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BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Gasentladungslampe für ein Kraftfahrzeug.
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Aus
DE 44 13 548 A1 ist eine Metallhalogenlampe bekannt mit einer Leuchtstoffröhre, die Edelgase und Metallhalogene aufweist. Ferner weist die Metallhalogenlampe ein Elektrodenpaar auf, wobei die beiden Elektroden des Elektrodenpaars gegenüberliegend jeweils nahe an einem der beiden Enden der Leuchtstoffröhre angeordnet sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Leuchtstoffröhre im Querschnitt eine unebene Struktur, beispielsweise mit einer Sägezahnform, aufweist und hierbei aufgrund einer Faltung der innern und der äußeren Oberfläche der Leuchtstoffröhre eine Vielzahl von Kanälen gebildet werden, um den Druck in der Leuchtstoffröhre zu stabilisieren, so dass ein Biegen eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden verhindert wird.
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Hochdruck-Entladungslampen werden als Beleuchtungsmittel in Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen und Arbeitfahrzeugen, eingesetzt.
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Aus
US 8 247 973 B2 ist eine Entladungslampe für ein Fahrzeug bekannt, die eine Entladungskammer aufweist, in der zwei sich gegenüberliegende Elektroden angeordnet sind. Die Entladungskammer ist rotationsasymmetrisch in Längsrichtung ausgebildet und weist einen konvexen Teil unterhalb der Elektroden in Längsrichtung auf. Anhand der Formgebung werden so genannte „kalte Stellen“ innerhalb der Entladungskammer bereitgestellt und gesteuert. Mit Hilfe der kalten Stellen kann die Lichtabsorbierung gesteuert werden.
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WO 2012 / 171 322 A1 beschreibt eine Gasentladungslampe mit einer Lampenröhre, einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und mehreren Vorsprüngen. Hierbei sorgt die Reflexionsfläche der Vorsprünge dafür, dass Druckwellen, die durch einen Lichtbogen erzeugt werden, gestreut werden, um akustische Resonanzen zu vermeiden.
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US 5 466 988 A beschreibt eine Hochdruckentladungslampe mit einer Entladungsröhre, einer ersten und einer zweiten Elektrode, wobei durch eine Hochspannung eine Bogenentladung zwischen den beiden Elektroden hervorgerufen wird. Ferner weist die Hochdruckentladungslampe einen konvektionsregulierendes Element auf, das elektrisch isoliert in der Entladungsröhre angeordnet ist.
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Ferner sind aus
US 3 885 181 A ,
GB 1 008 861 A ,
GB 1 289 166 A ,
JP 61-071 541 A und
JP 61-165 944 A weitere Gasentladungslampen bekannt.
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Ein Nachteil der bekannten Hochdruck-Entladungslampen ist, dass die gasförmige Füllung schwingen kann. Ein Schwingen des Gases entsteht dadurch, dass im Inneren eines Entladungsgefäßes der Hochdruck-Entladungslampe ein Lichtbogen durch eine geringere Dichte gegenüber dem umliegenden Gas im Entladungsgefäß Auftrieb erfährt. Auf diese Weise kann die Gasfüllung im Entladungsgefäß zu dynamischer Schwingung angeregt werden. Durch diese Schwingung wird der Lichtbogen ebenfalls in Bewegung versetzt.
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Ist die Hochdruck-Entladungslampe in einem Scheinwerfer eines Fahrzeug installiert, so haben die Bewegungen des Lichtbogens negative Auswirkungen auf die Beleuchtungseigenschaften des Scheinwerfers. Durch die Schwingung des Lichtbogens im Entladungsgefäß und somit durch die Auslenkung der Lichtquelle im Reflektor des Scheinwerfers wird die Helligkeitsverteilung im Lichtbild des Scheinwerfers verändert. Besonders bemerkbar macht sich diese Schwingungsfähigkeit bei Hochdruck-Entladungslampe, die in oder auf sich bewegenden Objekten installiert sind, wie Fahrzeugen. Wird beispielsweise beim Fahren durch eine Bodenunebenheit eine Schwingung in das Fahrzeug eingeleitet, erfährt zwangsläufig die Hochdruck-Entladungslampe ebenso eine Beschleunigung, so dass der Lichtbogen zu Schwingungen angeregt wird. Ab einer bestimmten Stärke der Anregung wird diese Schwingung des Lichtbogens im Lichtbild für einen Betrachter störend bemerkbar. Zusätzlich ist zu beobachten, dass die Eigenfrequenzen bei bekannten Hochdruck-Entladungslampe in Fahrzeugen genau oder nahezu in den Frequenzbereichen liegen, die im Fahrzeug besonders stark hervortreten.
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Bisher wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um das Phänomen eines schwingenden Lichtbogens in einem Fahrzeug zu beseitigen. Zum einen wurden Modifikationen am Entladungsgefäß durchgeführt in Form von Mattierung der Außenflächen, um eine Homogenisierung des von der Lampe abgegebenen Lichtes zu bewirken. Ferner wurde durch eine spezielle elektronische Ansteuerung der Hochdruck-Entladungslampe versucht, das Verhalten des Lichtbogens und somit das Leuchtverhalten zu ändern. Als weitere Maßnahme wurde eine mechanische Entkopplung des Gesamtscheinwerfers vom Fahrzeug in Betracht gezogen.
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Die vorgeschlagenen Maßnahmen haben jedoch Nachteile bei der Herstellung einer Hochdruck-Entladungslampe und der anschließenden Erprobung. Beispielsweise erfordert eine Mattierung einen aufwändigen Arbeitsschritt bei der Herstellung. Ferner werden zur Erprobung von Entkopplungsmaßnahmen am Scheinwerfer oft aufwändige Versuchsaufbauten benötigt, um beispielsweise verschiedene mechanische Schwingungsarten am Fahrzeug mit installiertem Scheinwerfersystem zu erproben und deren Auswirkungen zu untersuchen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist demnach die oben genannten Nachteile zu beseitigen, insbesondere mit einfachen Mitteln eine Verbesserung der Lichtbogenstabilität in einer Gasentladungslampe bereitzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Gasentladungslampe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das Prinzip der Erfindung schlägt somit einen anderen Weg vor im Vergleich zu den bisher bekannten Maßnahmen zur Stabilisierung eines Lichtbogens. Erfindungsgemäß werden Verwirbelungen bewusst erzeugt, um dem Schwingungssystem (vor allem der schwingenden Gasfüllung) Energie zu entziehen und um damit eine Stabilität des Lichtbogens zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Gasentladungslampe kann eine wandstabilisierte Hochdruck-Entladungslampen sein, wie sie in Scheinwerfern in Kraftfahrzeugen und Maschinen zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die Gasentladungslampe Teil eines Xenonscheinwerfers eines Fahrzeugs oder einer Arbeitsmaschine sein.
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Es wird eine Minderung oder sogar Unterbindung der Bewegungsfähigkeit des Lichtbogens in der Gasentladungslampe angestrebt. Hierbei wird vorgesehen, die Schwingungsfähigkeit der im Entladungsgefäß beinhalteten gasförmigen Stoffe, welche die Bewegung des Lichtbogens veranlassen, abzuschwächen oder zu unterbinden. Diese Vorgehensweise bedeutet eine Ergreifung von Maßnahmen direkt am Ursprung des Problems. Dies wird durch eine geometrische Formgebung und Optimierung des Entladungsgefäßes bewirkt, insbesondere durch eine Störung der Strömung im Entladungsgefäß oder durch eine Einschränkung der Strömung im Entladungsgefäß.
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Es wird in einem Ausführungsbeispiel ein Entladungsgefäß einer wandstabilisierten Hochdruck-Entladungslampe zum Einsatz in Fahrzeugen vorgeschlagen, das durch eine spezielle Formgebung, insbesondere des gesamten Entladungsgefäßes oder seiner Innenfläche, eine strömungsmechanische Schwingung der darin enthaltenen Gase beliebiger Art verhindert oder einschränkt. Für die Formgebung sind beliebige Unregelmäßigkeiten und/oder Asymmetrien der inneren Gefäßwand zur aerodynamischen Störung der Gasströmung vorgesehen, beispielsweise die punktuelle Aufbringung durch Aufschmelzen von Saphirkörnern, Einbringung einer oder mehreren Schwallwand / -wänden, Einfüllen von losem Granulat mit ausreichend hohem Schmelzpunkt und erforderlichen chemischen Eigenschaften wie beispielsweise Saphir oder Wolfram, oder der nicht rotationssymmetrischen Formung der Gefäßwände, wie der parallelen Abflachung der beiden Seiten, die V-förmige Abflachung der Seitenflächen oder einer Abflachung der unteren Gefäßwand.
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Von Vorteil wird eine Gasentladungslampe bereitgestellt, bei der das Verwirbelungselement an der Innenwand des Gasentladungsgefäßes durch mindestens ein Element gebildet wird. Hierbei wird das Volumen im Inneren des Entladungsgefäßes reduziert.
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Das Verwirbelungselement wird dadurch erhalten, dass loses Granulat in ein heißes Glasröhrchen eingelegt wird und dann im Zuge der Formung des Gasentladungsgefäßes aus diesem Glasröhrchen durch Hitzeeinwirkung sich das Granulat in diesem Vorgang gleichzeitig mit der Gefäßwand verbindet.
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Beispielsweise kann das bezüglich des Mittelpunkts vorzugsweise nicht rotationssymmetrische Verwirbelungselement durch aufgeschmolzenes körniges Gut an der Gefäßinnenwand gebildet werden. Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Verwirbelungselement durch loses Granulat gebildet wird. Ferner kann das Verwirbelungselement durch eine Schwallwand gebildet werden. Hierbei ist unter einer Schwallwand ein Element zu verstehen, das Verwirbelungen quer zum brennenden Lichtbogen erzeugen kann. Dies geschieht beispielsweise mit einer Wand, die auf der inneren Oberfläche der Gefäßwand des Gasentladungsgefäßes angebracht ist, beispielsweise verschmolzen ist mit der inneren Oberfläche. Die Schwallwand ist vorzugsweise scharfkantig an ihrem oberen Ende, kann aber auch abgerundete Ecken am oberen Ende aufweisen und ist beispielsweise rechtwinklig oder nahezu rechtwinklig in Bezug auf den brennenden Lichtbogen angeordnet und beispielsweise unterhalb der beiden Elektroden an der Innenwand verschmolzen.
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Mit Vorteil kann vorgesehen werden, dass das Verwirbelungselement durch eine Schwallwand gebildet und durch Aufschmelzen oder Eindrücken der Gefäßwand während der Formung eingebracht wird.
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Hierbei kann vorgesehen werden, dass als ein Teil der Innenwand des Gasentladungsgefäßes ins Innere des Gasentladungsgefäßes gedrückt ist. Ferner kann vorgesehen werden, dass das Verwirbelungselement durch einen horizontalen Abschnitt in der Innenwand des Gasentladungsgefäßes gebildet wird. Auch ist es möglich, dass das Verwirbelungselement durch zwei Abschnitte in der Innenwand des Gasentladungsgefäßes gebildet wird und die beiden Abschnitte parallel zueinander verlaufen. Eine weitere Möglichkeit ist, dass das Verwirbelungselement durch zwei Abschnitte in der Innenwand des Gasentladungsgefäßes gebildet wird und die beiden Abschnitte zueinander V-förmig verlaufen.
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Es ergeben sich mehrere Vorteile:
- Ein Vorteil der Erfindung ist eine sehr kostengünstige Lösung eines allgemein bekannten Problems. Diese Vorschläge lassen sich an dem Entladungsgefäß teilweise durch einfache Mittel umsetzen und ermöglichen mindestens eine starke Abschwächung des störenden Effekts am Lichtbogen. Ferner lassen sich Qualitätsverbesserungen und reduzierte Herstellungskosten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe erreichen.
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Auch sind bei der Entwicklung von Scheinwerfern Ersparnisse zu erwarten, beispielsweise durch wegfallende Tilgermassen, Entkoppelungsstellen oder aufwändiger Softwareentwicklung und Softwareerprobung. Ebenso kann sich durch die Beseitigung oder Einschränkung der Schwingung die Materialwahl und Festigkeitsauslegung positiv auswirken.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird nun anhand eines Beispiels in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit fixierten Glaskörnern auf der inneren Oberfläche eines Entladungsgefäßes;
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit losem Granulat auf der inneren Oberfläche eines Entladungsgefäßes;
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit einer aufgeschmolzenen Schwallwand auf der inneren Oberfläche eines Entladungsgefäßes;
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit einer aus der Gefäßwand eines Entladungsgefäßes geformten Schwallwand;
- 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit seitlich zueinander parallelen Wänden eines Entladungsgefäßes;
- 6 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit V-förmigen Wänden in einem unteren Bereich eines Entladungsgefäßes;
- 7 eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer Gasentladungslampe mit einer abgeflachten Wand in einem unteren Bereich eines Entladungsgefäßes.
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Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar und sind schematisch ohne Maßstabstreue dargestellt.
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In den 1 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe, hier einer Hochdruck-Entladungslampe in einem Xenonscheinwerfer eines Fahrzeugs, in Schnittansicht dargestellt. Hierbei stellt jede der 1 bis 7 zwei Ansichten einer Hochdruck-Entladungslampe dar, wobei links in der jeweiligen Figur, mit „a“ gekennzeichnet, eine Querschnittsansicht in Längsrichtung dargestellt ist und rechts in der jeweiligen Figur, mit „b“ gekennzeichnet, eine Schnittansicht dargestellt ist mit einem Schnitt I-II, der auf einer vertikalen Mittelachse der Hochdruck-Entladungslampe verläuft, wobei der Verlauf des Schnitts in dem linken Teil der Figur mit I-II bezeichnet ist.
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Hochdruck-Entladungslampen weisen im allgemeinen ein rotationssymmetrisches Entladungsgefäß auf. Die Außenkontur des Entladungsgefäßes ist kugelförmig oder elliptisch oder ähnlich diesen Formen, im mittigen Bereich der Innenfläche ist die Gefäßwand zylinderförmig oder elliptisch oder ähnlich diesen Formen ausgebildet, zu den Elektroden hin verjüngt sich die Innenfläche zunehmend bis zum Durchmesser der Elektroden. Bei der Auslegung der Geometrie des Entladungsgefäßes sind zusätzlich Aspekte der Gesetzgebung zu beachten. Der Lichtbogen soll gemäß Gesetzgebung (ECE-R.99) eine genau definierte Form und Lage aufweisen. Die vorgeschriebenen Geometrie des Lichtbogens hat eine Bogenform mit einer Bogenauslenkung von 0,50 ±0,40 mm und eine Bogenbreite von 1,10 ± 0,40 mm. Das Entladungsgefäß kann zusätzlich zu dem eigentlichen Gas zur Gasentladung verschiedene Stoffen und/oder Elementen aufweisen, wobei die Stoffe und/oder Elemente einen gasförmigen und/oder flüssigen und/oder festen Aggregatzustand aufweisen können. Diese Stoffe und/oder Elemente tragen zu den geforderten Eigenschaften des Lichtbogen bei.
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Solche vorliegenden Gesetzgebungen können von den erfindungsgemäßen Ausführungsformen einer Gasentladungslampe, insbesondere einer Hochdruck-Entladungslampe, erfüllt werden.
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In den 1 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen einer Gasentladungslampe 10 dargestellt. Hierbei weist die Gasentladungslampe 10 ein Gasentladungsgefäß 11 mit einer Gasfüllung 12 auf, die durch eine Innenwand 13 des Gasentladungsgefäßes 11 begrenzt wird, wobei die Innenwand 13 in Querschnittsansicht I-II mindestens einen Kreisabschnitt aufweist. Bei den 1 bis 7 weist die Gasentladungslampe 10 ein Elektrodenpaar auf, das auf einer Längsachse 14 des Gasentladungsgefäßes 11 angeordnet ist und eine erste Elektrode 15 des Elektrodenpaars gegenüberliegend einer zweiten Elektrode 16 des Elektrodenpaars angeordnet ist, wobei die beiden Elektroden 15, 16 jeweils auf einem Mittelpunkt 17 eines Kreises liegen und mindestens ein Teil des Kreises den Kreisabschnitt der Innenwand 13 bildet. Ferner weicht die Innenwand 13 des Gasentladungsgefäßes 11 von einer kreisrunden Querschnittsfläche teilweise ab, wobei die Abweichung durch mindestens ein Verwirbelungselement 18 gebildet wird zur Verwirbelung einer Gasströmung während ein Lichtbogen 19 zwischen den Elektroden 15, 16 brennt. Anhand der einzelnen Figuren werden die Ausbildungen der Verwirbelungselement 18 näher erläutert.
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Die Störung der Strömung der im Gasentladungsgefäß vorhandenen Gasfüllung oder der Einschränkung der Bewegung der im Gasentladungsgefäß vorhandenen Gasfüllung, und damit die Minderung der Lichtbogenauslenkung, erfolgt durch die Formgebung des Entladungsgefäßes. Hierbei ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, die anhand der Figuren näher erläutert werden.
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Zum einen kann eine Störung der Strömung durch Einbringung von Unebenheiten mit unregelmäßiger Anordnung die Strömung abschwächen. Diese Unebenheiten werden als Verwirbelungselement bereitgestellt und wirken als ein oder mehrere Turbulatoren und sollen durch Wirbelbildung in der Strömung diese abschwächen. Das physikalische Prinzip beruht darauf, dass die kinetische Energie der Strömung durch die Wirbel in Wärme umgewandelt wird und so dem Schwingungssystem Energie entzogen werden soll. Die Unregelmäßigkeiten sollen durch die Einbringung von beispielsweise Saphirkörnern, wie in 1 gezeigt, durch Aufschmelzen auf die Gefäßinnenwand an der Unterseite (die dem Rückführungsdraht zugewandte Seite) erfolgen.
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Ebenfalls ist denkbar, wie in 2 dargestellt, loses Granulat eines Feststoffes als Verwirbelungselement zu verwenden, dessen Schmelzpunkt oberhalb der aufkommenden Temperaturen liegt und dessen chemische Beständigkeit den Verhältnissen im Entladungsgefäß gerecht werden. Eine hohe Effizienz kann erreicht werden, wenn die Kornform nicht kugelförmig oder nahezu kugelförmig ist, sondern geometrisch unbestimmt ist. Kugeln können durch die Strömung eine Eigengeschwindigkeit erfahren, dadurch reduziert sich die relative Geschwindigkeit zwischen Kugel und Gas und die Wirbelbildung fällt geringer aus.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Schwallwand oder mehrere Schwallwände in das Entladungsgefäß durch Aufschmelzen, wie in 3 dargestellt, oder Eindrücken der Gefäßwand während des Formungsprozesses, wie in 4 dargestellt, einzubringen. Die Schwallwand wird vorzugsweise in axialer Richtung des Entladungsgefäßes angeordnet, um optimale Wirkung zu gewährleisten. Um eine möglichst geringe Streuwirkung der eingebrachten Teile in Form von Verwirbelungselementen zu gewährleisten, sollte die den Elektroden zugewandte Seite der Schwallwand möglichst scharfkantig sein, oder zumindest eine möglichst geringe Wandstärke mit kleiner Kantenverrundung besitzen. Zusätzlich sollte die der den Elektroden zugewandte Seite konvex sein. Die Wandstärke quer zur Mittelachse der Elektroden der Schwallwand wird vorzugsweise sehr gering gewählt, beispielsweise maximal 1 mm in ihrer weitesten Breite.
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Es ist auch möglich, die Freiheit der Gasströmung bei brennendem Lichtbogen einzuschränken, indem die gesamte Gefäßwand auf beiden horizontal gegenüberliegenden Seiten parallel abgeflacht wird, wie in 5 dargestellt. Es ist auch möglich, die gegenüberliegenden Seiten zur unteren Seite hin V-förmig abzuflachen, wie dies in 6 gezeigt ist. Ferner ist es möglich, die untere Seite der Gefäßinnenwand abzuflachen, wie in 7 dargestellt.
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Alle Lösungsmöglichkeiten haben gemeinsam, dass das enthaltene Gas nicht in eine Schwingung im Gefäß übergehen kann. Die Schwingung wird eingeschränkt.
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Weitere geeignete geometrische Formgebungen am Entladungsgefäß sind möglich. Allen Lösungsmöglichkeiten ist die Einschränkung oder Störung der Schwingung der im Entladungsgefäß beinhalteten Gase und des Lichtbogens gemeinsam.
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Technisch können alle Möglichkeiten direkt bei der Herstellung der Entladungsgefäße mit zugehörigen Komponenten umgesetzt werden. Abflachungen jeglicher Art können direkt bei der Formung des Entladungsgefäßes mit berücksichtigt und eingebracht werden. Eine Einbringung von festen Unregelmäßigkeiten kann ebenfalls bei der Formung des Gefäßes erfolgen, indem in ein heißes Glasröhrchen ein Granulat eingefüllt wird und durch die Hitzeeinwirkung sich das Granulat oder Glaskörner in diesem Vorgang gleichzeitig mit der Gefäßwand verbindet. Ein Loses Granulat wird im Zuge der Befüllung des Gefäßes einfach mit eingelegt. Die Einbringung von Schwallwänden kann ebenfalls bei der Formung des Entladungsgefäße erfolgen, indem ein Plättchen während des Formungsprozesses in das heiße Röhrchen eingeführt wird und es sich dann durch die Hitzeeinwirkung mit der Gefäßinnenwand verbindet. Alternativ kann mittels eines Stempels während des Formungsprozesses ein Teil der Wand nach innen eingedrückt werden, um so eine Schwallwand direkt aus dem Material des Gefäßes zu erzeugen.
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Durch das Verwenden von mindestens einem Verwirbelungselement wird ein Gasentladungsgefäß, das beispielsweise eine zylindrische Form aufweist, in Bezug auf sein innere Volumen verkleinert, da mindestens ein Verwirbelungselement in das bisherige Volumen eingebracht wird. Diese Volumenreduzierung kann auf unterschiedliche Weisen hervorgerufen werden, indem eine Asymmetrie, d.h. Abweichung von einem kreisförmigen Querschnitt, angestrebt wird, indem mindestens ein Verwirbelungselement an der Innenwand des Gasentladungsgefäßes angeordnet ist, vorzugsweise mindestens unterhalb des Elektrodenpaars. Bei den Ausführungsformen gezeigten Ausführungsbeispielen gibt es mehrere Möglichkeiten das Volumen zu Verkleinern, durch Einbringen von mindestens einem Verwirbelungselement oder zum Beispiel durch Verformung der Wände des Gasentladungsgefäßes.
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Die 1 bis 7 zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Gasentladungslampe 10 mit unterschiedlichen Ausführungsformen, die auch miteinander in einer Gasentladungslampe kombiniert werden können. So kann beispielsweise die Granulatfüllung der 2 mit einer geometrischen Ausgestaltung nach 7 kombiniert werden.
