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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruck-Gasentladungslampe mit:
einem
gasdicht verschlossenen Lampengefäß, das eine einen Entladungsraum
umgebende Quarzglas-Wandung aufweist;
in der Wandung des Lampengefäßes eingebetteten Metallfolien,
die je mit einem jeweiligen externen Stromleiter verbunden sind;
Wolfram-Elektrodenstäben, die
je mit einer der jeweiligen Metallfolien verbunden sind und aus
der Wandung des Lampengefäßes heraus
in den Entladungsraum ragen;
einer ionisierbaren Füllung in
dem Entladungsraum;
wobei die Lampe durch die folgende Beziehung
definiert wird,
finw ≥ 40%
mit:
finw = Längenanteil
des Elektrodenstabes, der in der Wandung des Lampengefäßes eingeschlossen
ist.
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Eine
Hochdruck-Gasentladungslampe dieser Art ist aus
EP 0 581 354-A1 bekannt.
Die bekannte Lampe ist zur Verwendung als Fahrzeugscheinwerferlampe
geeignet und weist Elektrodenstäbe
mit einer Dicke von 250 μm
auf, die eine Umhüllung
an ihren Enden haben können
oder nicht und die beispielweise aus thoriertem Wolfram hergestellt
sein können.
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An
die Geschwindigkeit, mit der die Lampe, nachdem sie gezündet worden
ist, bei stabilem Betrieb einen großen Anteil des Lichtstroms
verschafft, werden strenge Anforderungen gestellt. Es ist auch notwendig,
dass die Lampe gezündet
werden kann, wenn sie infolge einer vorhergegangenen Betriebsperiode
noch heiß ist.
Die Lampe wird bei einer Spannung von mehreren kV und einer Frequenz
von mehreren kHz gezündet,
um diese Anforderungen zu erfüllen.
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Bei
der Herstellung der bekannten Lampe wird eine Abdichtung hergestellt,
bei der eine oder mehrere der genannten Metallfolien in der Wandung eingeschlossen
sind.
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Während dieses
Vorgangs wird das Quarzglas am Ort, wo diese Abdichtung erzeugt
werden muss, bei Vorhandensein der Metallfolie, des externen Stromleiters
und des Elektrodenstabes erweicht. Nachfolgend kühlt die Lampe oder die herzustellende Lampe
ab. Wegen seines relativ hohen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(ungefähr
45·10–7 K–1) zieht
sich der Elektrodenstab dann stärker
zusammen als das Quarzglas, in das er eingebettet ist. Quarzglas
ist ein Glas mit einem SiO2-Gehalt von zumindest
98 Gew.-%, wobei der Ausdehnungskoeffizient des Glases ungefähr 6·10–7 K–1 beträgt. Bei
einer guten Haftung zwischen dem Stab und dem Quarzglas, die durch
einen Zusatz zum Wolfram des Elektrodenstabes erhalten wird, wie
z. B. Thoriumoxid, wird eine Beschichtung aus Quarzglas um den Stab herum
erhalten, die mechanisch nicht mit dem Quarzglas der Wandung verbunden
ist. Wenn der Elektrodenstab und das Quarzglas unzureichend aneinander
haften, wird infolge von Schrumpfung um diesen Stab herum ein kapillarer
Raum erzeugt. Um die Metallfolie herum, häufig eine Molybdänfolie,
wird wegen der Form der Folie kein solcher kapillarer Raum erzeugt.
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Bei
der bekannten Lampe liegt häufig
eine gute Haftung zwischen dem Stab und dem Quarzglas vor und gibt
es somit eine Beschichtung aus Quarzglas um den Stab herum. Die
Quarzglasbeschichtung der Elektrodenstäbe bei der bekannten Lampe verbessert
die Wärmekapazität der Elektrodenstäbe (die
Energie, die notwendig ist für
den gleichen Temperaturanstieg) und erhöht auch ihre Wärmeleitfähigkeit
(die Wärmemenge,
die pro Zeiteinheit abgeführt werden
kann). Andererseits wird ihre elektrische Leitfähigkeit nicht beeinflusst.
Die höhere
Wärmekapazität verzögert den
Anstieg der Temperatur der Stäbe beim
Zünden
der Lampe, sodass der ständige
Kontakt mit der eingebetteten Metallfolie es ermöglicht, dass das umgebende
Quarzglas der Wandung eine höhere
Temperatur annimmt und sich ausdehnt, auch wegen der in dieser Folie
infolge des Durchgangs von Strom entwickelten Wärme.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Beschichtungen von Exemplaren eines einzigen
Lampentyps wechselnde Längen
haben können.
Dies kann auf kleine Änderungen
der Temperatur des Quarzglases beim Herstellen der Abdichtung zurückgeführt werden.
Es ist ein Nachteil, dass das Nichtvorhandensein einer Beschichtung
oder eine unzureichende Beschichtung zu Ausschuss bei der Lampenfertigung
führt und dass
die bekannte Lampe bei nicht vorhandener oder ungenügender Quarzglasbeschichtung
nur eine kurze Lebensdauer hat, wenn diese Lampe häufig eingeschaltet
und nach einer kurzen Betriebsdauer ausgeschaltet wird.
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Wenn
eine solche Lampe ohne Beschichtung gezündet wird, steigt die Temperatur
der Elektrodenstäbe
infolge des hohen durch sie hindurchfließenden Stroms und der Wärmeübertragung
aus der Entladung steil an. Das Quarzglas folgt diesem Temperaturanstieg
nicht unmittelbar. Wegen ihrer höheren
Temperatur und ihrem größeren Ausdehnungskoeffizienten
werden die Stäbe
das Quarzglas berühren
und Druck darauf ausüben.
Es zeigte sich, dass dabei Beschädigungen,
wie z. B. Mikrorisse, im Quarzglas auftraten, wobei diese Mikrorisse
im Allgemeinen während
nachfolgender Zündperioden
zahlen- und größenmäßig zunehmen.
Dies führt
zu einem (vorzeitigen) Ende der Lebensdauer der Lampe infolge von
Undichtigkeit, wodurch Bestandteile der Füllung entweichen, sodass die
Lampe nicht mehr zündet,
oder das Lampengefäß ist zerbrochen.
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Für Lampen,
die die Beziehung finw ≥ 40% erfüllen, besteht ein größeres Risiko,
dass die oben genannten nachteiligen Erscheinungen auftreten, wenn nicht
spezielle Bedingungen erzeugt werden, beispielweise eine Quarzglasbeschichtung
um den Elektrodenstab.
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Ein
anderer Nachteil ist, dass die Beschichtung zu unerwünschten
und lästigen
Reflexionen des in der Entladung erzeugten Lichtes führt.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Gasentladungslampe
der eingangs erwähnten
Art zu verschaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und mit
der den genannten Nachteilen begegnet wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Elektrodenstäbe
erste Teile haben, die in den Entladungsraum ragen, wobei diese
ersten Teile zumindest im Wesentlichen aus Wolfram hergestellt sind,
und zweite Teile, die zumindest teilweise in der Wandung eingeschlossen
sind, wobei diese zweiten Teile aus Elementen hergestellt sind, die
aus der aus Wolfram mit einer Dicke im Bereich zwischen 120 μm und 180 μm, Molybdän mit einer
Dicke im Bereich zwischen 120 μm
und 350 μm
und Wolfram-Molybdän-Legierungen
mit einer Dicke im Bereich zwischen 120 μm und 350 μm bestehenden Gruppe gewählt sind,
wobei die genannten ersten und zweiten Teile über einander gegenüber liegende Enden
einander berühren
und miteinander verbunden sind.
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Da
die Elektroden aus einem ersten und einem zweiten Teil zusammengesetzt
sind, ist es möglich,
die Elektroden an die Umstände
anzupassen. Der erste Teil ist entsprechend dem in den Entladungsraum
ragenden Ende der Elektrode der bekannten Lampe hergestellt, sodass
er die von den hohen Einschaltströmen und der Entladung entwi ckelte
Wärme während der
Lebensdauer der Lampe aushalten kann. Der zweite Teil ist so entworfen,
dass das Problem von Undichtigkeit oder Bruch der Lampe infolge
von Ausdehnung und daher Ausübung
von Druck auf das Quarzglas durch den zweiten Teil des Elektrodenstabes
beim (erneuten) Zünden
der Lampe zumindest nahezu nicht mehr auftritt.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei Lampen, die die Beziehung finw ≥ 40% erfüllen, die
vorkommenden Undichtigkeitsprobleme bei Elektrodenstäben mit
relativ geringen Dicken der in der Wandung eingeschlossenen zweiten
Teile zumindest nahezu nicht auftreten. Bei Lampen mit Elektrodenstäben mit zweiten
Teilen aus Wolfram mit einer Dicke von 180 μm zeigte sich, dass Undichtigkeit
der Lampe nur sporadisch auftrat. Bei Dicken von weniger als 180 μm ist der
absolute Wert der Ausdehnung, und damit der von den Elektrodenstäben auf
das Quarzglas ausgeübte
Druck, so klein, dass weitere Schäden, wie z. B. Mikrorisse nicht
mehr auftreten.
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Bei
Lampen mit Elektrodenstäben
mit zweiten Teilen aus sowohl Wolfram-Molybdän-Legierungen als auch Molybdän mit einer
Dicke von 350 μm zeigte
sich, dass Undichtigkeit der Lampe nur sporadisch auftrat. Das Risiko
von Undichtigkeit oder Bruch der Lampe wird erheblich verringert,
wenn die Dicke dieser zweiten Teile kleiner als 350 μm gewählt wird.
Die erfolgreiche Verwendung relativ großer Dicken bei zweiten Teilen
aus Molybdän
oder Wolfram-Molybdän-Legierungen
beruht auf der Duktilität dieser
Materialien. Wenn auf das Quarzglas infolge von Ausdehnung durch
die Elektroden Druck ausgeübt
wird, wird dieser Druck infolge von Verformung des relativ duktilen
Materials gleichmäßiger verteilt sein,
als wenn Elektroden verwendet werden, die aus beispielweise dem
viel weniger duktilen Wolfram hergestellt sind.
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Für zweite
Teile aus sowohl Wolfram, Wolfram-Molybdän-Legierungen als auch Molybdän mit Dicken
von weniger als 120 μm
haben jedoch die Elektroden wegen ihrer geringen Masse nur eine
so kleine Wärmekapazität, und wegen
ihres relativ kleinen Durchmessers auch nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit,
dass daher die Elektrode beim Starten der Lampe relativ heiß wird.
Obwohl während
des Einbettens in das Quarzglas wegen der relativ geringen Dicken
der zweiten Teile kleine kapillare Räume gebildet worden sind, zeigte
sich, dass unter den gegebenen Umständen der Elektrodenstab in
diesen kapillaren Räumen örtlich ständig in
Kontakt mit der Wandung des Lampengefäßes stand, sodass die Wärmeabfuhr
in solcher Weise verbessert wurde, dass die auf ihren relativ kleinen
Durchmesser zurückzuführende geringe
Wärmeleitfähigkeit
der Elektrode geeignet kompensiert wurde, sodass ein vorzeitiges Ende
der Lebensdauer der Lampe verhindert wurde.
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Es
zeigte sich, dass Elektroden mit einem zweiten Teil mit einer Dicke
von weniger als 120 μm, beispielsweise
100 μm,
zu heiß wurden
und beim Lampenbetrieb verformt wurden und/oder schmolzen. Durch
das Schmelzen der Elektrode verändert sich
die Länge
des Entladungsbogens zwischen den Elektroden und daher auch die
beim Nennbetrieb der Lampe aufgenommene Leistung.
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Ein
wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme ist, dass sie die Möglichkeit
verschafft, thoriumfreies Material für die Elektrodenstäbe zu verwenden,
ohne die Lebensdauer der Lampe nachteilig zu beeinflussen. Die kapillaren
Räume,
die beim Einbetten des Elektrodenstabes in das Quarzglas gebildet
worden sind, sind in zweiten Teilen mit Dicken von weniger als 350 μm relativ
klein. Daher hat dies den zusätzlichen
Vorteil, dass sich in diesen kapillaren Räume keine großen Mengen
von Salzen ansammeln können,
welche Salze anderenfalls der Entladung entzogen worden wären.
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Der
erste und der zweite Teil der Elektrode können mit herkömmlichen
Techniken aneinander befestigt werden, beispielsweise mittels Laserschweißen. Es
ist wichtig, dass ein guter Kontakt realisiert wird, wenn der erste
und der zweite Teil über die
Enden der Elektrodenstäbe
aneinander befestigt werden. Dies ist für einen guten Wärmetransport
vom ersten zum zweiten Teil essentiell und trägt dazu bei, dass die Elektrode
die Wärme,
die durch die hohen Einschaltströme
und die Entladung entwickelt wird, während der Lebensdauer der Lampe
aushalten kann.
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Es
ist günstig,
wenn sowohl der erste als auch der zweite Teil aus Wolfram hergestellt
sind. Die ersten und die zweiten Teile können dann mit Hilfe von Ätztechniken,
beispielsweise Beizen, aus einem Stück hergestellt werden.
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Wegen
der relativ geringen Dicke des zweiten Teils ist es für eine robuste
Konstruktion günstig, d.
h. um Verformung der Elektrode zu vermeiden, dass der erste Teil
nahe seiner Verbindung mit dem zweiten Teil in ständigem Kontakt
mit der Wandung des Lampengefäßes steht,
beispielsweise teilweise in dem Gefäß eingeschlossen, beispielsweise über eine
Länge von
0,1–1,0
mm. Der ständige
Kontakt mit der Wandung des Lampengefäßes der ersten Teile, nahe
ihrer Verbindung mit den zweiten Teilen, ist auch für eine gute
Wärmeabfuhr
der zusammengesetzten Elektrode günstig.
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Wegen
der hohen Einschaltströme
bei Zündung
der Lampe und der infolge der Entladung entwickelten Wärme treten
nicht nur in den zweiten Teilen relativ hohe Temperaturen auf, sondern
auch in den ersten Teile der Elektroden. In ersten Teilen mit einer Dicke
von weniger als 250 μm
besteht eine relativ große
Gefahr des Schmelzens des Elektrodenkopfes. Elektroden mit ersten
Teilen mit einer Dicke von mehr als 250 μm haben eine genügende Wärmeleitfähigkeit,
sodass die Gefahr des Schmelzens erheblich verringert ist. Außerdem haben
die ersten Teile vorzugsweise eine Dicke von weniger als 400 μm. Es besteht
dann kaum eine Gefahr, dass der ungünstige Effekt des Flackerns
der Lampe auftritt, d. h. dass der Angriffspunkt des Entladungsbogens über dem
Kopf der Elektrode verspringt.
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Die
erfindungsgemäße Hochdruck-Gasentladungslampe
kann beispielsweise als Fahrzeugscheinwerferlampe oder in einem
optischen System anderer Art verwendet werden. Hierzu kann die Lampe
mit einem Lampensockel versehen sein und kann eventuell von einer äußeren Umhüllung umgeben sein.
Gegebenenfalls kann ein Lampensockel mit einem Reflektor integriert
sein.
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Die
Längen
der ersten und der zweiten Teile werden auch durch die Gesamtlänge der
gesamten Elektrode bestimmt. Bei einer günstigen Ausführungsform
hat die gesamte Elektrode eine Länge
von 4,5 bis 7,5 mm, vorzugsweise 6 mm. Die Wahl der Länge der
separaten Teile ist so getroffen, dass die Verbindung des ersten
Teils mit dem zweiten Teil zumindest im Wesentlichen an der Grenzfläche der Wandung
und des Entladungsraums liegt, dort, wo die Elektrode in den Entladungsraum
ragt.
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Die
Metallfolien können
nebeneinander in einem einzigen Gebiet der Wandung eingebettet sein oder
in Gebieten, die auf Abstand voneinander liegen, beispielweise einander
gegenüber.
Die ersten Teile der Elektrodenstäbe können gegebenenfalls an ihren
freien Enden im Entladungsraum eine umhüllende Wicklung haben. Die
ersten Teile der Elektrodenstäbe
können
aus undotiertem Wolfram, beispielweise Wolfram-ZG, oder aus dotiertem
Wolfram, wie z. B. W mit 1,5 Gew.-% an Th, hergestellt sein. Die zweiten
Teile der Elektrodenstäbe
können
aus undotiertem Wolfram oder Molybdän sein, beispielsweise Wolfram-ZG,
aus Wolfram-Molybdän-Mischungen oder
aus dotiertem Wolfram oder Molybdän wie z. B. Mo mit 3 Gew.-%
Y. Bei Verwendung von dotiertem Wolfram kann ein geringer Gehalt
an das Kristallwachstum regelnden Mitteln, wie insgesamt z. B. 0,01
Gew.-% K, Al und Si hinzugefügt
werden, um die Korngröße des Wolfram
zu beeinflussen.
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Die
ionisierbare Füllung
kann unter anderem ein Edelgas, Quecksilber und eine Mischung aus
Metallhalogeniden umfassen, beispielweise Seltenerdhalogenide, das
sind die Halogenide der Lanthanide, Scandium und Yttrium.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine Lampe in Seitenansicht;
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2A und 2B ein Detail von 1 in vergrößertem Maßstab;
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3 die Lampe von 1 mit einem Lampensockel
in Seitenansicht.
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In 1 hat die Hochdruck-Gasentladungslampe
ein vakuumdicht verschlossenes Lampengefäß 1 und eine einen
Entladungsraum 3 umgebende Quarzglas-Wandung 2. Metallfolien 4,
in der Figur Mo mit 0,5 Gew.-% Y2O3, die je mit jeweiligen externen Stromleitern 5 verbunden
sind, in dieser Ausführungsform
aus Mo, sind in der Wandung des Lampengefäßes eingebettet. Wolfram-Elektrodenstäbe 6, die
je mit einer der jeweiligen Metallfolien 4 verbunden sind,
ragen aus der Wandung des Lampengefäßes heraus in den Entladungsraum.
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In
dem Entladungsraum 3 befindet sich eine ionisierbare Füllung.
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Verbunden
mit den Metallfolien 4 mit den daran befestigten externen
Leitern 5 sind die Elektrodenstäbe 6a teilweise in
der Wandung des Lampengefäßes eingeschlossen
und ist die Wandung mit den Leitern am Ort dieser Leiter verschmolzen
oder ist die Wandung plattgedrückt
worden, um eine Quetschdichtung zu realisieren.
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In
der Figur ist das Lampengefäß durch
eine äußere Umhüllung 9 umgeben
und damit gekoppelt. Die Lampe kann von einem Lampensockel bei einer Klemmhülse 10 aus
Metall festgehalten werden.
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Die
beschriebene Lampe hat eine Füllung aus
Quecksilber, Natriumiodid und Scandiumiodid und Xenon, beispielweise
Xenon bei einem Druck von 7 Bar bei Raumtemperatur, und nimmt bei
Betrieb bei Nennspannung eine Leistung von 35 W auf.
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2A und 2B zeigen, dass die gesamten Elektrodenstäbe 6a über einen
Längenanteil
finw von ungefähr 75% in der Wandung 2 des
Lampengefäßes 1 eingeschlossen
sind, sodass die Lampe die Beziehung finw ≥ 40% erfüllt. Die
Elektrodenstäbe 6 mit
je einer Länge
von ungefähr
6 mm haben je einen ersten Teil 7a und einen zweiten Teil 7b mit
einer Länge
von ungefähr
1,5 mm bzw. ungefähr
4,5 mm, die nebeneinander liegen und über die Enden 7c des ersten
und des zweiten Teils miteinander verbunden sind, beispiels weise
mit Hilfe einer Schweißung.
Die Enden 7c liegen nahe der Wandung 2 des Lampengefäßes 1.
Der erste Teil 7a steht mit der Wandung 2 des
Lampengefäßes 1 bei
der Kontaktfläche 6c in ständigem Kontakt,
jedoch ohne Risiko von Undichtigkeit oder Bruch der Lampe. Die Elektrodenstäbe 6a haben
jeweils in der Wandung 2, zumindest nahe der betreffenden
Metallfolie 4, den zweiten Teil 7b, wobei der
zweite Teil mechanisch nicht mit dem Glas der Wandung verbunden
ist.
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Bei
der in 2A gezeigten
Ausführungsform
hat der Elektrodenstab 6a einen ersten Teil 7a aus
Wolfram mit einer Dicke von 300 μm
und einen zweiten Teil 7b aus Wolfram mit einer Dicke von
150 μm.
Bei der in 2B gezeigten
Ausführungsform hat
der Elektrodenstab 6a einen ersten Teil 7a aus Wolfram
mit einer Dicke von 300 μm
und einen zweiten Teil 7b aus Molybdän mit einer Dicke von 300 μm. Die Figur
zeigt, dass der zweite Teil 7b und die Kapillare 6a darum
herum bei der Schweißung 4a des
Stabes auf der Folie enden. Die Abdichtung 2a ist in einem
Gebiet zwischen dem externen Stromleiter 5 und dem Elektrodenstab 6a vakuumdicht.
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In 3 ist das Lampengefäß 1 in
einer anderen äußeren Umhüllung 9a eingeschlossen
und damit gekoppelt. Das Lampengefäß ist in einem Lampensockel 8 vom
Bayonetttyp fixiert, versehen mit einem zentralen Stiftkontakt 11 und
einem Ringkontakt 12, die, der Ringkontakt über einen
Verbindungsleiter 13, mit jeweiligen Elektrodenstäben 6a verbunden sind.
Das mit einem derartigen Lampensockel 8 versehene Lampengefäß 1 ist
außerordentlich
gut als Fahrzeugscheinwerfer geeignet.