realisiert werden können, sofern Techniken zur akustischen Modulation verwendet werden, um einen geraden Bogen beizubehalten.

Die Temperaturen der heißen und der kalten Stellen als Funktion der durchschnittlichen elektrischen Wandbelastung (Watt pro cm²) für eine Gruppe von zylindrischen, aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren, die gemäß dieser Erfindung konstruiert sind, werden in Figur 1 dargestellt. Wie erwartet, stieg die Temperatur der kalten Stelle (Tmin) schnell mit einer steigenden Wandbelastung an, was eine höhere Effizienz, eine bessere Farbwiedergabe und eine in der Regel niedrigere Farbtemperatur bewirkt. Überraschenderweise stieg die Temperatur der heißen Stelle (Tmax) mit einer deutlich abnehmenden Rate an und zeigt damit das Merkmal einer "weichen Sättigung". Die Spitzentemperatur der Oberfläche des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer erreichte lediglich 890 ⁰C bei der sehr hohen Wandbelastung von 40 W/cm². Die Kombination dieser zwei Effekte, d. h. des Temperaturverhaltens der heißen und der kalten Stelle bei einer erhöhten durchschnittlichen Wandbelastung, ist direkt für die verbesserte thermische und fotometrische Leistung verantwortlich.

Dieses Verhalten tritt bei aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren nach dem Stand der Technik nicht auf, weil die Durchmesser ihrer Walzen zu groß sind.

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In diesem Beispiel näherte sich der Temperaturunterschied zwischen der kältesten und der heißesten Stelle auf der Walze der zylindrischen Kammer etwa 20 ⁰C, was die Oberfläche der Bogenentladungsröhre fast isothermisch macht. In einem thermischen Gleichgewicht strahlt eine isothermische Oberfläche mit der Temperatur To weniger Leistung ab als eine nicht isothermische Oberfläche (mit der gleichen Fläche und den gleichen Abstrahlungseigenschaften des Materials), die eine Durchschnittstemperatur von T₀ aufweist. Daher arbeitet eine Bogenentladungsröhre mit einer nahezu isothermischen Oberflächentemperatur effizienter (die Wärmeverluste werden reduziert beziehungsweise minimiert) als eine Bogenentladungsröhre mit einer weniger gleichmäßigen Verteilung der Oberflächentemperatur.

Unter Bezugnahme auf Figur 2 hat die aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhre 2 in einer bevorzugten Ausführungsform eine Entladungskammer 5, die eine Füllung aus Metallhalogeniden 10 enthält. Die Entladungskammer 5 hat im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders innerhalb der in der Praxis vorhandenen Grenzen für die herkömmliche Walzenformung der Quarzhülle. Die Entladungskammer umfasst einen walzenförmigen Teil 3 mit einem Innendurchmesser D. Die Elektroden 7 sind an jedem Ende der Entladungskammer 5 angeordnet und koaxial zu der Achse 14 der Entladungskammer 5. Der Abstand zwischen den Enden der gegenüberliegenden Elektroden 7 definiert die Bogenlänge A. Die Elektroden 7 befinden sich weiterhin in Endbohrungen 15, die an jedem Ende der Entladungskammer ausgebildet sind. Die Endbohrungen 15 sind rotationssymmetrisch, und zwar aufgrund der grundlegenden zylindrischen Form, die durch den Arbeitsgang der Walzenformung erzeugt wird. Die Endbohrungen 15 ähneln einem radial zusammengedrückten Flaschenhals, der an den Enden der Bogenkammer eine kreisförmige Symmetrie aufweist. Der Abstand zwischen dem Durchbohrungspunkt 6 (die Stelle, an der die Elektrode

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in die Endbohrung eingeführt wird) und der Spitze der Elektrode definiert die Einführungslänge L der Elektrode. Die Elektroden 7 werden an Molybdänplättchen 9 geschweißt, die wiederum an die Anschlussdrähte 11 geschweißt sind. Die Anschlussdrähte 11 sind mit einer (nicht dargestellten) externen Stromversorgung verbunden, welche den elektrischen Strom bereitstellt, um eine Bogenentladung zwischen den Elektroden 7 zu zünden und zu unterhalten. Die Molybdänplättchen 9 sind in dem Quarz hermetisch unter Verwendung von Druckdichtungen 17, die sich an jedem Ende der Bogenentladungsröhre 2 befinden, abgedichtet.

Wenn für eine vorgegebene zugeführte Leistung P der Lampe (in Watt) eine durchschnittliche Wandbelastung von 30 W/cm² angenommen wird und das Längenverhältnis der Bogenlänge A zu dem Innendurchmesser D des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer ungefähr gleich Eins ist (A/D &Xgr; 1), wird der Innendurchmesser der Entladungskammer D (in cm) in erster Näherung durch die folgende Formel bestimmt:

D = (1 + P/50

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Um den Durchmesser zu optimieren, wird bevorzugt, mit einer Bogenentladungsröhre anzufangen, deren Innendurchmesser etwas größer ist als derjenige, der durch die oben angegebene Formel festgelegt wird. Wenn der Durchmesser verkleinert wird, wandert die Zone (auf der äußeren Oberfläche des zylindrischen Körpers), welche die maximale Temperatur (heiße Stelle) enthält, allmählich zu einer Position in der Mitte zwischen beiden Enden der Entladungskammer.

Eine weitere Reduzierung des Durchmessers hat keine Auswirkungen auf die Lage dieser heißen Zone, führt aber dazu, dass ihre Spitzentemperatur ansteigt. Im Allgemeinen liegt der optimierte Durchmesser an dem Punkt,

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an dem das nahezu symmetrische, longitudinale Temperaturprofil der Oberfläche erreicht ist, während gleichzeitig die Bedingung erfüllt wird, dass ihre maximale Temperatur etwa 900 °C nicht überschreitet.
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Nachdem der Durchmesser der Bogenentladungsröhre ermittelt ist, werden an der Konstruktion Anpassungen vorgenommen, um die Leistung weiter zu optimieren. Insbesondere können die Einführungslänge der Elektrode und die Form der Endbohrung so angepasst werden, dass die Temperatur der kalten Stelle auf der Oberfläche des walzenförmigen Teils so hoch wie möglich ist, ohne die maximale Temperatur der heißen Zone (die sich auf der O-berfläche des walzenförmigen Teils nahezu in der Mitte zwischen den zwei Endbohrungen befindet) zu überschreiten. Die Erfüllung dieser Anforderung kann festgestellt werden, indem man im eingeschwungenen Zustand die longitudinale Temperaturverteilung auf der Oberfläche der Wand einer in senkrechter Position arbeitenden Bogenentladungsröhre misst. Wenn die Einführungslänge vergrößert wird, sinkt die Temperatur der kalten Stelle (die in der Regel an jedem Ende des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer beobachtet wird). Die optimierte Einführungslänge ist diejenige, bei der die Temperatur der kalten Stelle an jedem Ende der zylindrischen Walze (für eine gegebene Form der Endbohrung) maximiert wird, ohne die maximale Temperatur der heißen Zone zu überschreiten, während gleichzeitig die Zentralsymmetrie des longitudinalen Temperaturprofils der Oberfläche der zylindrischen Entladungskammer bewahrt bleibt.

Ein Temperaturprofil der Oberfläche für eine in senkrechter Position betriebene zylindrische Bogenentladungsröhre aus Quarz, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, wird in Figur 3 dargestellt. Eine zylindrische Bogenentladungsröhre, die mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, ist über das Tem-

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peraturprofil gezeichnet worden, um die ungefähre räumliche Beziehung zwischen dem Profil und der Bogenentladungsröhre zu zeigen. Das Profil umfasst den Bereich der Bogenentladungsröhre jenseits des walzenförmigen Teils der Entladungskammer. Das Temperaturprofil wurde mit einem Infrarotabbildungssystem des Typs AGEMA Thermovision 900 bei einer Wellenlänge von 5, 0 Mikrometer mit einer Linse für Nahaufnahmen gemessen, um die Auflösung und Klarheit zu erhöhen.

Der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur für die Oberfläche des walzenförmigen Teils der Entladungskammer liegt bei etwa 20 ⁰C. Temperaturspitzen treten an jedem Ende der Bogenentladungsröhre an den Durchbohrungspunkten auf, wo die Elektroden in die Endbohrungen eingeführt werden. Diese Durchbohrungspunkte befinden sich außerhalb des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer und wirken sich nicht wesentlich auf die Leistung der Bogenentladungsröhre aus, weil sie in einem sehr kleinen Bereich auftreten, wo das Metallsalz nicht vorhanden ist. Das longitudinale Temperaturprofil der Oberfläche, das längs der Achse des walzenförmigen Teils der zylindrischen Entladungskammer ermittelt wird, zeigt einen hohen Grad an Zentralsymmetrie. Dies soll mit einem ähnlichen Temperaturprofil verglichen werden, das in Figur 4 für eine aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhre nach dem Stand der Technik dargestellt ist, wobei die Röhre einen herkömmlichen, durch Pressung abgedichteten zylindrischen Körper aufweist, der die gleiche Füllung enthält und bei 100 Watt arbeitet. Die Bogenentladungsröhre nach dem Stand der Technik ist in geringerem Maß rotationssymmetrisch als die durch Walzen geformte Bogenentladungsröhre dieser Erfindung.

Die fotometrischen Leistungsmerkmale (nach 100 Stunden) einer Gruppe von zylindrischen, aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren werden mit denjenigen von her-

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kömmlichen, aus Quarz bestehenden Bogenentladungsröhren (durch Pressung abgedichteter zylindrischer Körper) in der nachstehenden Tabelle 1 verglichen. Obwohl die Lichtausbeuten vergleichbar sind, ist die Streuung der korrelierten Farbtemperatur (CCT) deutlich geringer, und der Farbwiedergabeindex (CRI) ist für die walzengeformte zylindrische Konstruktion dieser Erfindung merklich verbessert. Die chemischen Eigenschaften der Metallhalogenidsalze für diese Bogenentladungsröhren entsprachen dem aus fünf Komponenten bestehenden Typ, der in dem US-Patent Nr. 5,694,002 an Krasko et al. beschrieben ist.

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Tabelle 1

	Lumen pro Watt	CCT	CRI
herkömmlich, durch Pressung abgedichtet, zylindrisch	87, 1	2.960 ± 150	72, 8
durch Walzen geformt, zy lindrisch	86, 1	3.036 ± 75	86,5

Zwar sind diejenigen Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden, die derzeit als die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung betrachtet werden, doch ist es für Fachleute offensichtlich, dass daran verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Aus Quarz bestehende Bogenentladungsröhre (2) für eine Halogen-Metalldampflampe, umfassend:

- einen Quarzkörper, der eine Entladungskammer (5) mit einer Füllung (10) aus Metallhalogeniden einschließt, wobei die Entladungskammer (5) im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat und gegenüberliegende Elektroden (7) enthält, wobei die Entladungskammer (5) ein nahezu symmetrisches longitudinales Temperaturprofil der Oberfläche aufweist, wenn sie in einem eingeschwungenen thermischen Zustand betrieben wird, wobei der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur des Profils weniger als etwa 30°C beträgt und die maximale Temperatur des Profils niedriger als etwa 900°C ist.

2. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Temperatur des Profils weniger als etwa 20°C ist.

3. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei die Bogenentladungsröhre in einer senkrechten Orientierung betrieben wird.

4. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei die Bogenentladungsröhre in einer nicht senkrechten Orientierung unter Verwendung einer akustisch modulierten Stromquelle betrieben wird.

5. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei die Bogenentladungsröhre mit einer durchschnittlichen Wandbelastung von etwa 25 bis etwa 40 W/cm² betrieben wird.

6. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei die Bogenentladungsröhre im Betrieb einen Farbwiedergabeindex von mehr als ungefähr 80 aufweist.

7. Bogenentladungsröhre nach Anspruch 1, wobei sie umfasst:

- einen Quarzkörper, der eine Entladungskammer mit einer Füllung aus Metallhalogeniden einschließt, wobei die Entladungskammer im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders hat und gegenüberliegende Elektroden enthält, die an jedem Ende der Entladungskammer angeordnet und koaxial zu der Achse der Kammer sind, wobei der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Elektroden eine Bogenlänge definiert;

- wobei der Innendurchmesser der Entladungskammer in Zentimetern näherungsweise gleich [(1 + P/50)^1/2 - 1] ist, wobei P die zugeführte Leistung in Watt ist; und

- wobei das Verhältnis der Bogenlänge zu dem Innendurchmesser ungefähr Eins ist.