DE3329280A1

DE3329280A1 - Metallhalogenid-bogenentladungslampe und verfahren zu ihrer herstellung und zu ihrem betrieb

Info

Publication number: DE3329280A1
Application number: DE3329280A
Authority: DE
Inventors: Timothy Carlisle Mass. Fohl; William M. Rockport Mass. Keeffe; Harold L. Rowley Mass. Rothwell
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1982-08-18
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1984-02-23
Also published as: IT1235449B; IT8322527A0; GB2170647B; GB2170647A; CA1215099A; US4499396A; GB8322105D0; GB2126007A; BE897544A; GB8606063D0; GB2126007B; JPS5981830A; FR2532114B1; FR2532114A1; NL8302799A

Description

Meta11halogenid-Bogenentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung

und zu ihrem Betrieb Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallhalogenid-Bogenentladungslampen mit Einrichtungen zum Unterdrücken von Konvektionsströmen innerhalb des äußeren Lampenkolbens während des Betriebs sowie auf Verfahren zum Betreiben und Herstellen derartiger Lampen.

Metallhalogenid-Bogenentladungslampen sind bekannt. Sie wer-■den wegen ihrer hohen Lichtausbeute und langen Lebensdauer vielfach kommerziell verwendet (s. IES Lighting Handbook, 1981 Reference Volume, Abschnitt 8).

Die hier verwendeten Ausdrücke "Ausbeute" oder "Lichtausbeute" sind ein Maß für den von einer Lichtquelle über alle Wellenlängen abgegebenen Gesamtlichtstrom, ausgedrückt in Lumen geteilt durch die Gesamtleistungsaufnahme der Lichtquelle in Watt. Die Ausdrücke "Abfall" oder "Lichtstromabfall" bezeichnen hier das Verhältnis der Beleuchtungsstärke auf einer gegebenen Fläche nach Ablauf einer Zeitspanne zu der Beleuchtungsstärke auf der gleichen Fläche in einem Ausgangs- oder Festzeitpunkt; das "Abfallverhältnis ist eine dimensionslose Größe, die gewöhnlich in Form eines Prozentsatzes ausgedrückt wird.

Zu einer typischen kommerziell gefertigten Metallhalogenid-Bogenentladungslampe gehört eine aus Quarz oder Quarzglas

bestehende Lichtbogenröhre, die in einen äußeren Lampenkolben aus Borsilikatglas hermetisch eingeschlossen ist. Die Lichtbogenröhre ist ihrerseits ebenfalls hermetisch verschlossen, weist in ihre Enden eingeschmolzene WolfraiElektroden auf und enthält eine Füllung, in welcher Quecksilber, Metallhalogenidzusätze und ein Edelgas zur Starterleichterung enthalten sind. Der äußere Kolben ist gewöhnlich mit Stickstoff oder einem anderen inerten Gas unter einem unterhalb des Atmosphärendruckes liegenden Druck gefüllt.

Ein bei Metallhalogenidlampen auftretendes Problem besteht in dem Natriumverlust aus dem Inneren der Lichtbogenröhre. Die meisten Metallhalogenidlampen enthalten eine Natriumverbindung als Bestandteil der Lichtbogenröhrenfüllung. Es ist postuliert worden, daß beim Betrieb der Lampe ein photoelektrischer Prozeß, der durch einen von der Lichtbogenröhre ausgehenden und auf die Halterungsteile auftreffenden Fluß ultravioletter Strahlung bewirkt wird, Elektronen freisetzt, die zu der Lichtbogenröhre wandern und sich auf ihr ansammeln. Die auf der Außenseite der Lichtbogenröhre angesammelten Elektronen erzeugen ein elektrisches Feld, das Natriumionen durch die Lichtbogenröhrenwände hindurch in die Atmosphäre des äußeren Kolbens zieht. Durch diesen Prozeß verarmt das Innere der Lichtbogenröhre an Natrium, was zu einer Verschlechterung hinsichtlich der Lichtausbeute und des Lichtstromabfalls und schließlich zu einer verkürzten Lebensdauer der Lampe führt. Eine eingehende Erklärung des Natriumverlustes findet sich in der Arbeit "Electric Discharge Lamps" von John F. Waymouth, The M.I.T. Press, 1971, Kapitel 10, sowie in weiteren dort genannten Quellen.

Ein weiteres Problem, das bei Metallhalogenidlampen auftritt, die mit einer Phosphorbeschichtung auf der Innenseite des äußeren Kolbens versehen sind, besteht in der Reaktion der Phosphore mit reduzierenden Stoffen. Die bei Entladungslampen hoher Intensität verwendeten Phosphore sind wegen der hohen Umgebungs-

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temperaturen auf sehr stabile Phosphore begrenzt, z.B. die Orthovanadate. Bei den Orthovanadaten handelt es sich um Metalloxide, die in Gegenwart eines reduzierenden Mittels, z.B. Wasserstoff, in der Atmosphäre des äußeren Kolbens einer Reduktion unterliegen. Hierdurch wird ein beschleunigtes Absinken des Phosphorwirkungsgrades sowie eine Verstärkung der Absorption des abgegebenen Lichtes durch den Phosphor infolge seiner Verdunkelung bewirkt.

Ferner besteht bei Metallhalogenidlampen ein Problem in der Möglichkeit des Überspringens eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Zuleitungsdrähten der äußeren Schaltung. Dieses "Überschlag"-Problem ist dann von besonderer Bedeutung, wenn die Atmosphäre in dem äußeren Kolben unter einem Unterdruck steht, der z.B. zwischen 50 Mikrometer Hg und 10 torr beträgt. Eine nähere Erklärung des Überschlagproblems einschließlich typischer Paschen—Kurven, die das Zündpotential als Funktion des Fülldruckes für unterschiedliche Gase zeigen, findet sich in der Veröffentlichung "Light Sources" von W. Elenbaas, Crane, Russak & Co., Inc., New York 1972.

Ein weiteres Problem besteht bei Metallhalogenidlampen in dem Wärmeverlust der Lichtbogenröhre infolge von Konvektionsströmen innerhalb der Atmosphäre des äußeren Kolbens. Es trifft im allgemeinen zu, daß der Gesamtwirkungsgrad einer Metallhalogenidlampe durch höhere Betriebstemperaturen der Lichtbogenröhrenwand verbessert wird. Höhere Betriebstemperaturen führen dazu, daß größere Mengen der Metallhalogenidzusätze sich im dampfförmigen Zustand befinden. Es wird gewöhnlich ein Überschuß an Zusätzen vorgesehen, um einen gesättigten Dampfzustand innerhalb der Bogenröhre sicherzustellen. Beim Vorhandensein einer größeren Menge dampfförmiger Zusätze wird in den meisten Fällen die Lichtausbeute und die Farbtemperatur der Lampe verbessert. Es ist daher wichtig, Wärmeverluste durch Konvektion auf einem Mindestmaß zu halten.

Bei Metallhalogenidlampen mit geringerer Leistungsaufnahme von beispielsweise 100 W oder weniger ist die Vermeidung von Konvektionswärmeverlusten von besonderer Bedeutung. Infolgedessen sind die Lampenhersteller gezwungen, für ein Vakuum oder annäherndes Vakuum innerhalb des äußeren Kolbens zu sorgen, obwohl sich bei höheren Füllungsdrücken möglicherweise Vorteile erzielen ließen.

Bei Metallhalogenidlampen mit höherer Leistungsaufnahme von beispielsweise 175 W oder mehr ist der Konvektionswärmeverlust nicht von solcher Bedeutung, daß innerhalb des äußeren Kolbens ein annäherndes Vakuum vorhanden sein müßte. Bei diesen Lampen weist der äußere Kolben gewöhnlich eine Füllung unter einem Druck im kalten Zustand von annähernd einer halben Atmosphäre auf. Trotzdem haben Konvektionswärmeverluste einen ungünstigen Einfluß hinsichtlich der Lichtausbeute und des Lichtstromabfalls dieser Lampen.

In der US-PS 4 281 274 wird ein Glasschirm beschrieben, der die Lichtbogenröhre der Metallhalogenid-Bogenentladungslarnpe umgibt. Es wird angegeben, daß der Schirm Natriumverluste aus dem Lichtbogen dadurch verhindert, daß er Ultraviolettstrahlung abfängt und die Lichtbogenröhre gegen Photoelektronen abschirmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen. Weiterhin sollen durch die Erfindung die Konvektionswärmeverluste bei Metallhalogenidlampen mit erheblichen Füllungsdrücken in dem äußeren Kolben vermindert und dadurch ihre Betriebseigenschaften verbessert werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Verringerung des Natriumverlustes bei Metallhalogenidlampen. Weiterhin soll durch die Erfindung die Erhaltung des Phosphorwirkungsgrades bei Metallhalogenidlampen verbessert werden, die auf der Innenseite des äußeren Kolbens eine Phosphorbeschichtung aufweisen. Ferner soll die Sicherheit der Metallhalogenidlampen verbessert werden.

Diese Aufgaben sind erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Metallhalogenidlampe mit einem erheblichen Füllungsdruck innerhalb des äußeren Kolbens gelöst, bei der Mittel zum Unterdrücken von Konvektionsströmen in der Atmosphäre des äußeren Kolbens vorgesehen sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung bei einer Metallhalogenidlampe mit einseitig endender Lichtbogenröhre;

Fig. 2 eine Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung bei einer Metallhalogenidlampe mit einseitig endender Lichtbogenröhre;

Fig. 3 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bei einer Metallhalogenidlampe mit zweiseitig endender Lichtbogenröhre; und

Fig. 4 ein Fließbild eines Verfahrens zum Herstellen einer Metallhalogenidlampe mit einer Umschließung zum Unterdrücken der Konvektion.

Durch die Erfindung wird eine Einrichtung zur Vermeidung übermäßiger Konvektionswärmeverluste innerhalb des äußeren Kolbens einer Metallhalogenid-Bogenentladungslampe geschaffen. Die Erfindung ermöglicht die Erzielung einer hohen Lichtaus— beute sowie von Verbesserungen hinsichtlich des Lichtstromabfalls und der Sicherheit bei Metallhalogenidlampen mit erheblichen Füllungsdrücken innerhalb des äußeren Kolbens.

Konvektionswärmeverluste entstehen dadurch, daß durch Gaskonvektionsströme in der innerhalb des äußeren Lampenkolbens vorhandenen Atmosphäre Wärme von der Lichtbogenröhre zu der

äußeren Kolbenwand geleitet wird. Durch die Erfindung werden Konvektionsströme in der die Lichtbogenröhre seitlich umgebenden Atmosphäre im wesentlichen unterdrückt. Wenn diese Ströme unterdrückt werden, ist kein Konvektionsmittel zum Übertragen der Wärme von der Lichtbogenröhre zur Kolbenwand mehr vorhanden. Daher wird auch der Konvektionswärmeverlust in erheblichem Maße unterdrückt.

Die Konvektionsströme innerhalb einer Zone lassen sich quantitativ durch die Rayleighsche Zahl ausdrücken. Die Rayleighsche Zahl ist ein dimensionsloser Parameter, der bei der Untersuchung des Konvektionsstroms in Gasen verwendet wird und das Gleichgewicht zwischen den treibenden Auftriebskräften infolge einer Temperaturdifferenz über die Grenzen der Zone hinweg und dem Diffusionsprozeß innerhalb des Gases ausdrückt, der den Konvektionsstrom verlangsamt und zu seiner Stabilisierung tendiert. Eine eingehende Behandlung der Rayleighschen Zahl findet sich in der Veröffentlichung von J.S. Turner "Buoyancy Effects in Fluids", Kapitel 7, Cambridge University Press, 1973.

Konvektionsströme treten in einer Zone nur dann auf, wenn die Rayleighsche Zahl einen kritischen Wert überschreitet. Auch nach Überschreiten des kritischen Wertes bildet die Rayleighsche Zahl ein nützliches Maß für die Stärke des Konventionsstromes in der Zone.

Bei typischen Metallhalogenidlampen wird der Wärmeverlust durch Konvektion dann für übermäßig groß gehalten, wenn er den Wärmeverlust infolge von Gaskonduktion überschreitet. In der Zone zwischen der Lichtbogenröhre und dem äußeren Kolben hängen die Werte der Rayleighschen Zahl und des Konvektionswärmeverlustes weitgehend von zwei Faktoren ab: von der geometrischen Form der Lampe und von dem Druck der Gasfüllung.

Bei einer typischen Metallhalogenidlampe bekannter "Art mit geringer Leistungsaufnahme wird der Konvektionswärmeverlust

dann übermäßig hoch, wenn der Betriebsdruck der Füllung ein Maximum von annähernd einem Zehntel einer Atmosphäre erreicht. Bei einer typischen erfindungsgemäßen Lampe mit geringer Leistungsaufnahme wird der Konvektionswarmeverlust dann übermäßig hoch, wenn der Betriebsdruck der Füllung ein Maximum von annähernd einer Atmosphäre erreicht.

Die Erfindung ermöglicht es somit, die Obergrenze des zulässigen Betriebsdrucks der Kolbenfüllung von etwa einem Zehntel einer Atmosphäre bis auf eine Atmosphäre bei Metallhalogenidlampen mit niedriger Leistungsaufnahme zu erhöhen. Die Anwendung erhöhter Füllungsdrücke in dem äußeren Kolben ohne übermäßige Konvektionswärmeverluste führt bei derartigen Lampen mit niedriger Leistungsaufnahme zu bedeutsamen Vorteilen.

Ein Nutzen der Erhöhung des Füllungsdruckes in dem äußeren Kolben einer Lampe mit geringer Leistungsaufnahme besteht in dem verringerten Natriumverlust. Bei dem postulxerten elektrolytischen Vorgang wird durch die Akkumulation von Elektronen an der Außenseite der Lichtbogenröhre Natrium durch die Lichtbogenröhre hindurch von innen nach außen gezogen. Das Vorhandensein von Gasmolekülen in der Füllung zwischen den Metallteilen und der Lichtbpgenröhre behindert das Wandern von Elektronen zu der ■ Lichtbogenröhre. Durch Erhöhen des Druckes in dem äußeren Kolben wird die Dichte der Gasmoleküle in der Atmosphäre erhöht und dadurch der Natriumverlust verringert.

Bei Lampen, die auf der Innenseite des äußeren Kolbens mit einem Phosphorüberzug versehen sind, ist es erwünscht, die Atmosphäre des äußeren Kolbens in einem leicht oxidierten Zustand zu halten, um eine Reduktion des Phosphors zu verhindern. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man eine Füllung in Form eines leicht oxidierenden Mittels vorsieht, z.B. Stickstoff mit einer Spur Sauerstoff. Das Einführen einer solchen Füllung bei niedrigem Druck, z.B. einem Druck im kalten Zustand von einem Torr oder weniger, erhöht erheblich die Gefahr

eines Bogenüberschlags zwischen den Zuführungsdrähten der äußeren Schaltung. Die erwünschte Stöchiometrie zur Erhaltung des Phosphors kann erreicht und das Überschlagproblem vermieden werden, indem man eine leicht oxidierte Füllung mit einem Druck im kalten Zustand von über 20 Torr vorsieht. Hierin besteht ein weiterer Vorteil einer Erhöhung des Füllungsdrucks in dem äußeren Kolben von Metallhalogenidlampen mit niedriger Leistungsaufnahme.

Ein weiterer Vorteil des erhöhten Füllungsdrucks bei Metallhalogenidlampen niedriger Leistungsaufnahme bezieht sich auf die Sicherheit. Sollte der äußere Kolben aus irgendeinem Grund zerbrechen, werden die Implosionskräfte auf ein Mindestmaß begrenzt, wenn der Druck innerhalb des Kolbens dem äußeren Atmosphärendruck so nahe wie möglich kommt.

Bei Metallhalogenidlampen höherer Leistungsaufnahme zeigen sich die Vorteile des verminderten Konvektionswarmeverlustes in dem äußeren Kolben allgemein in Form verbesserter Eigenschaften hinsichtlich Lichtausbeute, Farbtemperatur und des Lichtstromabfalls anstatt eines erhöhten Gasdrucks in dem äußeren Kolben wie bei Lampen niedriger Leistungsaufnahme.

Fig. 1 zeigt eine Metallhalogenid-Bogenentladungslampe mit einem äußeren Kolben 10 und einer darin angeordneten einseitig endenden- Lichtbogenröhre 12. Die Lichtbogenröhre 12 enthält eine Füllung, zu der Metallhalogenidzusätze 14 gehören, die zum Teil während des Dauerbetriebs der Lampe in Kondensatform verbleiben. Die Lichtbogenröhre 12 ist innerhalb des äußeren Kolbens 10 mit Hilfe von Zuleitungsdrähten 16 und 17 montiert, die mit den die Halterung bildenden Zuleitungsdrähten 18 bzw. 19 verschweißt sind, welch letztere ihrerseits mit den in den Fuß 22 eingebetteten unterstützenden Zuleitungsdrähten 20 bzw. 21 verschweißt sind.

In dem äußeren Kolben 10 ist eine gasförmige Füllung 24 vorhanden, die in der Zeichnung zum Teil in Form einer Anzahl von Tupfen dargestellt ist. Die Gasfüllung 24 steht unter einem Druck, der hoch genug ist, um zur Ausbildung von Konvektionsströmen während des Betriebs der Lampe zu führen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Einrichtung 26 zum Unterdrücken der Konvektion in einer rohrförmigen Hülse 28, die an ihrem Basisende 30 verschlossen und an ihrem oberen Ende 32 offen ist; das Basisende 30 der Hülse 28 ist dem Fuß 22 und das obere Ende 32 der Wölbung 34 des äußeren Kolbens 10 näher benachbart. Zu den Befestigungseinrichtungen 36 für die Hülse 28 gehören zwei Metallbänder 38, die fest um die Hülse 28 gewunden und mit dem stabilisierenden Halterungsdraht 39 verschweißt sind, welch letzterer der gesamten Halterung vertikale Stabilität mit Hilfe des geformten Ringes 4O verleiht, der mit engem Sitz in die Wölbung 34 des äußeren Kolbens 10 eingepaßt ist. Die Einrichtung 26 zum Unterdrücken der Konvektion ist betriebsmäßig gegenüber der Lichtbogenröhre 12 so angeordnet, daß die Hülse 28 die Lichtbogenröhre 12 seitlich ,umschließt und daß ihre Basis 30 das Ende 42 der Lichtbogenröhre 12 umschließt.

Der Getter 44 ist unterhalb der Basis 30 der Hülse 28 mit dem stabilisierenden Halterungsdraht 39 verschweißt. Der Getter entfernt oder gettert Wasserstoff aus der Füllung 24. Der nicht gezeigte erweiterte Teil des Fußes 22 ist mit dem äußeren Kolben 10 mit hermetischer Abdichtung verschweißt.

Um die Auswirkung der Hülse 28 auf die Lichtausbeute der Lampe möglichst gering zu halten, soll sie eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht aufweisen. Die Lichtausbeute und Färb— temperatur der Lampe werden gewöhnlich bei höheren Betriebstemperaturen und Drücken innerhalb der Lichtbogenröhre 12 verbessert. Die Hülse 28 soll relativ undurchlässig für Infrarotstrahlung sein, um den Wärmeverlust der Lichtbogenröhre durch Strahlung auf einem Mindestmaß zu halten. Bei Ausführungs-

formen, bei denen die Innenfläche des äußeren Kolbens 10 einen Phosphorüberzug aufweisen kann, soll die Hülse 28 eine hohe Durchlässigkeit für die den Phosphor erregende Strahlung aufweisen. Beispiele für geeignete Materialien zur Herstellung der Hülse 28 sind Quarz, Quarzglas und Aluminiumoxid. Diese Stoffe haben die Fähigkeit, den hohen Temperaturen in der Umgebung der Lichtbogenröhre standzuhalten, die bis zu 700 C betragen können.

Zur Herstellung der Metallbänder 38 eignet sich z.B. nichtrostender Stahl mit hohem Chromgehalt wegen seiner hervorp-agenden Haclitemperatureigenschaften, seines relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, seiner guten Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation und Korrosion sowie seiner hohen Zugfestigkeit.

Während des Dauerbetriebs der Lampe verhindert die Einrichtung 26 zur Unterdrückung der Konvektion, die in Fig. 1 aus der Hülse 28 besteht, die Ausbildung von Gasströmungen in der Füllung 24, durch welche Wärme vqn der Lichtbogenröhre direkt zu dem äußeren Kolben 10 geleitet würde. Ein Wärmeverlust durch Konvektion kann jedoch trotzdem noch durch einen zweiteiligen Prozeß eintreten, und zwar erstens durch Übertragung von Wärme von der Lichtbogenröhre 12 zu der Hülse durch Konvektionsströme in der Zone innerhalb der Hülse 28 und zweitens durch Übertragung von Wärme von der Hülse 28 zu dem äußeren Kolben 10 durch Konvektionsströme in der Zone außerhalb der Hülse 28. Aus diesem Grunde ist es von entscheidender Bedeutung, die Rayleighsche Zahl entweder innerhalb oder außerhalb der Hülse 28 zu beherrschen. Bei der Ausfifcruqgßfarmnach Fig. 1 ist der Radius der Hülse 28 gegenüber der Lichtbogenröhre 12 so gewählt, daß die Rayleighsche Zahl in der Zone innerhalb der Hülse 28 klein genug ist, um sicherzustellen, daß der Konvektionswärmeverlust bei Betriebsbedingungen nicht übermäßig groß wird. Wie erwähnt, hängt die Rayleighsche Zahl von der geometrischen Form der Zone ab, in der Konvektions-

ströme auftreten können. Da die Hülse 28 eine Begrenzung der Zone zwischen der Lichtbogenröhre 12 und der Hülse 28 bildet, kann der Radius der Hülse 28 so bestimmt werden, daß eine zweckmäßige Regelung der Rayleighschen Zahl in der Zone unter Betriebsbedingungen erreicht wird. Auf diese Weise ist übermäßiger Wärmeverlust durch Konvektionsstrome in der Füllung des äußeren Kolbens im wesentlichen unterdrückt worden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 verringert die Hülse 28 den elektrolytischen Natriumverlust durch Behindern der Wanderung von Elektronen von den seitlichen Stäben 18 und 19 zu der Lichtbogenröhre 12, obwohl sich Elektronen auf der Hülse 28 ansammeln. Da die Hülse 28 eine größere Oberfläche aufweist als die Lichtbogenröhre 12, ist das durch die Elektronenansammlung auf der Hülse 28 erzeugte elektrische Feld schwächer, als wenn es durch eine Akkumulation auf der Lichtbogenröhre 12 erzeugt würde. Als Ergebnis wird durch das Vorhandensein der Hülse die Wanderungsgeschwindigkeit des Natriums durch die " Lichtbogenröhre 12 hindurch herabgesetzt. Der verringerte Natriumverlust führt zu einer Verbesserung hinsichtlich des Lichtstromabfalls der Lampe. Dieser Vorteil wird bei jeder Ausführungsform erzielt, die eine die Konvektion unterdrückende Umschließung der Lichtbogenröhre aufweist.

Die Lampe nach Fig. 1 ist zum Betrieb in senkrechter Stellung entweder mit nach unten oder nach oben weisendem Sockel bestimmt. Es ist erforderlich, daß die Hülse 28 mindestens an einem Ende verschlossen ist, also am Basisende 30, am oberen Ende 32 oder an beiden Enden. Wären sowohl das Basisende 30 als auch das obere Ende 32 offen, so würde der Konvektionsstrom nicht wesentlich behindert. Dies ist bei Laboratoriumsversuchen bestätigt worden. Bei einer an beiden Enden offenen Hülse ergibt sich eine Aufwärtsströmung entlang den Lichtbogenröhrenwänden in der Zone innerhalb der Hülse, der sogenannte Kamineffekt, und eine Abwärtsströmung entlang den Wänden des äußeren Kolbens in der Zone außerhalb der Hülse. Diese Strö-

mungen übertragen Wärme von der Lichtbogenröhre zum äußeren Kolben und führen zu einem merklichen Konvektionswärmeverlust. Es ist daher entscheidend, daß die Hülse 28 an mindestens einem Ende geschlossen ist.

Bei anderen Ausführungsformen kann die Umschließung oder Hülse an beiden Enden geschlossen sein. Eine beiderseits geschlossene Hülse hat zwar einen die Konvektion unterdrückenden Effekt, doch ist es schwieriger, eine Lampe mit einer solchen Hülse herzustellen.

Die Lampe nach Fig. 1 kann mit einem begrenzten Konvektionsunterdrückungseffekt auch in waagerechter Lage betrieben werden. Der Effekt wird nicht optimal seih,'und es wird bei einer niedrigeren Rayleighschen Zahl als beim Betrieb der Lampe in senkrechter Stellung ein bedeutender Konvektionswärmeverlust auftreten. Trotzdem ergibt sich eine erhebliche Verbesserung der Betriebseigentschaften der Lampe im Vergleich zu der gleichen Lampe bei Betrieb in horizontaler Lage ohne die Einrichtung zum Unterdrücken der Konvektion.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung bei einer Metallhalogenidlampe mit einseitig endender Lichtbogenröhre. Bei dieser Ausführungsform besteht die Einrichtung 26 zum Unterdrücken der Konvektion aus einer rohrförmigen Hülse 28, deren oberes Ende 46 geschlossen und deren unteres Ende offen ist; das obere Ende 46 der Hülse 28 ist der Wölbung 34 und das untere Ende 48 dem Fuß 22 des äußeren Kolbens 10 näher benachbart.

Die Lampe nach Fig. 2 ist zum Betrieb in senkrechter Stellung bestimmt, entweder mit nach unten oder nach oben gerichtetem Sockel. Die Lampe kann in horizontaler Lage betrieben werden, wobei ein erheblicher, wenn auch nicht optimaler Konvektionsunterdrückungseffekt auftritt.

Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung bei einer Metallhalogenidlampe mit einer in dem äußeren Kolben 52 montierten zweiseitig endender Lichtbogenröhre 50. Die Lichtbogenröhre 50 ist mittels des Metallbandes 52 und des Zuleitungs- und Unterstützungsdrahtes 54 montiert. Das Band 52 ist fest um den Quetschfuß 56 der Lichtbogenröhre 50 gewunden und mit dem steifen Halterungs-Zuleitungsdraht 58 verschweißt. Letzterer ist mit dem steifen Zuleitungsdraht 60 verschweißt, der von dem Fuß 62 ausgeht. Der Stütz- und Zuleitungsdraht 54 ist in das enge Ende 79 der Feder 77 entlang deren Mittelachse eingeführt. Der auf diese Weise in der Feder 77 montierte Zuleitungsdraht 54 verleiht der inneren Konstruktion vertikale Stabilität mit Hilfe des mit einer Delle 66 in der Wölbung 68 des äußeren Kolbens 52 zusammenarbeitenden Endes 64 der Feder 77.

Die Einrichtung 66 zum Unterdrücken der Konvektion ist bei dieser Ausführungsform eine rohrförmige Hülse 70, deren oberes Ende 72 geschlossen und deren unteres Ende 74 offen ist; das obere Ende 72 der Hülse 70 ist der Wölbung 68 und das untere Ende 74 dem Fuß 62 näher benachbart.

Bei dieser Ausführungsform gehören zu der Befestigungseinrichtung 76 für die Hülse 70 die Feder 77, der Zuleitungsdraht und das Metallband 52. Der Zuleitungsdraht 54 erstreckt sich mit enger Passung durch ein Loch im oberen Ende 72 der Hülse 70. Die Hülse 70 weist nahe ihrem unteren Ende 74 zwei Kerben 78 auf, in die das Metallband 52 eingreift. Die Kerben 78 werden durch die Kraft, welche die Feder 77 auf die Hülse 70 in Richtung auf den Fuß 62 ausübt, in Eingriff mit dem Band 52 gehalten. Durch das beschriebene Montagesystem wird die Hülse 70 in koaxialer Ausrichtung gegenüber der Lichtbogenröhre 50 gehalten. Die geometrische Form der Zone innerhalb der Hülse 70, welche die Lichtbogenröhre 50 seitlich umschließt, bleibt fixiert, und die Konvektionsunterdrückungseigenschaften, d.h. die Werte der Rayleighschen Zahl in der

Zone bei Betriebsbedingungen werden aufrechterhalten.

Die Füllung 80, die zum Teil in Form einer Anzahl von Tupfen in der Zeichnung dargestellt ist, bildet die Umgebung innerhalb des äußeren Kolbens 52 und ist während des Betriebs der Lampe Konvektionsströmen ausgesetzt. Der gebogene Draht 82 verbindet die oberste Elektrode elektrisch mit dem Zuleitungsdraht 84.

Aus den gleichen Gründen wie hinsichtlich der Lampe nach Fig. 1 angegeben werden Konvektionsströme innerhalb des äußeren Kolbens der Lampe nach Fig. 3 bei Dauerbetrieb der Lampe im wesentlichen unterdrückt, selbst wenn der Betriebsdruck der äußeren Kolbenfüllung mehr als ein Zehntel einer Atmosphäre beträgt.

Die Lampe nach Fig. 3 ist zum Betrieb in senkrechter Stellung bestimmt, wobei da?Sockel nach unten gerichtet ist. Es stehen weitere alternative Ausführungsformen mit zweiseitig endenden Lichtbogenröhren zur Verfugung, die in senkrechter Stellung mit dem Sockel nach oben oder in waagerechter Lage betrieben werden können.

Bei den meisten Ausführungsformen bietet die Einrichtung zum Unterdrücken der Konvektion den zusätzlichen Vorteil, die Lichtbogenröhre im Fall des Zerplatzens zusammenzuhalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird z.B. die Hülse 70 die Scherben der Lichtbogenröhre 50 daran hindern, den äußeren Kolben 52 zu zertrümmern, falls die Röhre 50 aus irgendeinem Grunde platzen sollte. Außerdem arbeiten die Feder 77 und der Zuleitungsdraht 54 beim Zusammenhalten - mit der Hülse 70 zusammen; hierdurch wird ein Teil der Energie beim Bersten einer Lichtbogenröhre absorbiert, während der Rest dieser Energie in Richtung auf die Lampenbasis abgeleitet wird, wo die Gefahr einer Beschädigung des äußeren Kolbens 52 am geringsten ist.

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Fig. 4 ist ein Fließbild eines Verfahrens zum Herstellen einer Metallhalogenid-Bogenentladungslampe mit einer Umschließung zum Unterdrücken der Konvektion. Zu dem Verfahren gehören die folgenden Schritte: Formen eines äußeren Kolbens; Formen einer Lichtbogenröhre, die eine Füllung mit Metallhalogenidzusätzen enthält; Formen eines Fußes mit einem erweiterten Teil; Montieren der Lichtbogenröhre auf dem Fuß; Formen einer Umschließung; Montieren der Umschließung um die Lichtbogenröhre herum, um eine Baugruppe zu bilden; Montieren der Baugruppe im Inneren des äußeren Kolbens, Verschmelzen des erweiterten Teils des Fußes mit dem äußeren Kolben; Evakuieren des äußeren Kolbens; Füllen des äußeren Kolbens mit der gewünschten Atmosphäre; und Verschließen des äußeren Kolbens.

Es ist somit eine Metallhalogenid-Bogenentladungslampe mit einer Einrichtung zum Unterdrücken der Konvektion geschaffen worden, die wesentlich verbesserte Betriebseigenschaften aufweist, sowie Verfahren :?.um Betreiben und Herstellen solcher Lampen. ■ ·

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Claims

GTE PRODUCTS CORPORATION Wilmington, Delaware, USA

Metallhalogenid-Bogenentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung und zu ihrem Betrieb ■

Priorität: 18. August 1982 -USA- Serial No. 409 2^0

ANSPRÜCHE

Metallhalogenid-Boqenentladunqslampe, gekennzeichnet durch

(a) einen äußeren Lampenkolben (10; 52);

(b) eine Lichtboqenröhre (12; 50) innerhalb des äußeren Lampenkolbens, die nine Merallhaloqenidzusätze enthaltende Füllung aufweist;

(c) eine gasförmige Füllung (24; 80) innerhalb des äußeren Lampenkolbens, die beim Betrieb der Lampe Konvektionsströmen ausgesetzt ist; und

(d) Einrichtungen (26; 66) zum Unterdrücken von Konvektionsströmen innerhalb der Füllung des äußeren Lampenkolbens beim Dauerbetrieb der Lampe.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Einrichtung zum Unterdrücken der Konvektion (a) eine innerhalb des äußeren Lampenkolbens angeordnete Umschließung (28; 70) gehört, die die Seiten der Lichtbogenröhre (12; 50)

und mindestens eines ihrer Enden umschließt, wobei die Umschließung durchlässig für sichtbares Licht ist; sowie (b) Montageeinrichtungen (36; 76) zum Montieren und Unterstützen der Umschließung innerhalb des äußeren Lampenkolbens.
3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschließung (28; 70) so geformt ist und gegenüber der Lichtbogenröhre (12; 50) eine solche Lage einnimmt, daß der Wert der Rayleighschen Zahl in der die Lichtbogenröhre seitlich umgebenden Atmosphäre beim Dauerbetrieb der Lampe weniger

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als 5 χ 10 beträgt.
4. Lampe nach Anspruch 3,· dadurch gekennzeichnet, daß die Licht— bogenröhre eine Füllung aufweist, in der Natrium enthalten ist.
5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Lampenkolben (10; 52) an seiner Innenfläche einen Phosphorüberzug aufweist.
6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb des äußeren Lampenkolbens (10; 52) beim Dauerbetrieb der Lampe mehr als ein Zehntel einer Atmosphäre beträgt.
7. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht— bogenröhre (50) zweiseitig endet.
8. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenröhre (12) einseitig endet.
9. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsaufnahme der Lampe 100 W oder weniger beträgt.
10. Lampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenidzusätze innerhalb der Lichtbogenröhre bei voller Betriebstemperatur und vollem Betriebsdruck der Lampe teilweise verdampft sind.
11. Verfahren zum Verbessern der Betriebseigenschaften einer Metallhalogenid-Bogenentladungslarnpe mit einem äußeren Lampenkolben, einer in dem "äußeren Kolben angeordneten Lichtbogenröhre, die mit einer Metallhaloqenidzusätze enthaltenden Füllung versehen ist, sowie mit einer gasförmigen Füllung innerhalb des äußeren Kolbens, die beim Betrieb der Lampe Konvektionsströmen ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt, daß die Konvektionsströme innerhalb des äußeren Lampenkolbens in der die Lichtbogenröhre seitlich umgebenden Atmosphäre beim Dauerbetrieb der Lampe unterdrückt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt zum Unterdrücken der Konvektion Einrichtungen verwendet werden, um die Rayleighscho Zahl in der die Lichtbogenröhre seitlich umgebenden Atmosphäre während des Betriebs der Lampe so zu regeln, daP -ior Wert der Rayleighschen Zahl in der genannten Atmosphäre beim Dauerbetrieb der Lampe weniger als 5 χ 10 beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallhalogenidzusätze innerhalb der Lichtbogenröhre bei voller Betriebstemperatur und vollem Betriebsdruck der Lampe teilweise verdampft sind.