DE102008026522A1

DE102008026522A1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102008026522A1
Application number: DE102008026522A
Authority: DE
Inventors: Patrick Müller; Klaus Dr. Stockwald; Herbert Weiss
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: WO2009147058A1; CN102057460A; JP2011523767A; EP2281298B1; US20110074286A1; US8334652B2; EP2281298A1

Abstract

Die Hochdruckentladungslampe weist ein keramisches Entladungsgefäß mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1,5 auf. Für den Betrieb mit akustischen Resonanzen wird eine Wandbelastung von 28 bis 40 W/cm2 und gleichzeitig eine spezifische Nennleistung von 17 bis 22 W/cm2 sichergestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Hochdruckentladungslampen sind für den Betrieb mit akustischen Resonanzen bestimmt und haben normalerweise eine Metallhalogenidfüllung.
Stand der Technik
Die WO 2005/088675 offenbart eine Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß, die eine Metallhalogenidfüllung hat, wobei neben Hg und Xe die Metallhalogenide NaJ, TlJ, CaJ2 sowie SEJ3 verwendet werden. Als Seltenerdmetalle SE finden vor allem Ce, Nd und/oder Pr Anwendung. Die Wandbelastung soll mindestens 30 W/cm² betragen, bezogen auf den Bereich der Entladungslänge zwischen den Elektroden. Diese Lampe ist für Kfz-Anwendungen gedacht und wird ohne akustische Resonanz betrieben.
Eine ähnliche Hochdruckentladungslampe ist in EP 1 729 324 gezeigt. Hier ist die Möglichkeit des Resonanzbetriebs mit longitudinaler akustischer Resonanz im Detail beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallhalogenidlampe anzugeben, die für den Betrieb mit akustischen Resonanzen vorgesehen ist, und die sich durch hohe Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Grundsätzlich werden für den Betrieb mit akustischen Resonanzen keramische Entladungsgefäße mit Metallhalogenidfüllung verwendet. Um eine hohe Effizienz sicherzustellen, die im Bereich zwischen 120 und 150 lm/W liegen kann, hat sich gezeigt, dass die thermischen Bedingungen gezielt verbessert werden müssen. Für verschiedene Nennleistungen muss dazu gezielt eine akustisch induzierte Konvektion angetrieben werden, die nach bestimmten Regeln mit der Oberfläche des Entladungsgefäßes skaliert. Dadurch lassen sich neuartige thermische Bedingungen erzwingen, die die Effizienz typisch in Höhen von 140 bis 150 lm/W bringen.
Ziel ist es, eine stabile Mehrzellen-Konvektion zu erreichen. Diese kann dann über einen großen Nennleistungsbereich aufrechterhalten werden. Dafür ist entscheidend, Bereiche spezifischer Oberflächen festzulegen und Richtlinien dafür zu beachten. Eine geeignete Kenngröße dazu ist die Leistungsdichte.
Durch die Beschreibung der Skalierungsgesetze für die Verhältnisse von Oberflächen in Bezug auf die angewandte Nennleistung können keramische Entladungsgefäße für unterschiedliche Leistungsklassen und Lichtstromklassen konfiguriert werden.
Die Erfindung regelt gezielt die Konvektionsströmung in der mit akustischen Moden betriebenen Füllung. Diese Strömung würde zu einem zusätzlichen Wärmestrom hinter die Elektrodenspitze zum Ende des Entladungsvolumens hin führen. Dies würde eine Aufheizung dieses Endes und auch des cold-spot bedingen. Zur Eindämmung dieser Aufheizung muss eine effektive Endenkühlung etabliert werden, so dass der cold-spot und das Ende des Entladungsgefäßes nicht zu stark aufgeheizt werden.
Um eine Metallhalogenidlampe im longitudinalen akustischen Mode betreiben zu können, sollte die Geometrie des Entladungsgefäßes ein sog. Aspektverhältnis AV von mindestens 1,5 aufweisen. Bevorzugt liegt es im Bereich 3,5 bis 6, insbesondere ist AV = 4,5 bis 5, besonders geeignet ist ein Aspektverhältnis AV von 4,6 bis 4,8. Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Innenlänge und dem Innendurchmesser des Entladungsgefäßes. Das Entladungsgefäß hat eine Längsachse und ist im wesentlichen zylindrisch. Es kann auch leicht in der Mitte ausgebaucht sein. Eine Betriebsweise für derartige Lampen ist beispielsweise in US 6 400 100 offenbart.
Bevorzugt wird ein bezogen auf das Innenvolumen zylindrisches Entladungsgefäß verwendet. Es hat eine äußere Mantelfläche sowie äußere Stirnflächen oder zumindest Schrägflächen, die sich bis zu den Fußpunkten von rohrförmigen Enden, oft handelt es sich dabei um Kapillaren, erstrecken. Die äußere Mantelfläche plus die äußeren Schräg- und Stirnflächen definieren eine gesamte äußere Oberfläche OSUM, unter Ausschluss der Kapillaren oder von Stopfen. Setzt man die Nennleistung P in Beziehung zu dieser gesamten äußeren Oberfläche OSUM, so zeigt sich, dass für eine hohe Effizienz die so definierte spezifische Nennleistung PS = P/OSUM einen Wert von 17 bis 22 W/cm² erreichen muss, während gleichzeitig die Wandbelastung hoch gehalten werden muss. Sie soll mindestens 28 W/cm² erreichen.
Zum Verständnis der Erfindung ist es notwendig, in Gedanken das Entladungsgefäß quer zur Längsachse in drei Abschnitte zu unterteilen. Die Grenze ist dabei jeweils die Spitze der Elektrode. Das Lot auf die Längsachse, das die Spitzen schneidet, definiert einen heißen Bogenabschnitt, in dem sich der Entladungsbogen erstreckt. Er wird im Betrieb relativ heiß. Die Wandbelastung im Bereich dieses Bogenabschnitts soll bevorzugt im Bereich 28 bis 40 W/cm² betragen. Diese äußere Oberfläche des Bogenabschnitts sei mit OH bezeichnet.
Die Oberfläche der dahinterliegenden Enden einschließlich schräger Flächen oder Stirnflächen, die die Kühlung bewirken, sei mit OK bezeichnet. Da das Entladungsgefäß zwei Enden hat, muss die Oberfläche beider Enden herangezogen werden. In der Regel sind beide Enden symmetrisch, so dass jede kühlende Oberfläche die Hälfte von OK hat.
Eine Kühlung wird dann besonders effektiv, wenn der Bogenabschnitt, dem OH zugeordnet ist, die hohe Wandbelastung W von mindestens 28 w/cm² im Betrieb erreicht, während die gesamte Oberfläche OSUM, also die Summe aus OH und OK, die deutlich geringere spezifische Nennleistung von 17 bis 22 W/cm² aufweist. Mit anderen Worten muss die Oberfläche OK im Bereich der Enden genügend groß sein. Bevorzugt liegt das Verhältnis VH zwischen OK und OH bei 0,75 bis 1,00. Besonders bevorzugt liegt es im Bereich VH = 0,85 bis 0,90. Durch technische Kniffe wie Beschichtungen oder Vergrößerung der Oberfläche mittels Rippen oder Finnen im Bereich von OK kann VH modifiziert werden.
Günstig für die thermischen Bedingungen ist auch, wenn die Kapillaren nicht allzuviel Platz einnehmen. Ein bevorzugter Wert für das Verhältnis VK zwischen der gesamten Oberfläche OC der beiden Kapillaren einschließlich Stirnflächen und der gesamten Oberfläche des Entladungsgefäßes OSUM ist VK = 0,15 bis 0,35. Bevorzugt ist ein Wert von 0,22 bis 0,25.
Die Wandstärke des Entladungsgefäßes sollte bevorzugt so bemessen sein, dass die spezifische Nennleistung WI der gesamten inneren Wandfläche, die das Entladungsvolumen abgrenzt, bei 30 bis 42 W/cm² liegt. Bevorzugt ist ein Wert für WI von 38 bis 41 W/cm².
Bei Einhaltung derartiger Wandbelastungen und spezifischer Nennleistungen lässt sich ein geeigneter longitudinaler Temperaturgradient TE von 15,5 bis 19 K/mm im Bereich des Entladungsvolumen erzielen. Damit ist das Temperaturgefälle zwischen dem Mittenpunk M, der mittig zwischen den beiden Elektroden liegt, und dem jeweiligen Endpunkt S des Entladungsvolumens, das durch eine Stirnfläche verschlossen ist, gemeint, wobei die Temperatur außen am Entladungsgefäß gemessen wird. Die Entfernung entlang der Achsenprojektion zwischen M und S sei mit g bezeichnet.
Bevorzugt soll die Kapillare so konstruiert sein, dass der Temperaturgradient TK über die innere axiale Länge L der Kapillare 30 bis 45 K/mm, insbesondere 34 bis 40 K/mm, beträgt. Dieser Wert ist höher als bei heutigen Lampen (der zeit weniger als 30 K/mm). Er wird dadurch erreicht, dass die Endenstruktur so kurz wie möglich gemacht wird.
Mit diesen Abmessungen sollten sich folgende Temperaturen einstellen. In der Mitte des Entladungsgefäßes sollte sie höchstens 1200°C betragen, am Ende sollte sie jedoch am Punkt S auf höchstens 1080°C abgefallen sein. Bevorzugt sollte sie im Bereich 1050 bis 1070 liegen, am besten ist ein Wert unterhalb von 1050°C.
Diese Betrachtung ist unabhängig davon, ob die Endenkonstruktion in integraler Bauweise, Stopfen, etc. erfolgt.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung berücksichtigt, dass zur Unterstützung des Kühleffekts an der kühlenden Endenoberfläche zumindest teilweise auf der äußeren Oberfläche OK des Entladungsgefäßes eine im sichtbaren Spektralbereich transparente Beschichtung mit erhöhter NIR-Emissivität angebracht ist. Mit NIR ist ein Bereich von 0,8 bis 3 μm (nahes Infrarot) gemeint. Die typische NIR-Emissivität e von Keramiken wie Al2O3 ohne Beschichtung ist etwa 0,1. Die Beschichtung kann sich über den gesamten Endenbereich, oder auch nur einen Teil davon, erstrecken. Die Emissivität e kann dabei Werte von bis zu 0,8 im Falle von Graphit erreichen.
Die langwellige IR-Strahlung zwischen 3 und 8 μm wird dagegen z. T. vom Hüllkolben reflektiert und kann nicht zur lokalen Kühlung von Oberflächenbereichen herangezogen werden. Dagegen kann die Strahlung im Bereich bis 3 μm teilweise durch das Glas des Außenkolbens entweichen. Die Emissivität für diesen Bereich kann daher gezielt mit ei ner Beschichtung verbessert werden um die Kühlung des Endenbereichs zu unterstützen.
Als Beschichtung eignet sich jede im sichtbaren Spektralbereich transparente hochtemperaturfeste Schicht, insbesondere Graphit aber auch transparente leitfähige Schichten oder Multilayerschichten (z. B. ZrO2/ITO (Indium-Zinn-Oxid)), wobei die äußerste Schicht eine leitfähige Schicht darstellt. Leitfähige transparente hochtemperaturfeste Schichten haben die Eigenschaft einer ihrer inneren Elektronen-Plasmafrequenz entsprechenden Emissivität. Wenn eine Teilfläche des zu kühlenden Bereichs beschichtet wird, nimmt dessen Emissivität zu. Daher kann die kühlende Oberfläche am Ende verringert werden, und zwar herab bis zu einem Wert von 60% der Oberfläche ohne Beschichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß;
2 das keramische Entladungsgefäß im Schnitt im Detail;
3 eine Darstellung der relevanten Parameter am Entladungsgefäß;
4 eine Alternative für den Endbereich mit Beschichtung.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 1 zeigt 1. Sie hat ein keramisches Entladungsgefäß 2, das zweiseitig verschlossen ist. Es ist längsgestreckt und hat zwei Enden 3 mit Abdichtungen 6. Im Innern des Entladungsgefäßes sitzen zwei Elektroden 4 einander gegenüber. Die Abdichtungen 6 sind als Kapillaren ausgeführt, in denen ein Elektrodensystem 16 mittels Glaslot 19 abgedichtet ist. Aus der Kapillare 6 ragt jeweils eine Zuleitung 5, die mit der zugeordneten Elektrode 4 in bekannter Weise verbunden ist, hervor. Diese ist jeweils über ein Gestell 7 mit einem Kontakt im Sockel 13, verbunden.
Als Füllung für das Entladungsgefäß eignen sich bekannte Metallhalogenidfüllungen, insbesondere enthält das Entladungsgefäß eine Füllung mit Metallhalogeniden, die ausgewählt ist aus der Gruppe der Jodide von Na, Tl, Ca, Seltene Erdmetalle (SE) allein oder in Kombination. Das System ist insbesondere für folgendes Füllsystem geeignet: NaJ, TlJ, CaJ2 zusammen mit SEJ3, wobei SE mindestens eines der Elemente Ce, Pr, Nd ist.
In 2 ist der Endbereich im Detail gezeigt. Die Kapillare 6 ist hier integral an das Entladungsvolumen angesetzt. Der Endenabschnitt beginnt in Höhe der Spitze der Elektrode (gestrichelt eingezeichnet, Linie a) und erstreckt sich bis zu dem Punkt, an dem die Kapillare ihren konstanten Durchmesser erreicht (Linie b).
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Entladungsgefäß ein zylindrisches Rohr 20 mit einem Aspektverhältnis von ca. 4,7 ist. Am leicht verjüngten Ende ist ein Stopfen 6 in die Rohröffnung des Endes eingesetzt und mtitels Glaslot abgedichtet. Die Nennleistung beträgt 70 W. Die gesamte Wandbelastung ist 19,5 W/cm². Die Wandbelastung im Bereich zwischen den Spitzen der Elektroden (zwischen den beiden Linien a) ist 34 W/cm². Das Verhältnis zwischen gekühlter Oberfläche (hinter der Spitze des Entladungsgefäßes einschließlich der Stirnfläche bei Linie b) und geheizter Oberfläche (zwischen den beiden Linien a) zwischen den Elektroden beträgt hier etwa 85%. Das Verhältnis zwischen der gesamten Oberfläche der Kapillaren und der des Entladungsgefäßes ist 22 bis 25%. Die Wandbelastung an der inneren Oberfläche 21 (gesamt) ist 39,5 W/cm².
Der Gradient der Temperatur (außen am Entladungsgefäß gemessen) zwischen der Mitte M des Entladungsgefäßes (genau zwischen den beiden Elektrodenspitzen) und dem Punkt S außen an der Stirnfläche, die das Entladungsgefäß abschließt, beträgt 15,5 bis 19 K/mm. Bevorzugt ist ein möglichst hoher Wert zwischen 17,5 und 18,5 K/mm. Dagegen ist ein heute üblicher Wert 12 bis 15 K/mm.
In ähnlicher Weise gilt für den Temperaturgradienten TK entlang der Kapillare, dass zwischen dem Punkt TK1, an dem die Kapillare beginnt (außen gesehen) und dem Ende TK2 der Kapillare ein Gradient der Temperatur 34 bis 41 K/mm erzielt wird. Bevorzugt ist ein möglichst hoher Wert von 39 bis 41 K/mm. Dagegen ist ein heute üblicher Wert etwa 27 bis 28 K/mm.
Das Verhältnis zwischen gekühlter und geheizter äußerer Oberfläche OK und OH des Entladungsgefäßes soll normalerweise, also unbeschichtet, im Bereich 75 bis 100% liegen. Bei Verwendung einer NIR-emissiven Beschichtung kann die Fläche des gekühlten Ende entsprechend geringer gewählt werden bis herab zu 60% des Wertes ohne Beschichtung.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Oberfläche des Endes 3 teilweise im Bereich von P beschichtet ist.
Obige Verhältnisse gelten vor allem für Al2O3-Keramik. Bei anderen Keramiken wie AlN oder Saphir oder Mischsystemen gelten aber ähnliche Bedingungen.
Im Falle einer Beschichtung kann sich der Wert des Verhältnisses OK zu OH um bis zu 20% verringern. Insgesamt ist ein Wert von 60 bis 100% empfohlen. Unbeschichtet sollte möglichst ein Wert von 75 bis 100% eingehalten werden. Je nach Grad und Umfang der Beschichtung und Material kann er auf bis zu 60% abgesenkt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/088675 [0002]
- EP 1729324 [0003]
- US 6400100 [0011]

Claims

Hochdruckentladungslampe mit einem längsgestreckten keramischen Entladungsgefäß, an dessen Enden ein Elektrodensystem mit einer zur Entladung hin zeigenden Elektrodenspitze in einer Abdichtung gehaltert ist, wobei die Abdichtung rohrförmig ist und insbesondere eine Kapillare umfasst, wobei das Entladungsgefäß ein Aspektverhältnis AV von mindestens 1,5 besitzt, wobei das Entladungsgefäß eine Metallhalogenidfüllung aufweist und eine Wandbelastung von mehr als 25 w/cm² besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lampe für den Betrieb mit longitudinaler akustischer Modulation geeignet ist, wobei die spezifische Nennleistung PS der gesamten äußeren Oberfläche OSUM des Entladungsgefäßes im Bereich zwischen 17 und 22 W/cm² liegt, während gleichzeitig die Wandbelastung in einem Teilbereich der Oberfläche OH, der sich zwischen den Spitzen der Elektroden erstreckt, im Bereich zwischen 28 und 40 W/cm² liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Kühlung der Enden bewirkende Oberfläche OK, die außerhalb von OH liegt, zwischen 60 und 100%, bevorzugt 75 und 100%, von OH ausmacht.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Oberfläche OC der beiden Kapillaren und der Oberfläche OSUM des Entladungsgefäßes zwischen 15 und 35% liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Nennleistung der gesamten inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes bei 30 bis 42 W/cm² liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient TE der Temperatur zwischen der Mitte des Entladungsgefäßes und dem Punkt S in Höhe der Stirnfläche bei 15,5 bis 19 K/mm liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradient TC der Temperatur zwischen dem Fußpunkt der Kapillare und dem Endpunkt der Kapillare zwischen 34 und 41 K/mm liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche OK des Endenbereichs mit einer NIR-Beschichtung beschichtet oder mit einer die Oberfläche vergrößernden Struktur, insbesondere mit Finnen oder Rippen, versehen ist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß eine Füllung mit Metallhalogeniden enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe der Jodide von Na, Tl, Ca, Seltene Erdmetalle allein oder in Kombination.