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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 insbesondere Hochdruckentladungslampen
mit keramischen Entladungsgefäß für die
Allgemeinbeleuchtung.
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Stand der Technik
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Die
US-A 4 970 431 offenbart
eine Natrium-Hochdruckentladungslampe, bei der der Kolben des Entladungsgefäßes
aus Keramik gefertigt ist. An den zylindrischen Enden des Entladungsgefäßes sind
flossenartige Fortsätze aufgesteckt, die der Wärmeabfuhr
dienen.
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Aus
der
EP-A 506 182 sind
Beschichtungen aus Graphit oder Carbon o. ä. bekannt, die
auf keramische Entladungsgefäße an den Enden aufgebracht
sind, um eine Kühlung zu bewirken.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen, deren Farbstreuung gegenüber bisherigen
Lampen deutlich reduziert ist.
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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
Hochdruckentladungslampe ist mit einem keramischen längsgestreckten
Entladungsgefäß ausgestattet. Das Entladungsgefäß definiert
eine Lampenachse und besitzt einen zentralen Teil und zwei Endbereiche,
die jeweils durch Abdichtungen verschlossen sind, wobei Elektroden
in den Abdichtungen verankert sind, die sich in das vom Entladungsgefäß umhüllte
Entladungsvolumen erstrecken, wobei außerdem eine Füllung,
die Metallhalogenide enthält, im Entladungsvolumen untergebracht ist.
Dabei sitzt an mindestens einem Endbereich eine ringförmige
Struktur, die sich, was zumindest ihren Grundkörper betrifft,
im wesentlichen achsparallel nach außen erstreckt und von
der Abdichtung beabstandet ist. Die Abdichtungen sind bevorzugt
Kapillaren.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Lampen mit erhöhtem Aspektverhältnis,
oder auch Lampen, welche verkürzte Strukturen für
die Abdichtungen aufweisen. Bevorzugt weist der Endenbereich eine sich
verjüngende Innenkontur im Elektrodenrückraum
auf. Das heißt, dass der zentrale Teil des Entladungsgefäßes
einen maximalen oder konstanten Innendurchmesser ID besitzt und
die Endbereiche einen kleineren Innendurchmesser aufweisen.
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Die
Ringstruktur ist bevorzugt konzentrisch außen um die Elektrodenkonstruktion
bzw. die Abdichtung am Endenbereich angeformt. Das Entladungsgefäß besteht
typisch aus aluminiumhaltiger Keramik wie PCA oder auch YAG, AlN,
oder AlYO3. Es wird eine freistehende, von der Abdichtung beabstandete
Kühlungsstruktur verwendet, die insbesondere selbst aus
Keramik geformt ist und insbesondere integraler Bestandteil des
Endenbereichs sein kann. Es kann sich jedoch auch um ein separates Bauteil
aus transluzenter Keramik handeln wie Al2O3 oder AlN, beispielsweise auch aus Steatit.
Das separate Bauteil ist mittels Zement oder Kleber am Ende des
Entladungsgefäßes befestigt.
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Die
Erfindung ist besonders geeignet für hochbelastete Metallhalogenidlampen,
bei denen das Verhältnis zwischen der Innenlänge
IL und dem maximalen Innendurchmesser ID des Entladungsgefäßes,
das sog. Aspektverhältnis IL/ID, zwischen 1,5 und 8 liegt.
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Es
zeigt sich, dass bei diesen Brennerformen, insbesondere wenn sie
zum Ende hin sich verjüngende Endenbereiche besitzen, eine
lokale Endenkühlung sinnvoll ist. Diese verbessert die
Füllungsverteilung im Brenner, weil sich die Füllung
bevorzugt im Bereich hinter den Elektroden im sogenannten Elektroden-Rückraum
ablagert und damit zu einer verbesserten Farbstabilität
als auch zu einer erhöhten Lichtausbeute führt.
Insbesondere bei Verwendung von Na- und/oder Ce-haltigen Füllungen lassen
sich extrem hohe Lichtausbeuten mit hoher Farbwiedergabe erzielen.
Es zeigt sich, dass bei Anwendung eines geeigneten Betriebsverfahrens
die Leistungskennlinie der Lampe günstig beeinflusst werden
kann, so dass eine Lichtausbeute bis über 150 lm/W bei
Beibehaltung eines Farbwiedergabeindex Ra > 80 langzeitstabil erzielt werden kann.
Derartige Betriebsverfahren sind beispielsweise in
EP 1560 472 ,
EP 1 422 980 ,
EP 1 729 324 und
EP 1768 469 angegeben.
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Unabhängig
von der Formgebung der Wand zwischen den Elektroden kann der Temperaturgradient
bei hochbelasteten Brennern, die typisch eine Wandbelastung von
mindestens 30 W/cm2 im Bereich der axialen
Länge zwischen den Elektroden erreichen, durch die Wahl
des Ansatzpunktes für die Kühlstruktur beeinflusst
und eingestellt werden. Damit kann die Konstanz der Farbtemperatur
und die Ausbeute der resultierenden Metallhalogenidlampe wesentlich
verbessert werden.
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Durch
das Vermeiden eines Kontaktes zwischen Kühlstruktur und
Abdichtung (meist eine Elektroden-Durchführungs-Kapillare)
wird eine effektive Kühlung am Ansatzpunkt der Kühlstruktur
gewährleistet und gleichzeitig ein Wärmefluss
auf die Abdichtung vermieden. Dies vermindert die Verluste an den
Enden und erhöht den Temperaturgradienten im Bereich der
Abdichtung.
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Dies
gilt insbesondere bei Metallhalogenidlampen, welche mindestens eines
der Halogenide des Ce, Pr oder Nd, insbesondere zusammen mit Halogeniden
des Na und/oder Li enthalten. Hier treten sonst Farbtemperaturschwankungen
aufgrund von Destillationseffekten auf.
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Bevorzugt
ist auch die Anwendung bei Lampen mit hohem Aspektverhältnis
von 2 bis 6 und bei Lampen mit Anregung von akustischen Resonanzen, die
zur Aufhebung von longitudinaler Segregation in vertikaler Brennlage
verwendet werden.
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Insbesondere
sind vorteilhaft die Abdichtungen als Kapillaren ausgeführt.
Sie können aber auch anders ausgeführt sein, siehe
beispielsweise
DE-A 197
27 429 , wo ein Cermetstift verwendet wird.
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Besonders
gute Kühlwirkung lässt sich bei Lampen mit konstantem
Innendurchmesser erzielen, wenn der Kühlring den gleichen
maximalen Durchmesser wie der Endenbereich hat. Aber auch ein kleinerer
Durchmesser kann ausreichen.
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Im
allgemeinen hat der Kühlring einen Innendurchmesser von
1,1 bis 2 × DU (DU = Außendurchmesser der Kapillare).
Insbesondere ist seine Wandstärke etwa 0,3 bis 3 mm. Insbesondere
kann die den Innendurchmesser mit dem Außendurchmesser
verbindende Stirnfläche abgeschrägt sein. Sie
kann auch mit einer Beschichtung versehen sein. Die Beschichtung
sollte hochemissiv sein. Geeignete Materialien sind insbesondere
Graphit oder Carbon, also andere Kohlenstoff-Modifikationen wie
z. B. DLC(diamond-like carbon).
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Generell
kann das Kühlungsverhalten auch dadurch gesteuert werden,
daß ein Teil des Ringes wie die Stirnfläche mit
einer Beschichtung hoher Emissivität bedeckt ist.
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Als
Material des Kolbens kann PCA oder jede andere übliche
Keramik verwendet werden. Auch die Wahl der Füllung unterliegt
keiner besonderen Einschränkung.
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Entladungsgefäße
für Hochdrucklampen mit annähernd gleichmäßiger
Wanddickenverteilung und schlank auslaufenden Endenformen zeigen
bisher abhängig von der Füllungszusammensetzung
eine teilweise hohe Farbstreuung durch die starke Verteilung der
Metallhalogenid-Füllung im Inneren des Entladungsgefäßes.
Typisch kondensiert die Füllung im Bereich hinter einer
Linie, die durch Projektion der Elektrodenspitze auf die innere
Brenner-Oberfläche bestimmt ist. Die Füllungspositionierung
auf eine Zone der Oberfläche im Innern des Entladungsgefäßes,
die einem engen Temperaturbereich entspricht, und in die Restvolumina
der – eventuell vorhandenen – Kapillaren hinein
ist bisher nicht hinreichend genau einstellbar.
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Bisherige
Entladungsgefäße haben oft eine Form mit verstärkter
Wanddicke an den Endflächen, z. B. bei zylindrischen Brennerformen,
und erzeugen dadurch eine vergrößerte Endenoberfläche.
Ein weiteres Problem ist die durch den wanddickenabhängigen
spezifischen Emissionskoeffizienten der Keramik erhöhte
Abstrahlung von IR-Strahlung beim Betrieb des Entladungsgefäßes
im evakuierten oder gasgefüllten Außenkolben.
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Hierdurch
wird durch einen Wärmesenkeneffekt am Ende des Entladungsgefäßes
der größte Teil der Füllung lokalisiert,
die den Dampfdruck der verwendeten Metallhalogenide im Entladungsgefäß derart
bestimmt, dass bei Keramiklampensystemen ein befriedigender Wert
der Streuung der Farbtemperatur von höchstens 75 K für
größere Lampengruppen gleicher Betriebsleistung
einstellbar ist.
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Bei
kugeligen Entladungsgefäßen oder solchen mit Halbkugelendformen
oder konisch zulaufenden Endenformen oder elliptisch ausgeformten Endenformen
und zylindrischem Mittenteil mit einem relativ hohen Aspektverhältnis
von IL/ID von etwa 1,5 bis 8 ergeben sich besonders gravierende
Probleme. Aufgrund des sich verjüngenden Übergangs
in den Bereich der Abdichtung, meist ein Kapillarbereich, ergeben
sich teilweise unzureichende Kühlungseffekte am Ende des
Entladungsgefäßes und damit eine unzureichende
Festlegung der Temperatur, die für eine zielgenaue Füllungsablagerung
in einem engen Temperaturbereich der Innenwandung nicht ausreicht.
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Bei
einer Brennergeometrie, die keine Kühlstruktur aufweist,
siehe 8, wird ein sehr kleiner Temperaturgradient von
Brennerkörper zur Verschluss-Struktur er zeugt, was eine
bevorzugte Destillation der Füllung in der Durchführungsstruktur
zu Folge hat.
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Bei
einer Brennergeometrie, bei der die Abdichtung als massiver Stopfen
ausgeführt ist, siehe 9, wird
ein vergrößerter Kühleffekt der Außenoberfläche
erzeugt. Gleichzeitig wird aber auch eine große Wärmemenge
in die angrenzende Abdichtung eingeführt, was eine vergrößerte
Brennermasse und vergrößerte Wärmeleitungsverluste
mit sich bringt.
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Beide
Lösungen haben Nachteile für die Leistungscharakteristik
der Metallhalogenidlampe.
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Eine
weitere bekannte Lösung (10) sind Finnen
oder flossenartige Ausformungen. Diese erhöhen zwar die
kühlende Oberfläche, sie bilden jedoch eine Wärmebrücke
zwischen Brennerende und Abdichtung, insbesondere wenn kurze Kühlungslängen
bevorzugt werden und die Kühlungsstruktur eine erhöhte
Anzahl von Kühlrippen aufweist.
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Diese
Nachteile werden von der erfindungsgemäßen Kühlstruktur
in Ringform vermieden. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Kühlstruktur ganz oder teilweise
mit einer Beschichtung versehen. Sie besteht aus einem Material,
das im Nahen Infrarot (NIR), insbesondere im Wellenlängenbereich
zwischen 1 und 3 μm, gegenüber dem keramischen
Material der Kühlstruktur eine erhöhte hemisphärische
Emissivität ε im Temperaturbereich zwischen 650
und 1000°C aufweist. Die Beschichtung sollte vorzugsweise
im Bereich des Überganges zwischen dem Ende des Entladungsgefäßes und
der Abdichtung angebracht sein.
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Als
Beschichtungsmaterialien eignen sich hochtemperaturfeste Beschichtungen
mit hemisphärischen Emissionskoeffizienten ε,
wobei für ε bevorzugt gilt, dass ε ≥ 0,6.
Darunter fällt Graphit, Mischungen von Al2O3 mit Graphit,
Mischungen von Al2O3 mit Carbiden der Metalle Ti, Ta, Hf, Zr, sowie
von Halbmetallen wie Si. Geeignet sich auch Mischungen, die noch
zusätzlich andere Metalle zur Einstellung eventuell gewünschter
elektrischer Leitfähigkeit enthalten.
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Selbstverständlich
können beide Maßnahmen miteinander geeignet kombiniert
werden, so dass ein Teil der Oberflächenabstrahlungserhöhung über
eine Vergrößerung der Oberfläche durch
die Ringstruktur und gleichzeitig ein Teil durch die Beschichtung
von Teilen dieser Ringstruktur oder der angrenzenden kälteren
Abdichtungsbereiche erfolgt.
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Insgesamt
ergeben sich eine Reihe von Vorteilen bei Verwendung eines integralen
Kühlrings bei keramischen Entladungsgefäßen:
- 1. Effektivere Kühlung bei gleichzeitig
relativ geringer zusätzlicher Keramikmasse;
- 2. Verringerung des longitudinalen Wärmeflusses in
die Abdichtung;
- 3. deutlich vergrößerte Flexibilität
der Oberflächeneinstellung im Endenbereich;
- 4. Verringerung der Abschattungseffekte im Raumwinkelbereich
der Elektrodenzuführung;
- 5. Einstellbarkeit effektiver lokaler Thermostatwirkung mittels
relativ kleiner Oberflächenbereiche.
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Diese
Eigenschaften sind insbesondere für hochbelastete Formen
von Entladungsgefäßen mit kleiner Gesamtoberfläche
und evtl. erhöhtem Aspektverhältnis wichtig, da
unter diesen Voraussetzungen eine lokale Kühlung durch
Wärmefluss über relativ große Wandquerschnittsflächen
schwierig wird.
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Die
Gesamtmasse des Entladungsgefäßes erhöht
sich durch diese Art von Ringkühlung nur unwesentlich und
bleibt damit unter einem kritischen Wert, der das Anlaufverhalten
der Lampe bei der Zündung negativ beeinflussen würde.
Es gibt somit einen ausgeklügelten Kompromiss zwischen
guter Zündung und effektiver Kühlung. Diese Maßnahme erlaubt
eine sehr hohe Farbstabilität unter der bewussten Inkaufnahme
einer schlechten Isothermie. Dies geschieht in Abkehr von der bisherigen
Zielsetzung möglichst guter Isothermie und erlaubt es,
die Zone der Kondensation der Füllung exakt zu bestimmen
durch bewusste Gestaltung eines Temperaturgradienten.
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Die
Kühlwirkung lässt sich insbesondere steuern durch
die maximale Höhe der Ringkühlung, insbesondere
wenn sie am Endenbereich des Entladungsgefäß ansetzt,
da je nach Ansatzhöhe die Ableitung von einem anderen Temperaturniveau
aus erfolgt.
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Ein
besonderer Vorteil einer derartigen integralen Ringkühlung
ist, dass sie nicht nur effektiv kühlt, sondern daß sie
auch einfach herzustellen ist, wenn man moderne Fertigungsverfahren
wie Spritzguss, Schlickerguss oder rapid prototyping verwendet.
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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 ein Detail des Entladungsgefäßes
aus 1 in Perspektive (2a) und
in Längsschnitt (2b);
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3–4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Endenbereichs eines
Entladungsgefäßes;
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5–6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Entladungsgefäßes;
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Endenbereichs eines
Entladungsgefäßes;
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8–10 Ausführungsbeispiele
eines Endenbereichs gemäß dem Stand der Technik;
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11–13 weitere
Ausführungsbeispiele eines Enden-Bereichs eines Entladungsgefäßes.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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1 zeigt
eine Metallhalogenidlampe 1. Sie besteht aus einem rohrartigen
Entladungsgefäß 2 aus Keramik, in das
zwei Elektroden eingeführt sind (nicht sichtbar). Das Entladungsgefäß hat
einen zentralen Teil 5 und zwei Enden 4. An den
Enden sitzen zwei Abdichtungen 6, die hier als Kapillaren
ausgeführt sind. Bevorzugt ist das Entladungs gefäß und
die Abdichtungen integral aus einem Material wie PCA hergestellt.
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Das
Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umgeben,
den ein Sockel 8 abschließt. Das Entladungsgefäß 2 ist
im Außenkolben mittels eines Gestells, das eine kurze und
lange Stromzuführung 11a und 11b beinhaltet,
gehaltert. An den Abdichtungen 6 sitzt jeweils eine Ringkühlungsstruktur 10,
die um die Abdichtung umläuft.
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2a zeigt
eine Ringkühlungsstruktur 10 in perspektivischer
Ansicht in Verbindung mit einer kurzen Abdichtung 16. 2b zeigt
einen Längsschnitt des Bereichs einer Abdichtung 16.
Die Ringkühlungsstruktur 10 setzt im sich verjüngenden
Endenbereich 4 des Entladungsgefäßes 2 an
und umgibt die Abdichtung mit einigem Abstand.
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3 zeigt
eine Ringkühlungsstruktur 13, die statt eines
konstanten Innendurchmessers und Außendurchmessers sichelförmig
oder auch halbkreisförmig ausgeschnittene Strukturen 19 besitzt, die
außen am Ring 13 ansetzen. Somit ist der Innendurchmesser
ID zwar konstant, aber der Außendurchmesser AD variiert
periodisch.
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Schließlich
ist es auch möglich, dass kleine Aussparungen 20 die
Ringstruktur 13 unterbrechen, siehe 4. Dies
zielt darauf ab, die abstrahlende Oberfläche zu vergrößern.
Die Anzahl der Aussparungen beträgt vorteilhaft bis drei,
wie hier gezeigt.
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5 zeigt
ein Entladungsgefäß 2, bei dem die Abdichtung
durch eine Kapillare realisiert ist. Der Kühlring 13 weist
eine Aussparung 20 auf. Mit Aussparung ist hier eine Unterbrechung
gemeint, deren Winkellänge sehr klein im Vergleich zur
Winkellänge des verbleibenden Ringes ist. Die Aussparungen
machen zusammen typisch höchstens 10% der gesamten Winkellänge
von 360° aus. Dieser Wert ist deshalb möglichst
niedrig zu wählen, weil die Unterbrechungen die Kühlleistung
mindern. Derartige konzentrische oder teilweise konzentrisch angeordnete (teil)zylindrische
Ansätze des Kühlrings im Bereich der sich verjüngenden
Innenkontur bilden eine Kühlstruktur, ohne dass dies longitudinal
in Richtung der Brennerachse einen Wärmefluss zum Brennerendenbereich
bewirkt.
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Durch
Ansatzort, Wandstärke und Höhe des Kühlrings
lässt sich der Kühleffekt auf der Oberflächenzone
des Brennergefäßes lokal einstellen und auf die
jeweiligen Erfordernisse maßschneidern.
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Der
Ansatzpunkt des Kühlrings auf dem sich verjüngenden
Endenbereich 4 ist gegeben ist durch den Innendurchmesser
DRI, wobei DRI im Bereich zwischen 95% und 25% des Maximaldurchmessers Dmax
des Entladungsgefäßes liegt. Bevorzugt liegt DRI
zwischen 80% und 25% von Dmax. Die Wandstärke TH des sich
verjüngenden Endenbereichs 4 ist häufig,
wie hier gezeigt, nicht konstant. Bevorzugt wird die Orientierung
der ringförmig angeordneten Kühlstruktur derart
gewählt (6), dass der Ansatzpunkt der
Ringstruktur außerhalb der engsten Stelle E des sich verjüngenden
Endenbereich 4 liegt. Häufig ist der Eingang der
Kapillare als ebene Fläche 25 ausgebildet, die
quer zur Lampenachse liegt, wodurch eine engste Stelle sich zwangsläufig
ergibt. DRA ist der Außendurchmesser der Ringstruktur.
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Die
minimale Wandstärke im Endenbereich besitzt bevorzugt 20–80%
der maximalen Wandstärke im Endenbereich, wie sie insbesondere
am Beginn der Verjüngung auftritt.
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WD
ist die Wandstärke im Zentrum des Entladungsgefäßes.
Die Ringstruktur 13 sollte möglichst vermeiden,
dass im sich verjüngenden Endenbereich 4 eine
Wandstärke TH > WD
auftritt, da sonst ein erhöhter Wärmefluss in
die Kapillarquerschnittsfläche erfolgt und dies zu erhöhten
Wärmeleitungsverlusten führen kann.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Entladungsgefäßes 30,
bei dem das Ende 31 des Entladungsgefäßes
sich nicht verjüngt, sondern das Entladungsgefäß einen
konstanten Durchmesser DD aufweist. Die Kapillare 6 sitzt
in einem Stopfen 32. Die Ringstruktur ist als weiteres
stopfenartiges zylindrisches Teil 33 zwischen Stopfen 32 und
Ende 31 des Entladungsgefäßes eingesetzt
und jeweils mit Stopfen 32 und Entladungsgefäß 30 versintert.
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Integrale
Kühlstrukturen sollten in etwa achsparallel sein, damit
sie leicht zu fertigen sind. Vorteilhaft sind jedoch in ihrer Geometrie
modifizierte Kühlstrukturen, die von der Achsparallelität
abweichen. Damit wird eine Rück-Reflexion auf das Ende des
Entladungsgefäßes, insbesondere auf die Kapillare
elegant und effektiv vermieden. 11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Ringstruktur 39 einen
achsparallelen Grundkörper 40 hat, der einen Stopfen
umgibt, und der einen von der Achse nach außen geneigten
Abstrahlungskörper in Gestalt einer abstehenden umlaufenden
Finne oder auch einzelner Stacheln 41 hat. Es können
auch mehrere Stacheln axial hintereinander auf einem Grundkörper angeordnet
sein.
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Bevorzugt
ist die Ablenkung des Abstrahlungskörpers gegen die Längsachse
etwa 90°, um Rückreflexion auf die Kapillare 6 weitestgehend
zu vermeiden. Vorteilhaft ist, dass die abstehende Länge
AB deutlich den Durchmesser DU des Entladungsgefäßes 38 verlängert
um jegliche Rückreflexion zu minimieren.
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12 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem am Grundkörper 40 ein
tellerartiges Endteil als Abstrahlkörper 43 angesetzt
ist, das etwa einen Winkel von 45° zur Längsachse
bildet.
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13 zeigt
ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Problem der Rückreflexion
auf andere Weise gelöst worden ist. Hier ist die Ringstruktur
am entladungsfernen Ende spitz zulaufend, so dass ihre innenliegende
Wandseite, die zur Kapillare zeigt, so abgeschrägt (44)
ist, dass die abgegebene Strahlung nach Reflexion an der Kapillare
schräg nach außen gelangt. Zur verbesserten Unterdrückung
der schädlichen IR-Strahlung sind außerdem bevorzugt
auf mindestens einer der beiden Flächen Kapillare und/oder
Innenseite der Ringstruktur eine IR-reflektierende Beschichtung 50 wie
an sich bekannt aufgebracht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4970431
A [0002]
- - EP 506182 A [0003]
- - EP 1560472 [0011]
- - EP 1422980 [0011]
- - EP 1729324 [0011]
- - EP 1768469 [0011]
- - DE 19727429 A [0016]