DE2433332A1 - WORKING PROCEDURE OF A HIGH POWER ARC DISCHARGE LAMP - Google Patents

Description

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

GTE-PA 29GTE-PA 29

PATENTANMELDUNGPATENT APPLICATION

Arbeitsverfahren einer Hochleistungs-Bogenentladungslampe Working method of a high-performance arc discharge lamp

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.The present invention relates to a method of operation of a high-power arc discharge lamp normal operation in a position with a vertical component of that located within an outer piston, longitudinally oriented, actual arc discharge tube, which is generally tubular in shape is.

Hintergrund der Erfindung
A.Erfindungsgebiet Background of the invention
A. Field of invention

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.The invention relates to high-performance discharge lamps, which include the group of lamps commonly referred to as mercury, metal halide, and High pressure sodium vapor lamps are known. These types of lamps are characterized as discharge devices that are wall-stabilized and produce light Enclosures have a bulb wall load of over 3 watts per cm.

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B. Beschreibung des Standes der Technik B. Description of the Prior Art

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.High-power discharge lamps have been commercially viable for the past twenty or thirty years because they are powerful producers of visible light and much more powerful than E.g. incandescent lamps. High intensity discharge lamps generally have an operating pressure of approximately 1 to 10 atmospheres and an arc tube operating temperature of at least about 400 ° C. Thus, the arc discharge in such Lamps of convection currents inside the arc tube adversely affected. High-intensity discharge lamps generally have an arc tube with a uniform diameter, i.e. with a constant cross-section.

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-Some types of arc discharge lamps with compact Prior art sources include arc tubes of non-uniform diameter such as short-arc lamps and heavily loaded capillary lamps, in such Lamps, however, the arc discharge is not detrimental to convection currents within the arc tube influenced. For example, short arc lamps generally contain a spherical arc tube and have electrode stabilized arc discharge. charges. This means that the arc length compared to the diameter of the arc tube is small that the shape of the arc discharge is independent of the shape of the arc tube and that the Arc discharge is not detrimental to convection

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strömen innerhalb der Lichtbogenentladungsröhre beeinflußt wird.flow within the arc tube is affected.

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.Some types of capillary arc discharge lamps are in the hottest section of the arc tube provided with a small bulge to prevent the glass from melting at this point. However, in such lamps the arc discharge extends to the walls of the arc tube and is limited by these; so the arc discharge is narrowed and not significantly affected by Convection currents within the arc tube influenced. Furthermore, capillary lamps are so heavily loaded (watt / cm) that they are generally artificial must be cooled to prevent melting of the arc tube.

Im Gegensatz zu den Bogenentladungsrohren mit kompakter Quelle wird die Bogenentladung in Hochleistungsentladungslampen von Konvektionsströmen innerhalb der Bogenentladungsröhre während des Lampenbetriebes nachteilig beeinflußt.In contrast to the arc tubes with The arc discharge in high-performance discharge lamps is a more compact source adversely affected by convection currents within the arc tube during lamp operation.

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, den Lampenwirkungsgrad durch Veränderung des Musters der Konvektionsströme zu verbessern.The present invention was therefore based on the object of changing the lamp efficiency improve the pattern of convection currents.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Dies'e Aufgabe wird für den eingangs genannten Gegenstand der Erfindung erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.This object is achieved according to the invention for the subject matter of the invention mentioned at the beginning according to the characteristic of the main claim solved.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind dem ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiel zu entnehmen .Further details of the invention can be found in the exemplary embodiment described in detail .

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.It has been found that there is a substantial, unexpected increase in the efficiency [lumens / watt] of high-power discharge lamps can be achieved by having the shape of the arc tube in its generally used uniform diameter changes. According to the invention, the arc tube has a portion between the electrodes with enlarged diameter to prevent the flow of convection currents inside the arc tube to control.

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.In lamps of the type with which this invention is concerned there are within the arc tube Opposite convection currents of gaseous and vaporized material during normal lamp operation Material. The arc tube is operated so that its axis extends vertically or forms an angle with the horizontal, the upward convection flow runs substantially along the axis of the arc tube, which is also the axis of the core of the arc discharge is. The downward convection flow passes near the walls of the arc tube. Are located If the upward and downward currents are close together, this is what causes the shear between them radial convection currents.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die VerminderungThe purpose of the present invention is to reduce

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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.·the shear between the upward and downward flow by expanding the diameter of the arc tube in a portion located between the electrodes. This will the distance between the upward and downward currents increases; furthermore the speed the downward convection flow is reduced. A reduction in shear reduces radial mixing between the upward and downward flow and leads to a significant increase in lamp efficiency.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Ansicht einer Hochleistungsentladungslampe, die eine Bogenentladungsröhre mit erweitertem Abschnitt gemäß der Erfindung aufweist.The sole figure of the drawing shows a view of a high-performance discharge lamp which has an arc tube having an enlarged section according to the invention.

Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDescription of the preferred embodiment

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.As can be seen from the drawing, one example of a high intensity discharge lamp, namely one Metal halide lamp, according to the invention, an outer one Glass piston 1. The piston 1 is at its end with a sealed inlet nozzle 2 (reentrant stem) provided through which relatively stiff lead wires 3 and 4 extend with their outer ends are connected to the electrical contacts of the usual screw base 5. Within of the envelope 1 is an arc tube 6 with an enlarged portion.

-B--B-

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Die Bogenentladungsröhre B ist innerhalb des KalbensThe arc tube B is inside the calving

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 KlemmenI supported at each end by means of metal frames 7 and 8. The metal frames 7 and B comprise rigid wires 9 and 10, respectively, on which tube holders or clamps

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.II and 12 are attached, each of which with one Press feed-through provided end of the arc tube 6 supported. The metal frame 7 is from Feed wire 4 supports, with which it is welded. The metal frame 8 is through at the other end Leaf springs 13 made of metal are supported, which press against the inner wall of the piston 1.

f.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.The electrical connection from the lead wire 4 and The metal frame 7 to the nearest main and fixed electrode 14 takes place via the connecting wire 15. The electrical connection from the lead wire 3 to the other main electrode 16 is made by the wires 17, 18 and 19. The electrical connection from the feed wire 3 to the ignition electrode 20 takes place through the resistor 21. A bimetal switch 22 sets a short circuit between the ignition electrode and the adjacent main electrode 14 after lamp ignition. The atmosphere inside the flask 1 consists of an inert gas such as nitrogen.

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.The arc tube 6 has an enlarged portion at or near its center by one radial convection flow between the upward and downward flow im essential off. This results in a significant increase in lamp efficiency.

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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 EndeIn an example of a 100 watt metal halide lamp in accordance with the invention, an arc tube was provided by making an open-ended tube of fused quartz - 1.8 cm inside diameter, 2.16 cm outside diameter, 15.24 cm long Blow molding deformed into the desired shape with the expanded section. , The outside diameter of the formed tube was then as follows: It was at a distance of 2.54 cm from the top

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.ι 2.16 cm, then gradually increased over a point from a point 6.35 cm from the top Distance increased from 0.95 cm to a maximum of 3.03 cm and then gradually decreased in the lower 2.22 cm to 2.16 cm away. After the bubble-shaped tube is developed into the arc tube 6 by embedded the electrodes in the press feedthroughs at each end, the arc tube one Filling made of mercury, sodium iodide, scandium iodide and added inert gas and then sealed it, the ratio of the maximum diameter was Arc discharge tube to the minimum diameter of this Tube about 1.4. The arc length (distance between the main electrodes) was 9.1 cm and the ratio of the arc length to the maximum inner diameter of the arc tube was 3.4. The maximum diameter of the arc tube 6 was slightly above its center.

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 proThe efficiency of this lamp was 126.5 lumens each Watts, which is approximately 26% higher than the efficiency of the 1000 watts currently available on the market Metal halide lamps that operate at approximately 100 lumens per

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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.Watt lies. Also the radial convection flow between the upward and downward currents became almost in this lamp completely switched off and one could use the convection flow pattern as a single convection cell extending almost the entire length of the Arc extends. The flow pattern can be made visible by inserting fine particles of coal into the Introduces arc tube and observes its movement during lamp operation, the Coal particles are heated by the arc until they glow. If desired, you can "die Easily measure convection speeds by filming the movement of particles.

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.To determine the best diameter for the enlarged section of an arc tube according to the invention are arc tubes with a maximum diameter of approximately 1/5 of the arc length has been tested up to the entire arc length. It was found that if the maximum diameter was too small the radial flow is not eliminated; if the maximum diameter is too large, the result is a inconsistent or flickering arc..An increase in pressure within the arc tube as well an increase in the density of the filler material per unit length of the arc length would generally require an increase in the diameter of the enlarged section.

Die Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades in Lampen gemäß der Erfindung scheint die gleiche oder etwasMaintaining the efficiency in lamps according to the invention seems the same or something

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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.'to be better than' the lamps of the prior art, i.e. the lamps with arc tubes uniform diameter. In a test, 23 metal halide lamps with 1000 watts were used made with an arc tube according to the invention having an enlarged section. The average initial efficiency of these 23 lamps was 119 lumens per watt. The average Efficiency after 1000 hours of operation was 112 lumens per watt, so a maintenance the efficiency of 94% · This corresponds approximately to the metal halide lamps with 1000 watts in the prior art after 1000 hours of operation j these had an average initial Efficiency of 100 lumens per watt and an efficiency after 1000 hours of 94 lumens per 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.The efficiency of mercury vapor lamps according to the invention is about 10 to 20% better than the efficiency of prior art mercury vapor lamps that use an arc tube have a uniform diameter. The efficiency of the lamps according to the state of the art is about 55 to BO lumens per watt, that of mercury vapor lamps according to the invention about 65 to 70 lumens per watt. Mercury vapor lamps have an arc tube filling that consists only of mercury and inert gas, with the mercury completely during lamp operation is evaporated.

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Claims (1)

PatentanspruchClaim 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. 1. Working method of a high-power arc discharge lamp in normal operation in a position with a vertical component of that within a outer bulb located in the longitudinal direction, actual ßogenentladungsröhre, which is generally tubular, characterized in that the arc discharge tubes (B) deviating from the purely cylindrical shape in the middle or intermediate section with an enlarged one Diameter is provided that the formation of a single convection cell of the arc discharge process forces by creating radial convection currents between the upward and downward ones Convection currents are largely switched off and so an improved convection pattern results. 409885/1069409885/1069