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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe mit zumindest einem
Brenner, der eine Brennerwand und eine von der Brennerwand umschlossene
Entladungskammer aufweist, wobei bei Betrieb der Lampe und in Abhängigkeit
von der Einbaulage der Lampe sich an der inneren bzw. der äußeren Kontur
der Brennerwand ein Bereich mit einer niedrigsten Temperatur und
ein Bereich mit einer höchsten
Temperatur einstellt, und mit einem mehrschichtigen Interferenzfilter,
das auf einem Teil der äußeren Kontur
der Brennerwand angeordnet ist, sodass das Interferenzfilter IR-Licht
hin zur Entladungskammer reflektiert.
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Hochdruckgasentladungslampen
(HID-Lampen; HID: high intensity discharge) und insbesondere UHP-Lampen
(UHP: ultra high Performance) werden auf Grund ihrer optischen Eigenschaften
unter anderem bevorzugt zu Projektionszwecken eingesetzt. Im Sinne
der Erfindung umfasst die Bezeichnung „UHP-Lampe" (Philips) auch UHP-artige Lampen anderer
Hersteller.
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Für diese
Anwendungen wird eine möglichst punktförmige Lichtquelle
gefordert, d. h. der sich zwischen den Elektrodenspitzen ausbildende
Lichtbogen soll eine bestimmte Länge
nicht überschreiten. Weiterhin
ist häufig
eine möglichst
hohe Lichtstärke bei
möglichst
natürlicher
spektraler Zusammensetzung des sichtbaren Lichtes erwünscht.
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Für solche
Anwendungen, bei denen eine hohe Effizienz der Lichtquelle in Bezug
auf sichtbares Licht relevant ist, wird nicht nur Strahlung im gewünschten
Wellenlängenbereich,
sondern auch Strahlung emittiert, die für die betreffende Anwendung
nicht zweckmäßig oder
möglicherweise
schädlich
ist. Bezogen auf das angestrebte Ergebnis bewirkt diese unerwünschte Strahlung
zumindest einen Verlust an eingesetzter Energie. Beispielsweise
werden bei UHP-Lampen von je 100 W der Lampe zugeführter elektrischer
Energie nur ca. 25 W in sichtbare Strahlung umgesetzt.
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Sollen
Hochdruckgasentladungslampen, insbesondere UHP-Lampen, eingesetzt
werden, müssen
zwei wesentliche Forderungen gleichzeitig erfüllt werden:
Einerseits
darf die höchste
Temperatur an der Oberfläche
der Entladungskammer bzw. der inneren Kontur der Brennerwand nicht
so hoch werden, dass eine Entgla sung des im allgemeinen aus Quarzglas
gefertigten Lampenkolbens auftritt. Dies kann deshalb problematisch
sein, weil durch die starke Konvektion innerhalb der Entladungskammer
der Lampe der Bereich oberhalb des Lichtbogens besonders stark erwärmt wird.
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Andererseits
muss die kälteste
Stelle an der Oberfläche
der Entladungskammer bzw. der inneren Kontur der Brennerwand noch
eine so hohe Temperatur aufweisen, dass sich das Quecksilber dort
möglichst
nicht niederschlägt,
sondern in ausreichendem Maße
im verdampften Zustand erhalten bleibt.
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Diese
beiden einander widersprechenden Forderungen (ihren dazu, dass die
maximal zulässige
Differenz zwischen der höchsten
und der niedrigsten Temperatur relativ gering ist.
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Derzeit
bleiben handelsübliche
UHP-Lampen im Betrieb bei Nennleistung innerhalb dieses zulässigen Temperaturbereiches.
Es besteht jedoch der Bedarf, den möglichen Betriebsbereich zu
erweitern, z. B. durch Dimmen der Lampe oder Upgrade eines Lampentyps
für Lampen
mit höherer
Lumenleistung.
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Beim
Dimmen darf die Temperatur dieser kältesten Stelle nicht zu sehr
absinken. Eine lokale Erhöhung
der Temperatur der Brennerwand ist daher notwendig. Bei einer Leistungserhöhung darf
die Temperatur der heißesten
Stelle nicht zu sehr steigen.
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Weiterhin
gibt es Situationen, in denen sich innerhalb der Lampe im Betrieb
Bereiche ausbilden, die zwar eine Temperatur zwischen der höchsten und der
niedrigsten Temperatur haben, für
deren bestimmungsgemäße Funktion
aber die angenommenen Temperatur nicht optimal ist. Als Beispiel
dafür seien die
Elektroden genannt, bei denen die Temperaturen der jeweiligen, innerhalb
der Entladungskammer angeordneten Teile nicht unter einen bestimmten
Wert absinken dürfen,
wenn eine gute Lebensdauer erreicht werden soll. Die Elektrode wird
an ihrer Eintrittsstelle in die Brennerwand der Entladungskammer
durch diese Wand gekühlt,
und zwar umso mehr, je kälter
diese Wand dort ist. Es kann also vorkommen, dass diese Kühlung die
Elektrode in einen ungünstigen
Temperaturbereich bringt. In diesem Falle wäre es daher wünschenswert,
die Wand an der Eintrittsstelle der Elektrode in die Wand gezielt
aufzuheizen, obwohl ihre Temperatur zwischen der der kältesten
und der der heißesten
Stelle liegt.
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Die
Brennerwand ist im Sinne der Erfindung nur der Bereich des Lampenkolbens,
welcher funktionsbedingt die Entladungskammer umschließt.
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US 5.221.876 offenbart einen
grundsätzlichen
Lösungsansatz
zur Erhöhung
der Effizienz durch Reflexion von unerwünschter IR-Strahlung zurück in den
Bereich des Lampenkolbens, um diesen dadurch zusätzlich zu erwärmen. Als
Reflektor dient ein mehrschichtiges Interferenzfilter. Dabei wird
das IR-Licht (Infrarot-Licht) des ausgesandten Spektrums, welches
ansonsten für
Beleuchtungszwecke nicht genutzt würde, hin zum Lichtbogen reflektiert und
reabsorbiert. Bei den betrachteten gesättigten Lampen, die als Lampen
für Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen
sind, wird undifferenziert die gesamte Lampe erwärmt. Hauptsächlich diese Erwärmung führt bei
den betreffenden Betriebstemperaturen der Lampe, insbesondere durch
Wärmeleitung
und Konvektion, zu einer verstärkten
Verdampfung von Metallhalogeniden im Innern des Lampenkolbens. Eine Übertragung
des beschriebenen Lösungsvorschlages
auf Hochdruckgasentladungslampen, insbesondere auf UHP-Lampen, ist
nicht möglich,
weil die Temperatur der heißesten
Stelle ebenfalls erhöht würde. Typisch
für alle
UHP-Lampen ist außerdem, dass
diese im Verhältnis
zu anderen Lampentypen nur geringe Lichtstärken im IR-Bereich aufweisen.
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Aus
der
US 5.952.768 ist
eine Beschichtung bekannt, welche den Wärmetransport aus einer Hochdruckgasentladungslampe
abschwächt,
um insbesondere eine Temperaturerhöhung des kältesten Bereiches der Brennerwand
zu erreichen und gleichzeitig die Effizienz der Lampe signifikant
zu erhöhen. Diese
Beschichtung ist ein mehrschichtiges Interferenzfilter, welches
sichtbares Licht durchlässt
und in jedem Fall UV-Licht absorbiert (reflektiert). Zusätzlich kann
auch IR-Licht, welches von der Lichtquelle stammt, mittels des Filters
hin zur Lichtquelle zurückreflektiert
werden. Um eine signifikante Effizienzerhöhung der Lampe zu erzielen,
ist es notwendig, relativ große
Bereiche der äußeren Oberfläche der
kälteren Brennerwand
zu beschichten. Die Beschichtung ist im kältesten Bereich der Brennerwand
angeordnet.
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Eine
Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin,
eine Hochdruckgasentladungslampe der eingangs genannten Art und
eine Beleuchtungseinheit mit einer solchen Lampe zu schaffen, deren
Lampenkolben bzw. Brennerwand ein in der industriellen Massenproduktion
effektiv herzustellendes Interferenzfilter aufweist, wobei der Betriebsbereich
der Lampe erweitert wird, ohne dass das Interferenzfilter die Effizienz
der Lampe wesentlich beeinträchtigt
und die Betriebssicherheit der Lampe gewährleistet ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Lampe
umfasst zumindest einen Brenner, der eine Brennerwand und eine von
der Brennerwand umschlossene Entladungskammer aufweist, wobei bei
Betrieb der Lampe und in Abhängigkeit
von der Einbaulage der Lampe sich an der inneren bzw. der äußeren Kontur
der Brennerwand ein Bereich mit einer niedrigsten Temperatur und
ein Bereich mit einer höchsten
Temperatur einstellt, und ein mehrschichtiges Interferenzfilter, das
auf einem Teil der äußeren Kontur
der Brennerwand vorgesehen ist, wobei das Interferenzfilter hauptsächlich Licht
aus dem Wellenlängenbereich des
IR-Lichts, das von
der Brennerwand (25) effektiv absorbiert wird, hin zur
Entladungskammer reflektiert.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass das ausgewählte
Filter hauptsächlich
Licht einer Wellenlänge,
das bei Betriebstemperatur der Lampe von der Brennerwand effektiv
absorbiert wird, hin zur Entladungskammer reflektiert. Diese Absorption
erfolgt erfindungsgemäß in dem
Wellenlängenbereich
effektiv, wo genügend
Strahlenleistung vorliegt und das Wandmaterial daher nicht transparent
ist. Somit wird erfindungsgemäß das Filter
mit einem solchen Wellenlängenbereich
ausgewählt,
in dem das Wandmaterial selbst am effektivsten abstrahlt. Dabei
wird erfindungsgemäß der Erfahrungssatz
ausgenutzt, dass Stoffe oder Medien, die einer Bestrahlung mit elektromagnetischen
Wellen ausgesetzt sind, besonders solche Frequenzen absorbieren,
die diese auch selbst abstrahlen können. Das Filter reflektiert
also hauptsächlich
Strahlung aus dem Wellenlängenbereich
oberhalb des Transmissionsgebietes des Kolbenmaterials bzw. des
Materials der Brennerwand.
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Bei
einer UHP-Lampe mit einem üblichen Quarzkolben
und einer Betriebstemperatur von ca. 1000°C ist dies beispielsweise der
Wellenlängenbereich
des Infrarotlichts. Das Filter führt
also zu einer effektiven Verringerung der Emissivität der örtlichen Oberfläche der
Brennerwand gegenüber
einer unbeschichteten Quarzoberfläche, sodass die Lampe weniger
Wärmestrahlung
abgeben kann und die Temperatur sich in diesem Bereich gezielt erhöht.
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Aus
diesem Grund erfolgt durch das Interferenzfilter nicht die Reflexion
aller Wellenlängenbereiche
des für
die jeweilige Anwendung unerwünschten Lichts,
sondern nur eines Wellenlängenbereiches oder
mehrerer Wellenlängenbereiche
in selektiver Art und Weise. Die Auswahl des jeweiligen Wellenlängenbereichs
dieses Lichts, welcher am Interferenzfilter reflektiert werden soll,
erfolgt insbesondere unter energetischen Gesichtspunkten, d. h.
der relevante Wellenlängenbereich
muss insbesondere genügend Leis tung
aufweisen, welche nach der Reflexion am Interferenzfilter im Wandmaterial
absorbiert werden kann.
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Ein
weiteres Kriterium für
das Interferenzfilter ist die notwendige Temperaturstabilität und dass es
für eine
industrielle Massenproduktion geeignet sein sollte. Als Reflektoren
kommen wegen der scharfen Übergänge zwischen
den zu transmittierenden und zu reflektierenden Spektralbereichen
vorrangig Interferenzfilter in Frage. Durch ein geeignetes Design
der Schichtfolgen können
Filtercharakteristiken in weiten Bereichen und mit der notwendigen guten
Genauigkeit erzeugt werden.
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Die
Reabsorption von im Filter reflektierter Strahlung stellt neben
der Absorption im Filter eine zusätzliche Wärmezufuhr für die Brennerwand dar. In welchem
Umfang diese Reabsorption und Umwandlung in gewünschte Spektralbereiche realisiert
werden kann, ist insbesondere vom jeweiligen Typ der Hochdruckgasentladungslampe
abhängig.
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Häufig führt eine
Beschichtung, beispielsweise ein mehrschichtiges Interferenzfilter,
außerdem
zu einer Verringerung der Wärmeabstrahlung
der Lampenoberfläche
im Vergleich zu einer unbeschichteten Quarzoberfläche, sodass
die Lampe weniger Wärme abgeben
kann und sich damit die Betriebstemperatur entsprechend erhöht.
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Das
Interferenzfilter ist geeignet auszuwählen, zu dimensionieren und
anzuordnen, um eine möglichst
gute Realisierung des gewünschten
Temperaturfeldes bei Verwendung eines derartigen mehrschichtigen
Interferenzfilters zu erreichen.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt
ist, dass sich im Schichtaufbau des mehrschichtigen Interferenzfilters
eine Schicht mit einem höheren
und eine Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex abwechseln.
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Solche
Interferenzfilter sind gewöhnlich mehrschichtig
aufgebaut. Bei einem mehrschichtigen Aufbau des Interferenzfilters
wechseln sich Schichten mit einem höheren und Schichten mit einem
niedrigeren Brechungsindex ab. Der Brechungsindex der jeweiligen
Schicht wird insbesondere durch das ausgewählte Material der Schicht bestimmt,
sodass zumindest zwei diesbezüglich
verschiedene dielektrische Materialien im Schichtaufbau anzutreffen
sind.
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Weiterhin
bevorzugt ist, dass das Interferenzfilter dort oder zumindest dort,
wo sich an der äußeren Kontur
der Brennerwand der Bereich mit der niedrigsten Tempera tur einstellt,
angeordnet ist. Die absolut kälteste
Stelle der äußeren Lampenoberfläche liegt
häufig
an den Enden der zylindrischen Lampenenden; häufig jedoch nicht auf der äußeren Kontur
der Brennerwand.
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Bei
dieser Art der Anordnung des Filters ist am effektivsten eine Temperaturerhöhung im
kältesten
Bereich der Brennerwand möglich.
Mit dieser Anordnung kann nicht nur die Temperaturerhöhung an der
gewählten
Stelle, wo das Interferenzfilter angeordnet ist, sondern auch das
Temperaturgleichgewicht in der Brennerwand gezielt beeinflusst werden. Beispielsweise
wird möglich
gemacht, dass der Ort des kältesten
Bereiches verlagert werden kann und die sich ergebende (neue) kälteste Stelle
eine andere, im Vergleich zur bisherigen kältesten Stelle höhere Temperatur
aufweist.
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Alternativ
ist bevorzugt, dass das Interferenzfilter gerade nicht dort oder
zumindest nicht dort, wo sich an der äußeren Kontur der Brennerwand
der Bereich mit der niedrigsten Temperatur einstellt, angeordnet
ist, sondern an einer Stelle, an der die ohne das Interferenzfilter
herrschende Temperatur erhöht werden
soll.
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Mit
dieser Anordnung werden weitere Designmöglichkeiten eröffnet. Beispielsweise
kann damit eine Erweiterung von Betriebsbereichen erreicht werden.
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Weiterhin
bevorzugt ist, dass das Material der Brennerwand der UHP-Lampe insbesondere
aus Quarz besteht und daher das Interferenzfilter fähig ist,
hauptsächlich
IR-Licht aus dem Wellenlängenbereich
oberhalb von etwa 2 μm
zu reflektieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch
eine Beleuchtungseinheit gemäß Anspruch
6 gelöst.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 die
schematische Schnittdarstellung eines Lampenkolbens einer Hochdruckgasentladungslampe
(UHP-Lampe), mit einem mehrschichtigen Interferenzfilter.
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1 zeigt
schematisch in Schnittdarstellung einen Lampenkolben 1 mit
einer Entladungskammer 21 einer erfindungsgemäßen Hochdruckgasentladungslampe
(UHP-Lampe). Der aus einem Stuck bestehende Brenner 2,
der eine mit einem für diesen
Zweck üblichen
Gas gefüllte
Entladungskammer 21 hermetisch verschließt und dessen
Material üblicherweise
Hartglas oder Quarzglas ist, umfasst zwei zylindrische, sich gegenüberliegende
Bereiche 22, 23, zwischen denen sich ein im Wesentlichen
kugelförmiger
Bereich 24 mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 9
mm befindet. Die äußere Kontur der Brennerwand 25 hat
im Bereich der Entladungskammer 21 eine annähernd kugelförmige Form.
Die Entladungskammer 21 mit einer Elektrodenanordnung ist
mittig im Bereich 24 angeordnet. Die Elektrodenanordnung
umfasst im Wesentlichen eine erste Elektrode 41 sowie eine
zweite Elektrode 42, zwischen deren sich gegenüberliegenden
Spitzen in der Entladungskammer 21 eine Lichtbogen-Entladung angeregt
wird, wobei der Lichtbogen als Lichtquelle der Hochdruckgasentladungslampe
dient.
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Die
Enden der Elektroden 41, 42, die auf der Symmetrieachse
der UHP-Lampe angeordnet
sind, sind mit elektrischen Anschlüssen 51, 52 der
Lampe verbunden, über
die durch ein in 1 nicht dargestelltes Netzteil,
ausgelegt für
eine allgemeine Netzspannung, die zum Betrieb der Lampe erforderliche Versorgungsspannung
zugeführt
wird.
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Auf
einem Teil der äußeren Oberfläche der Brennerwand 25 ist
ein Interferenzfilter 3 angeordnet. Das Interferenzfilter 3 ist
mittig auf der äußeren Oberfläche des
Bereiches 24, d. h. auf der Brennerwand 25, und
der Längsachse
des Brenners 2 angeordnet und hat einen Durchmesser von
ca. 4 mm.
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Die
beiden einzelnen Schichten 3.1 und 3.2 des Interferenzfilters 3 sind
insbesondere durch einen unterschiedlichen Brechungsindex charakterisiert,
wobei eine Schicht mit einem niedrigeren Index jedes Mal auf einen
höheren
Index folgt. Als Material der Schicht 3.2 mit dem niedrigeren
Brechungsindex dient SiO2; als Material der Schicht 3.1 mit
dem höheren
Brechungsindex ZrO2.
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Das
Interferenzfilter 3 reflektiert hauptsächlich IR-Licht aus dem Wellenlängenbereich
von 2 μm bis
5 μm. Im
sichtbaren Wellenlängenbereich
weist das Interferenzfilter 3 eine Transmission von ca.
90% auf. Die Temperaturdifferenz, d. h. die Differenz mit und ohne
Interferenzfilter 3, beträgt ca. 40 K. Dabei erfolgte
die Anordnung des Interferenzfilters 3, bei einer horizontalen
Einbaulage der Lampe, auf dem kältesten
Bereich der Brennerwand 25.
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Die
normale Betriebslage der UHP-Lampen ist eine horizontale Lage. In
diesem Fall ergibt sich, falls keine Maßnahmen, wie z. B. eine Zwangskühlung von
der Oberseite her, angewandt werden, eine Temperaturverteilung,
bei der die heißeste
Stelle der äußeren Oberfläche der
Entladungskammer 21 oben und die kälteste Stelle unten liegt.
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Der
schichtweise Auftrag des Interferenzfilters 3 erfolgt in
einem Herstellungsprozess mit einem an sich bekannten Sputterverfahren.
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An
einer UHP-Lampe mit dem vorbeschriebenen Lampenkolben 1 und
betrieben bei einer Nennleistung von 120 W konnten auch nach mehreren
tausend Betriebsstunden im Hochlastbereich keine wesentlichen über die
normale Alterung von vergleichbaren Lampen hinausgehenden Beeinträchtigungen
festgestellt werden.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine
Hochdruckgasentladungslampe, die Projektionszwecken dient.