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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 keramischem 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
WO 2007/082885 sind
keramische Entladungsgefäße bekannt, die flossenartige
Ansätze am Ende des keramischen Entladungsgefäßes aufweisen.
Jedoch haben diese keine spezifische Form.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe
bereitzustellen, deren Entladungsgefäß effektiv
gekühlt wird.
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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 bevorzugt Metallhalogenide enthält, im Entladungsvolumen
untergebracht ist. Dabei sitzt an mindestens einem Endbereich eine
flossenartige Struktur, die sich achsparallel nach außen
erstreckt und von der Abdichtung selbst im wesentlichen beabstandet
ist. Die Abdichtungen sind röhrenförmige Kapillaren
oder stopfenförmige Abdichtungen. Dabei ist dafür
auch die Verwendung von keramischen Gradientencermets, longitudinal
oder auch axial wie an sich bekannt, möglich.
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Bei
keramischen Hochdrucklampen mit erhöhter Brennerbelastung
im Elektroden-Rückraum (z. B. durch veränderte
Konvektionsströmungen entlang der kälteren Brenner-Innenbereiche)
kann zur Einstellung einer cold-spot-Temperatur die Außenoberfläche
zur Strahlungskühlung dimensioniert werden. Zur flexiblen
Einstellung der im NIR abstrahlenden Oberfläche haben sich
achs-parallel verlaufende Finnen-Strukturen (z. B flossenartige,
integrale Ansätze am Brennergefäß) als
günstig erwiesen, weil sie relativ einfach fertigungstechnisch
realisierbar sind und von der Flächenausdehnung her in
einem weiten Bereich dimensioniert werden können.
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Je
nach Längen/Durchmesserausdehnung des Brennerendes müssen
die Strukturen auf den Verschlussbereich erweitert werden. Dabei
wirkt die longitudinale Finnenstruktur als Wärmebrücke
zum Brennerende.
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Der
Vorteil der Finnen oder Flossen ist ihre gezielte Anpassungsfähigkeit.
Die Wandstärken der Finnenstrukturen können gezielt
angepasst, insbesondere verringert werden und die Anzahl der Finnen kann
erhöht werden, um in allen Fällen einen ausreichenden
Kühleffekt bei gleichzeitig begrenztem Wärmefluß zu
erreichen.
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Es
stellt sich dabei heraus, daß die Anzahl der Finnen nur
bis zu einer Anzahl von 3 bis maximal 8 zu einer sinnvollen Abstrahl-Charakteristik,
die kühlend wirkt, führt und daß die
Wandstärke der Finnen nicht beliebig dünn ausgeführt
werden kann. Der lokal wirksame Kühleffekt wird dabei über
einen vergleichsweise großen Endenbereich verteilt. Dabei sollte
bevorzugt eine Wandstärke von ca. 25–50% der mittleren
am Brenner vorkommenden Wandstärke, insbesondere des Zentalteils,
nicht unterschritten werden, um fertigungstechnisch größere
Stückzahlen mit geringem Ausschuss herstellen zu können.
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Die
Kühlwirkung wird dadurch entscheidend verbessert, daß die
Finnen mit einer Hinterschneidung derart ausgeführt werden,
daß das dem Brennerende zugewandte Ende der Finnenstruktur
keinen Kontakt mit der Verschlusswandung, also der Kapillare oder
dem Stopfen, aufweist. Dadurch wird vermieden, daß über
die axiale Länge LH des Hinterschnittes ein Wärmefluss
auf die Abdichtung oder auch das Brennerende übergeht.
Somit wird ein verlustbestimmender Wärmetransport über
die Finne in diesem Bereich vermieden. Es ergibt sich dadurch eine beosnders
effektive Kühlung im Bereich der Ansatzstelle der ausgreifenden
Kühlflächen dieser Finnen oder Flossen. Die axiale
Länge der Ansatzstelle sei mit LA bezeichnet.
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Vorteile:
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- 1. Flexible Gestaltung der Ansatzzone der integralen
Kühlelemente (Finnen-Strukturen).
- 2. Wandstärke der Kühlstruktur muss nicht
deutlich verringert werden, da das Kühlelement nicht automatisch
als Wärmebrücke wirkt, sondern nur im Bereich
der Ansatzstelle.
- 3. Es lässt sich eine kürzere Brennerzone
effektiver über den Finnenansatz kühlen und damit
ein geringerer effizienz-mindernder Wärmefluss in die Verschlussenden
einstellen.
- 4. Im Bereich des Hinterschnittes kann auf der Endenverschluss-Oberfläche
bevorzugt eine Zündhilfskontaktierung erfolgen (z. B. Zündhilfskontakt),
die geringen Abstand zur innenliegenden Stromzuführung
besitzt. Dieser Abstand ist im wesentlichen durch die Wandstärke
der Abdichtung gegeben. Sie liegt bevorzugt im Bereich 0,6 bis 1,1
mm.
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Bei
keramischen Hochdrucklampen mit erhöhter Brennerbelastung
im Elektroden-Rückraum (z. B. durch veränderte
Konvektionsströmungen entlang der kälteren Brenner-Innenbereiche)
kann zur Einstellung einer cold-spot-Temperatur die Außenoberfläche
zur Strahlungskühlung dimensioniert werden. Zur flexiblen
Einstellung der im NIR abstrahlenden Oberfläche haben sich
achs-parallel verlaufende Finnen-Strukturen (z. B flossenartige, integrale
Ansätze am Brennergefäß) als günstig
erwiesen, die relativ einfach fertigungstechnisch realisierbar sind.
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Je
nach Längen/Durchmesserausdehnung des Brennerendes müssen
die Strukturen auf den Verschlussbereich erweitert werden. Dabei
wirkt die longitudinale Finnenstruktur als Wärmebrücke
zum Brennerende. Das Brennerende ist bevorzugt so gestaltet, dass
es sich zur Abdichtung hin verjüngt, so dass hier Finnen
gut angesetzt werden können.
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Die
Anwendung der Erfindung bezieht sich insbesondere auf hocheffiziente
Keramiklampen mit sehr hohen Lichtausbeuten und hoher Strahlungskonversions-Effizienz.
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Insbesondere
werden dabei hohe Wandbelastungen der Brenneroberfläche
von 35–45 W/cm2 auf der Innenoberfläche
erreicht. Ferner wird die Gaskonvektion durch stabile Einstellung
und Nutzung longitudinaler oder assoziierter daraus abgeleiteter
akustischer Resonanzen verändert wie an sich bekannt, derart,
daß eine verstärkte Unterdrückung der
Plasmaentmischung durch Diffusionsvorgänge erfolgt. Dabei
werden Gasströmungen aus dem Zentrum des sich ausbildendnen
Hochdruckplasmas auf die inneren Endflächen im Elektroden-Rückraum
geführt.
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Dies
führt zu einer erhöhten Aufheizung der als cold-spot
wirkenden Endflächen.
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Es
zeigt sich, dass insbesondere für bestimmte, insbesondere
auf Na/Ce-basierenden Metallhalogenidfüllungen zur Erzielung
besonders hoher Lichtausbeuten, d. h. hoher Strahlungs-Konversionseffizienz
(Effizienz der Erzeugung sichtbarer Strahlung im visuellen Spektralbereich
in Relation zur eingespeisten elektrischen Leistung) und visueller
Effizienz (Anpassung der spektralen Strahlungsverteilung an die
Augenempfindlichkeit, d. h. Lumenausbeute in Relation zur im visuellen
Spektralbereich erzeugten Strahlungsleistung) ein bestimmter Temperaturbereich
der Endflächen zur Einstellung des resultierenden Metallhalogenid-Dampfdruckes
notwendig ist und nicht überschritten werden sollte.
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Dieser
liegt im wesentlichen im Bereich zwischen 980–1080°C.
Im speziellen typisch weniger als 1050°C, bei den zuvor
genannten mittleren Wandbelastungen.
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Es
können dabei Lichtausbeuten bis zu 160 lm/W bei sehr guten
Farbwiedergabe von > 80
erzielt werden.
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Bei
entsprechender Auslegung des Brennergefäßes und
der Füllungs-Zusammensetzung lassen sich Entladungseffizienzen
von ≥ 50% (Umwandlung Elektrische Leistung in Visuelle
Strahlung) und Visuelle Effizienzen von ≥ 320 lm/Wvis für das Lampenspektrum erzielen.
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Bei
den verwendeten Brennergefäßen handelt es sich
um Brenner mit hohem Dimensionsverhältnis von Innenlänge
und Innendurchmesser (ausgedrückt durch ein Aspektverhältnis
von insbesondere 3 bis 8), was dann auch zu einer erhöhten
Plasma-Bogenlänge zwischen den Elektrodenspitzen führt
und entsprechenden Zündschwierigkeiten führt.
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Die
für eine Endenkühlung über NIR-Abstrahlung
nutzbare Oberfläche befindet sich im wesentlichen im Bereich
des Brenners, der den Elektrodenrückraum umschließt,
und im anschließenden Teil der Verschlussenden-Konstruktion.
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Eien
beliebige Oberflächenvergößerung kann
durch Massenerhöhung der Verschlußzone erfolgen,
was jedoch gleichzeitig eine Vergrößerung der
Querschnittsfläche für den in die Verschlußenden führenden
Wärmefluß bedeutet.
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Vergrößerte
Auskragungungen zur Oberflächenvergrößerung
mit umlaufenden Wärmestau-Nuten (ringförmige Kühlung)
eignen sich zwar zur erhöhten NIR-Abstrahlung bei gleichzeitiger
Verringerung der zu den Enden abfließenden Wärmemenge, sie
erzeugen aber eine vergrößerte Endenabschattung
des in die Endenzonen abgestrahlte Lichtintensität und
führen damit zu einer Effizienz-Verminderung.
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Achsparallel
verlaufende Finnenstrukturen haben sich als bestmögliche
und am einfachsten herzustellende Oberflächenstruktur zur
lokalen NIR-Oberflächenkühlung herausgestellt.
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Die
vergrößerte Bogenlänge im Entladungsgefäß bei
hohem Aspektverhältnis führt zu einem erhöhten
Bedarf an Zündfeldstärke zur Einleitung des Lampenbetriebes.
Bei Lampen mit keramischem Lampengefäß (typisch
gefertigt aus Al2O3)
sind die Abdichtungen Endenkonstruktionen, die als dünne rohrförmige
Verschlußzonen ausgebildet sind. Zur Zündfeldstärkeerniedrigung
und Einleitung der Zündung kann durch kapazitiv gekoppelte
Hilfsentladungen in den Endenstrukturen die Zündung eingeleitet werden.
Dazu ist eine Kontaktierung in der unmittelbaren Nähe mindestens
einer Elektrode oder Stromzuführung hin zur Elektrodenspitze
am günstigsten.
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Bei
Nutzung von Zündhilfskontaktierungen (Drähten
und/oder leitfähigen Beschichtungen) ist eine möglichst
gute Kontaktierung im Bereich des Elektrodenschaftes am günstigsten.
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Daher
ist ein Anbringen einer Zünddrahtschlaufe oder einer Beschichtung
im vordersten Bereich, bevorzugt erstes drittel der Längen
LH, der Hinterschneidung der Finnenstruktur besonders günstig,
da an dieser Stelle im Innern der Kapillare die geringste innere
Spaltweite im Gasraum auftritt.
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Es
lassen sich alternativ (u. U. zusätzlich zu den zuvor genannten
Methoden) zwischen den Finnen laufende und die Brennerlänge überbrückende Leiterbahnen
(z. B aus Cermet, Platin oder leitfähigen Kohlenstoffschichten
die in den Bereich des Hinterschnittes hineinreichen) als Zündhilfen
verwenden.
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Der
Finnenhinterschnitt ist besonders effektiv, wenn die Hinterschnittslänge
LH mindestens die Größe der minimalen Finnenwandstärke
WS, bevorzugt ein mehrfaches davon beträgt, insbesondere das
3- bis 10-fache der Wandstärke WS.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der
Beachtung folgender Gesichtspunkte:
- – die
Abdichtung ist eine Kapillare (rohrzylindrisch) mit Durchführung,
wobei der Elektroden-Schaft in der Kapillare teilweise versenkt
ist und wobei ein gewisser Mindestabstand zwischen Schaft und Kapillare
gewahrt bleibt. Er sollte mindestens 10 μm betragen und
möglichst 50 μm nicht überschreiten.
- – es sind am Ende des Entladungsgefäßes
mindestens drei Finnen angebracht, die eine Hinterschneidung aufweisen
(vorzugsweise parallel zur Kapillare);
- – die Wurzel des Ansatzes der Hinterschneidung (hintere
Wurzel) liegt im Bereich des Elektroden-Schaftes im Bereich der
Abdichtung. Der Midnestabstand von der Öffnung der Kapillare zum
Entladungsvolumen hin ist 1 mm in Richtung Durchführung;
bevorzugt ist diese hintere Wurzel im hintersten Drittel des Schaftes,
aber noch beabstandet vom Ende des Schaftes; der hintere Teil des
Schaftes kann mit einer Wendel etc. verstärkt sein.
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In
einer speziellen ganz besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Hinterschneidung für eine Zündhilfe genutzt.
Dabei gilt, dass eine Zündhilfe (realisiert als Draht oder
Strich) im Bereich zwischen hinterer Wurzel und Ende des Schaftes
so wirkt, dass eine zur Zündung ausreichende erhöhte elektrische
Feldstärke erzeugt wird.
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Die
Verbindung zwischen Finne und Entladungsgefäß kann
zwar selbst zu einem geringen Teil auf der Kapillare liegen, jedoch
nur in dem Sinne, dass die Wärmebrücke dadurch
nicht wesentlich auf die Kapillare verlagert wird. Betrachtet man
in axialer Länge die gesamte Ansatzlänge LA der
Finne, sollte der auf der Kapillare liegende Teil bevorzugt allenfalls bis
zu 40%, bevorzugt nicht mehr als 25%, der axialen Länge
LA ausmachen,. Beste Ergebnisse werden erzielt, wenn dieser Teil
nicht mehr als 15% ausmacht.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Lampen mit erhöhtem Aspektverhältnis
bis 8 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 einen maximalen
oder konstanten Innendurchmesser ID besitzt und die Endbereiche
einen kleineren Innendurchmesser aufweisen, zu dem sie sich verjüngen.
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Die
flossenartige Struktur ist bevorzugt um die Elektrodenkonstruktion
bzw. 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 im wesentlichen
beabstandete Kühlungsstruktur verwendet, die insbesondere
selbst aus Keramik geformt ist und insbesondere integraler Bestandteil
des Endenbereichs ist.
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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, wenn sie zum Ende hinlaufende,
sich verjüngende Endenbereiche besitzen, eine lokale Endenkühlung
wirkungsvoll ist. Dies 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 Betriebs verfahrens,
z. B.
DE-A 10 2004
004 829 , 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.
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Unabhängig
von der Wandstärkenverteilung 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 (hier 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 gezielter Anregung von akustischen
Resonanzen, die zur Aufhebung von longitudinaler Segregation in
vertikaler Brennlage verwendet werden.
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Als
Material des Kolbens kann PCA oder jede andere übliche
Keramik verwendet werden. Auch die Wahl der Füllung unterliegt
prinzipiell 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 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
eine Belegung der Innenwand mit Füllungskonzentrat erzeugt,
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 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 von
WO 2007/082885 , wird ein sehr
kleiner Temperaturgradient von Brennerkörper zur Verschluss-Struktur
erzeugt, was eine bevorzugte Destillation der Füllung in
der Durchführungsstruktur zu Folge hat.
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Eine
weitere bekannte Lösung (10)
sind einfache 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. Diese Nachteile werden von der
erfindungsgemäßen Kühlstruktur vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Kühlstruktur ganz oder teilweise mit einer Beschich tung
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 bevorzugt 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 flossenartige Struktur und gleichzeitig ein Teil durch die Beschichtung
von Teilen dieser flossenartigen Struktur oder der angrenzenden
kälteren Abdichtungsbereiche erfolgt.
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Insgesamt
ergeben sich eine Reihe von Vorteilen bei Verwendung einer flossenartige
Struktur bei keramischen Entladungsgefäßen:
- 1. Effektive Kühlung, die punktgenau
lokalisiert werden kann;
- 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 flossenartige Struktur 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 durch die
maximale radiale Höhe der flossenartige Struktur steuern,
da je nach Ansatzhöhe die Ableitung von einem anderen Temperaturniveau
aus erfolgt.
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Ein
besonderer Vorteil einer derartigen flossenartige Struktur 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 ein
Schnitt durch den Endenbereich der 2;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Endenbereichs eines
Entladungsgefäßes mit Zündstrich;
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Endenbereichs eines
Entladungsgefäßes mit Zünddraht;
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6 ein Schnitt durch den Endenbereich der 5.
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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 als Kapillaren ausgeführt sind.
Bevorzugt ist das Entladungsgefäß 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. Am Brennerende sitzt jeweils eine flossenartige Struktur 10,
die um die Abdichtung 6 umläuft.
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2a zeigt
eine flossenartige Struktur 10 in perspektivischer Ansicht
in Verbindung mit einer Kapillare 6. Statt einer Kapillare
kann auch ein kurzer Stopfen verwendet werden.
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2b und 2c zeigt
einen Längsschnitt eines Entladungsgefäßes,
jeweils um 90° gedreht. Die flossenartige Struktur 10 aus
vier Finnen 11 setzt integral angeformt außen
im sich verjüngenden Endenbereich 5 des Entladungsgefäßes 2 an
und reicht in ihrer gesamten axialen Ausdehnung LF weit in Richtung
der Kapillare 6. Die Flosse oder Finne 11 hat
einen Ansatz oder Brückenbereich 12 mit der axialen
Länge LA, der sie mit dem Ende des Entladungsgefäßes
verbindet. Dieser Ansatz erstreckt sich im wesentlichen über
das sich verjüngende Ende 5. Dabei muss der vordere,
entladungsnahe Wurzelpunkt WF der Finne nicht unbedingt an der Außenwand
des Mittenteils des Entladungsgefäßes ansetzen,
sondern er kann auch tiefer, erst hinter dem Mittenteil, im Bereich
des sich verjüngenden Endes 5, ansetzen. Der hintere
entladungsferne Wurzelpunkt WH sitzt hier am Ende des sich verjüngenden
Bereichs, dort wo etwa die Kapillare beginnt. Dieser hintere Wurzelpunkt
WH kann auf dem Beginn der Kapillare liegen, insbesondere auf dem
vorderen Zehntel der Länge der Kapillare. Wichtig ist,
dass der hintere Wurzelpunkt WH axial mindestens 1 mm Abstand von
dem Ende des Innenvolumens, hier repräsentiert durch die
Stirnfläche 13, aufweist. Dieser Abstand ist in 2b mit
DD bezeichnet.
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Insbesondere
setzt der vordere Wurzelpunkt WF der flossenartigen Struktur 10
am sich verjüngenden Endenbereich an und erstreckt sich
axial gesehen weiter nach außen, wobei der Brückenbereich etwa
in Höhe der Kapillare endet. Der Brückenbereich
kann sich noch geringfügig über die Kapillare erstrecken.
Die Flosse 11 ist mit einer Hinterschneidung 15 versehen.
Die Wurzel WH der Hinterschneidung sitzt da, wo der Brückenbereich
endet. Meist ist die Kante 16 der Hinterschneidung parallel
zur Kapillare 6 verlaufend, so dass ihr Abstand zur Kapillare konstant
ist, was die Fertigung erleichtert. Es ist jedoch auch möglich,
dass der Abstand etwas nach außen hin zunimmt, bevorzugt
ist hier ein Winkel von 1 bis 10° gegen die Achse, was
die Entformung erleichtert, ohne dass die gewünschte Kühlwirkung
darunter leidet, die auf einer möglichst großen
Gesamtfläche pro mm Finnenlänge beruht.
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Dabei
ist die axiale Länge LH der Hinterschneidung möglichst
so gewählt, dass sie mindestens 20% der axialen Länge
LA des Ansatzes oder Brückenbereichs entspricht; bevorzugt
deutlich mehr, bevorzugt liegt sie in einem Bereich von 35 bis 150% dieser
Länge, insbesondere 50 bis 110%. Auf diese Weise wird eine
möglichst große abstrah lende Fläche,
nämlich die beiden Seitenflächen einer plattenartigen
Finne oder Flosse 11, erzielt, die von der Ansatzlänge
LA, der Flosse und zudem dem Wirkungsort dieses Ansatzes entkoppelt
ist. Je länger LA, desto effektiver ist die Kühlung
im Vergleich zu der Kühlung, die eine konventionelle Flosse
erzielt ohne Hinterschneidung.
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2d zeigt
einen Ausschnitt, der die Möglichkeit einer unterschiedlich
gewählten radialen Länge LR der Flosse verdeutlicht.
Hier ist eine Flosse 10 herausgegriffen, bei der gestrichelt
drei verschiedene denkbare Höhen LR1, LR2 und LR3 eingezeichnet sind.
Je größer LR gewählt ist, desto kürzer
kann die axiale Gesamtlänge der Flosse sein, um in etwa
dieselbe abstrahlende Oberfläche zu erzielen.
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Eine
besonders effektive Kühlung basiert gemäß 3 darauf,
dass die Durchführung 13 entladungsseitig vollständig
in der Kapillare 6 versenkt ist, wobei sich der Elektrodenschaft 14 bis
in eine Tiefe ET in die Kapillare erstreckt. Dabei wird ein Mindestabstand
von 20 μm zwischen der Kapillare und dem Elektrodenschaft
gewahrt, so dass sich die Füllung bis in diesen Spalt erstrecken
kann. Dabei soll die hintere Wurzel WH, die gleichzeitig die Wurzel
des Ansatzes der Hinterschneidung ist, noch im Bereich des Elektrodenschafts 14 liegen.
Bevorzugt liegt sie im hintersten Drittel der Länge des
Schaftes, von der Entladung abgewandt. Sie sollte aber eher nicht
im Bereich der Durchführung 13 liegen. Diese Wurzel sollte
aber noch etwas beabstandet vom hinteren Ende des Schaftes angeordnet
sein, in aller Regel ist ein Abstand von 5 bis 35% der Länge
von ET gut geeignet. Dabei hat der Schaft noch im hinteren Bereich eine
Wendel 17, die den Spalt minimiert. Der Elektrodenschaft
hat gerade in Höhe der Zündhilfe ein verdicktes
Teil 17, so dass hier der Spalt zur Kapillarenwand hin
eine optimale Breite hat. Auf diese Weise wirken Zündhilfe
und Kühlungsstruktur optimal zusammen.
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Allgemein
kann die Wurzel WH durchaus auch im sich verjüngenden Endenbereich
des Entladungsgefäßes liegen. Wesentlich ist ihre
Positionierung relativ zum hinteren Ende des Elektrodenschaftes.
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4 zeigt
eine flossenartige Struktur
10, die vorteilhaft mit einer
Zündhilfe
18 außen am Entladungsgefäß kombiniert
ist. Die Zündhilfe
18 ist ein keramischer Zündstrich
außen am Entladungsgefäß, der parallel
zur Achse des Entladungsgefäßes verläuft.
Zum Beispiel ist dies ein aufgesinterter Zündstreifen aus
einem W-Al2O3-Cermet. Grundsätzlich sind derartige Zündstriche
vorbekannt, siehe dazu
DE-A
199 01 987 und
DE-A
199 11 727 . der Zündstrich
18 erstreckt
sich von einer flossenartige Struktur
10 an einem ersten
Ende des Entladungsgefäßes bis zur flossenartige
Struktur
10 am zweiten Ende. Der Zündstrich
18 beginnt
und endet gerade in der Nähe der Wurzel WH einer Flosse,
und er läuft am Fuß der Flosse
11 den
Brückenbereich
12 entlang, so dass der Zündstrich
in diesem Bereich gewissermaßen von der Flosse
11 geschützt
ist gegen eine Beschädigung bei der Montage.
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Schließlich
ist es auch möglich, die flossenartige Struktur 10 mit
einem Zündhilfsdraht 20 zu kombinieren, siehe 5 und
auch 3. Dabei wird der Zünddraht 20 quasi
zu einer Schleife geformt, die in die Hinterschneidung 21 der
Flosse 11 in der Nähe der hinteren Wurzel eingepasst
ist, wodurch sie zugleich fixiert ist. Auf diese Weise wirken Kühlungsmechanismus
und Zündungsmechanismus optimal zusammen. Dabei kann die
Spaltbreite der Hinterschneidung vorteilhaft gerade so gewählt
werden, dass der Zündhilfsdraht der Spaltbreite bzw. ggf. auch
die Drahtdicke der Spaltbreite angepasst ist. Damit wird der korrekte
Sitz des Drahtes an der effektivsten Stelle für eine Zündung
gewährleistet und auch eine Fixierung ist nicht gesondert
nötig. Es kann sogar der Draht mit entsprechenden Kerben
versehen werden, um ihn in dem Kranz der Flossen 11 einer
Struktur 10 bestmöglich zu arretieren.
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6 zeigt eine Draufsicht 6a und
Detaildarstellung 6b auf ein Entladungsgefäß 30, bei
dem die Abdichtung durch eine Kapillare realisiert ist. Dabei sind
vier Flossen 31 gleichmäßig um den Umfang
verteilt. Jede Flosse 31 hat eine anfängliche Wandstärke
W1 im Bereich des vorderen Wurzelpunkts WV. Die Wandstärke
der Flosse 31 verjüngst sich nach hinten zu einer
Wandstärke W2, die nur noch 40 bis 80% der Wandstärke
W1 beträgt. Die Oberkante 32 der Flosse ist leicht
abgeschrägt.
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Würde
man statt der flossenartige Struktur eine ringartige Struktur verwenden,
wäre zwar der Kühleffekt auf der Oberflächenzone
des Brennergefäßes gleichmäßiger,
aber die abstrahlende Oberfläche wäre relativ
gesehen erheblich kleiner und eine Kombination mit einer Zündhilfe
wäre dann nicht sinnvoll. Eine Zündhilfe wäre
bei einer ringartigen Struktur eher hinderlich.
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Bevorzugt
beträgt die radiale Höhe LR der plattenartigen
Flosse 11 mindestens 50% der Differenz zwischen Kapilla re
und maximalem Außenradius des Mittenbereichs des Entladungsgefäßes.
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Dabei
sollte der Abstand zwischen den Flossen bevorzugt mindestens dem
Drei- bis Fünffachen der mittleren Wandstärke
entsprechen. Die mittlere Wandstärke WM einer Flosse sollte
insbesondere maximal 1/10 des Umfangs betragen, bezogen auf den
maximalen Außenradius des Entladungsgefäßes.
Dies soll sicherstellen, dass die Abstrahlung der einen Flosse nicht
die nächstliegende Flosse aufheizt.
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Im
Falle einer axial variablen Wandstärke ist trotzdem eine
mittlere Wandstärke definiert. Beispielsweise gilt im Fall
der 6 WM = (W1 + W2)/2.
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Die
Flossen sind in aller Regel plattenartig, da sie dann am einfachsten
herstellbar sind. Es sind jedoch kompliziertere Strukturen der Flosse
nicht ausgeschlossen. Die Flossen sind im wesentlichen plattenartig
gestaltet sind mit einer axialen Länge LF = LA + LH und
mit einer maximalen Höhe LR. Sie können insbesondere
auch terrassenartig abgestuft sein mit unterschiedlichen Höhen
LR von Teilabschnitten.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung
sind:
- 1. Hochdruckentladungslampe mit einem
keramischen längsgestreckten Entladungsgefäß mit
einer Achse und mit einem zentralen Mittenteil und zwei sich verjüngenden
Enden und einer Achse, wobei die Enden durch Abdichtungen, die bevorzugt
als Kapillaren ausgeführt sind, verschlossen sind, wobei
Elektrodensysteme in den Ab dichtungen verankert sind, wobei eine
Füllung, die Metallhalogenide enthält, im Entladungsgefäß untergebracht
ist, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem sich verjüngenden
Ende eine aus mindestens drei Flossen bestehende flossenartige Struktur
sitzt, die einen Ansatz mit einem vorderen Wurzelpunkt direkt am
Entladungsgefäß besitzt und mit einem hinteren
Wurzelpunkt, von dem aus sich eine Hinterschneidung in Richtung der
Abdichtung erstreckt, wobei die axiale Länge des Ansatzes
LA gewählt ist und wobei die axiale Länge LH der
Hinterschneidung mindestens 30% von LA beträgt.
- 2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Flossen im wesentlichen plattenartig gestaltet sind mit
einer axialen Länge LF = LA + LH und mit einer maximalen Höhe
LR.
- 3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die axiale Länge LH 80% bis 180% von LA beträgt.
- 4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Elektrodensystem einen Schaft und eine Durchführung
aufweist, wobei der Schaft über eine Länge ET
bis in die Kapillare reicht, wobei zwischen Schaft und Kapillare
ein Spalt verbleibt und wobei der hintere Wurzelpunkt im Bereich
der Länge ET liegt.
- 5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der hintere Wurzelpunkt im hinteren Drittel der Länge
ET liegt.
- 6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass am Entladungsgefäß eine Zündhilfe
angebracht ist, die lokal an einem Elektrodensystem eine hohe zur
Zündung ausreichende elektrische Feldstärke erzeugt.
- 7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zündhilfe ein Zündstrich ist, der sich
axial außen am Entladungsgefäß erstreckt
und in der unmittelbaren Nähe des hinteren Wurzelpunktes
endet.
- 8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zündhilfe ein Zündhilfsdraht ist, der
eine Schlaufe bildet, die in der Hinterschneidung fixiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4970431
A [0002]
- - WO 2007/082885 [0003, 0048]
- - DE 102004004829 A [0038]
- - DE 19901987 A [0074]
- - DE 19911727 A [0074]