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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einer Halogenglühlampe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Halogenglühlampen
sind insbesondere für Betrieb an Hochvolt (HV) mit typisch
100 bis 250 V gedacht.
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Stand der Technik
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Die
WO 2007/105121 offenbart
eine Halogenglühlampe, die einen aufwendigen Abschaltmechanismus
enthält.
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Bei
Halogenlampen für Netzspannung kann es bei durch die Vormaterialien
oder den Herstellprozess verursachten Störungen dazu kommen,
dass ein deutlicher Wendeldurchhang auftritt. Bei starkem Wendeldurchhang
kommt es im Extremfall zu einem Aufliegen der Wendel auf dem Kolben.
Bei Berührung des Kolbens durch die Wendel steigt die Kolbentemperatur
stark an. Je nach Lampengeometrie und Auslegung der Wendel (Leistung/Länge),
kann die Temperatur so stark ansteigen, dass eine Entglasung der
aus Quarzglas bestehenden Kolbenwand einsetzt (d. h. üblicherweise
je kleiner der Kolbendurchmesser bzw. je kleiner die Kolbenwanddicke bzw.
je größer das Verhältnis aus Leistung
und Wendellänge, desto höhere Temperaturen werden
erreicht). Im Extremfall kann diese Entglasung zu Lampenplatzern
führen.
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In
WO 20071105121 wird
z. B. vorgeschlagen, die Wendelmitte einer Wendel mit einem metallischen,
mit einer Stromzuführung verbundenen Ring so zu umgeben,
dass die Wendel in der Achse des Rings liegt. Der metallische Ring
ist mit einer Stromzuführung verbunden. Bei Durchhang berührt
die Wendel diesen Ring, wobei dann die halbe Wendel kurzgeschlossen
wird. Der dadurch erhöhte Stromfluss führt zu
einem Ansprechen der internen Sicherung und somit zu einem sicheren
Ausschalten der Lampe. In der genannten Patentschrift werden weitere
nach demselben Prinzip funktionierende Ausführungsformen
beschrieben. Auf Lampen ohne Gestell, z. B. Noppenlampen, ist dieses
Prinzip nicht ohne weiteres anwendbar, weil die Lampen keine Gestellteile,
oft auch Elektroden genannt, enthalten.
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Bisher
können Lampen, bei denen es im „Worst-Case” bei
einem Aufliegen der Wendel bei Entglasung zu Lampenplatzern kommen
kann, nicht gebaut werden, bzw. solche Lampen können nur
in stabilen Ummantelungen (Reflektoren) betrieben werden.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim vorzeitigen Wedeldurchhang
im Betrieb ein sicheres und einfaches Abschalten sicherzustellen.
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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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Erfindungsgemäß ist
die Kolbeninnenwand partiell mit einer speziell geeigneten Substanz
beschichtet, welche genau dann anfängt zu verdampfen, wenn
durch Berührung des Kolbens durch die Wendel deutlich höhere
Temperaturen als im gewöhnlichen Lampenbetrieb erreicht
werden. Zumindest Bereiche nahe der Pumpspitze und der Quetschkante
werden nicht beschichtet Bei der Verdampfung entstehen Substanzen,
welche durch chemische Reaktionen oder Auslösung eines
Lichtbogens im Lampenraum zu einer raschen Zerstörung der
Wendel führen. Durch die schnelle Zerstörung der
Wendel steht bei Weitem nicht mehr genug Zeit für eine
Entglasung der Kolbenwand zur Verfügung. Durch den schnellen
Ausfall der Lampe werden also Sicherheitsrisiken vermieden.
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Alternativ
kann die Kolbenwand partiell auch mit einem Material beschichtet
sein, welches bei hinreichend hohen Temperaturen in einer Festkörperreaktion
zu einer Zerstörung der Wendel führt.
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Anforderungen
an die Innenbeschichtung des Kolbens:
- – Die
chemische Verbindung soll stabil sein (keine chemische Reaktion,
kein Schmelzen) und darf keinen merklichen Dampfdruck aufweisen
bis hin zu Temperaturen von wenigstens 300°C, bevorzugt
bis hin zu 500°C, bei hochbelasteten Lampen bis zu 800°C.
- – Eine Reaktion soll möglichst bei Temperaturen oberhalb
1000°C–1100°C erfolgen; dabei sollen wolfram-zerstörende
Substanzen freigesetzt werden, bzw. das Wolfram soll in einer Festkörperreaktion
zerstört werden. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, dass das oberhalb 1000°C verdampfende Material leicht
ionisierbar bzw. leicht lichtbögen-zündende Ionen
enthält, und damit die Wendel durch Lichtbogenbildung zerstört
wird.
- – Die Beschichtung sollte nur wenig Strahlung absorbieren,
d. h. insbesondere sollte sie keinen signifikanten Lichtstromverlust
verursachen. Für die meisten Anwendungen sollte sie transparent sein.
Für spezielle Anwendungen kann sie streuend ausgelegt werden.
In Ausnahmefällen kann akzeptiert werden, dass eng begrenzte
Bereiche des Kolbens mit einem nicht-lichtdurchlässigen Material
beschichtet werden.
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Ggf.
kann man eine dünne schützende SiO2-Schicht über
die reaktive Schicht legen, um eine Wechselwirkung der Beschichtung
mit der Lampenatmosphäre zu vermeiden.
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Mögliche Ausführungsformen:
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- (1) Die Kolbeninnenbeschichtung besteht aus MgF2.
Dabei wird bevorzugt nur etwa das mittlere Drittel der Kolbenwand
beschichtet, an dem die Wendel bei Durchhang zunächst anliegt.
Bereiche nahe der Pumpspitze und der Quetschkante werden nicht beschichtet.
Das Magnesiumdifluorid verdampft merklich ab ca. 1300 K. Bei der
Verdampfung entsteht zunächst MgF2, welches sich dann aber
bei Temperaturen nahe der Wendel unter Abspaltung von Fluor zersetzt.
Das Fluor führt entweder direkt zur raschen Zerstörung
der Wendel durch chemischen Angriff auf die kalten Wendelenden,
bzw. das Fluor setzt aus der nach der Zerstörung der MgF2-Schicht
ungeschützten Kolbenwand bzw. den nicht beschichteten Teilen
der Kolbenwand Sauerstoff frei, welcher zur Zerstörung
der Wendel führt. Die Dicke der Beschichtung liegt bevorzugt
im Bereich 100 nm– 1000 nm. das Aufbringen von Beschichtungen
von Glaswänden mit MgF2 ist an sich Stand der Technik. Solche
Beschichtungen können z. B. mittels Sol-Gel-Verfahren,
siehe z. B. WO/2005/097695 und
die darin zitierte Literatur, ausgeführt werden. Auch andere
Verfahren, wie eine Bedampfung der Kolbenwände mit MgF2,
kommen dafür in Betracht.
- (2) Analog ist die Verwendung von CaF2 möglich. CaF2
verdampft oberhalb ca. 1400 K; bei Temperaturen oberhalb 2200 K
sind die Wolframfluoride stabiler als Calciumfluorid, d. h. die
Wendel wird durch Fluor schnell zerstört.
- (3) Auch die Verwendung von AlF3 ist möglich. AlF3
lässt sich z. B. auch über den Umweg über Al2O3
aufbringen. Die Aufbringung von Al2O3 ist in DE-A 27 01 051 beschrieben.
Durch Reaktion mit Fluor bildet sich auf der Al2O3-Oberfläche eine
AlF3 Schicht, welche bei Berührung durch die Wendel aktiviert
wird und zur Zerstörung der Wendel führt.
- (4) Bei relativ niedrig belasteten Lampen ist der Einsatz der
Fluoride der Alkalimetalle angezeigt: NaF: merklicher Dampfdruck
oberhalb 1100 K, KF: merklicher Dampfdruck oberhalb 900 K, LiF: ab
1000 K
- (5) MgCl2: Verdampfung ab ca. 1000 K, Chlor in größeren
Mengen führt auch zur Zerstörung der Wendel.
- (6) Bei Lampen mit größerem Kolben und somit Kolbentemperaturen
unterhalb 300°C bei nicht aufliegender Wendel kommen Polyfluorethylen und
verwandte Verbindungen in Betracht. Diese Verbindungen verdampfen
bzw. zersetzen sich unter Freisetzung von HF ab Temperaturen von ca.
300°C.
- (7) Weiterhin ist die Verwendung von Alkalioxiden möglich
wie Na2O oder K2O, bzw. von Gläsern, die diese Oxide enthalten.
Hier kann man ggf. noch eine schützende SiO2- Schicht über
die oxidische Schicht legen, um eine Reaktion der Alkalioxide im
Glas mit dem Halogen des Füllgases zu vermeiden. Gelangen
die Alkalien in das Lampeninnere, so führen sie häufig
zur Ausbildung eines Lichtbogens zwischen den Wendelschenkeln und zum
schnellen Ausfall der Lampe.
- (8) In einer weiteren Ausführungsform wird der Kolben
mit einer dünnen Wolframoxidschicht innen beschichtet, über
die bevorzugt noch eine SiO2-Schicht gelegt wird, um den Sauerstoff-Partialdruck
im störungsfreien Betrieb möglichst gering zu
halten. Liegt eine Wendel mit einem hinreichend hohen Wert für
das Verhältnis von Leistung zu Länge auf dieser
Schicht auf, so schmilzt zunächst die dünne SiO2-Schutzschicht
durch, bevor dann das Wolframoxid anfängt zu verdampfen.
Dadurch gelangen größere Mengen Sauerstoff in
das Lampeninnere, welche zum raschen Ausfall der Lampe führen.
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Bei
Hochvolt- bzw. Mittelvolt-Brenner in Noppentechnik 120V/230V/240V
mit Leistungen ab ca. 80 W werden die Brenner insbesondere in Noppen-Technik
gebaut, d. h. die Wendel wird insgesamt an bis zu 5 Stellen fixiert,
nämlich durch die Quetschung und durch bis zu 3 Noppen.
Durch die Fixierung der Wendel an diesen 5 Stellen ist es praktisch ausgeschlossen,
dass die Wendel bei Wendeldurchhang den Kolben berührt.
Geht man von dieser Bauform ab und verwendet nur noch eine Noppe,
was kostengünstiger ist, hat man einen zusätzlichen
Vorteil: Wegen der verringerten Anzahl an wärmeabführenden
Befestigungselementen ist die Effizienz der Brenner mit nur einer
Noppe um 5%–8% höher als diejenige der Brenner
mit 3 Noppen. Allerdings kann es bei den Brennern mit nur einer
Noppe da zu kommen, dass bei durch die Vormaterialien oder den Herstellprozess
bedingten Störungen Wendeldurchhang auftritt und die Wendel
den Kolben berührt, wobei im Extremfall Platzer auftreten
können. Um dies zu vermeiden und trotzdem effiziente Lampen
mit nur einer Noppe bauen zu können, kann man dem Lösungsansatz
entsprechend wenigstens einen zentralen Ring oder lokale Stellen,
bevorzugt zumindest das mittlere Kolbendrittel mit z. B. CaF2 beschichten.
Man kann auch zunächst die ganze Kolbenwand beschichten, wobei
die Beschichtung im Bereich der Noppe und der Abschmelzung später
im Fertigungsprozess zerstört werden. Kommt es im Lampenbetrieb
zu einem Aufliegen der Wendel auf der Kolbenwand, so verdampft das
CaF2, wobei letztendlich Fluor freigesetzt wird. Das Fluor selber
bzw. der durch Reaktion des Fluors mir den unbeschichteten Teilen
der Kolbenwand freigesetzte Sauerstoff führen zur raschen
Zerstörung der Wendel, bevor eine kritische Entglasung der
Kolbenwand auftreten kann. Kommt es also – durch fehlerhafte
Vormaterialien oder Fehler im Produktionsprozess bedingt – zu
einem Wendeldurchhang bis zum Kolben, so wird die Lampe zuverlässig abgeschaltet,
bevor Entglasung und Lampenplatzer auftreten können.
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Bei
niedrigeren Leistungen unter etwa 80 W bzw. genauer ausgedrückt
bei entsprechend niedrigen Werten für den Quotienten aus
Leistung und Wendellänge und/oder bei an hinreichend vielen Stellen
fixierter Wendel kann auf Schutzmaßnahmen wie eine Kolbeninnenbeschichtung
verzichtet werden, weil bei einer Berührung des Kolbens
durch die Wendel keine Entglasung der Kolbenwand auftritt.
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Die
Erfindung ist insbesondere anwendbar für folgende Lampentypen:
Halogenglühlampen
für Allgemeinbeleuchtung und für fotooptische
Anwendungen, insbesondere für 220 bis 260 V Netzspannung
und mit einer Wattage bevorzugt im Bereich oberhalb 100 W. Der konkrete Grenzwert
der Leistung, ab welcher eine kritische Entglasung bei Berührung
der Wendel durch die Kolbenwand auftreten kann, hängt im
Detail von den geometrischen Randbedingungen, insbesondere von Kolbendurchmesser,
Wanddicke und Wendellänge ab. Er muss im allgemeinen experimentell
ermittelt werden.
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Die
erfindungsgemäße Technik gestattet insbesondere
die Produktion und den Vertrieb von effizienteren Hochvolt-Halogenlampen
höherer Leistung, welche aus Gründen der Platzersicherheit
sonst nicht auf den Markt gebracht werden könnten. Dies
betrifft insbesondere gestellfreie Lampen, bei denen der Leuchtkörper
mittels sog. Noppen o. ä. gehaltert wird. Dabei kann eine
oder auch mehrere Noppen verwendet werden, siehe beispielsweise
EP 446 460 .
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Bevorzugte
Anwendung ist bei Hochvolt-Halogenlampen höherer Leistung
ab 100 Watt.
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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
Halogenglühlampe in Seitenansicht;
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Halogenglühlampe,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Halogenglühlampe
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4 ein
Ausführungsbeispiel einer Soffittenlampe.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Ein
Ausführungsbeispiel einer HV-Halogenglühlampe 1 zeigt 1.
Sie hat einen Brenner oder Kolben 2, der einseitig verschlossen
ist. Dies geschieht mittels einer Quetschung 3. Im Innern
des Brenners sitzt ein Leuchtkörper 4, der U-förmig
mit zwei Abschnitten 7 gestaltet ist. Er ist mittels einer Noppe 5 gestellfrei
gehaltert, die ein Verbindungsstück zwischen den zwei leuchtenden
Abschnitten fixiert. Die Abschnitte 7 enden in inneren
Stromzuführungen 6, die zu Folien 8 in
der Quetschung 3 führen. Von den Folien führen äußere
Stromzuführungen 10 nach außen. Die Füllung
der Lampe ist eine übliche halogenhaltige Füllung,
wobei die Halogenidverbindung auf den Halogenen Jod und/oder Brom
basiert. U. U. kann auch Chlor verwendet werden.
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Etwa
das mittlere Drittel des Kolbens 2 ist innen mit MgF2 beschichtet
(11), wodurch eine Abschaltsicherung realisiert ist, wenn
ein Abschnitt 7 der Wendel so stark durchhängt,
dass er, ggf je nach Brennlage, den Kolben berührt.
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In 2 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem nur
ein schmaler Ring 15 in Höhe der Mitte eines leuchtenden
Abschnitts 7 im Innern des Kolbens geschlossen herumgeführt
ist. Die axiale Länge des Rings ist hier auf maximal ein
Drittel der Länge des leuchten den Abschnitts begrenzt.
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem nur zwei beschichtete Flecken 13 in
der Nähe der beiden Abschnitte 7 auf den Kolben 2 aufgebracht sind.
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4 zeigt
schließlich eine Soffittenlampe 20, die mehrere
beschichtete Ringe 21 aufweist, die jeweils einem Abschnitt
des Leuchtkörpers zugeordnet sind. In der Mitte, wo die
Pumpspitze sitzt, ist nur ein Fleck 22 realisiert
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Die
reaktive Schicht, die meist chlor-, fluor-, brom-, Oxid-, oder sulfidhaltig
ist und/oder Lichtbögen auslösende Alkali- oder
Erdalkalielemente enthält, sollte zumindest an der Stelle
angeordnet sein, die als möglicher Berührpunkt
des Leuchtkörpers im Falle eines Wendeldurchhangs in Frage
kommt. In diesem Fall ist das Kriterium der Transparenz nicht mehr
unabdingbar, so dass auch weniger transparente, aber besonders zuverlässig
löschende Verbindungen dafür in Frage kommen.
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Die
Schichtdicke der schützenden Schicht, meist SiO2, soll
bevorzugt diejenige der reaktiven Schicht nicht überschreiten.
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Die
reaktive Schicht ist bevorzugt transparent. In einem anderen Ausführungsbeispiel
ist sie wenigstens transluzent.
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U.
U. kann es vorteilhaft sein, eine streuende Schicht zu verwenden.
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Ggf.
kann die Schicht so gestaltet sein, dass sie lokal intransparent
ist, wobei dann an dieser Stelle ein besonders reaktives Material
verwendet werden kann, dem die Eigenschaft der Transparenz fehlt oder
nur wenig ausgeprägt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/105121 [0002]
- - WO 20071105121 [0004]
- - WO 2005/097695 [0012]
- - DE 2701051 A [0012]
- - EP 446460 [0016]