DE2433332A1

DE2433332A1 - Arbeitsverfahren einer hochleistungsbogenentladungslampe

Info

Publication number: DE2433332A1
Application number: DE2433332A
Authority: DE
Inventors: Timothy Fohl
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1973-07-19
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-01-30
Also published as: CA1007280A; US3883766A

Description

GTE Sylvania Inc., U.S.A. 5. July 1974

GTE-PA 29

PATENTANMELDUNG

Arbeitsverfahren einer Hochleistungs-Bogenentladungslampe

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren einer Hochleistungs-Bogenentladungslampe bei normalem Betrieb in einer Position mit vertikaler Komponente der innerhalb eines äußeren Kolben befindlichen, in Längsrichtung orientierten, eigentlichen Bogenentladungsröhre, die allgemein rohrförmig ausgebildet ist.

Hintergrund der Erfindung
A.Erfindungsgebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Hochleistungsentladungslampen, welche die Gruppe von Lampen umfassen, die allgemein als Quecksilber-, Metallhalogenid- und Hochdrucknatriumdampflampen bekannt sind. Diese Lampenarten werden als Entladungsvorrichtungen gekennzeichnet, die wandstabilisiert sind und deren Licht erzeugende Umhüllungen eine Kolbenwandbelastung von über 3 Watt pro cm aufweisen.

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B. Beschreibung des Standes der Technik

Hochleistungsentladungslampen sind in den letzten zwanzig oder dreißig Jahren wirtschaftlich nutzbar geworden, weil sie leistungsfähige Erzeuger sichtbaren Lichtes und wesentlich leistungsfähiger als z.B. Glühlampen sind. Hochleistungsentladungslampen haben im allgemeinen einen Betriebsdruck von ungefähr 1 bis 10 Atmosphären und eine Betriebstemperatur der Bogenentladungsröhre von mindestens ungefähr 400° C. Somit wird die Lichtbogenentladung in solchen Lampen von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre nachteilig beeinflußt. Hochleistungsentladungslampen besitzen im allgemeinen eine Bogenentladungsröhre mit gleichförmigem Durchmesser, d.h. mit konstantem Querschnitt.

Einige Arten der Bogenentladungslampen mit kompakter Quelle nach dem Stande der Technik sind mit Bogenentladungsröhren von ungleichförmigem Durchmesser hergestellt worden, so z.B. Kurzbogenlampen und stark belastete Kapillarlampen, In derartigen Lampen wird aber die Bogenentladung nicht nachteilig von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre beeinflußt. Kurzbogenlampen, zum Beispiel, enthalten im allgemeinen eine sphärische Bogenentladungsröhre und haben elektrodenstabilisierte Bogenent-. ladungen. Das bedeutet, daß die Lichtbogenlänge im Vergleich zum Durchmesser der Bogenentladungsröhre gering ist, daß die Form der Bogenentladung unabhängig von der Form der Bogenentladungsröhre ist und daß die Lichtbogenentladung nicht nachteilig von Konvektions-

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strömen innerhalb der Lichtbogenentladungsröhre beeinflußt wird.

Einige Arten von kapillaren Bogenentladungslampen sind, im heißesten Abschnitt der Bogenentladungsröhre mit einer kleinen Ausbauchung versehen, um ein Schmelzen des Glases an dieser·Stelle zu vermeiden. ,Doch erstreckt sich in derartigen Lampen die Bogenentladung bis zu den Wänden der Bogenentladungsröhre und wird von diesen begrenzt; so wird die Bogenentladung eingeengt und nicht wesentlich von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre beeinflußt. Ferner sind Kapillarlampen so stark belastet (Watt/cm ), daß sie im allgemeinen künstlich gekühlt werden müssen, um ein Schmelzen der Bogenentladungsröhre zu verhindern.

Im Gegensatz zu den Bogenentladungsrohren mit kompakter Quelle wird die Bogenentladung in Hochleistungsentladungslampen von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre während des Lampenbetriebes nachteilig beeinflußt.

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, den Lampenwirkungsgrad durch Veränderung des Musters der Konvektionsströme zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Dies'e Aufgabe wird für den eingangs genannten Gegenstand der Erfindung erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind dem ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel zu entnehmen .

Es wurde gefunden, daß eine wesentliche, unerwartete Erhöhung im Wirkungsgrad [Lumen/Watt] von Hochleistungsentladungslampen dadurch erzielt werden kann, daß man die Form der Bogenentladungsröhre in ihrem allgemein verwendeten gleichförmigen Durchmesser abändert. Gemäß der Erfindung besitzt die Bogenentladungsröhre zwischen den Elektroden einen Abschnitt mit erweitertem Durchmesser, um die Strömung von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre zu steuern.

In Lampen der Art, mit denen sich diese Erfindung befaßt, gibt es innerhalb der Bogenentladungsröhre während des normalen Lampenbetriebes entgegengesetzte Konvektionsströmungen von gasförmigem und verdampftem Material. Wird die Bogenentladungsröhre so betrieben, daß sich ihre Achse vertikal erstreckt oder einen Winkel mit der Horizontalen bildet, so läuft die aufwärts gerichtete Konvektionsströmung im wesentlichen längs der Achse der Bogenentladungsröhre, die gleichzeitig die Achse des Kerns der Bogenentladung ist. Die abwärts gerichtete Konvektionsströmung verläuft nahe der Wände der Bogenentladungsröhre. Befinden sich die Aufwärts und abwärts gerichteten Strömungen dicht beieinander, so bewirkt die Scherung zwischen ihnen radiale Konvektionsströmungen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Verminderung

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der Scherung zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömung durch Erweiterung des Durchmessers der Bogenentladungsröhre in einem zwischen den Elektroden befindlichen Abschnitt. Dadurch wird der Abstand zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömung erhöht; ferner wird die Geschwindigkeit der abwärts gerichteten Konvektionsströmung herabgesetzt. Eine Verminderung der Scherung verringert das radiale Mischen zwischen der aufwärts und der abwärts gerichteten Strömung und führt zu einer wesentlichen Erhöhung im Lampenwirkungsgrad.·

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Ansicht einer Hochleistungsentladungslampe, die eine Bogenentladungsröhre mit erweitertem Abschnitt gemäß der Erfindung aufweist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie aus der Zeichnung zu ersehen, umfaßt ein Beispiel einer Hochleistungsentladungslampe, nämlich eine Metallhalogenidlampe, gemäß der Erfindung einen äußeren Glaskolben 1. Der Kolben 1 ist an seinem Ende mit einem abgedichteten Eintrittsstutzen 2 (reentrant stem) versehen, durch welchen sich relativ steife Zuführungsdrähte 3 und 4 erstrecken, die mit ihren äußeren Enden an die elektrischen Kontakte des üblichen Schraubsockels 5 angeschlossen sind. Innerhalb des Kolbens 1 befindet sich eine Bogenentladungsröhre 6 mit erweitertem Abschnitt.

-B-

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Die Bogenentladungsröhre B ist innerhalb des Kalbens

I an jedem Ende mittels Metallrahmen 7 und 8 unterstützt. Die Metallrahmen 7 und B umfassen starre Drähte 9 bzw. 10, an denen Röhrenhalter oder Klemmen

II bzw. 12 befestigt sind, von denen jedB ein mit Preßdurchführung versehenes Ende der Bogenentladungsröhre 6 unterstützt. Der Metallrahmen 7 wird vom Zuführungsdraht 4 unterstützt, mit dem er verschweißt ist. Der Metallrahmen 8 wird am anderen Ende durch Blattfedern 13 aus Metall unterstützt, welche gegen die Innenwand des Kolbens 1 drücken.

f.

Die elektrische Verbindung vom Zuführungsdraht 4 und Metallrahmen 7 zur nächstliegenden Haupt- und Festelektrode 14 erfolgt über den Verbindungsdraht 15. Die elektrische Verbindung vom Zuführungsdraht 3 zur anderen Hauptelektrode 16 erfolgt durch die Drähte 17, 18 und 19. Die elektrische Verbindung vom Zuführungsdraht 3 zur Zündelektrode 20 erfolgt durch den Widerstand 21. Ein Bimetallschalter 22 stellt einen Kurzschluß zwischen der Zündelektrode und der benachbarten Hauptelektrode 14 nach Lampenzündung her. Die Atmosphäre innerhalb des Kolbens 1 besteht aus einem inerten Gas, wie z.B. Stickstoff.

Die Bogenentladungsröhre 6 besitzt in oder nahe ihrer Mitte einen erweiterten Abschnitt, um eine radiale Konvektionsströmung zwischen der aufwärts gerichteten und der abwärts gerichteten Strömung im wesentlichen auszuschalten. Es ergibt sich dadurch eine bedeutende Erhöhung des Lampenwirkungsgrades.

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In einem Beispiel einer Metallhalogenidlampe von 1Q00 Watt gemäß der Erfindung stellte man eine Bogenentladungsröhre her, indem man eine o-ffenendige Röhre aus geschmolzenem Quarz - 1,8 cm Innendurchmesser, 2,16 cm Außendurchmesser, 15,24 cm Längedurch Blasformen in die gewünschte Form mit dem erweiterten Abschnitt verformte. ,Der Außendurchmesser der geformten Röhre war dann wie folgt: Er betrug in einer Entfernung von 2,54 cm vom oberen Ende

ι 2,16 cm, nahm dann ausgehend von einem 6,35 cm vom oberen Ende entfernten Punkt allmählich über eine Strecke von 0,95 cm auf maximal 3,03 cm zu und nahm dann in den unteren 2,22 cm allmählich auf 2,16 cm ab. Nachdem die durch Blasen geformte Röhre zur Bogenentladungsröhre 6 entwickelt wurde, indem man die Elektroden an jedem Ende in die Preßdurchführungen einbettete, der Bogenentladungsröhre eine Füllung aus Quecksilber, Natriumiodid, Skandiumiodid und inertem Gas zusetzte und sie dann abdichtete, betrug das Verhältnis von maximalem Durchmesser der Bogenentladungsröhre zu minimalem Durchmesser dieser Röhre ungefähr 1,4. Die Lichtbogenlänge (Entfernung zwischen den Hauptelektroden) belief sich auf 9,1 cm und das Verhältnis von Lichtbogenlänge zu maximalem Innendurchmesser der Bogenentladungsröhre betrug 3,4. Der maximale Durchmesser der Bogenentladungsröhre 6 lag etwas über ihrer Mitte.

Der Wirkungsgrad dieser Lampe betrug 126,5 Lumen pro Watt, was ungefähr 26% höher liegt als der Wirkungsgrad der zur Zeit im Handel erhältlichen 1000 Watt Metallhalogenidlampen, der bei ungefähr 100 Lumen pro

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Watt liegt. Auch die radiale Konvektionsströmung zwischen der aufwärts gerichteten und der abwärts gerichteten Strömung wurde in dieser Lampe fast völlig ausgeschaltet und man könnte das Konvektionsströmungsmustsr als eine einzige Konvektionszelle ansehen, die sich fast über die gesamte Länge des Lichtbogens erstreckt. Das Strömungsmuster kann man sichtbar machen, indem man feine Kohleteilchen in die Bogenentladungsröhre einführt und deren Bewegung während des Lampenbetriebes beobachtet, wobei die Kohleteilchen durch den Lichtbogen bis zum Glühen erhitzt werden. Falls erwünscht, kann man" die Konvektionsgeschwindigkeiten leicht messen, indem man die Bewegung der Teilchen filmt.

Zur Ermittlung des besten Durchmessers für den erweiterten Abschnitt einer Bogenentladungsröhre gemäß der Erfindung sind Bogenentladungsrohren mit einem Maximaldurchmesser von ungefähr 1/5 der Lichtbogenlänge bis zur gesamten Lichtbogenlänge getestet worden. Man stellte fest, daß bei zu geringem Maximaldurchmesser die Radialströmung nicht beseitigt wird; bei zu großem Maximaldurchmesser ergibt sich ein unsteter oder flackernder Lichtbogen..Eine Erhöhung des Drucks innerhalb der Bogenentladungsröhre sowie eine Erhöhung der Dichte des Füllmaterials pro Längeneinheit der Lichtbogenlänge würde im allgemeinen eine Erhöhung im Durchmesser des erweiterten Abschnitts erforderlich machen.

Die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades in Lampen gemäß der Erfindung scheint die gleiche oder etwas

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besser' zu sein als bei' den Lampen des Standes der Technik, d.h. bei den Lampen mit Bogenentladungsröhren gleichförmigen Durchmessers. In einem Test wurden 23 Metallhalogenidlampen mit 1000 Watt mit einer erfindungsgemäßen Bogenentladungsröhre mit erweitertem Abschnitt hergestellt. Der durchschnittliche anfängliche Wirkungsgrad dieser 23 Lampen betrug 119 Lumen pro Watt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad nach 1000 Betriebsstunden belief sich auf 112 Lumen pro Watt, also eine Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades von 94%· Das entspricht ungefähr den Metallhalogenidlampen mit 1000 Watt nach dem Stande der Technik nach 1000 Betriebsstunden j diese hatten einen durchschnittlichen anfänglichen Wirkungsgrad von 100 Lumen pro Watt und einen Wirkungsgrad nach 1000 Stunden von 94 Lumen pro Watt.

Der Wirkungsgrad von Quecksilberdampflampen gemäß der Erfindung ist ungefähr 10 bis 20% bess.er als der Wirkungsgrad von Quecksilberdampflampen nach dem Stande der Technik, die eine Bogenentladungsröhre mit gleichmäßigem Durchmesser aufweisen. Der Wirkungsgrad der Lampen nach dem Stande der Technik liegt bei ungefähr 55 bis BO Lumen pro Watt, der von Quecksilberdampflampen gemäß der Erfindung bei ungefähr 65 bis 70 Lumen pro Watt. Quecksilberdampflampen haben eine Bogenentladungsröhrenfüllung, die nur aus Quecksilber und inertem Gas besteht, wobei das Quecksilber während des Lampenbetriebes vollständig verdampft wird.

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Claims

Patentanspruch

1. Arbeitsverfahren einer Hochleistungs-Bogenentladungslampe bei normalem Betrieb in einer Position mit vertikaler Komponente der innerhalb eines äußeren Kolbens befindlichen, in Längsrichtung orientierten, eigentlichen ßogenentladungsröhre, die allgemein rohrförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogensntladungsrohre (B) abweichend von der rein zylindrischen Form im Mittel- oder Zwischenabschnitt mit einem erweitertem Durchmesser versehen ist, der die Ausbildung einer einzigen Konvektionszelle des Bogenentladungsvorgangs erzwingt, indem radiale Konvektionsströme zwischen den aufwärts und abwärts gerichteten Konvektionsströmen weitgehend ausgeschaltet werden und sich so ein verbessertes Konvektionsmuster ergibt.

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