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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind Hochdruckentladungslampen
mit keramischem Entladungsgefäß, insbesondere
für die Allgemeinbeleuchtung.
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Stand der Technik
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Die
WO 03/030209 offenbart
eine Hochdruckentladungslampe, bei der ein keramisches Entladungsgefäß in
einem Außenkolben mittels eines Gestells gehaltert ist,
wobei das Entladungsgefäß zwei Enden und der Außenkolben
einseitig gesockelt ist. Dabei wird zur Kompensation der Bogenkrümmung
das Gestell in mehreren Windungen um das Entladungsgefäß herumgeführt.
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Eine
solche Konstruktion erfordert jedoch sowohl Materialaufwand als
auch aufwendige Herstellung.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe
für die Allgemeinbeleuchtung bereitzustellen, mit der die
Lageabhängigkeit von Farbort, Lichtstrom und Lichtausbeute
möglichst minimiert wird und die mittlere Lebensdauer verlängert
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1.
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Besonders
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen
Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Metallhalogenidlampe verwendet
ein Gestell mit einem Rückführungsdraht, der gerade
Anteile besitzt und höchstens 1,25 Windungen aufweist.
Diese vereinfacht die Montage, minimiert die Materialkosten, führt
zu nur geringer zusätzlicher Abschattung (in der Größenordnung
von lediglich 1%) und stabilisiert das Entladungsgefäß zusätzlich
im Außenkolben. Damit lassen sich eine höhere
Lichtausbeute erzielen. Der Farbort der Lampe ist jetzt nahezu unabhängig
von der Brennlage. Auch die Lebensdauer wird erhöht. Fertigungstechnisch
besonders geeignet sind 0,5 und 1,0 Windungen.
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Bei
keramischen Metallhalogenidlampen mit einseitiger Sockelung treten
Lebensdauerprobleme auf durch die Bogenkrümmung in horizontaler
Orientierung. Aufgabe ist hier, eine universelle Brennlage zu erreichen.
Der Plasmabogen im Entladungsgefäß nähert
sich bisher bei horizontaler Brennlage der Wand des Entladungsgefäßes
sehr stark und führt zu einer Überhitzung und
letztendlich zum Bruch der Keramik. Verursacht wird dies unter anderem
durch die Lage des geraden Rückführungdrahtes
unterhalb des Entladungsgefäßes. Dabei wechselwirkt
der Lichtbogen mit dem durch den Strom des Rückführungsdrahtes
hervorgerufenen Magnetfeld und bewirkt eine Abstoßung des
Bogens. Die natürliche Bogenkrümmung durch „Auftrieb"
des heißen Plasmas wird somit verstärkt.
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Bekannt
ist, dass durch einen zweiten Rückführungsdraht
die magnetische Kraft auf den Bogen kompensiert werden kann, siehe
WO 03/030209 . Eine solche
Konstruktion erfor dert jedoch einen erheblichen Mehraufwand an Material
und Prozess-Schritten und ist nur mit großem Aufwand zu
automatisieren. Zwei weitere dort gezeigte Bauarten sind die Doppelhelix
und eine Wendel mit mehreren Windungen.
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In
WO03/060948 wird eine
Spule senkrecht zur Brennerachse beschrieben. Auch hier sind die
Anordnungen sehr kompliziert und aufwendig zu montieren. Weiterhin
absorbieren viele Leitungen in der Nähe des Brenners Licht
und reduzieren so Lichtstrom und -ausbeute. Die
US 2003/025455 beschreibt einen
gekrümmten Rückführungsdraht. Dadurch
wird lediglich der Abstand zum Lichtbogen vergrößert
und somit das Magnetfeld nur wenig vermindert. Weiterhin ist bei
engen Außenkolben kein Platz für solch eine Ausführung.
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Erfindungsgemäß ist
rückleitende Stromzuführung mit maximal 1,25 Windungen
ausgestattet. Die Rückführung hat daher zwei gerade
Endteile und dazwischen ein Windungsteil. Für gegebene
gerade Endteile kann die axiale Länge des Windungsteils
dahingehend optimiert werden, dass das Magnetfeld By in der Mitte zwischen
den Elektroden verschwindet, siehe 2. Hier
wurde der Strom willkürlich auf 1 Ampere normiert. Die
Berechnungen bezüglich der optimalen Geometrie sind unabhängig
von dieser willkürlichen Wahl. Es ist zu sehen, dass das
magnetische Feld By in der Bogenmitte verschwindet, aber auf beiden
Seiten des Zentrums wieder abfällt. Für die Auslenkung
ist jedoch das Integral des magnetischen Feldes zwischen den Elektroden
maßgeblich. Daher wurde die Wendelhöhe H(Bavg
= 0) dahingehend optimiert, dass das Integral des magnetischen Feldes
By über den Elektrodenabstand verschwindet. Zum Vergleich
sind die Verhältnisse bei einem Windungsteil mit 2 Windungen
in 7 illustriert, wobei die drei Komponenten Bx,
By, Bz angegeben sind. In der Mitte des Windungsteils wird das Magnetfeld
um lediglich 53% reduziert, das Integral des Magnetfeldes entlang
des Elektrodenabstandes wird auf 24% vermindert, vgl. 7 im
Gegensatz zu 2.
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Das
Ergebnis ist in 3 illustriert. Hier ist die
optimale Wendelhöhe für verschiedene Wendelradien R
dargestellt. Letztere sind im Wesentlichen durch den verwendeten
Außenkolben begrenzt. Weiterhin wurden die Toleranzen für
die Wendelhöhe angegeben, bei der das Magnetfeld eines
geraden Leiters nicht auf Null, sondern auf 10% bzw. 30% eines geraden
Leiters reduziert wird. Es stellte sich heraus, dass bei einem Radius von
20 mm die Wendelhöhe H zwischen 21 und 28 mm (10% Bw) bzw.
zwischen 15 mm und 35 mm liegen kann (30% Bw). Somit ist diese Geometrie
sehr tolerant gegen Abweichungen in der Fertigung. Kleinere Radien
als 10 mm implizieren kompakte Brenner mit geringer Leistungsaufnahme,
bei denen der Lampenstrom deutlich kleiner ist, z. B. HCI-T 150
W mit 1,8 A Lampenstrom und Außenkolben-Außendurchmesser
von 24,8 mm. Für große Radien konvergiert H(Bavg
= 0)/R gegen die Asymptote von 0,6256.
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In 4 ist
zusätzlich die Wendelhöhe gezeigt, bei dem das
Magnetfeld in der Mitte zwischen den Elektroden verschwindet: H(By
= 0). Da die optimale Wendelhöhe näherungsweise
mit dem Radius skaliert, wurde auch der Quotient H/R berechnet.
Im betrachteten Intervall zwischen R = 10 mm und 30 mm liegen die Quotienten
H (By = 0)/R zwischen 1,07 und 0,92 und die Quotienten H(Bavg =
0)/R zwischen 1,79 und 1,01. Der Quotient lässt sich sehr
gut mit der Gleichung H(Bavg = 0)/R = 5,64·R–0,519 beschreiben,
siehe 4. Für die 30%-ige Abweichung im B-Feld
liegt H(Bavg = 0)/R zwischen 2,5 und 0,58.
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Beim
Ausführungsbeispiel einer 400 W-Lampe mit Metallhalogenid-Füllung
ist der Außendurchmesser des Außenkolbens 34 mm
und der Wendelradius R gleich 14,5 mm. Damit ergibt sich H(Bavg
= 0) zu 20,3 mm. Die beiden geraden Teilstücke der Stromzuführung
sind hier 47 mm und 28 mm lang. Die Lampe ist in 5 dargestellt.
Während bei der herkömmlichen Geometrie auf Grund
der magnetischen Abstoßung der Lichtbogen sichtbar gekrümmt
ist, ist er bei der vorgestellten Neuerung gerade. Auch die Lage
des Metallhalogenid-Kondensats in der senkrechten Brennlage spiegelt
diesen Sachverhalt wieder: Während sich das Kondensat bei
der herkömmlichen Konstruktion stark asymmetrisch auf der
Seite der Stromzuführung konzentriert, ist sie bei der
Wendelkonstruktion nahezu perfekt zylindersymmetrisch.
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Die
fotometrischen und elektrischen Daten bei etwa 100 h sind in Tabelle
1 zusammengefasst und mit der herkömmlichen Konstruktion
verglichen. Die Lichtausbeute ist etwa 1 lm/W höher als
beim Standard. Die Farbort-Konsistenz der beiden Brennlagen ist
deutlich besser (ΔTn = 8 K gegenüber 240 K und Δdc
= 1,3 gegenüber 2,8). Dies kann mit der verminderten Bogenauslenkung
in horizontaler Orientierung erklärt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 angegeben.
Hier hat das Windungsteil nur eine halbe Windung, die zudem in einer
Ebene quer zur Lampenachse in der Mitte des Entladungsgefäßes
ausgeführt ist. Hier kompensie ren sich die Magnetfelder
der gegenüberliegenden geraden Anteile der Stromzuführung.
Das Magnetfeld der „halben" Windung steht immer senkrecht
auf der Stromrichtung und bewirkt so auch keine Ablenkung. Dieses
Design hat weiterhin den Vorteil, dass sich die halbe Windung im
Bereich der Nahtstelle zwischen den beiden Hälften des
Entladungsgefäßes befindet und die zusätzliche
optische Abschattung durch den Draht reduziert.
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Bevorzugt
ist eine Anordnung, bei der die gerade Endteile mindestens in das
Entladungsvolumen bis zu den Spitzen der Elektroden reichen.
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Vorteilhaft
gilt für die axiale Länge H des Windungsteils
und den Radius des Windungsteils die Beziehung: 0 ≤ H/R ≤ 2,5.
besonders bevorzugt gilt:
0,35 ≤ H/R ≤ 2,4.
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Vorteilhaft
hat der Außenkolben einen Außendurchmesser von
höchstens 70 mm Durchmesser. Insbesondere ist der Betriebsstrom
in der Lampe mindestens 1, 7 Ampere.
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Besonders
hohe Lichtausbeuten lassen sich mit einer Füllung erzielen,
die mindestens 2 Gewichtsprozent CeJ3 als Metallhalogenid enthält.
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Die
Farbstreuung und Lageabhängigkeit wird besonders gut reduziert,
wenn das keramische Entladungsgefäß zylindrisch
ist, mit abgerundeten Endstücken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine
Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß;
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2 eine
Darstellung des Magnetfelds als Funktion der axialen Position;
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3 eine
Darstellung der Höhe der Windung als Funktion des Radius
der Windung,
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4 eine
Darstellung der optimalen Windungshöhe als Funktion des
Radius der Windung;
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Hochdruckentladungslampe;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Hochdruckentladungslampe;
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7 eine
Darstellung des Magnetfelds als Funktion der axialen Position eines
Entladungsgefäß mit zwei Windungen des Windungsteils.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
schematisch eine Metallhalogenidlampe 1. Sie besteht aus
einem Entladungsgefäß 2 aus Keramik,
in das zwei Elektroden 3 eingeführt sind. Das
Entladungsgefäß hat einen zentralen zylindrischen
Teil 5 und zwei abgerundete Enden 4, die bevorzugt
als Halbkugelschalen ausgeführt sind. An den Enden sitzen zwei
Abdichtungen 6, die hier als Kapillaren ausgeführt
sind. Bevorzugt ist das Entladungsgefäß und die
Abdichtungen integral aus zwei Hälften aus einem Material
wie PCA hergestellt. Der verbindende Wulst hat die Bezugsziffer 9.
Das Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umgeben.
Das Entladungsgefäß 2 ist im Außenkolben
mittels eines Gestells 8 gehaltert. Der Außenkolben
ist mit einem Sockelteil 19 verschlossen.
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Das
Gestell umfasst eine kurze Stromzuführung 10 für
das zum Sockel zeigende Ende des Entladungsgefäßes
und eine lange Stromzuführung, die Rückführung 11,
für das vom Sockel abgewandte Ende des Entladungsgefäßes.
Die Rückführung 11 weist ein Bügelteil 12 auf,
sowie ein entferntes gerades Teil 13, das vom Bügel
in Richtung Sockel zeigt, ein Windungsteil 14, das im Bereich
des zentralen Teils des Entladungsgefäßes angeordnet
ist, und ein benachbart zum Sockel angeordnetes gerades Teil 15.
Die geraden Teile erstrecken sich von der Kapillare aus bis in die
Zone, die zwischen dem Ende des Entladungsvolumens und der Spitze
der Elektrode 3 liegt.
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Das
Entladungsgefäß ist eine Kugelhalbschale mit dem
Radius R der Halbschale an den Endteilen 4, der gerade
zylindrische Abschnitt 5 hat die axiale Länge
L zwischen den Halbschalen, der Elektrodenabstand ist EA.
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Das
in 2 gezeigte Diagramm zeigt das Magnetfeld B (in
Tesla) in der y-Komponente By (senkrecht zur Verbindungslinie zwischen
den Elektroden) der geraden Stromzuführung (By gerade)
und die drei Feldkomponenten Bx, By, Bz des optimalen Magnetfelds
B(opt) eines optimalen Windungsteils. Dabei zeigt Bz(opt) entlang
der Verbindungslinie zwischen den Elektroden und bewirkt keine Bogenauslenkung.
Bx(opt) wechselt im Bereich des Plasmabogens das Vorzeichen und
führt somit auch nicht zu einer großräumigen
Bogenkrümmung. By(opt) verschwindet nahezu in der Bogenmitte.
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3 zeigt
die optimale Höhe H (axiale Länge in Metern) des
Windungsteils (wobei das Integral von By entlang des Elektrodenabstandes
verschwindet) als Funktion des Radius R des Windungsteils. Zusätzlich sind
die Höhen H angegeben, bei denen das Magnetfeld eines geraden
Leiters auf 10% bzw. 30% reduziert wird. Es handelt sich um ein
Windungsteil mit einer ganzen Windung. Kurve 1 gilt für
ein mittleres Magnetfeld B von B = 0. Kurve 2 zeigt die
Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld von
B = 0,3 Bw. Dabei ist Bw das Magnetfeld, das im Falle eines geraden
Rückführungsteils ohne Windung entsteht, wenn
die Stromstärke 1A ist bei dem angegebenen Radius
R. Kurve 3 zeigt die Verhältnisse für
ein mittleres Magnetfeld von B = –0,3 Bw. Kurve 4 zeigt
die Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld
von B = 0,1 Bw und Kurve 5 die Verhältnisse für
ein mittleres Magnetfeld von B = –0,1 Bw. 4 zeigt
in der linken Ordinate die optimale Höhe H der Wendel By(opt) – also
wobei das Integral von By entlang des Elektrodenabstandes insgesamt
verschwindet, Kurve 1 – und By0(opt) – wobei
angenommen ist, dass das Magnetfeld in der Mitte zwischen den Elektroden
verschwindet, Kurve 2 – als Funktion des Radius
R des Windungsteils, vgl. dazu 3. Beide
Höhen des Windungsteils sind auch auf den Radius normiert
dargestellt als H/R, siehe dazu die rechte Ordinate. Die Normierung
der Kurve 1 führt zu Kurve 3, die Normierung
der Kurve 2 führt zu Kurve 4. Kurve 5 ist
zum Vergleich die geschlossene Darstellung der Potenzkurve y = 5,64x–0,514 (R2 =
0,989).
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Ein
konkretes Beispiel für die Relation zwischen Windungshöhe
H und Elektrodenabstand EA ist H = 20 mm und EA = 18 mm. Bevorzugt
ist H = 1,0 bis 1,3 EA.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe 20,
bei der die Rückführung 21 gekröpft
ist. Das Bügelteil ist nur rudimentär ausgebildet,
weil die entfernte Stromzuführung 22, die aus
dem Entladungsgefäß austritt, in einer Pumpspitze 23 gehaltert
ist. Vom endständigen geraden Leiterteil 24, das
hier bis zur Mitte des Entladungsgefäßes 25 reicht,
ist ein Halbkreis 26 als Windungsteil zur gegenüberliegenden Seite
des Entladungsgefäßes geschlagen. Von dort ist
das benachbarte gerade Leiterteil 27 in den Sockel 28 geführt.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe 20,
bei der das Windungsteil 30 ebenfalls nur eine halbe Windung
vollführt. Jedoch ist diese halbe Windung nicht in einer
Ebene quer zur Lampenachse vollzogen, sondern in einer Ebene, die
schräg, etwa im 30°- bis 45°-Winkel,
gegen die Lampenachse A geneigt ist. Hier enden die geraden Leiterteile 24, 27 im
Entladungsvolumen jeweils etwa in Höhe der Spitzen der
Elektroden.
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Eine
typische Füllung enthält folgende Bestandteile:
Hg:
10 bis 40 mg;
Xe oder Ar, jeweils 120 bis 380 mbar;
NaJ
0 bis 10 Gew.-%;
T1J 5 bis 20 Gew.-%;
SEJ3: SE = Dy +
Ho + Tm, insgesamt 20 bis 50 Gew.-%;
CeJ3: 0 bis 10 Gew.-%.
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Das
Windungsteil umfasst maximal 1,25 Windungen um das Entladungsgefäß herum
und minimal 0,25 Windungen. Bevorzugt umfasst es 0,5 bis 1,0 Windungen.
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Tabelle
1 zeigt die Mittelwerte der lichtelektrischen Daten und Standardabweichungen
von Spannung und Farbort verschiedener Muster bei etwa 100 h Betriebsdauer.
Hier bedeuten:
RF-Draht: Rückführungsdraht;
Lage: s: senkrecht, w: waagerecht (Stromzuführung unten);
ul: Lampenspannung; uls: Wiederzündspitze; pl: Lampenleistung; Φ:
Lichtstrom; n: Lichtausbeute; tn: Farbtemperatur; dc: Abstand zum
Planck-Kurvenzug; Ra: Farbwiedergabe; R9: Farbwiedergabe satt rot; σ(G):
Standardabweichung der Größe G.
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Das
Entladungsgefäß ist bevorzugt keramisch, es kann
jedoch auch aus Quarzglas gefertigt sein.
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Für
die axiale Länge H und den Radius R des Windungsteils gilt:
0 ≤ H/R ≤ 3,0 und bevorzugt ≤ 2,5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/030209 [0002, 0009]
- - WO 03/060948 [0010]
- - US 2003/025455 [0010]