DE19825004A1 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Abstract

Eine Hochdruckentladungslampe weist zur Verbesserung der Berstdruckbeständigkeit ein konisches Stützröllchen (5) auf. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen Außendurchmesser am hinteren und vorderen Ende zwischen 1,1 und 2,5.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei vornehmlich um Kurz­ bogenlampen, insbesondere Quecksilber-Entladungslampen, vor allem ho­ her Leistung. Die Erfindung ist aber im Prinzip auch bei Xenonkurzbogen­ lampen verwendbar.

Stand der Technik

Aus der Schrift US 5140 222 ist bereits eine gattungsgemäße Hochdruckent­ ladungslampe bekannt. Sie besitzt eine Xenonfüllung. Die Kolbenhälse sind mit konischen Stützelementen aus Quarzglas und keramischen Scheiben ver­ sehen, wobei diese beweglich im Kolbenhals sitzen und mittels einer Feder an eine Verengung am Eingang des Kolbenhalses angepreßt werden.

Bei Quecksilber-Hochdruckentladungslampen sind bisher nur Stützröllchen mit gerader äußerer Mantelfläche verwendet worden, wobei der Kolbenhals an diese äußere Mantelfläche angeschmolzen ist.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslam­ pe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die einem ho­ hen Fülldruck standhalten kann ohne zu bersten. Typisch ist ein Wert des Betriebsdrucks von 70 bar.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängi­ gen Ansprüchen.

Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe aus einem Kolben aus Quarzglas mit zwei im wesentlichen zylindrischen Kol­ benhälsen, in denen zwei Elektroden, die sich diametral gegenüberstehen, mittels Elektrodenstäben gehaltert sind, wobei jeder Stab im vorderen Teil des Kolbenhalses von einem Stützröllchen ummantelt ist, das mit der Kol­ benwand im Bereich des Kolbenhalses verschmolzen ist, und wobei der Stab in den hinteren Teil des Kolbenhalses weitergeführt ist. Das Stützröllchen ist an seiner Außenseite (Mantelfläche) konisch geformt und läuft in Richtung zur Elektrode hin spitz zu, so daß der Außendurchmesser des vorderen En­ des des Stützröllchens kleiner als der Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens ist.

Durch diese neuartige Stütztechnik können großwattige Lampen mit einer Leistung von mehr als 1000 Watt mit einer Füllung unter hohem Betriebs­ druck (70 bar) versehen werden. Typisch ist eine Quecksilberfüllung mit 20 bis 50 mg/cm³. Die großen Kolben haben Längen bis zu 120 mm und mehr und typische Durchmesser von 100 mm. Wegen der großen Kraft auf den Kolben muß der Gefahr des Berstens des Kolbens begegnet werden. Eine sorgfältige Analyse hat als Schwachstelle den Übergang zwischen Entla­ dungsvolumen und Kolbenhals gefunden. Es hat sich gezeigt, daß ein koni­ sches Stützröllchen hier Abhilfe schafft. Bei geeigneter Dimensionierung läßt sich eine Erhöhung des Berstdrucks um bis zu 300% erreichen.

Bisher bekannte Lampen verwendeten angeschmolzene Stützröllchen mit konstanter Wanddicke über die Länge, siehe EP-A 479 089, EP-A 479 088 sowie DE-A 196 18 967. Dadurch waren Außendurchmesser und Innen­ durchmesser konstruktiv vorgegeben durch den Durchmesser der Folienein­ schmelzung im hinteren Teil des Kolbenhalses. Die Stützröllchen wurden außerdem meist direkt am Beginn des Kolbenhalses eingesetzt und dort mit der Kolbenwand im Bereich des Kolbenhalses, verschmolzen. Diese Techno­ logie gestattet aber nur Quecksilberfüllmengen bis maximal 20 mg/cm³ bei relativ kleinen Kolbenabmessungen bis zu einer Gesamtlänge von etwa 80 mm. Bei höherem Druck wird die Belastbarkeit im Bereich des Übergangs Entladungsvolumen/Kolbenhals überschritten.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des hinteren Endes des konischen Stützröllchens und dem Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens zwischen 1,1 und 2,5.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß die Wandstärke des Stützröllchens an seinem vorderen Ende möglichst klein sein soll, damit der Übergang von der Wandstärke des Kolbenhalses zu der des Systems Kolben­ hals/Stützröllchen möglichst geringfügig ist. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Wandstärke des Stützröllchens kleiner gleich, bevorzugt kleiner als 50%, der ursprünglichen Wandstärke des Kolbens an dieser Stelle ist. Dann ist die verstärkte Wandstärke nach dem Verschmelzen bzw. An­ schmelzen maximal das 1,5fache der ursprünglichen Wandstärke.

Vorteilhaft ist ein Bereich am vorderen Ende des Kolbenhalses (im folgenden Einzug genannt) frei vom Stützröllchen. Dabei wird empfohlen, daß der Einzug maximal dem Zweifachen des Außendurchmesser des Stützröllchens an dessen vorderem Ende entspricht.

Absolut gesehen sollte der Einzug bevorzugt zwischen 3 und 25 mm betra­ gen.

Eine weitere Verbesserung und Optimierung der Berstdruckfestigkeit wird dadurch erzielt, daß die Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs an die konische Außenfläche des Stützröllchens derart anschließt, daß der Winkel zwischen der Endfläche des Stützröllchens und der Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs maximal 90° und bevorzugt kleiner gleich α + 15° ist, wenn α der Winkel ist, der einem tangentialen Anschluß der Kolbeninnen­ wand an das Stützröllchen entspricht. Die Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs steht daher typisch über das Stützröllchen nach innen über.

Unter dem Begriff eines konischen Stützröllchens ist hier nicht ausschließlich eines mit gerader Mantelfläche zu verstehen, sondern auch, daß die Erzeu­ gende der konischen Mantelfläche eine geschwungene Kurve darstellt, so daß die Mantelfläche etwas ausgebaucht, aber insgesamt noch konisch, ist.

Die wichtigste Anwendung der vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, daß der Kolben mit Quecksilber gefüllt ist, wobei die Füllung bis zu 50 mg/cm³ beträgt. Typische Leistungen der Lampe liegen bei mindestes 1 kW.

Die erzielte Drucksteigerung wird durch eine bessere geometrische Anpas­ sung der Wanddicken beim Übergang zwischen der reinen Kolbenwand und der durch das Stützröllchen verstärkten Wand erreicht. Dadurch kann letztlich der Kolbenhals an dieser Stelle konisch verengt werden. Bevorzugt ist ein maximaler Außendurchmesser des Stützröllchens von 15 mm am hinteren Ende. Insgesamt wird also eine kleinere Oberfläche im Bereich des Kolbenhalses geschaffen, was den Berstdruck erhöht. Die Verbindung zwi­ schen Kolbenhals und Stützröllchen wird durch an sich bekanntes Auf­ schmelzen des Kolbenhalses auf das vorne kleinere Stützröllchen geschaffen.

Durch den Einzug am Kolbenhals ergibt sich eine günstigere Einleitung der durch den Innendruck der Füllung verursachten Kraft in den Kolbenhals. Eine Optimierung wird durch die bekannte mathematische Methode der finiten Elemente für jeden speziellen Lampentyp erreicht.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Quecksilber-Hochdruckentladungslampe im Schnitt,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützröllchens,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützröllchens.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Quecksilber-Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Lei­ stung von 2,5 kW im Schnitt. Sie hat einen Kolben 2 aus Quarzglas mit einer Wandstärke von 4 mm. Das Entladungsvolumen 3 ist tonnenförmig o. ä. ge­ formt. Daran schließen sich an beiden Seiten diametral gegenüberstehend zwei Kolbenhälse 4 an. Diese besitzen einen vorderen konischen Teil 4a, der ein Stützröllchen 5 aus Quarzglas enthält, und einen hinteren zylindrischen Teil 4b, der die abdichtende Einschmelzung bildet. Der vordere Teil 4a weist einen Einzug 6 von 5 mm Länge auf. Daran schließt sich ein Stützröllchen 5 mit Bohrung 7 an, das konisch geformt ist. Sein Innendurchmesser ist 7 mm, sein Außendurchmesser am vorderen Ende ist 11 mm, der Außendurchmes­ ser am hinteren Ende ist 15 mm. Die Wandstärke des Kolbens in diesem Be­ reich ist etwa 4 mm. Die axiale Länge des Stützröllchens ist 22 mm.

In der Bohrung des Stützröllchens ist ein Elektrodenstab 10 mit einem Durchmesser von 6 mm axial geführt, der bis in das Entladungsvolumen reicht, und dort einen Elektrodenkopf 11 als Anode trägt. Der Stab 10 ist über das Stützröllchen 5 hinaus nach hinten verlängert und endet an einem Teller 12, an den sich ein zylindrischer Quarzblock 13 anschließt. Dahinter folgt ein zweiter Teller 14, der mittig eine Außenstromzuführung in Form eines Molybdänstabs 15 hält. An der Außenfläche des Quarzblocks sind vier Folien 16 aus Molybdän in an sich bekannter Weise entlanggeführt und an der Wand des Kolbenhalses eingeschmolzen.

Die Kolbeninnenwand ist in etwa tangential über die Mantelfläche des Stützröllchens hinaus weitergeführt.

Das konische Stützröllchen 5 führt zu einer Steigerung des Berstdrucks um 200%, verglichen mit dem o.e. Stand der Technik. Durch den Einzug von 5 mm wird der Berstdruck um weitere 100% erhöht.

Fig. 2 (links) zeigt ein Stützröllchen 20, deren äußere Mantelfläche 21 leicht konvex ausgebaucht ist. Das Verhältnis der Außendurchmesser am vorderen und hinteren Ende ist 1,9.

Fig. 3 (rechts) zeigt ein Stützröllchen 25 mit gerader Mantelfläche und ei­ nem Verhältnis der Außendurchmesser am vorderen und hinteren Ende von 1,4.

Claims (10)

1. Hochdruckentladungslampe, bestehend aus einem Kolben aus Quarz­ glas mit zwei im wesentlichen zylindrischen Kolbenhälsen, in denen zwei Elektroden, die sich diametral gegenüberstehen, mittels Elektro­ denstäben gehaltert sind, wobei jeder Stab im vorderen Teil des Kol­ benhalses von einem Stützröllchen ummantelt ist, das mit der Kolben­ wand im Bereich des Kolbenhalses verschmolzen ist, und wobei der Stab in den hinteren Teil des Kolbenhalses weitergeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützröllchen an seiner Außenseite konisch ge­ formt ist und in Richtung zur Elektrode hin spitz zuläuft, so daß der Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens kleiner als der Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens ist.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens und dem Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens zwischen 1,1 und 2,5 beträgt.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wandstärke des Stützröllchens an seinem vorderen Ende kleiner gleich, bevorzugt kleiner als 50%, der Wandstärke des Kolbens an dieser Stelle ist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Bereich des Kolbenhalses (Einzug genannt) an dessen vor­ deren Ende frei vom Stützröllchen ist.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einzug maximal dem Zweifachen des Außendurchmesser des Stützröllchens an dessen vorderem Ende entspricht.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einzug zwischen 3 und 25 mm beträgt.

7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs an die konische Außenfläche des Stützröllchens derart anschließt, daß der Winkel zwi­ schen der Endfläche des Stützröllchens und der Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs maximal 90° und bevorzugt kleiner gleich α + 15° ist, wenn α der Winkel ist, der einem tangentialen Anschluß der Kol­ beninnenwand an das Stützröllchen entspricht.

8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Erzeugende der konischen Mantelfläche eine Gerade oder eine geschwungene Kurve ist.

9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kolben mit Quecksilber gefüllt ist, wobei die Füllung bis zu 50 mg/cm³ beträgt.

10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leistung der Lampe mindestes 1 kW beträgt.