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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Hochintensitätsentladungslampe
(HID-Lampe, High Intensity Discharge Lamp) und insbesondere Entladungslampen mit
zur Temperaturbegrenzung geeigneten Elektroden.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der
Elektrodenaufbau von Hochintensitätsentladungslampen wird
durch mehrere Anforderungen bestimmt, die für eine ordnungsgemäße
Elektrodenfunktionsweise gleichzeitig erfüllt werden müssen.
Die Lampen müssen zuverlässig starten und unter
stationären Bedingungen richtig funktionieren. Start- und
stationäre Betriebsbereiche der Elektroden legen unterschiedliche
und häufig einander widersprechende Beschränkungen
für einen geeignete Elektrodenstruktur fest.
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Während
der Startphasen (d. h. der Zündung) und der Anlaufübergangsphasen
des Lampenbetriebs durchlaufen die Elektroden den Glimm- und den
Glimm-zu-Bogen-Übergangsmodus mit Strömen, die
sich in Größenordnungen voneinander unterscheiden.
Für eine lange nützliche Produktlebensdauer müssen
diese Übergangsphasen möglichst kurz sein, um
einen Elektrodenabbau zu reduzieren, der auf ein Sputtern durch
starken Teilchenbeschuss von dem Entladungsplasma zurückzuführen
ist und der auf eine zu hohe Verdampfungsrate des Elektrodenmaterials
nahe an oder manchmal sogar oberhalb seiner Schmelztemperatur zurückzuführen
ist. Im Verlauf dieser Übergangsphasen des Elektrodenbetriebs
wird in der Lampe Entladungsplasma erzeugt, und es ist im Allgemeinen
eine passende Energieübertragung von dem Plasma auf die
Elektroden erfor derlich. Die übertragene Energie heizt
die Elektroden bis auf Temperaturen auf, bei denen die durch ein
elektrisches Feld unterstütze glühelektrische
Emission der Elektrode den erforderlichen Übernahmestrom
der Lampe liefert, um diese im Betrieb zu halten, und anschließend
diese in stationäre Dauerzustände überführt.
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Sobald
die Elektroden auf ihre stationäre Betriebstemperatur aufgeheizt
worden sind, muss die räumliche Temperaturverteilung der
Elektroden passend eingestellt werden, um den erforderlichen Entladestrom
an dem Verbindungsbereich mit dem Entladungsplasma zu liefern. Andererseits
müssen geeignete Temperaturgradienten nicht nur über
der Elektrodenstirnfläche sondern auch entlang der Elektrodenachse
geschaffen werden, um eine zu hohe Verdampfung des Elektrodenmaterials,
ein Flackern, Bewegungen der Lichtbogenverankerungsstelle und eine Überhitzung
der Elektrodenfußpunkte zu vermeiden.
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Der
Satz an Anforderungen, die die Elektroden von Hochintensitätsentladungslampen
mit hohen Übernahme-, Anlauf- und/oder stationären
Betriebsströmen und insbesondere von Hochintensitätsentladungslampen
für Automobilanwendungen betreffen, ist sogar noch anspruchsvoller.
In dem Fall von Hochintensitätsentladungslampen für
Automobilanwendungen gibt es zusätzliche Beschränkungen,
die für den Elektrodenschaftdurchmesser, die Elektrodenspitzengeometrie
und -positionierung festgelegt werden und die mit dem Betriebsverhalten
der Lampe in optischen Projektionssystemen (Fahrzeugscheinwerfern)
in Beziehung stehen. Außerdem implizieren die Anforderungen
hinsichtlich der „sofortigen Licht”-Erzeugung
und der „Warmstart”-Fähigkeit starke
Lampenströme und eine starke Elektrodenüberlastung
während der Start- und Anlaufübergangsphasen des
Lampenbetriebs. Kraftfahrzeugscheinwerferlampen werden im Allgemeinen
mit einer Leistung von 70 W bis 90 W während des Lampenanlaufs
erhitzt, wobei die Leistung innerhalb von etwa 30 s allmählich
auf 35 W verringert wird, bis sie den stationären Lampennennleistungswert
und die stationären Lampensollbetriebsbedingungen erreicht.
Demgemäß arbeitet ein wesentlicher Teil der Elektrodenkorper
während dieser Anlaufphase bei viel höheren Temperaturen
im Vergleich zu den stationären Bedingungen. Dies führt
zu extrem hohen Elektrodenfußpunkttemperaturen, während
die Temperatur der umgebenden Entladungsgefäßwand
niedrig ist: nahe an den Temperaturwerten einer nicht betriebsfähigen Lampe.
Die hohen räumlichen und zeitlichen Temperaturgradienten
in der Gefäßwand an den heißen Elektrodenfußpunkten
und über diese Stelle hinaus, d. h. in den Abdichtungsabschnitten,
die für einen vakuumdichten Verschluss des Entladungsgefäßes
zuständig sind (den Quetschabdichtungsabschnitten), führen
zu extrem hohen thermisch bedingten mechanischen Spannungsniveaus
in dem Glas der die Elektroden umgebenden Dichtung. Diese thermisch
bedingten hohen mechanischen Spannungen erzeugen Risse und ein Risswachstum
in diesen Quetsch- oder Schrumpfdichtungsabschnitten, wenn die Lampen wiederholt
gestartet und anschließend abgeschaltet werden. Dies führt
zur Bildung von Leckkanälen und wiederum zum Verlust von
Füllgas und Dosierbestandteilen der Entladungskammer, was
schließlich die Lampe funktionsunfähig macht.
Derartige kurzlebige Lampen beeinträchtigen ernsthaft das
Lebensdauerverhalten und die Betriebssicherheit eines Produktes,
wodurch auch die Verkehrssicherheit auf eine negative Weise beeinflusst
wird und Fahrzeuginstandhaltungskosten erhöht werden.
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Es
ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Elektroden von Hochintensitätsentladungslampen
nahe an der Elektrodenspitze häufig einen wendelartigen
Aufbau aufweisen. Die Rolle einer derartigen Wendelkomponente besteht
zum Teil darin, eine Zündung zu fördern, und zum
Teil darin, die geeigneten axialen Temperaturgradienten entlang
der Achse der Elektrode und insbesondere in dem Bereich nahe an
der Elektrodenspitze über eine verstärkte Strahlungskühlung
festzusetzen.
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Eine
Metallhalogenidlampe mit einer derartigen Wendelanordnung ist zum
Beispiel in der
US 4 105 908 offenbart.
Der Glimm-Bogen-Übergang dieser bekannten Lampe wird durch
Verwendung von Elektroden beschleunigt, die eine offene Wolframdrahtwendel
auf einem Wolframschaft aufweisen, wobei die Wendel zwei Lagen aus
einem Verbunddraht aufweist, die durch offenes Wickeln einer Überwicklung
auf einem Kern und anschließendes enges Wickeln von zwei
Lagen des Verbunddrahtes auf dem Schaft geschaffen werden. Obwohl
diese Struktur das Sputtern beim Starten verringert und die Glimm-Bogen-Übergangszeit
reduziert, ist die offenbarte Wendelstruktur relativ nahe an der
Elektrodenspitze platziert, was zu anwendbaren Standards, die durch
die Automobilindustrie für Hochintensitätsentladungslampen
festgesetzt werden, im Widerspruch steht. Dadurch kann diese bekannte
Lampe nicht auf diesem technischen Gebiet eingesetzt werden.
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Eine
elektrische Hochdruckentladungslampe ist in
US 4 232 243 offenbart. Deren Elektroden
weisen vorzugsweise Wolframdrahtwendeln auf, die relativ nahe an
der Elektrodenspitze angeordnet sind, wobei diese Anordnung die
gleichen Nachteile wie vorstehend erwähnt aufweist.
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Eine
HID-Lampe ist ferner in der
US
4 893 057 offenbart. Diese bekannte HID-Lampe enthält „Ganzmetall”-Elektroden,
die einen raschen Übergang des Lichtbogens zu der Elektrodenspitze
erzielen. Die Elektrode weist ein Längenstück
aus thoriertem Wolframdraht mit einer eng gewickelten Wendel an
den Spitzenenden auf, so dass eine schnelle Aufheizung der Elektrodenspitze
einen schnellen Übergang des Lichtbogens von den Wendelspalten
zu der Spitze unterstützt. Wiederum befindet sich die Wendel
relativ nahe an der Elektrodenspitze und trägt ausschließlich
zu der Zündung bei, anstatt auch die Temperatur an den
Elektrodenfußpunkten zu begrenzen.
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Die
Elektroden, die derzeit in Hochintensitätsentladungslampen
für Automobilanwendungen verwendet werden, haben eine einfachere
Geometrie. Diese Elektroden weisen keine Wendelkomponente an dem
Elektrodenschaft, wenigstens bestimmt nicht innerhalb der Lichtbogenkammer
auf. Dies rührt daher, weil diese Lampen in Übereinstimmung
mit einigen weiteren Beschränkungen beschaffen sein müssen,
die hauptsächlich mit der optischen Gestaltung der Scheinwerferlampen/Projektionsreflektoren,
wo diese Lampen verwendet werden, in Beziehung stehen. Die strengen
Beschränkungen in Bezug auf derartige optische Aspekte
und die äußerst kompakte Geometrie des Entladungsgefäßes
dieser Lampen lassen es im Wesentlichen nicht zu, dass weitere Komponenten
an den oder in der Nähe der Spitzen an dem Elektrodenschaft
angeordnet werden können. Die axiale Temperaturverteilung
der Elektroden ist durch eine Leistungsbalance zwischen der Eingangsleistung
an der Elektrodenspitze, die mit dem Entladungsplasma in Verbindung
steht, der Strahlungs- und Konduktions/Konvektionskühlung
an der zylindrischen Seitenfläche des Elektrodenschaftes und
dem Leistungsverlust durch Leitung über dem Schaftquerschnitt
zu dem Elektrodenfußpunktbereich hin bestimmt.
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Es
ist auch in der Technik allgemein bekannt, dass eine Wendel auf
Elektroden von Hochintensitätsentladungslampen mit hohen
Betriebsströmen verwendet werden kann, um die Wärmebelastung
an der Glaswand an dem Elektrodenfußpunkt zu verringern. Im
Gegensatz zu der Wendel, die nahe an der Spitze des Elektrodenschaftes
angeordnet ist, wie vorstehend beschrieben, ist eine derartige Wendel
an der Außenseite der Entladungskammer angeordnet und von
dem Wandmaterial der Entladungskammer umgeben, d. h. sie ist in
das Glasgrundmaterial der Glas-Metall-Dichtung an dem Endabschnitt
der Entladungskammer „eingequetscht”. Trotz des
Vorteils dieser Wendelstruktur bei der Vergrößerung
der Oberfläche des Elektrodenfußpunktes und somit
der Verringerung der Lastleistung pro Flächeneinheit an dem
Glas, das den gewendelten Elektrodenabschnitt umgibt, wird sie bei
Hochintensitätsentladungslampenprodukten nicht oft verwendet.
Ein Grund dafür liegt in einem Dosisverlust in den Mikrokanälen,
die die Wendelkomponente in der Glaswand umgeben. Während
eines Lampenbetriebs wandern die Dosisbestandteile langsam von der
Entladungskammer nach außen und füllen die Mikrokanäle
rings um die Wendel an der Elektrode in der Dichtung. Das Ergebnis
dieser Dosismigration ist eine allmähliche Veränderung
der Lampenparameter. Dies rührt daher, dass die Menge der
Dosis in der Lichtbogenkammer und ihre Temperatur (die „Kaltpunkttemperatur”)
wichtige Faktoren sind, die die elektrischen und optischen Parameter
der Lampe, insbesondere das Farbverhalten und den Lichtstrom von
Metallhalogenidlampen bestimmen. Eine derartige allmähliche – und
häufig sehr rasche – Veränderung des
Lampenverhaltens, die durch den deutlichen Dosisverlust in den Mikrokanälen
verursacht wird, ist nicht akzeptabel.
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Die
andere Folge eines Dosisverlustes in den Mikrokanälen,
die die Wendel an der Elektrode in der Dichtung umgeben, ist der
Aufbau eines Dosisvorrats in den Mikrokanälen. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient
zum Beispiel von der Metallhalogenid-Dosiskomponente um Größenordnungen
größer sein kann als derjenige des Quarzglases,
das die Kanäle umgibt, können Risse durch die
mechanischen Spannungen aus dieser Fehlanpassung der Wärmeausdehnung
zwischen dem Quarzglas und der Metallhalogenid-Dosiskomponente in
dem Vorrat erzeugt werden. Schließlich kann die Lampe undicht und
nicht betriebsfähig werden, oder sie kann sogar brechen.
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Somit
besteht ein besonderer Bedarf daran, eine Hochintensitätsentladungslampe
mit Elektroden zu schaffen, die die Temperatur der Elektrodenfußpunkte
durch eine verstärkte Wärmeableitung (hauptsächlich
durch Abstrahlung und zusätzlich durch Konvektion/Konduktion
durch das umgebende Entladungsgas und den Dampf in dem Entladungsgefäß)
entlang des Elektrodenschaftes in nerhalb des Entladungsgefäßes
begrenzen. Es besteht ferner ein Bedarf nach einer einfacheren Fußpunkttemperatur begrenzenden
Struktur als derjenigen mit der eingebetteten Wendel. Es besteht
ein weiterer Bedarf daran, eine derartige Lampe mit einer Elektrodenstruktur zu
schaffen, die keine zusätzlichen Elemente in der Nähe
ihres Spitzenabschnitts aufweist, der dem zentralen Bereich des
Entladungsgefäßes zugewandt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist
eine Hochintensitätsentladungslampe geschaffen, die aufweist:
- – ein Entladungsgefäß mit
einer Wand, die einen Entladungsraum umschließt,
- – ein ionisierbares Material, das in dem Raum enthalten
ist, und
- – wenigstens zwei Elektroden, die jeweils einen eingebetteten
Abschnitt und einen Elektrodenschaft aufweisen, der sich von der
Wand des Entladungsgefäßes erstreckt und mit einer
Spitze der Elektrode endet, wobei die Elektroden in dem Raum zur
Schaffung eines Lichtbogens zwischen den Spitzen angeordnet sind,
wobei jeder der Elektrodenschäfte der Elektroden aufweist:
- – einen verdickten Abschnitt, der zwischen dem eingebetteten
Abschnitt und der Spitze der Elektrode angeordnet ist,
- – einen ersten Schaftabschnitt, der sich zwischen dem
eingebetteten Abschnitt und dem verdickten Abschnitt erstreckt,
wobei der erste Schaftabschnitt eine erste Länge und einen
ersten Schaftdurchmesser aufweist, und
- – einen zweiten Schaftabschnitt, der sich zwischen
dem verdickten Abschnitt und der Spitze der Elektrode erstreckt,
wobei der zweite Schaftabschnitt eine zweite Länge und
einen zweiten Schaftdurchmesser aufweist, und wobei
- – der verdickte Abschnitt einen größeren
Gesamtdurchmesser als irgendeinen von dem ersten und dem zweiten
Wellendurchmesser aufweist, wodurch er eine spezifische Oberfläche
aufweist, die höher ist als die spezifische Oberfläche
des ersten Schaftabschnitts bzw. die spezifische Oberfläche
des zweiten Schaftabschnitts, und er eingerichtet ist, um die Temperatur
des Elektrodenschaftes an der Innenwand durch Wärmeableitung
zu begrenzen, und
- – der verdickte Abschnitt einen minimalen Abstand zu
der Innenwand von wenigstens 50% des ersten Schaftdurchmessers aufweist,
die Länge des zweiten Schaftabschnitts wenigstens 100% des
zweiten Schaftdurchmessers beträgt und die erste Länge
höchstens gleich der zweiten Länge ist.
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Die
vorgeschlagene Elektrodenstruktur kann vorzugsweise in Hochintensitätsentladungslampen mit
hohen Übernahme-, Anlauf- und/oder stationären Betriebsströmen
verwendet werden. Die vorgeschlagene Elektrodengeometrie ist auf
Hochintensitätsentladungslampen für Automobilanwendungen
besonders anwendbar. Die Erfindung hat gegenüber dem Stand
der Technik den Vorteil, dass der nahe an der Innenwand angeordnete
verdickte Abschnitt eine effektive Kühlung des Fußpunktes
der Elektrode sicherstellt, während der restliche Teil
des Elektrodenschaftes unbeeinflusst ist, wodurch ihr Einsatz in
Anwendungen ermöglicht wird, in denen weitere Elemente
rings um die Elektrodenspitzen unerwünscht sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist nachstehend in Einzelheiten unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer Hochintensitätsentladungslampe,
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2 eine
vergrößerte schematisierte Schnittansicht der
in 1 veranschaulichten Elektrodenstruktur und
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3 bis 10 schematisierte
Schnittansichten weiterer bevorzugter Ausführungsformen
der Elektrodenstruktur.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Indem
zuerst auf 1 und 2 Bezug
genommen wird, ist eine Hochintensitätsentladungslampe 1 mit
einer beispielhaften Ausführungsform der Elektrodenstruktur
veranschaulicht. Die Hochintensitätsentladungslampe 1 weist
ein Entladungsgefäß mit einer Wand 2,
die einen Entladungsraum umschließt, und ein in dem Raum
enthaltenes ionisierbares Material auf.
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In
der Lampe sind wenigstens zwei Elektroden 3 angeordnet,
die jeweils einen eingebetteten Abschnitt 4 aufweisen,
der mittels eines Quetschdichtungs- oder Schrumpfdichtungsabschnitts 5 des Entladungsgefäßes
vorzugsweise dichtend in der Wand 2 eingeschlossen ist.
Die Elektroden 3 weisen ferner einen Elektrodenschaft 6 auf,
der sich von der Innenwand 2 zu einer Spitze 7 erstreckt.
Die Elektroden sind in dem Entladungsraum eingerichtet, um einen
Lichtbogen zwischen den Spitzen 7 zu erzeugen.
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Jeder
der Elektrodenschäfte 6 der Elektroden 3 weist
auf:
- – einen verdickten Abschnitt 20 zwischen
dem eingebetteten Abschnitt 4 und der Spitze 7 der Elektrode 3,
- – einen ersten Wellenabschnitt 11, der sich
zwischen dem eingebetteten Abschnitt 4 und dem verdickten
Abschnitt 20 erstreckt und eine erste Länge X
sowie einen ersten Schaftdurchmesser D1 aufweist, sowie
- – einen zweiten Schaftabschnitt 12, der sich
zwischen dem verdickten Abschnitt 20 und der Spitze 7 der
Elektrode 3 erstreckt und eine zweite Länge Y
sowie einen zweiten Schaftdurchmesser D2 aufweist. Der verdickte
Abschnitt ist vorzugsweise in Form einer auf dem Elektrodenschaft 6 angeordneten
Wendel ausgebildet.
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Der
verdickte Abschnitt 20 weist einen größeren
Gesamtdurchmesser D als irgendeiner von dem ersten und dem zweiten
Schaftdurchmesser D1 und D2 mit der Annahme auf, dass D1 und D2 sich nicht
notwendigerweise voneinander unterscheiden. Da der verdickte Abschnitt 20 einen
größeren Durchmesser aufweist, weist er auch eine
höhere spezifische Oberfläche als diejenige des
ersten und des zweiten Schaftabschnitts 11 und 12 auf.
Gesamtdurchmesser bedeutet in diesem Kontext einen allumfassenden
Durchmesser, d. h. einen Durchmesser eines kleinsten gedachten Zylinders,
der parallel zu dem Elektrodenschaft verläuft und den verdickten Abschnitt 20 umschließt.
Spezifische Oberfläche bedeutet in diesem Kontext das Verhältnis
Abschnittsfläche/Abschnittslänge für
einen gegebenen Elektrodenabschnitt. Aufgrund seiner höheren
spezifischen Oberfläche begrenzt der verdickte Abschnitt 20 die Temperatur
des Elektrodenschaftes 6 an der Innenwand 2, d.
h. an dem Elektrodenfußpunkt durch Wärmeableitung,
hauptsächlich durch Abstrahlung und zusätzlich
durch Konvektion/Konduktion durch das umgebende Gas und den Dampf
in dem Entladungsgefäß.
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Um
die gewünschten Wirkungen der vorgeschlagenen Elektrodenstruktur
zu erreichen, muss der verdickte Abschnitt 20 die Innenwand 20 des
Entladungsgefäßes nicht berühren, muss
jedoch vorzugsweise nahe an der Innenwand 2 angeordnet sein.
Auf diese Weise wird eine örtlich begrenzte Temperaturbegrenzung
des Elektrodenfußpunkts mittels einer verstärkten
Wärmeableitung des Elektrodenschaftes 6, d. h.
mittels eines verstärkten Wärmeaustausches zwischen
der Gefäßwand 2 an den Endabschnitten
des Entladungsgefäßes und dem heißeren
Elektrodenschaft 6 erreicht, jedoch ohne irgendeinen negativen,
konzentrierten Überhitzungseffekt für die Wand 2 rings
um den verdickten Abschnitt 20. Unsere Experimente zeigten,
dass der verdickte Abschnitt 20 von der Innenwand 2 mit
einem minimalen Abstand von wenigstens 50% des ersten Schaftdurchmessers
D1 beabstandet sein sollte. Minimaler Abstand bedeutet in diesem
Kontext den Abstand zu der Innenwand 2 von der nächsten Stelle
des verdickten Abschnitts zu der Innenwand 2. Ein derartiger
minimaler Abstand wird Herstellbarkeits- und Positioniergenauigkeitsbedenken
im Zusammenhang mit einem unerwünschten Kontakt zwischen
der Wand 2 und dem verdickten Abschnitt 20 eliminieren,
während er weiterhin die ortsgebundene Temperatur begrenzende
Funktion der Elektrodenfußpunkte sicherstellt. Ferner sollte
der verdickte Abstand 20 von der Spitze 7 der
Elektrode beabstandet sein, um einen statischen Lichtbogen sicherzustellen,
d. h. um einen Flickereffekt zu vermeiden, der durch ein „Springen” des
Lichtbogens zwischen der Spitze 7 und dem verdickten Abschnitt 20 hervorgerufen
ist. Unsere Experimente zeigten, dass ein Flickereffekt vermieden
wird, wenn die Länge Y des zweiten Schaftabschnitts wenigstens
100% des zweiten Schaftdurchmessers D2 beträgt. Für
eine örtlich begrenzte Temperaturbegrenzung der Elektrodenfußpunkte
und für eine Lichtbogenstabilität an der Elektrodenspitze 7,
sowie um den zentralen Bereich des Entladungsgefäßes
frei von zusätzlichen Elektrodenkomponenten zu belassen,
sollte die erste Länge X höchstens gleich der
zweiten Länge Y sein.
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Somit
weist die vorgeschlagene Elektrodenstruktur einen verdickten Abschnitt 20 an
dem Elektrodenschaft auf. Der verdickte Abschnitt 20 ist
vorzugsweise als ein Wendelelement ausgebildet, das auf dem Elektrodenschaft
angeordnet ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrodenstrukturen
nach dem Stand der Technik ist jedoch dieser verdickte Abschnitt
vollständig im Inneren der Lichtbogenkammer angeordnet
und weist überhaupt keinen direkten Kontakt mit der Entladungsgefäßwand
auf. Der verdickte Abschnitt 20 muss möglichst
nahe an dem Elektrodenfußpunkt platziert werden. Auf diese
Weise können die Nachteile des Elektrodenaufbaus mit einer
Wendel, die von dem Wandmaterial des Entladungsgefäßes
bedeckt ist, wie bei der Erläuterung des allgemeinen Standes
der Technik beschrieben, beseitigt werden. Dadurch kann die Erzeugung
und Ausbreitung von Mikrorissen in der Glas-Metall-Dichtung rings
um die Wendel vermieden werden.
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Zur
gleichen Zeit wird die Temperatur des Fußpunktes des Elektrodenschaftes 6 begrenzt,
d. h. der Elektrodenschaft 6 wird durch den in erster Linie strahlungsbedingten
Leistungsverlust an der Oberfläche des verdickten Abschnitts
wirksam gekühlt. Dieser hauptsächlich strahlungsbedingte
Kühleffekt ist während der Start- und Anlaufphasen
der Lampe am wirksamsten, wenn die Temperatur des Elektrodenschaftes 6 aufgrund
der Stromüberlastung der Elektroden auch in dem Bereich
des verdickten Abschnitts viel höher ist. Auf diese Weise
wird mit der vorgeschlagenen Elektrodenstruktur die Wärmebelastung
an der Entladungskammerwand an dem Elektrodenfußpunkt verringert,
weil die durch den Elektrodenschaft 6 zu der Fußstelle
hin geführte Leistung durch die Größe
der hauptsächlich strahlungsbedingten Verlustleistung an
dem verdickten Abschnitt 20 reduziert ist.
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Andererseits
ist, weil der verdickte Abschnitt 20 der vorgeschlagenen
Elektrodenstruktur von der Spitze 7 der Elektrode beabstandet
ist, die Temperatur der Stirnfläche des Elektrodenschaftes 6 von
dem verdickten Abschnitt 20 unter stationären
Betriebsbedingungen der Lampe im Wesentlichen unbeeinflusst. Dies
steht im Gegensatz zu den herkömmlichen Strukturen nach
dem Stand der Technik, bei denen eine Wendel nahe an dem Spitzenbereich
des Elektrodenschaftes angeordnet ist. Zusätzlich zu der unveränderten
Elektrodenspitzentemperaturverteilung können auch die optischen
Beschränkungen in Bezug auf den Spitzenteil der Elektroden
durch die vorgeschlagene Struktur leicht erfüllt werden,
weil die Geometrie des Elektrodenschaftes in der Nähe der Spitze
durch den verdickten Abschnitt 20 nicht beeinflusst ist.
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Die
Dimensionen des verdickten Abschnitts 20 müssen
an die simultanen Anforderungen, die für die Temperatur
an dem Elektrodenfußpunkt und an der Elektrodenspitze festgelegt
werden, die geometrischen Beschränkungen für den
Elektrodenspitzenbereich sowie die Beschränkungen hinsichtlich
der Herstellbarkeit und Positioniergenauigkeit angepasst werden.
Der verdickte Abschnitt 20 muss die hohe geforderte Verlustleistung
(hauptsächlich) durch Abstrahlung während der
Start- und Anlaufphasen so wie die viel mehr reduzierte optimale
Verlustleistung durch Ableitung während stationärer
Dauerbedingungen sicherstellen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die
zweite Länge wenigstens 150%, vorzugsweise wenigstens 200%
des zweiten Schaftdurchmessers D2. Dieser Abstand zu der Spitze 7 ermöglicht
eine konzentriertere Kühlung für den Elektrodenflusspunkt,
während die Elektrodenparameter in der Umgebung der Spitze 7 sogar
noch weniger beeinflusst werden.
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In
den dargestellten Ausführungsformen sind der erste Schaftdurchmesser
D1 und der zweite Schaftdurchmesser D2 durch Verwendung eines Elektrodenschaftes 6 mit
einem gleichmäßigen Durchmesser entlang seiner
Längserstreckung gleich. Jedoch können D1 und
D2 auch unterschiedlich sein, während der verdickte Abschnitt 20 stets
einen größeren Gesamtdurchmesser D als jeder von dem
ersten und dem zweiten Schaftdurchmesser D1, D2 aufweist.
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Der
verdickte Abschnitt kann auch als ein axial quasisymmetrischer Körper
auf dem Elektrodenschaft 6 ausgebildet sein. 3 bis 10 zeigen
beispielhafte Ausführungsformen von axial quasisymmetrischen
Körpern an dem Elektrodneschaft 6. Der Körper
kann gesondert hergestellt und zum Beispiel durch Anschweißen
an dem Elektrodenschaft 6 fixiert werden, oder er kann
mit dem Elektrodenschaft 6 integral hergestellt werden.
Der Körper kann eine gerippte oder unebene Oberfläche
haben, um die spezifische Oberfläche weiter zu erhöhen, was
eine effektivere Kühlung des Elektrodenfußpunktes
zur Folge hat. Ein verdickter Abschnitt 21 kann ein zylindrisch
gestalteter Körper sein, wie in 3 veranschaulicht.
Ein zylindrisch gestalteter verdickter Abschnitt 22, der
mit kreisförmigen Rippen 31 eingerichtet ist,
ist in 4 dargestellt. Der Körper kann auch eine
kugelförmige, ellipsoidförmige oder konische Gestalt
aufweisen. Ein verdickter Abschnitt 23 mit einem ellipsoidförmig
gestalteten Körper ist in 5 veranschaulicht.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Körper
des verdickten Abschnitts eine Gestalt auf, die sich zu der Wand 2 hin verjüngt,
wobei die sich verjüngende Gestalt vorzugsweise der Form
der Innenwand 2 des Entladungsgefäßes
folgt. Derartige verdickte Abschnitte 24 und 25 sind
in vergrößerter Form in 6 bzw. 7 veranschaulicht.
Die Abmessungen der verdickten Abschnitte 24 und 25 müssen
auf eine Weise ausgewählt werden, um jedes Herstellbarkeitsproblem
der Lichtbogenröhre selbst zu vermeiden; z. B. müssen
die verdickten Abschnitte 24 und 25 in das Loch
des Endabschnitts des Entladungsgefäßes hineinpassen
und hineingleiten, bevor die Abdichtung bzw. Versiegelung des Endabschnitts
des Gefäßes bewerkstelligt. Der verdickte Abschnitt 24 in 6 weist
eine Gestalt eines Ellipsoidabschnitts mit einer Außenwand
auf, die im Wesentlichen parallel zu der Innenwand 2 des
Entladungsgefäßes verläuft. Der verdickte
Abschnitt 25 in 7 ist mit kreisförmigen Rippen 32 eingerichtet,
deren Ränder im Wesentlichen der Form der Innenwand 2 des
Entladungsgefäßes folgen, d. h. die Abstände
zwischen der Wand 2 und den Rändern der Rippen 32 sind
für alle Rippen 32 mehr oder weniger gleich. Diese
Ausführungsformen haben zwei Hauptvorteile. Erstens erwärmen
die verdickten Abschnitte 24, 25 die Wand 2 auf
eine im Wesentlichen gleichförmige Weise und vermeiden
dadurch eine lokale Überhitzung des Entladungsgefäßes.
Zweitens können die verdickten Abschnitte 24, 25 so
nahe wie möglich an der Wand 2 angeordnet werden,
während sie die höchst mögliche spezifische
Oberfläche ergeben, wodurch eine hohe Wärmeableitungseffizienz
sichergestellt und der zentrale Abschnitt des Entladungsgefäßes
frei von irgendwelchen zusätzlichen Elektrodenelementen
belassen wird. Dies ist zum Beispiel in Automobilanwendungen sehr
wichtig, bei denen anwendbare Standards die Hinzufügung
spezieller Elektrodenelemente in einem zentralen Bereich der Lampe
verbieten können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der verdickte
Abschnitt als eine Wendel auf dem Elektrodenschaft ausgebildet,
wobei die Wendel auf dem Elektrodenschaft vorzugsweise aufgeschweißt,
bevorzugterweise aufgeschmolzen ist. Ein derartiger aufgeschmolzener
verdickter Abschnitt 26 kann in 8 ersehen
werden. Mittels der aufgeschweißten oder aufgeschmolzenen
Struktur wird die Wärmeübertragung zwischen den
Kontaktoberflächen des Elektrodenschaftes 6 und
des verdickten Abschnitts 26 vergrößert
und eine steifere Konstruktion erzielt. Wie in 9 dargestellt,
kann die Wendel, die einen verdickten Abschnitt 27 bildet,
eine mehrlagige Wendel sein, die vorzugsweise mehrere Windungslagen
auf ihrer der Spitze zugewandten Seite als auf ihrer dem eingebetteten
Abschnitt 4 zugewandten Seite aufweist. Die verdickten
Abschnitte können sehr einfach in Form von Wendeln rings
um die Oberfläche des Elektrodenschaftes 6 auf
im Wesentlichen die gleiche Weise gebildet werden, wie die herkömmlichen
Wendeln nach dem Stand der Technik an den Elektrodenspitzen 7 gebildet
werden. Eine sich verjüngende Wendelstruktur weist ähnliche
Vorteile wie bei den Ausführungsformen nach 6 und 7 auf.
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Die
Ausführungsformen der Elektrodenstruktur, wie sie vorstehend
beschrieben sind, ermöglichen die Anwendung herkömmlicher
Elektrodenherstellungstechniken nach dem Stand der Technik auf die
Elektrodenspitzen. Wie in 10 veranschaulicht,
kann zusätzlich zu dem verdickten Abschnitt 20 der
zweite Schaftabschnitt 12 mit einer weiteren Verdickung 33 an
der Spitze versehen sein. Die weitere Verdickung 33 ist
vorzugsweise in Form einer aus dem Stand der Technik bekannten Wendel
ausgebildet, die auf den zweiten Schaftabschnitt 12 aufgeschweist,
bevorzugterweise aufgeschmolzen sein kann und die gleichförmig
gestaltet, z. B. kugelförmig sein kann. Die weitere Verdickung 33 kann
gemeinsam mit jeder beliebigen Ausführungsform des verdickten
Abschnitts verwendet werden.
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Die
Elektrodenschäfte und die verdickten Abschnitte können
aus jedem beliebigen geeigneten Material, das in der Technik verwendet
wird, ausgebildet sein. Wolfram mit Zusätzen, wie z. B.
ThO2, Seltenerdoxiden, oder ohne Zusätze
oder Wolframlegierungen, die z. B. K, Al und/oder Si enthalten,
sind sowohl für die Elektrodenschäfte als auch
für die verdickten Abschnitte geeignet. Für die
verdickten Abschnitte können auch Werkstoffe mit geringeren Schmelztemperaturen,
wie Mo, Re, Os und/oder deren Legierungen mit oder ohne Wolfram
als ein weiterer Legierungszusatz verwendet werden.
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Der
vorstehend beschriebene Elektrodenaufbau ist auf Hochintensitätsentladungslampen
mit hohen Übernahme-, Anlauf- und/oder Dauerbetriebsströmen
besonders anwendbar, und noch spezieller auf Hochintensitätsentladungslampen
für Automobilanwendungen. Der vorgeschlagene Elektrodenaufbau
ergibt eine verbesserte Betriebssicherheit und eine längere
Produktlebensdauer. Diese Vorteile werden durch Reduktion der Wärmebelastung
an der Wand des Entladungsgefäßes an den Elektrodenfußpunkten
erzielt, wodurch die Gefahr einer Risserzeugung und -ausbreitung
in der Wand des die Elektroden umgebenden Entladungsgefäßes,
während die Lampe in wiederholter Weise ein- und ausgeschaltet wird,
reduziert ist.
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Diese
Beschreibung, einschließlich der der besten Ausführungsform,
verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbarten und auch um
einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu schaffen
und zu verwenden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch
die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten,
die Fachleuten einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in
dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle
Elemente haben, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche
nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle
Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche
unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Eine
Hochintensitätsentladungslampe 1 weist ein Entladungsgefäß mit
einer Wand 2, die einen Entladungsraum umschließt,
ein in dem Raum enthaltenes ionisierbares Material und wenigstens zwei
Elektroden 3 auf, die jeweils einen eingebetteten Abschnitt 4 und
einen Elektrodenschaft 6 aufweisen, der von der Wand 2 des
Entladungsgefäßes vorragt und mit einer Spitze 7 der
Elektrode 3 endet, wobei die Elektroden 3 in dem
Raum zur Bildung eines Lichtbogens zwischen den Spitzen 7 eingerichtet sind.
Jeder der Elektrodenschäfte 6 der Elektroden 3 weist
einen verdickten Abschnitt 20, der zwischen dem eingebetteten
Abschnitt 4 und der Spitze 7 der Elektrode 3 angeordnet
ist, einen ersten Schaftabschnitt, der sich zwischen dem eingebetteten
Abschnitt 4 und dem verdickten Abschnitt 20 erstreckt, wobei
der erste Schaftabschnitt eine erste Länge und einen ersten
Schaftdurchmesser aufweist, und einen zweiten Schaftabschnitt auf,
der sich zwischen dem verdickten Abschnitt 20 und der Spitze 7 der
Elektrode 3 erstreckt, wobei der zweite Schaftabschnitt
eine zweite Länge und einen zweiten Schaftdurchmesser aufweist.
Der verdickte Abschnitt 20 weist einen größeren
Gesamtdurchmesser als jeder von dem ersten und dem zweiten Schaftdurchmesser
auf, wodurch er eine spezifische Oberfläche aufweist, die
höher ist als die spezifische Oberfläche des ersten
Schaftabschnitts und die spezifische Oberfläche des zweiten Schaftabschnitts,
und er eingerichtet ist, um die Temperatur des Elektrodenschaftes 6 an
der Innenwand 2 durch Wärmeableitung zu begrenzen.
Der verdickte Abschnitt 20 weist einen minimalen Abstand
zu der Innenwand von wenigstens 50% des ersten Schaftdurchmessers
auf, während die Länge des zweiten Schaftabschnitts
wenigstens 100% des zweiten Schaftdurchmessers beträgt
und die erste Länge höchstens gleich der zweiten
Länge ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4105908 [0007]
- - US 4232243 [0008]
- - US 4893057 [0009]