DE60319616T2

DE60319616T2 - Hochdruckentladungslampe und Leuchte

Info

Publication number: DE60319616T2
Application number: DE60319616T
Authority: DE
Inventors: Masazumi Shinagawa-ku Ishida; Sadao Shinagawa-ku Sakaguchi; Shigemi Shinagawa-ku Oku; Takahito Shinagawa-ku Kashiwagi
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2002-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: EP1339092B1; DE60319616D1; US6781292B2; US20030141797A1; EP1339092A3; EP1339092A2; JP2003297289A

Description

Diese Anmeldung beruht auf den vorhergehenden japanischen Patenten JP2001-348003 , eingereicht am 29. November 2002, und JP2002-21349 , eingereicht am 30. Januar 2002, und beansprucht die Vorteile der Priorität davon. Die gesamten Inhalte der genannten Anmeldungen sind durch Bezugnahme eingeschlossen.
Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Entladungslampe, die ein durchscheinendes Keramik-Entladungsgefäß besitzt, sowie einen Leuchtkörper, in dem eine derartige Entladungslampe verwendet wird.
Hochdruck-Entladungslampen werden auf breiter Front entwickelt, da sie durch Eigenschaften wie hoher Wirkungsgrad und lange Lebensdauer gekennzeichnet sind.
In den letzten Jahren wurden insbesondere kompakte Halogen-Metalldampflampen mit einem Sockel und einer Lampennennleistung von ungefähr 10–30 Watt als Lichtquellen für Halogenlampen entwickelt, beispielsweise kompakte Hochdruck-Entladungslampen mit einem Sockel und Scheinwerfer.
Solche herkömmlichen kompakten Halogen-Metalldampflampen mit einem Sockel sind bekannt, siehe beispielsweise JP-10-284004-A , JP-10-83796-A , JP-2001-76677-A usw.
Eine derartige herkömmliche kompakte Halogen-Metalldampflampe mit einem Sockel umfasst in der Regel ein durchscheinendes keramisches Entladungsgefäß, das ein Paar zylindrische Abschnitte aufweist, die in Verbindung mit einem verdickten Abschnitt an dessen gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sind, wobei die zylindrischen Abschnitte jeweils einen Innendurchmesser aufweisen, der kürzer ist als der des verdickten Abschnitts, ein Paar Metallröhrchen, die jeweils in dem zylindrischen Abschnitt sitzen, ein Paar schmelzbare Metallpfropfen, die jeweils das offene Ende des Metallröhrchens verschließen und dadurch eine Elektrode halten, die von dem Metallpfropfen in das Innere des verdickten Abschnitts ragt, und eine ionisierende Füllung, beispielsweise ein Metallhalogenid, Quecksilber oder ein Edelgas, das in den Entladungsraum gefüllt ist, siehe die Offenbarung in der Patentschrift EP0982278 .
Der Lampenwirkungsgrad einer derartigen kompakten Halogen-Metalldampflampe mit einem Sockel ist um den Faktor drei bis vier höher als der Wirkungsgrad einer Halogenlampe. Zudem sind die Abmessungen beträchtlich kleiner als bei kompakten Leuchtstoffröhren mit einem Sockel. Daher kann man kompakte Halogen-Metalldampflampen mit einem Sockel als Punktquelle einsetzen. Sie wird daher als Bogenentladungsröhre für neuartige Beleuchtungssysteme vorgeschlagen, die sich von kompakten Hochdruck-Entladungslampen mit einem Sockel und Scheinwerfern unterscheiden.
Bei einer derartigen herkömmlichen kompakten Halogen-Metalldampflampe mit einem Sockel tritt jedoch nach wie vor die Schwierigkeit auf, dass die Verlässlichkeit der Lampenlebensdauer durch Lecks schlechter wird, die am Abdichtteil durch einen unvollständigen Sitz des schmelzbaren Metallpfropfens im offenen Ende des Metallröhrchens auftreten, und durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des schmelzbaren Metallpfropfens und des Metallröhrchens.
Man kann das Leckproblem am Abdichtteil beispielsweise dadurch vermeiden, dass man das Metallröhrchen verlängert, wodurch die Temperatur am dichtenden Abschnitt des Metallröhrchens sinkt. Es bleibt jedoch die Schwierigkeit, dass man die Abmessungen der Entladungslampe nicht verkleinern kann.
Zum Lösen der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruck-Entladungslampe bereitzustellen, bei der weniger Lecks der ionisierenden Füllung auftreten, und die damit in der Lage ist, über lange Zeit eine hohe Zuverlässigkeit beizubehalten, sowie einen Leuchtkörper, der mit einer derartigen Hochdruck-Entladungslampe ausgerüstet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Befestigung bereitzustellen, die Wärme leitende Teile besitzt, die die Leuchtröhre wirksam kühlt.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst:
ein durchscheinendes keramisches Entladungsgefäß, das einen verdickten Abschnitt aufweist, der einen Entladungsraum bestimmt, und ein Paar zylindrische Abschnitte, die in Verbindung mit dem verdickten Abschnitt ausgebildet sind und sich vom dem verdickten Abschnitt in einander entgegengesetzten Richtungen erstrecken;
Metallröhrchen, die jeweils einen Außendurchmesser D an ihrem zylindrischen Abschnitt aufweisen, und die jeweils in einem Ende des zylindrischen Abschnitts sitzen;
ein Paar schmelzbare Metallpfropfen, die jeweils in ein äußeres Ende eines der Metallröhrchen eingedrückt sind, wobei der schmelzbare Metallpfropfen zum Abdichten des Entladungsgefäßes dient, indem er mit der Innenfläche des Metallröhrchens verschmolzen wird, und zwar über eine Höhe T, die durch die Länge zwischen dem Schnittpunkt der Fortsetzung der Innenwand des betreffenden Metallröhrchens mit der Außenfläche des betreffenden Metallpfropfens bestimmt ist;
ein Paar von Elektrodensystemen, von denen jeweils ein Ende von einem schmelzbaren Metallpfropfen gehalten wird, und ein zweites Ende in das Innere des verdickten Abschnitts des Entladungsgefäßes zeigt; und
eine ionisierende Füllung, die in das Entladungsgefäß gefüllt ist, wobei das Verhältnis T/D der Höhe T und des Durchmessers D die folgenden Gleichung erfüllt:
0,40 ≤ T/D ≤ 0,95.
In dieser Patentschrift werden einige Definitionen und ihre technischen Bedeutungen für die folgenden besonderen Begriffe angegeben, sofern sie nicht anderweitig bestimmt werden.
Ein Entladungsgefäß, das einen Entladungsraum bestimmt, besitzt einen verdickten Abschnitt in sphärischer, ovaler, elliptischer oder zylindrischer Form. Vom verdickten Abschnitt erstreckt sich ein Paar zylindrischer Teile in einander entgegengesetzte Richtungen. Der verdickte Abschnitt und das Paar zylindrische Teile können in einem Stück ausgebildet sein oder getrennt ausgebildet und anschließend verbunden werden.
Das keramische Material, aus dem die Entladungslampe besteht, kann Saphir, Aluminiumoxid (Al2O3), Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), Yttriumoxid (YOx) oder Aluminiumnitrid (AlN) sein. Es ist durchscheinend und hitzebeständig.
Der Begriff "durchscheinend" bedeutet eine optische Durchlässigkeit in einer Größenordnung, bei der ein durch Entladung erzeugtes Licht nach außen durchdringt. Die Durchlässigkeit ist also nicht auf durchsichtig eingeschränkt, sondern sie kann auch diffus sein. Der verdickte Abschnitt muss durchscheinend sein; die zylindrischen Abschnitte können auch einfach eine Licht unterdrückende Wirkung haben.
Damit die Hochdruck-Entladungslampe kompakt wird, bevorzugt man, dass das innere Volumen des Entladungsgefäßes 0,06 Kubikzentimeter oder weniger beträgt, und besonders bevorzugt 0,04 Kubikzentimeter oder weniger. Man bevorzugt, dass die Gesamtlänge des Entladungsgefäßes 35 Millimeter oder weniger beträgt, und dass es besonders bevorzugt im Bereich von 10–30 mm liegt.
Das Metallröhrchen besteht aus Metall mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise Molybdän oder Wolfram, das eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen die ionisierende Füllung aufweist und ein hohes Haftvermögen an Keramiken.
Das Metallröhrchen ist an der Innenfläche oder der Außenfläche des zylindrischen Abschnitts mit einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff befestigt oder einer Kombination aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff und einem Dichtungsverbund für Keramiken. Der schmelzbare Metallpfropfen wird in das offene Ende des zylindrischen Abschnitts eingedrückt, nachdem die ionisierende Füllung in das Entladungsgefäß eingefüllt wurde. Ein Elektrodensystem wird vom inneren Ende des schmelzbaren Metallpfropfens so gehalten, dass die am Ende des Elektrodensystems ausgebildete Elektrode in das Innere des verdickten Abschnitts zeigt.
Schmelzbare Metalle, beispielsweise Platin (Schmelzpunkt 1772°C), Vanadium (Schmelzpunkt 1890°C) oder Molybdän (Schmelzpunkt 2610°C), die einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der nahe an dem Ausdehnungskoeffizienten des Metallröhrchens liegt, oder irgendeine Legierung mit einem der genannten Metalle kann als schmelzbarer Metallpfropfen verwendet werden. Besteht das Metallröhrchen aus Molybdän und wird das offene Ende durch Schmelzen des Endabschnitts verschlossen, so kann das Metallröhrchen auch als schmelzbarer Metallpfropfen dienen.
Das Schmelzen des schmelzbaren Metallpfropfens erfolgt durch die Anwendung einer hohen Energie, beispielsweise mit einem YAG-Laser, einem CO2-Laser oder einem Elektronenstrahl.
Wird das Metallröhrchen in die Innenfläche des zylindrischen Abschnitts eingesetzt, so nimmt der Wirkungsgrad der Entladungslampe zu, falls das Verhältnis BD/PL des maximalen Innendurchmessers BD des Entladungsgefäßes zum Abstand PL zwischen der Mitte des Entladungsgefäßes und dem inneren Ende des Metallröhrchens im Bereich von 0,5 bis 1,5 liegt. Zudem können Lecks verhindert werden, die ihre Ursache im Abblättern des Metallröhrchens von dem zylindrischen Abschnitt haben.
Ein Verhältnis BD/PL von weniger als 0,5 ist unvorteilhaft, da es die Temperatur des kältesten Abschnitts senkt und dadurch den Leuchtwirkungsgrad beeinträchtigt. Im Gegensatz dazu ist ein Verhältnis BD/PL von mehr als 1,5 ebenfalls unvorteilhaft, da es die Temperatur im Dichtungsabschnitt extrem erhöht und dadurch Lecks in der Dichtung bewirkt.
Bei jedem Elektrodensystem zeigt die Elektrode, die am Vorderende der Elektrodenstange vorhanden ist, in das Innere des Entladungsgefäßes. Die Elektrodenstange wird dadurch am schmelzbaren Metallpfropfen befestigt, dass das andere Ende der Elektrodenstange in den schmelzbaren Metallpfropfen eingebettet oder mit ihm verschweißt wird.
Die Elektrode besteht aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise Wolfram, dotiertem Wolfram, aus Wolfram, das Rhenium enthält, oder aus Molybdän. Die Elektrode ist in Form einer Spule ausgebildet, die auf das Vorderende der Elektrodenstange gewickelt ist. Es ist zulässig, dass die Elektrodenstange selbst als Elektrode dient. Es ist ebenfalls zulässig, dass Form und Größe des Elektrodensystempaars entweder symmetrisch oder unsymmetrisch sind.
Die ionisierende Füllung enthält leuchtendes Metallgas, ein die Rampenspannung regulierendes Gas, Startgas und Puffergas. Für das leuchtende Metallgas und das die Rampenspannung regulierende Gas werden Metallhalogenverbindungen ausgewählt aus einem oder mehreren der folgenden Elemente verwendet: Natrium, Lithium, Scandium, seltene Erdmetalle, Quecksilber oder Amalgam. Das Startgas und/oder das Puffergas besteht aus irgendeinem der Edelgase Xenon, Argon, Krypton und Neon oder einer Kombination daraus. Sie werden so in das Entladungsgefäß eingefüllt, dass sie während des Leuchtens einen Druck von mehr als einer Atmosphäre aufweisen.
In der Erfindung kann man die Startspannung verringern, indem man bei Bedarf einen Starthilfsleiter anordnet.
Die Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung kann in einem Status betrieben werden, in dem das durchscheinende keramische Entladungsgefäß der Luft ausgesetzt ist. Die Hochdruck-Entladungslampe kann als Doppelkolbenlampe oder Mehrkolbenlampe ausgebildet werden, wobei das Entladungsgefäß in einem Mantelrohr eingeschlossen ist, das aus einem durchscheinenden und wärmebeständigen Hartglas besteht, beispielsweise Quarzglas oder Borsilikatglas.
Zudem können Getter, beispielsweise eine Zr-Aluminium-Legierung, die die In nenseite des Mantelkolbens reinigt, auf Speiseleitungen usw. im Mantelkolben vorgesehen werden.
In einer Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Entladungsgefäß mit dem verdickten Abschnitt und dem Paar zylindrischer Abschnitte ausgebildet. Eine Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung hält ein Elektrodensystem und dichtet zugleich ein Entladungsgefäß mit einem schmelzbaren Metallpfropfen, der in ein äußeres Ende eines Metallröhrchens eingesetzt ist, das mit jedem zylindrischen Abschnitt verbunden ist.
Liegt das Verhältnis T/D der Höhe T und des Durchmessers D im Bereich von 0,40 bis 0,95, so nehmen Lecks ab, die durch Abblättern aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des schmelzbaren Metallpfropfens und des Metallröhrchens auftreten, oder Lückenlecks durch Lücken im schmelzbaren Metallpfropfen. Dadurch kann einer Verkürzung der Lampenlebensdauer entgegengewirkt werden.
Beträgt das Verhältnis T/D weniger als 0,4, so treten Lücken, die aus welchen Gründen auch immer in dem schmelzbaren Metallpfropfen vorhanden sind, miteinander in Verbindung. Damit besteht die Gefahr, dass Lecks auftreten. Beträgt das Verhältnis T/D mehr als 0,95, so kann die Höhe T zu groß werden, und das Verhältnis T/D kann zum Abblättern führen, wenn der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüglich eines Metallröhrchens zunimmt. Da die Wärmekapazität hoch wird und damit die Temperatur des schmelzbaren Metallpfropfens schwierig zu erhöhen ist, kann man den schmelzbaren Metallpfropfen und das Metallröhrchen nicht ausreichend miteinander verschweißen. Dadurch können Lecks an der Grenzfläche zwischen den Teilen entstehen.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem Aspekt der Erfindung kann wie beschrieben Brüche verhindern, die in dem einmal geschmolzenen Abschnitt des schmelzbaren Metallpfropfens und in einem Metallröhrchen auftreten, und zwar aufgrund einer Beschädigung des schmelzbaren Metallpfropfens durch die Erosion der ionisierenden Füllung, beispielsweise eines Metallhalogens, das in das Entladungsgefäß gefüllt ist, und sie kann einen thermischen Schock verhindern, der beim Einschalten oder Ausschalten der Lampe auftritt, indem das Verhältnis T/D aus der Höhe T und dem Durchmesser D spezifiziert wird.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallröhrchen im Wesentlichen aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist, beispielsweise Wolfram oder Molybdän.
Da Molybdän und Wolfram eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen die ionisierende Füllung aufweisen und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe am Ausdehnungskoeffizienten des durchscheinenden keramischen Entladungsgefäßes liegt, kann die Entladungslampe gemäß diesem Aspekt der Erfindung die gleiche Wirkung erzielen, die mit der oben erwähnten Hochdruck-Entladungslampe erzielt wird.
Das Metallröhrchen ist an der Innenfläche oder der Außenfläche des zylindrischen Abschnitts mit einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff befestigt oder einer Kombination aus einem Keramik-Metall-Verbundwerkstoff und einem Dichtungsverbund für Keramiken. Der schmelzbare Metallpfropfen wird in das offene Ende des zylindrischen Abschnitts eingedrückt, nachdem die ionisierende Füllung in das Entladungsgefäß eingefüllt wurde. Daraufhin wird die Elektrode auf dem Elektrodensystem in dem Entladungsgefäß so angeordnet, dass sie von dem schmelzbaren Metallpfropfen getragen wird.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D des zylindrischen Abschnitts des Metallröhrchens im Bereich von 0,6 bis 1,6 Millimeter liegt.
Beträgt der Durchmesser D des zylindrischen Abschnitts des Metallröhrchens weniger als 0,6 Millimeter und wird dadurch die Elektrodenstange dünner, so besteht die Gefahr eines übermäßigen Temperaturanstiegs in der Elektrode. Überschreitet der Durchmesser D des zylindrischen Abschnitts des Metallröhrchens 1,6 Millimeter, so wird die Wandstärke des zylindrischen Abschnitts bezogen auf den Durchmesser des zylindrischen Abschnitts dünner, und zwar an dem Teilbereich, der das Metallröhrchen umgibt. Dadurch wird die Festigkeit des zylindrischen Abschnitts geringer. Es tritt die Schwierigkeit auf, dass Brüche in dem zylindrischen Abschnitt entstehen.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe T im Bereich von 0,24 bis 1,5 Millimeter liegt.
Ist die Höhe T kleiner als 0,24 Millimeter, so kann der schmelzbare Metallpfropfen dem Druckanstieg im Entladungsgefäß beim Einschalten der Lampe nicht standhalten. Es besteht die Gefahr, dass durch den beschädigten schmelzbaren Metallpfropfen ein Leck verursacht wird. Ist die Höhe T größer als 1,5 Millimeter, so nimmt die Wärmekapazität des schmelzbaren Metallpfropfens zu. Damit wächst auch die zum Schmelzen des schmelzbaren Metallpfropfens erforderliche Wärmemenge. Damit tritt die Schwierigkeit auf, dass leicht Brüche entstehen.
Die Entfernung, die der geschmolzene Teil des schmelzbaren Metallpfropfens hinunter fließt, ist gering, da der Durchmesser des Metallröhrchens relativ klein ist. Damit ist die Hinunterfließ-Entfernung in Umfangsrichtung nahezu gleichförmig. D. h., die Streuung der Hinunterfließ-Entfernung ist gering. Die Höhe T lässt sich damit leicht messen. Ist die Streuung der Hinunterfließ-Entfernung jedoch groß, so kann man einen Mittelwert aus den Streuwerten der Hinunterfließ-Entfernung verwenden.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der schmelzbare Metallpfropfen im Wesentlichen aus einem schmelzbaren Metall hergestellt ist, beispielsweise Platin, Vanadium oder Molybdän.
Ist der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegen einen Röhrchenbestandteil gering, indem man einen schmelzbaren Metallpfropfen, der ein offenes Ende eines Metallröhrchens verschließt, aus einem schmelzbaren Metall wählt, dessen Hauptbestandteil wie beschrieben Platin, Vanadium oder Molybdän ist, und tritt ein thermischer Schock auf, so kann ein Abblättern in beiden Grenzflächen verhindert werden.
Diese schmelzbaren Metalle sollten in einem Verhältnis T/D der Höhe T, die durch die Länge zwischen dem Schnittpunkt der Fortsetzung der Innenwand des Metallröhrchens mit der Außenfläche des Metallpfropfens bestimmt ist, und zwar nach der Verfestigung, und dem Außendurchmesser D des zylindrischen Abschnitts eines Metallröhrchens wie in Anspruch 1 angegeben vorliegen, obgleich die Hinunterfließ-Entfernung des geschmolzenen schmelzbaren Metalls schwankt, da sich die Schmelzpunkte jeweils voneinander unterscheiden.
Eine Hochdruck-Entladungslampe gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfin dung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zudem einen hitzebeständigen und durchscheinenden Mantelkolben aufweist, der in sich das durchscheinende keramische Entladungsgefäß einschließt, das mit dem Metallröhrchen und dem schmelzbaren Metallpfropfen abgedichtet ist.
Da die Hochdruck-Entladungslampe zudem den Mantelkolben aufweist, kann eine Oxidation von Elementen in dem durchscheinenden keramischen Entladungsgefäß, dessen Temperaturen insbesondere während des Leuchtens der Lampe ansteigen, oder eine Beschädigung des durchscheinenden keramischen Entladungsgefäßes verhindert werden. Dadurch lassen sich die Handhabbarkeit und Sicherheit der Entladungslampe außerordentlich verbessern.
Zudem kann man den Leuchtwirkungsgrad der Entladungslampe auch dadurch verbessern, dass man eine Reflexionsschicht, eine Farbschicht, einen Leuchtstofffilm usw. auf dem Mantelkolben bereitstellt. Dadurch kann die Entladungslampe für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden.
Ein Leuchtkörper gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die in irgendeinem der vorhergehenden Aspekte bestimmte Hochdruck-Entladungslampe, einen Hauptkörper des Leuchtkörpers, auf dem die Hochdruck-Entladungslampe montiert ist, und eine im Hauptkörper des Leuchtkörpers untergebrachte Betriebsschaltung zum Betreiben der Hochdruck-Entladungslampe.
In diesem Patent umfasst der Begriff "Leuchtkörper" einen breiten Bedeutungsbereich, der alle Vorrichtungen enthält, die für beliebige Zwecke Licht verwenden, das von Hochdruck-Entladungslampen abgestrahlt wird. Der Leuchtkörper gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann beispielsweise für Hochdruck-Entladungslampen in Glühlampenform verwendet werden, für Beleuchtungseinrichtungen, für mobile Scheinwerfer, als Lichtquelle für Lichtleiter, für Bildprojektoren, für photochemische Vorrichtung, für die Fingerabdruckerkennung usw.
Der Begriff "Hauptkörper des Leuchtkörpers" bezeichnet den Rest des Leuchtkörpers ohne die Hochdruck-Entladungslampe. Der Begriff "Hochdruck-Entladungslampe in Glühlampenform" bezeichnet einen Leuchtkörper, in dem eine Hochdruck-Entladungslampe und ein zugehöriger Stabilisator integriert sind. Zudem ist ein Glühlampensockel zugefügt, der den Anschluss an das Stromnetz erlaubt. Durch das Einsetzen des Glüh lampensockels in eine zugehörige Lampenfassung kann man diese Lampenvorrichtung wie eine Glühlampe verwenden.
Der Leuchtkörper kann mit Lichtleiteinrichtungen ausgerüstet werden, beispielsweise Linsen, Filter, optischen Diffusorabdeckungen usw., die die Lichtintensität und Lichtverteilung der Entladungslampen, Reflektoren oder Gehäuse bestimmen und diese schützen.
Der Hauptkörper des Leuchtkörpers und die Betriebsschaltung können in einem Stück oder getrennt ausgebildet sein.
Die Betriebsschaltung kann eine Hochfrequenz-Wechselspannungsschaltung, eine Niederfrequenz-Wechselspannungsschaltung oder eine Gleichspannungsschaltung sein.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung können Fachleute aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen entnehmen, die hiermit eingeschlossen sind und einen Teil der Patentschrift bilden.
Man versteht die Erfindung und viele der damit verbundenen Vorteile anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung leichter, wenn man sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet.
Es zeigt:
1 eine Teil-Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung;
2A–2D Ansichten verschiedener Aspekte des schmelzbaren Metallpfropfens, der mit einem Elektrodensystem versehen ist;
3 eine Vorderansichtsskizze einer Ausführungsform der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung;
4A–4F Längsschnitte verschiedener Aspekte des schmelzbaren Metallpfropfens, der mit der Innenfläche des Metallröhrchens verschmolzen ist;
5 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung;
6A und 6B eine Vorderansichts- und eine Seitenansichtsskizze einer weiteren Ausführungsform der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung;
7 eine teilweise aufgeschnittene Vorderansicht noch einer weiteren Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung; und
8 eine Vorderansicht eines Scheinwerfers der Erfindung.
Die Erfindung wird nun ausführlich anhand von 1–8 beschrieben.
Es wird nun Bezug auf 1–3 genommen. Eine erste Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung wird erklärt. 1 zeigt eine Teil-Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung. 2A–2D zeigt Ansichten verschiedener Aspekte des schmelzbaren Metallpfropfens, der mit einem Elektrodensystem versehen ist. 3 zeigt eine Vorderansichtsskizze einer Ausführungsform der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung.
In 1 umfasst die Hochdruck-Entladungslampe L1 ein durchscheinendes keramisches Entladungsgefäß 1, Metallröhrchen 2A, 2A, Verbindungsschichten 3, 3, ein Paar Elektrodensysteme 4, 4, ein Paar schmelzbare Metallpfropfen 5, 5, und eine ionisierende Füllung (nicht dargestellt). Die Hochdruck-Entladungslampe wird auch als Bogenentladungsröhre bezeichnet.
Das Entladungsgefäß 1 ist aus einer durchscheinenden Aluminiumkeramik hergestellt und umfasst einen verdickten Abschnitt 11 und ein Paar zylindrische Abschnitte 12, 12. Der verdickte Abschnitt 11 weist eine sphärische Form mit einer Wanddicke von ungefähr 0,5 Millimeter auf und einen maximalen Außendurchmesser von ungefähr 6 Millimeter auf. Die zylindrischen Abschnitte 12, 12 erstrecken sich von gegenüberliegenden Enden des verdickten Abschnitts 11 in einander entgegengesetzte Richtungen. Die Grundenden der zylindrischen Abschnitte 12, 12 gehen kontinuierlich in den verdickten Abschnitt 11 über. Die zylindrischen Abschnitte 12, 12 sind jeweils so geformt, dass sie einen Außendurchmesser von ungefähr 2,7 Millimeter und eine Länge von ungefähr 1,5 Millimeter haben. Die Gesamtlänge des Entladungsgefäßes 1 beträgt einschließlich der zylindrischen Abschnitte 12, 12 ungefähr 20 Millimeter.
In die zylindrischen Abschnitte 12, 12 sind die Metallröhrchen 2A, 2A eingesetzt, die aus Molybdän hergestellt sind und jeweils eine Wandstärke von ungefähr 0,15 Millimeter, einen Außendurchmesser D von ungefähr 1 Millimeter und eine Länge von ungefähr 5 Millimeter besitzen. Die Metallröhrchen 2A, 2A ragen ungefähr 2 Millimeter aus den zylindrischen Abschnitten 12, 12 heraus. Die Innenfläche des zylindrischen Abschnitts 12 und die Außenfläche des Metallröhrchens 2A sind hermetisch miteinander verbunden, und zwar über eine Verbindungsschicht 3. Diese besteht hauptsächlich aus einem porösen Keramik-Metall-Verbundwerkstoff, der durch Sintern einer Hauptmischung vom Molybdänpulver und Aluminiumkeramikpulver hergestellt wird. In die Leerstellen des porösen Keramik-Metall-Verbundwerkstoffs ist Glasmasse eingefüllt.
Die Elektrodensysteme 4, 4 bestehen jeweils aus einer Elektrodenstange 41 und einer Elektrode 42. Die Elektrodenstange 41 ist aus Wolframdraht so geformt, dass sie einen Außendurchmesser von ungefähr 0,2 Millimeter und eine Gesamtlänge von ungefähr 4 Millimeter aufweist. Ein Ende der Elektrodenstange 41 wird von dem schmelzbaren Metallpfropfen 5 gehalten, und zwar durch Verschweißen oder Einbetten in den Pfropfen. Die Elektroden 42, 42 sind an den anderen Enden der Elektrodenstangen 41, 41 ausgebildet und zeigen in das Innere des verdickten Abschnitts 11. Die Elektroden 42, 42 sind jeweils aus vier Windungen Wolframdraht in einer Form gewickelt, die einen Außendurchmesser von ungefähr 0,15 Millimeter hat. Die Elektroden 42, 42 liegen einander mit einem Zwischenraum von ungefähr 3 Millimeter gegenüber.
Das Entladungsgefäß 1 ist mit einer ionisierenden Füllung befüllt, die ungefähr 0,4 Milligramm Halid, ungefähr 0,21 Milligramm Quecksilber und ungefähr 26,7 Pa Edelgas enthält. Das Halid enthält 70 Massenprozent NaI3, 10 Massenprozent TlI und 20 Massenprozent DyI3. Die Edelgasfüllung ist eine Mischung aus ungefähr 97 Volumenprozent Ne und ungefähr 3 Volumenprozent Ar.
Es wird nun ein Herstellungsvorgang für die Hochdruck-Entladungslampe L1 beschrieben. Zuerst werden das durchscheinende keramische Entladungsgefäß 1, das aus dem verdickten Abschnitt 11 und den zylindrischen Abschnitten 12, 12 besteht, die mit den gegenüberliegenden Enden des verdickten Abschnitts 11 verbunden sind, das Paar Metallröhrchen 2A, 2A aus Molybdän und die säulenförmigen schmelzbaren Metallpfropfen 5, 5 aus Platin hergestellt, die jeweils das Elektrodensystem 4 tragen, siehe 2.
Der schmelzbare Metallpfropfen 5 und das Elektrodensystem 4 sind gemäß jedem Aspekt der Unterbaugruppe miteinander verbunden, siehe 2A–2D. Gemäß dem Aspekt der Unterbaugruppe nach 2A ist ein Ende der Elektrodenstange 41 des Elektrodensystems 4 stumpf auf das Ende des säulenförmigen schmelzbaren Metallpfropfens 5 geschweißt, das dünner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Ab schnitts 12. In der Zeichnung bedeutet das Bezugszeichen 51 einen Anschlagring, der auf der Außenfläche des säulenförmigen schmelzbaren Metallpfropfens 5 ausgebildet ist.
Gemäß dem Aspekt der in 2B dargestellten Unterbaugruppe ist ein Ende der Elektrodenstange 41 des Elektrodensystems 4 in das Ende des säulenförmigen schmelzbaren Metallpfropfens 5 eingebettet, der die gleiche Form hat wie in 2A.
Gemäß dem Aspekt der in 2C dargestellten Unterbaugruppe wird ein Durchgangsloch 52, das an seinem oberen Ende wie in der Zeichnung dargestellt eine Senkung aufweist, vorab in dem schmelzbaren Metallpfropfen 5 bestimmt. Daraufhin wird ein Ende der Elektrodenstange 41 des Elektrodensystems 4 in das Durchgangsloch 52 eingeschoben, bis ein Kopfabschnitt der Elektrodenstange 41 in der Senkung sitzt.
Gemäß dem Aspekt der in 2D dargestellten Unterbaugruppe durchdringt die Elektrodenstange 41 des Elektrodensystems 4 den schmelzbaren Metallpfropfen 5 derart, dass ein Abschnitt der Elektrodenstange 41 aus dem oberen Ende des schmelzbaren Metallpfropfens 5 herausragt und einen äußeren Einspeiseleiter 43 bildet. Gemäß jedem der obigen Aspekte wird der schmelzbare Metallpfropfen 5 hauptsächlich aus Platin, Vanadium oder Molybdän hergestellt und mit einer Größe ausgebildet, die einen Außendurchmesser von ungefähr 0,65 Millimeter und eine Länge von ungefähr 5 Millimeter hat.
Ein Dichtungs-Verbundwerkstoff, der ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff oder ein keramischer Dichtungs-Verbundwerkstoff ist, wird vorher an den Innenflächen der zylindrischen Abschnitte 12, 12 oder an den Außenflächen der Metallröhrchen 2A, 2A aufgebracht.
Das Metallröhrchen 2A wird in den oberen zylindrischen Abschnitt 12 des Entladungsgefäßes 1 eingesetzt, das sich in vertikaler Position befindet. Nun wird der Rand des zylindrischen Abschnitts 12 mit einem elektrischen Heizer aus Wolfram erwärmt, damit der Dichtungs-Verbundwerkstoff schmilzt. Nachdem sich der verbindende Schmelz-Verbundwerkstoff verfestigt hat, sind das Metallröhrchen 2A und der obere zylindrische Abschnitt 12 durch den Dichtungs-Verbundwerkstoff verschmolzen und hermetisch abgedichtet. Nun wird das Entladungsgefäß 1 umgedreht und das andere Metallröhrchen 2A in den anderen zylindrischen Abschnitt 12 eingesetzt, der sich nun in der Zeichnung oben befindet, und in der beschriebenen Weise abgedichtet.
Nun wird die in 2A bis 2C dargestellte Unterbaugruppe in das Metallröhrchen 2A eingesetzt, das im zylindrischen Abschnitt 12 des Entladungsgefäßes 1 sitzt, der sich nun in der oberen vertikalen Position befindet. Der in der Außenfläche des schmelzbaren Metallpfropfens 5 ausgebildete Anschlagring liegt an der Oberkante des Metallröhrchens 2A an. Folglich ragt der schmelzbare Metallpfropfen 5 um ungefähr 0,2 bis 1,0 Millimeter aus dem Metallröhrchen 2A heraus.
Nun wird für kurze Zeit, beispielsweise einige zehn Millisekunden, der Strahl eines YAG-Lasers oder ein ähnlicher Strahl auf den freiliegenden Abschnitt des schmelzbaren Metallpfropfens 5 und den Rand des offenen Endes des Metallröhrchens 2A gerichtet. Dadurch wird ein Teil des schmelzbaren Metallpfropfens 5 mit der Innenfläche des Metallröhrchens 5 durch Schmelzen verbunden, und zwar am Rand des offenen Endes des Metallröhrchens 5a. Dadurch ist das offene Ende des Metallröhrchens 2A verschlossen, und das Elektrodensystem 4 wird im Entladungsgefäß 1 gehalten.
Im Fall der Unterbaugruppe in 2C muss auch der Spalt zwischen dem Elektrodensystem 4 und dem Durchgangsloch 52 des schmelzbaren Metallpfropfens 5 abgedichtet werden. Man verwendet daher für den schmelzbaren Metallpfropfen 5 ein schmelzbares Metall mit einem geringeren Schmelzpunkt oder man muss eine höhere Erwärmungstemperatur verwenden. Im Fall der Unterbaugruppe in 2D muss verhindert werden, dass der äußere Einspeiseleiter 43, der aus dem schmelzbaren Metallpfropfen 5 vorsteht, geschmolzen wird. Man bevorzugt daher, ein schmelzbares Metall mit geringem Schmelzpunkt für den schmelzbaren Metallpfropfen 5 zu verwenden.
Der Abdichtvorgang erfolgt in einem Vakuumgefäß, das hermetisch abgeschlossen ist.
Dadurch werden die äußeren offenen Enden der Metallröhrchen 2A, 2A, die aus den zylindrischen Abschnitten 12, 12 vorstehen, mit den schmelzbaren Metallpfropfen 5, 5 hermetisch verschlossen. Dabei beträgt die Höhe T des Abschnitts des schmelzbaren Metallpfropfens 5, die mit der Innenfläche des Metallröhrchens 2A durch Schmelzen verbunden ist, ab dem äußeren Ende des schmelzbaren Metallpfropfens 5 ungefähr 0,7 Millimeter.
Man erhält eine Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2, siehe den in 3 dargestellten Fall, durch das Einschließen der Hochdruck-Entladungslampe L1, die gemäß dem beschriebenen Herstellungsverfahren erhalten wurde. In der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 besteht der Mantelkolben 7 aus Aluminiumsilikatglas und ist zylindrisch geformt, wobei der Außendurchmesser ungefähr 12 Millimeter beträgt und die Gesamtlänge ungefähr 36 Millimeter. In dieser Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 werden Trageteile 6, 6 in Form eines Tantaldrahts oder einer Tantalfolie befestigt, indem man sie mit den Außenflächen der Metallröhrchen 2A, 2A an den gegenüberliegenden Enden der Hochdruck-Entladungslampe L1 verschweißt.
In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 8 einen Leitungsdraht aus Molybdän. Die Zuleitungsdrähte 8, 8 durchdringen einen durch Pressen abgedichteten Abschnitt 71 des Mantelkolbens 7. Die Teile der Zuleitungsdrähte 8, 8 in dem Mantelkolben 7 sind elektrisch mit den Leitungsdrähten 6, 6 verbunden und tragen die Hochdruck-Entladungslampe L1 mechanisch. Nach dem Evakuieren des Mantelkolbens 7 über ein Absaugrohr 72 wird das Absaugrohr 72 zusammengequetscht. Damit bleibt das Innere des Mantelkolbens 7 evakuiert. Ferner werden die Abschnitte 81, 81 der Leitungsdrähte 8, 8, die aus dem Mantelkolben 7 herausragen, mit einem Lampensockel oder einem Speisebauteil (beide nicht dargestellt) verbunden.
In der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 wird ein elektrischer Strom aus einer Wechselrichter-Hochfrequenz-Betriebsschaltung (nicht dargestellt) über eine Speiseleitung, einen Sockel und ein Speiseteil in dieser Reihenfolge zugeführt. Der elektrische Strom wird nun der Reihe nach über die äußeren Leitungsdrähte 81, den inneren Leitungsdraht 8, das Trägerteil 6, das Metallröhrchen 2A, den schmelzbaren Metallpfropfen 5, die Elektrodenstange 41 und die Elektrode 42 übertragen. Somit erfolgt über das Elektrodenpaar 42, 42 eine Entladung, die Licht aussendet.
Die Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 weist die folgenden Lampeneigenschaften auf: z. B. eine Lampenspannung von ungefähr 75 Volt, einen Lampenstrom von ungefähr 0,25 A, eine Lampenleistung von ungefähr 20 Watt und eine Kolbenwandbelastung von ungefähr 28 Watt/Quadratzentimeter.
In dem schmelzbaren Metallpfropfen 5, der in das offene Ende des Metallröhrchens 2A eingesetzt ist, das sich im Entladungsgefäß 1 befindet, traten keine Lücken auf. Die Hochdruck-Entladungslampe L2 zeigte keinerlei Abblätterung der verschmolzenen Grenzfläche des Metallröhrchens 2A, und der luftdichte Abschluss blieb erhalten.
Da sich die Verschmelzungsmerkmale des schmelzbaren Metallpfropfens 5, der in das offene Ende des Metallröhrchens 2A der Bogenentladungsröhre L1 eingedrückt ist, abhängig von seinem Material, der Schmelztemperatur, dem Volumen (d. h. der Wärmekapazität) und den Erwärmungsbedingungen usw. ändern, weist die Schmelzverbindung mit der Innenfläche des Metallröhrchens 2A verschiedene Gestalten (Merkmale) auf, die in 4A bis 4F dargestellt sind.
Im Verhältnis T/D ist die Höhe T durch die Höhe vom äußeren Ende des schmelzbaren Metallpfropfens 5 bis zum Ende des Abschnitts gegeben, der mit der Innenfläche des Metallröhrchens 2A verschmolzen und anschließend erstarrt ist.
Anhand von 4A–4F werden verschiedene Aspekte der Schmelzverbindung des schmelzbaren Metallpfropfens 5 mit der Innenfläche des Metallröhrchens 5 erklärt, wobei die Höhe T festgelegt wird. In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 54 das Ende des durch Schmelzen verbundenen Abschnitts des schmelzbaren Metallpfropfens 5 an der Innenfläche des Metallröhrchens 2A. Das Bezugszeichen 55 bezeichnet die obere Endfläche des schmelzbaren Metallpfropfens 5, die die gestrichelte Linie 56 schneidet, die sich entlang der Innenfläche des Metallröhrchens 2A erstreckt.
Da sich das Ende 54 des durch Schmelzen verbundenen Abschnitts des schmelzbaren Metallpfropfens 5 in der Umfangsrichtung ändert, wird ein weniger schwankender Abschnitt oder ein mittlerer Ort genommen.
4A zeigt einen besonders bevorzugten Aspekt, bei dem ein geschmolzener Teil des schmelzbaren Metallpfropfens 5 entlang der Innenfläche des Metallröhrchens 2A so weit hinunterfließt, wie durch das Bezugszeichen 54 markiert ist. Der vorher geschmolzene obere Abschnitt des geschmolzenen Metallpfropfens 5 zeigt durch seine Oberflächenspannung eine runde Oberfläche und hat sich in dieser Form verfestigt.
4B zeigt einen weiteren Aspekt, in dem der geschmolzene obere Teil des geschmolzenen Metallpfropfens 5 durch seine Oberflächenspannung vorher eine runde Oberfläche aufgewiesen hat und dann durch eine ebene Presse glatt gepresst worden ist.
4C zeigt noch einen weiteren Aspekt, in dem der vorher geschmolzene obere Teil des geschmolzenen Metallpfropfens 5 durch seine Oberflächenspannung eine runde Oberfläche aufgewiesen hat und sich unverändert verfestigt hat. Das untere Ende der Schmelzverbindung 54 ändert sich jedoch in Umfangsrichtung. Gemäß diesem Aspekt wird der am höchsten liegende Abschnitt des unteren Endes der Schmelzverbindung 54 verwendet.
4D und 4E zeigen noch weitere Aspekte, bei denen durch eine Fehlausrichtung des heizenden Laserstrahls oder übermäßige Erwärmung eine Vertiefung 52 in der oberen Stirnfläche des geschmolzenen Metallpfropfens 5 aufgetreten ist. Gemäß diesen Aspekten wird der Ort 55 der oberen Stirnfläche des geschmolzenen Metallpfropfens 5 verwendet, an dem die tiefste Stelle der Vertiefung 52 auftritt.
4F zeigt noch einen weiteren Aspekt, in dem das Metallröhrchen 2A, das aus einem schmelzbaren Metall hergestellt ist, beispielsweise Molybdän, als schmelzbarer Metallpfropfen 5 dient. Gemäß diesem Aspekt wird das Entladungsgefäß durch das Schmelzen des oberen Endes des schmelzbaren Metallröhrchens 2A abgedichtet. Anschließend wird die Elektrodenstange 41 aus Wolfram von dem abgedichteten Abschnitt befestigt. Gemäß diesem Aspekt wird der Abschnitt 55 des abgedichteten oberen Endes des Metallröhrchens 2A auf dem Abschnitt definiert, der die gestrichelte Linie 56 schneidet, die sich entlang der Innenfläche des Metallröhrchens 2A erstreckt.
In derartigen Hochdruck-Entladungslampen mit Schmelzabdichtungen gemäß diesen Aspekten blättert der schmelzbare Metallpfropfen 5 generell durch die Differenz zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallröhrchens 2A ab. Zudem treten im schmelzbaren Metallpfropfen 5 vorkommende Lücken miteinander in Verbindung, wodurch Lecks auftreten. Durch eine Beeinträchtigung des schmelzbaren Metallpfropfens 5 aufgrund von Erosion durch Halide in den ionisierenden Füllungen treten auch Brüche auf. Damit ist festgestellt, dass die Lebensdauer der Hochdruck-Entladungslampe durch die Brüche bzw. Lecks beeinflusst wird. Die Erfinder haben daraufhin den Zusammenhang zwischen der Höhe T und dem Außendurchmesser D des geschmolzenen Dichtungsabschnitts bezüglich der Lebensdauer einer Hochdruck-Entladungslampe untersucht.
Um Bedingungen aufzufinden, unter denen Lücken im schmelzbaren Metallpfropfen 5 oder das Abblättern des Metallpfropfens vermieden werden, wurde das Verhältnis T/D des Außendurchmessers D und der Höhe T untersucht. Das Ergebnis der Untersu chungen ist in Tabelle 1 unten dargestellt.
Zuerst wurden einige Probestücke von Halogen-Metalldampflampen entsprechend der Anordnung, dem Material und der Größe der beschriebenen Hochdruck-Entladungslampe L2 hergestellt. Die Lampen hatten eine Nennbetriebsdauer von 2000 Stunden, unterschiedliche Werte des Durchmessers D im Bereich von 0,6–1,6 Millimeter und unterschiedliche Werte der Höhe T. Die Überlebensrate (in Prozent) nach 100 Stunden Leuchtdauer der Probestücke wurde durch Anlegen einer Überspannung von 130 Prozent bezogen auf die Nennbetriebsspannung gemessen. Die Überlebensrate (in Prozent) bei einer derartigen Betriebsspannung entspricht der tatsächlichen Überlebensrate bei Nennbetriebsspannung. Tabelle 1

T/D 0,3 0,35 0,4 0,55 0,7 0,85 0,9 1,0 1,1

Überlebensrate (Prozent) nach 100 Betriebsstunden 60 70 92 96 96 94 88 65 60
Tabelle 1 kann man entnehmen, dass bei einem Verhältnis T/D der Höhe T zum Außendurchmesser D von 0,4–0,95 eine Überlebensrate von 80 Prozent oder mehr sichergestellt war. Dies ist der Tatsache zuzurechnen, dass Abblätterungen, die durch Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem schmelzbaren Metallpfropfen 5 und dem Metallröhrchen 2A verursacht werden, und zwar nach einem hundertstündigen Betrieb mit 130 Prozent Überspannung, und Lecks durch Lückenentstehung im schmelzbaren Metallpfropfen 5 abnahmen. Eine Überlebensrate von 80 Prozent oder mehr war sichergestellt, und eine Verkürzung der Lampenlebensdauer konnte verhindert werden.
Beträgt das Verhältnis T/D weniger als 0,4, so treten Lücken, die aus welchen Gründen auch immer im schmelzbaren Metallpfropfen 5 entstehen, miteinander in Verbindung. Somit besteht die Gefahr, dass Lecks entstehen. Beträgt das Verhältnis T/D mehr als 0,95, so kann die Höhe T zu groß werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass Abblätterungen durch Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallröhrchen 2A und dem schmelzbaren Metallpfropfen 5 verursacht werden. Da die Wärmekapazität groß wurde und sich die Temperatur des schmelzbaren Metallpfropfens 5 nur schwer erhöhen lies, bestand die Möglichkeit, dass das schmelzbare Metall und das Metallröhrchen nicht ausreichend schmelzen, sondern zunehmend Lecks an der Grenzfläche erzeugen. Die Überlebensrate fiel unter 80 Prozent, und die gewünschte Lebensdauer wurde in keinem Fall erreicht.
Bezieht man eine Streuung des Verhältnisses T/D ein, so liegt der erwünschte Bereich des Verhältnisses T/D zwischen 0,4 und 0,85. Der besonders bevorzugte Bereich des Verhältnisses T/D liegt zwischen 0,55 und 0,75.
Der Grund dafür, dass als erwünschte Überlebensrate 80 Prozent oder mehr gesetzt wurde, liegt darin, dass dies einer Überlebensrate von 95 Prozent oder mehr entspricht, wenn man sie in einen normalen Betrieb von 2000 Stunden bei Nennbetriebsspannung umsetzt.
Zudem wurden einige Probestücke von quecksilberfreien Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampen gemäß der Anordnung, dem Material und der Größe der beschriebenen Hochdruck-Entladungslampe L1 hergestellt, und es wurden unterschiedliche Arten von ionisierenden Füllungen verwendet. Nun wurde die Überlebensrate (Prozent) nach 100 Betriebsstunden der Probestücke und einer Überspannung von 130 Prozent gegenüber der Nennbetriebsspannung gemessen. Es wurden ähnliche Ergebnisse erzielt wie bei der Hochdruck-Entladungslampe L2.
Das Entladungsgefäß 1 dieser Hochdruck-Entladungslampe war mit ungefähr 0,8 Milligramm eines Halids, ungefähr 0,4 Milligramm ZnI2 und ungefähr 100 Pa Xenongas als ionisierender Füllung befüllt. Dabei bestand das Halid aus 70 Massenprozent NaI3, 10 Massenprozent TlI und 20 Massenprozent DyI3.
Die Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe hatte die folgenden Lampeneigenschaften. Die Lampenspannung betrug ungefähr 40 Volt, der Lampenstrom ungefähr 0,52 Ampere, die Lampenleistung ungefähr 20 Watt und der Lampenwirkungsgrad ungefähr 70 Lumen/Watt.
Anhand von 5 wird nun eine zweite Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung erklärt. In 5 sind die gleichen Elemente wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Sie werden nicht nochmals erklärt.
In der Hochdruck-Entladungslampe L3 sind die Außenflächen der Metallröhrchen 2B, 2B als zweistufige Oberfläche mit dem dicken Abschnitt 21 und dem dünnen Ab schnitt 22 definiert. Der dicke Abschnitt 21 wird auf die Außenfläche des zylindrischen Teils 12 aufgesetzt. Daraufhin werden die Metallröhrchen 2B, 2B hermetisch mit den zylindrischen Abschnitten 12, 12 verbunden, und zwar mit einer Verbindungsschicht 3, die aus Keramik-Metall-Verbundwerkstoff und in den Verbundwerkstoff eingelagerter Glasmasse als Hauptbestandteile besteht. Das offene Ende des dünnen Abschnitts 22 ist ähnlich wie in der beschriebenen ersten Ausführungsform durch einen schmelzbaren Metallpfropfen 5 mit einem Elektrodensystem 4 verschlossen.
In dieser Ausführungsform des Elektrodensystems 4 dient ein Ende der Elektrodenstange 41 in unverändertem Zustand als Elektrode 42. Das Paar der einander gegenüberliegenden Elektrodensysteme 4, 4 ist asymmetrisch, da sich ihre Durchmesser unterscheiden. Beispielsweise besitzt eine Elektrode 4 einen Durchmesser von ungefähr 0,6 Millimeter und die andere Elektrode 4 einen Durchmesser von ungefähr 0,15 Millimeter. Diese asymmetrischen Elektroden 4, 4 eignen sich für Lampen, die mit Gleichspannung betrieben werden. Die Elektrodensysteme 4, 4 können jedoch auch wie in der ersten Ausführungsform gestaltet sein.
Es wird nun Bezug auf 6A, 6B und 7 genommen. Weitere Ausführungsformen der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung werden erklärt. In 6A und 6B werden gleiche Elemente wie in 3 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals erklärt.
6A und 6B zeigen eine Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L4, bei der die Entladungslampe L1 in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des Mantelkolbens 7 eingeschlossen ist. In dieser Hochdruck-Entladungslampe L4 ist der Mantelkolben 7 (T-Mantelkolben) so geformt und bemessen, dass er einen Außendurchmesser von ungefähr 30 Millimeter und eine Gesamtlänge von ungefähr 40 Millimeter hat. Der Mantelkolben 7 umschließt eine Entladungslampe (Bogenentladungsröhre) L1, die so geformt und bemessen ist, dass sie einen maximalen Durchmesser von ungefähr 6 Millimeter und eine Gesamtlänge von ungefähr 22 Millimeter hat.
Da die Entladungslampe L1 in der Richtung senkrecht zur Mittelachse des Mantelkolbens 7 ausgerichtet ist, hat die Entladungslampe L4 den Vorteil, dass die Gesamtlänge wesentlich kürzer ist. Damit nimmt die Flexibilität beim Einbau dieses Entladungslampentyps in Leuchtkörper zu. Folglich kann dieser Entladungslampentyp eine Miniaturisierung von Elementen fördern, beispielsweise eine Miniaturisierung des Reflektors.
In dieser Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L4 ist erwünscht, dass das Verhältnis GD/CL des Außendurchmessers GD zur Länge GL des Hauptabschnitts des Mantelkolbens ohne den Dichtungsabschnitt 71 und den Absaug-Quetschabschnitt 72 gleich oder größer als 0,6 ist.
Ist das Verhältnis GD/CL gleich oder größer als 0,6, so wird die Gesamtlänge der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L4 verglichen mit der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 in 3 wirksam verringert.
Zudem wird in dieser Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L4, siehe 6A und 6B, die in dem Mantelkolben 7 gehaltene Lampe L1 von Halteteilen 6, 6 in Form von Metallfolien getragen, die beispielsweise aus Tantal bestehen, und zwar an Positionen, die sehr nahe an dem verdickten Abschnitt 11 des Entladungsgefäßes 1 liegen. Dabei sind die Halteteile 6, 6 mit ihren einen Enden um den Umfang der zylindrischen Abschnitte 12, 12 gewickelt, und zwar wie beschrieben an Positionen in der Nähe des verdickten Abschnitts 11. Die anderen Enden der Halteteile 6, 6 sind durch Schweißen oder Verstemmen an Leitungsdrähten 8, 8 befestigt, die die Lampe L1 mit Elektrizität versorgen. Da die Lampe L1 fest gehalten wird, ist die Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L4 verglichen mit der Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 in 3, in der die Lampe L1 an ihren Metallröhrchen 2A, 2A entfernt von dem verdickten Abschnitt gehalten wird, besonders rüttelfest. In 6A und 6B bezeichnet das Bezugszeichen 85 einen Getter.
Anhand von 7 wird noch eine weitere Ausführungsform der Hochdruck-Entladungslampe der Erfindung beschrieben. Im Einzelnen zeigt 7 eine Reflektor-Entladungslampe L5. In dieser Reflektor-Entladungslampe L5 besteht der Reflektor 91 aus Hartglas, beispielsweise Borsilikatglas. Die Innenfläche 92 des Reflektors 91 bildet einen Rotationsparaboloid oder Rotationsellipsoid. Zudem ist die Innenfläche 92 mit einem mehrschichtigen Interferenzfilm versehen, beispielsweise einem dichroitischen Spiegel oder einem Totalreflexionsfilm. Vor dem Reflektor 91 ist eine Lichtführung 93 montiert, beispielsweise eine Linse oder eine Frontabdeckung. Die Lichtführung 93 kann in einem Stück mit dem Reflektor 91 ausgeführt sein.
In der Reflektor-Entladungslampe kann man jede der genannten Einkolben-Hochdruck-Entladungslampen L1 oder L3 oder die Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslam pen L2 oder L4 verwenden. Die Lampe L1, L2, L3 oder L4 wird mit ihrer Mitte im Brennpunkt des Reflektors 91 angeordnet.
Wird die Einkolben-Hochdruck-Entladungslampe L1 oder L3 verwendet, so ist es erwünscht, dass der Reflektor 91 und die Lichtführung 93 gemeinsam eine hermetisch verschlossene Umhüllung bilden. Wird die Doppelkolben-Hochdruck-Entladungslampe L2 oder L4 verwendet, so braucht die Umhüllung, die von dem Reflektor 91 und der Lichtführung 93 gebildet wird, nicht hermetisch zu sein.
Ein konischer Rand 95 des Kolbensockels 94 ist an der Rückseite des Reflektors 91 durch Verstemmen oder Kleben befestigt. Der Kolbensockel 94 ist über einen Zuleitungsdraht (nicht dargestellt) elektrisch mit der Lampe verbunden. In dem Kolbensockel 94 kann sich eine Betriebsschaltung befinden.
Ist die Reflektor-Entladungslampe L5 eingeschaltet, so sendet die Hochdruck-Entladungslampe L1 Licht aus. Das ausgesendete Licht wird entweder direkt nach vorn gestrahlt oder indirekt nach der Reflexion am Reflektor 91. Damit kann die Reflektor-Entladungslampe L5 wie die beschriebenen Lampen nützliche Wirkungen erzeugen. Die Reflektor-Entladungslampe L5 kann ohne irgendwelche Schwierigkeiten leuchten.
Die Reflektor-Entladungslampe L5 hat vorteilhaft kleine Abmessungen und eine schnellere Anstiegszeit des Lichtstroms bei Beginn des Betriebs. Daher eignet sich die Reflektor-Entladungslampe L5 beispielsweise für Scheinwerfer oder Anzeigelichter zum Beleuchten von Artikeln.
Es wird nun Bezug auf 8 genommen. Ein Scheinwerfer als Ausführungsform des Leuchtkörpers der Erfindung wird erklärt. Der Scheinwerfer umfasst einen Scheinwerferkörper S und die Reflektor-Hochdruck-Entladungslampe L5 wie beschrieben.
Der Scheinwerferkörper S ist in der Regel mit einer Leuchtkörperschienen-Befestigung S1, einem Arm S2 und einem Kopfabschnitt S3 ausgestattet. In der Leuchtkörperschienen-Befestigung S1 ist eine Betriebsschaltung (nicht dargestellt) untergebracht. Sie ist abnehmbar an einer Leuchtkörperschiene (nicht dargestellt) befestigt und trägt damit den anderen Abschnitt des Scheinwerfers. Die Betriebsschaltung erhält Elektrizität von der Leuchtkörperschiene. Der Arm S2 ist mit seiner Basis an der Leuchtkörperschienen-Befestigung S1 montiert. Der Kopfabschnitt S3 ist am freien Ende des Arms S2 drehbar und in der vertikalen und horizontalen Ebene frei schwenkbar. Der Kopfabschnitt S3 hat die Form einer vorne offenen Hülle. Im Inneren des Kopfabschnitts S3 ist eine Lampenschraubfassung (nicht dargestellt) montiert. In die Lampenschraubfassung wird eine Reflektor-Hochdruck-Entladungslampe L5 eingesetzt.
In dem Scheinwerfer der Erfindung bewirkt die Hochdruck-Entladungslampe L1, die in der Reflektor-Hochdruck-Entladungslampe L5 eingeschlossen ist, die gleichen vorteilhaften Effekte wie beschrieben. Daher liefert der Scheinwerfer eine wirksame Beleuchtung ohne die Schwierigkeiten, unter denen herkömmliche Lampen leiden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Verhältnis T/D des Außendurchmessers des zylindrischen Abschnitts des Metallröhrchens, das in den zylindrischen Teil des Entladungsgefäßes eingesetzt ist, und der Höhe T in einem bestimmten Bereich definiert. Damit kann die Erfindung eine Hochdruck-Entladungslampe mit langer Lebensdauer bereitstellen, in der Lecks wirksam vermindert werden, die durch Lücken beim Abblättern entstehen, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient des schmelzbaren Metallpfropfens und des Metallröhrchens verschieden sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung lässt sich die Korrosionsbeständigkeit des Metallröhrchens gegenüber der ionisierenden Füllung wesentlich verbessern. Somit lässt sich eine Hochdruck-Entladungslampe mit einem guten Abschluss zwischen dem Metallröhrchen und dem durchscheinenden keramischen Entladungsgefäß erzielen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann man eine Hochdruck-Entladungslampe erzielen, bei der die Schmelzverbindung zwischen einem schmelzbaren Metallpfropfen und einem Metallröhrchen gut erhalten bleibt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann man auch eine Hochdruck-Entladungslampe erzielen, bei der die Schmelzverbindung zwischen dem schmelzbaren Metallpfropfen und dem Metallröhrchen gut erhalten bleibt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallröhrchens und des schmelzbaren Metallpfropfens gering. Damit lässt sich eine Hochdruck-Entladungslampe mit weniger Abblätterung bei einem thermischen Stoß erzielen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann man eine Hochdruck-Entladungslampe erzielen, bei der die Oxidation von Elementen im durchscheinenden keramischen Entladungsgefäß, die durch einen Temperaturanstieg bei Betrieb der Lampe entsteht, oder eine Beschädigung des durchscheinenden keramischen Entladungsgefäßes wirksam verhindert wird.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann man einen Leuchtkörper mit langer Lebensdauer und einfachem Lampenaustausch erzielen, der somit leicht zu warten ist.
Wie beschrieben kann die Erfindung eine ganz besonders bevorzugte Hochdruck-Entladungslampe und einen Leuchtkörper bereitstellen, in dem eine solche Hochdruck-Entladungslampe verwendet wird.
Es wurden die Ausführungsformen der Erfindung erläutert und beschrieben, die derzeit als bevorzugt betrachtet werden. Fachleuten ist jedoch klar, dass verschiedene Abwandlungen und Veränderungen ausführbar sind, und dass Elemente durch gleichartige ersetzbar sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können an den Lehren der Erfindung viele Abwandlungen vorgenommen werden, um sich an eine besondere Situation oder ein besonderes Material anzupassen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die besondere offenbarte Ausführungsform eingeschränkt ist, die als die beste Art betrachtet wird, die Erfindung auszuführen, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen enthält, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.
Der Anmelder geht davon aus, dass die obige Beschreibung und die Zeichnungen eine Anzahl einzelner erfinderischer Konzepte enthalten, von denen einige ganz oder teilweise außerhalb des Bereichs einiger oder aller folgenden Ansprüche liegen können. Die Tatsache, dass sich der Anmelder zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Patentschrift dafür entschieden hat, den beanspruchten Schutzumfang gemäß der folgenden Ansprüche zu beschränken, darf man nicht als Verzicht auf andere erfinderische Konzepte auffassen, die im Inhalt der Patentschrift enthalten sind und durch Ansprüche bestimmt werden könnten, deren Bereich von den folgenden Ansprüchen abweicht. Die abweichenden Ansprüche könnten im weiteren Fortgang beansprucht werden, beispielsweise zum Zweck einer Teilanmeldung.

Claims

Hochdruck-Entladungslampe, umfassend: ein durchscheinendes keramisches Entladungsgefäß (1), das einen verdickten Abschnitt aufweist, der einen Entladungsraum bestimmt, und ein Paar zylindrische Abschnitte (12), die in Verbindung mit dem verdickten Abschnitt ausgebildet sind und sich vom dem verdickten Abschnitt in einander entgegengesetzten Richtungen erstrecken; Metallröhrchen (2A), die jeweils einen Außendurchmesser D an einem zylindrischen Abschnitt davon aufweisen, und die jeweils in einem Endbereich eines der zylindrischen Abschnitte (12) des Entladungsgefäßes sitzen; ein Paar schmelzbare Metallpfropfen (5), die jeweils in ein äußeres Ende eines der Metallröhrchen (2A) eingedrückt sind, wobei der schmelzbare Metallpfropfen (5) zum Abdichten des Entladungsgefäßes (1) dient, indem er mit einer Innenfläche eines der Metallröhrchen (2A) verschmolzen wird, und zwar über eine Höhe T, die durch die Länge zwischen dem Schnittpunkt der Fortsetzung der Innenwand des betreffenden Metallröhrchens mit der Außenfläche des betreffenden Metallpfropfens bestimmt ist; ein Paar von Elektrodensystemen (4), von denen jeweils ein erstes Ende von einem schmelzbaren Metallpfropfen (5) gehalten wird, und ein zweites Ende in das Innere des verdickten Abschnitts des Entladungsgefäßes zeigt; und eine ionisierende Füllung, die in das Entladungsgefäß gefüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis T/D der Höhe T und des Durchmessers D die folgenden Gleichung erfüllt: 0,40 ≤ T/D ≤ 0,95.
Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei das Metallröhrchen hauptsächlich aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt ist, beispielsweise Wolfram oder Molybdän.
Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser D im Bereich von 0,6–1,6 mm liegt.
Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die Höhe T an dem schmelzbaren Metallpfropfen im Bereich von 0,24–1,5 mm liegt.
Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei der schmelzbare Metallpfropfen hauptsächlich aus einem schmelzbarem Metall hergestellt ist, beispielsweise Platin, Vanadium oder Molybdän.
Hochdruck-Entladungslampe nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, zudem umfassend einen hitzebeständigen und durchsichtigen Mantelkolben, der in sich das durchscheinende keramische Entladungsgefäß einschließt, das mit dem Metallröhrchen und dem schmelzbaren Metallpfropfen abgedichtet ist.
Leuchtkörper, umfassend die Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, einen Hauptkörper des Leuchtkörpers, auf dem die Hochdruck-Entladungslampe montiert ist, und eine im Hauptkörper des Leuchtkörpers untergebrachte Betriebsschaltung zum Betreiben der Hochdruck-Entladungslampe.
Leuchtkörper, umfassend die Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 6, einen Hauptkörper des Leuchtkörpers, auf dem die Hochdruck-Entladungslampe montiert ist, und eine im Hauptkörper des Leuchtkörpers untergebrachte Betriebsschaltung zum Betreiben der Hochdruck-Entladungslampe.