DE69124916T2

DE69124916T2 - Kapselform für Niederleistungsmetallhalogenidlampe

Info

Publication number: DE69124916T2
Application number: DE69124916T
Authority: DE
Inventors: Betina Desmarais; Harold W Rothwell
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1990-09-26
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2011-09-25
Also published as: EP0483507A2; US5101134A; CA2052261A1; JPH04262364A; EP0483507A3; EP0483507B1; DE69124916D1; CA2052261C; JP2872463B2

Description

1. Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft elektrische Lampen und insbesondere elektrische Bogenentladungslampen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Geometrie von Miniatur-Bogenentladungslampenkapseln.

2. Stand der Technik

Es werden Anstrengungen unternommen, Kraftfahrzeugscheinwerfer durch Herstellen von Scheinwerfern mit kleinen Querschnitten zu verbessern, um den Luftwiderstand zu vermindern und dadurch die zurückgelegte Fahrstrecke pro Kraftstoffeinheit des Fahrzeugs zu erhöhen. Durch eine effizientere Lichterzeugung kann der elektrische Leistungsbedarf ebenfalls reduziert werden und wiederum die zurückgelegte Fahrstrecke erhöht werden. Durch Erhöhen der Haltbarkeit der Lampe werden die Fahrzeuginstandhaltungs- und Garantieservicekosten ebenfalls reduziert. Eine verringerte Größe der Lichtquelle kann auch die optische Genauigkeit bei der Bildung eines projizierten Lichtstrahls erhöhen. Die Lichtqualität kann dann verbessert und die Sicht verstärkt werden, ohne Blendung oder die Belastung für entgegenkommende Fahrer zu erhöhen. All diese Vorteile können mit einer Bogenentladungs-Scheinwerferlampe niedriger Leistung erreicht werden. Bogenentladungslampen niedriger Leistung sind dennoch nicht ausreichend gut entwickelt, um schnell an die Verwendung in Fahrzeugen angepaßt zu werden. Eine Weiterentwicklung von Bogenentladungslampen ist erforderlich, um eine zweckmäßige Fahrzeuglampe herzustellen. Insbesondere besteht Bedarf an einer Bogenlampenhüllenform für Gleichstrombetrieb mit einer minimalen Aufwärmzeit und für horizontalen Betrieb zur Erzeugung von etwa 70 Lumen pro Watt bei etwa 30 oder 35 Watt.
Bei der Suche nach einer zweckmäßigen Gestaltung für Gleichstrombetrieb wurden unterschiedliche Elektroaufbauten untersucht. Das Anpassen der Elektrodenformen allein hat nicht die Eigenschaften hervorgebracht, die bei einer zweckmäßigen Fahrzeuglampe erforderlich sind. Die Form der Kapsel muß ebenfalls angepaßt werden, insbesondere in dem an die Kathode, die negative Elektrode, angrenzenden Bereich. Das Kathodenende des Bogens erzeugt einen größeren Teil des Lichts und ist deshalb im oder nahe dem Brennpunkt eines Reflektors angeordnet. Veränderungen der Bogendynamiken, insbesondere jener, die an die Kathode angrenzen, haben folglich eine beträchtliche Auswirkung auf den Lichtstrahl. Eine zweckmäßige Anordnung der Kathode und deren Wechselwirkung mit der Hülle werden deshalb als für die gesamte Strahlqualität wichtig angesehen. Die Anordnung der Anode und die Wechselwirkung mit der angrenzenden Lampenwand ist für die photometrische Leistung weniger entscheidend, aber immer noch wesentlich für eine zweckmäßige Wärmeübertragung.
Beispiele für den Stand der Technik von Bogenentladungslampen sind in den U.S.-Patentschriften US-A-3 259 777; 4 161 672; 4 170 746; 4 396 857; 4 594 529 und 4 779 026 dargelegt.
Die US-A-3 259 777, ausgegeben am 5. Juli 1966 an Elmer Fridrich für eine Metallhalogen-Dampfentladungslampe mit dicht eingeschmolzenen Punktelektroden, zeigt röhrenförmige Bogenentladungslampen. Figuren 2a, 3a, 4 und 5 zeigen kleine Leuchtröhren.
Die US-A-4 161 672, ausgegeben am 17. Juli 1979 an Daniel Cap et al. für Hochdruck-Metalldampfentladungslampen mit verbesserter Leistungsfähigkeit, diskutiert die Formen und Elektrodenpenetrationen von Lampen mit weniger als 250 Watt. Insbesondere offenbart Cap eine ellipsoidförmige 30 Watt Lampe mit einem Innenvolumen von 0,066 cm³, das einen Durchmesser von 3,5 Millimetern und eine Länge von 4,5 Millimetern aufweist. Cap befaßt sich mit fast runden bis länglichen Sphäroiden in Kombination mit eingesetzten Elektroden mit 4,55 bis 18,75 Prozent des langen Durchmessers.
Die US-A-4 170 746, ausgegeben am 9. Okt. 1979 an John Davenport für den Hochfrequenzbetrieb von kleinen Metalldampfentladungslampen, diskutiert den Betrieb von kugelförmigen Lampen mit inneren Durchmessern von 3,2, 4,0, 5,0, 6,0 und 7,0 Millimetern, die mit unterschiedlichen Wechselstromfrequenzen betrieben werden.
Die US-A-4 396 857, ausgegeben am 2. August 1983 an George Danko für eine Bogenröhrenkonstruktion, zeigt eine kleine Entladungsröhre mit einem Volumen von 0,1 bis 0,15 cm³. Danko beansprucht die Verwendung von zylindrischen, festen Halsabschnitten, die an das kugelformige zentrale Volumen angrenzen. Die zylindrischen Halsabschnitte helfen, eine Rotationsfläche rund um die Längsachse der Lampe sicherzustellen.
Die US-A-4 594 529, ausgegeben am 10. Juni 1986 an Bertus de Vrijer für eine Metallhalogen-Entladungslampe, offenbart eine kleine röhrenförmige Bogenentladungslampe. De Vrijer befaßt sich mit den Röhrenabmessungen einer Lampe zur Verwendung als Scheinwerferlampe.
Die US-A-4 779 026, ausgegeben am 18. Oktober 1988 an Jürgen Heider für eine Schnellstart-Hochdruckentladungslampe und ein Verfahren zu deren Betrieb, zeigt eine kleine Bogenentladungslampe mit einem röhrenförmigen Körper und leicht zusammengedrückten Übergängen zwischen den Dichtungen und dem Kolbenbereich. Heider diskutiert Lampen, deren Volumina kleiner als 0,03 cm³ sind.
Die DE-A-3 519 627 offenbart eine allgemein parabelförmige Hochdruckentladungslampe zur Verwendung in einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeugs.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung, die horizontal angeordnet mit Gleichstrom betrieben wird, kann durch eine Ausbildung des Anodenbereiches zur Verstärkung von konvektiven Strömungen, sowie durch Ausbildung des Kathodenbereiches derart, daß er den konvektiven Strömungen ausgesetzt ist, verbessert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine mit Gleichstrom betriebene Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung als eine im allgemeinen zylindrische Lampenkapsel aus einem lichtdurchlässigen Material mit einer äußeren Wand, die ein kleines eingeschlossenes Volumen definiert, ausgebildet werden. Das Anodenende und das Kathodenende sind asymmetrisch geformt, um unterschiedliche Wärmegradienten zu fördern und dadurch die konvektive Strömung zu verstärken. Das bevorzugte Anodenende weist eine konische Form auf, um die konvektive Strömung zu verstärken, während das bevorzugte Kathodenende eine Halbkugelform aufweist, so daß dessen Oberfläche den konvektiven Strömungen ausgesetzt ist. Man nimmt an, daß die verstärkte konvektive Strömung der Kataphorese entgegenwirkt und hilft, in dem Entladungsbogen einen ausreichenden Dotierungsgrad aufrechtzuerhalten. Eine Kathodenelektrode ist axial in einem Kathodendichtungsende der Lampenkapsel angeordnet und weist ein erstes Anschlußende, einen an die Kapselwand angedichteten intermediären Dichtungsabschnitt und ein zweites exponiertes inneres Ende auf, das sich in das eingeschlossene Volumen hineinerstreckt. Eine entsprechende Anodenelektrode ist axial in einem Anodendichtungsende der Lampenkapsel angeordnet und weist ein erstes Anschlußende, einen an die Kapselwand angedichteten intermediären Dichtungsabschnitt und ein zweites exponiertes Ende auf, das sich in das eingeschlossene Volumen hineinerstreckt. In dem eingeschlossenen Volumen ist auch eine Lampenfüllung angeordnet, die zur Aussendung von Licht anregbar ist, wenn an das erste Anschlußende der Anode und das erste Anschlußende der Kathode Elektrizität angelegt wird. Die Bereiche hinter jeder Elektrode sind für die Gestaltung einer mit Gleichstrom betriebenen Metallhalogen-Entladungslampe besonders wichtig. Jedes Elektrodenende des eingeschlossenen Volumens ist so geformt, daß die Gesamtleistung optimiert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform Querschnitt einer Gestalt für eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem röhrenförmigen Mittelabschnitt.
FIG. 2 zeigt im Querschnitt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Gestalt für eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem Sphäroidabschnitt als Mittelabschnitt.
FIG. 3 zeigt im Querschnitt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Gestalt für eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem Ellipsoidabschnitt als Mittelabschnitt.

Beste Methode zur Ausführung der Erfindung

An der Anode ist der wichtigste Gesichtspunkt bei einem Entwurf einer Bogenentladungslampe die Wärmeabgabe. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Lampenkapsel wird dieselbe horizontal betrieben und die an die Anode angrenzende Kapselwand ist näherungsweise konzentrisch und konisch mit einem Winkel von etwa 45 Grad zur Anode. Es wurde festgestellt, daß eine leicht konische innere Geometrie die Menge an Quarz nahe dem Anodenfuß erhöht und daß dadurch die von der Anode ausgehende Wärmeleitung verbessert wird. Gleichzeitig nimmt man an, daß die konische Form den Wärmegehalt in der angrenzenden Lampenfüllung vermindert und dadurch zu einer konvektiven Strömung beiträgt, die sich über das obere Ende der Hülle ausbreitet. Für Gleichstrombetrieb kann der ziemlich spitze Winkel zwischen dem konischen Abschnitt und dem koaxial angeordneten Anodenfuß vorteilhaft sein, im Gegensatz zu einer Wechselstromentladung, bei der die scharfen Eckbereiche die Gasströmung zum Stagnieren bringen können. Ein äußerst spitzer Winkel zwischen der Anode und der Kapselwand kann chemische Dotierungskomponenten einschließen und die Strömung des Füllmaterials zum Stagnieren bringen. Ein äußerst stumpfer Winkel zwischen der Anode und der Kapselwand kann nicht genügend Wärme zur Kapselwand transportieren. Man nimmt deshalb an, daß das bevorzugte konische Anodenende des eingeschlossenen Volumens die durch Wärme vorangetriebene konvektive Strömung in einer horizontal betriebenen Lampe verstärkt. Die verstärkte Strömung verläuft durch das eingeschlossene Volumen zur Kathode, wo kondensierte Materialien schneller in die konvektive Strömung geschwemmt werden.
An der Kathode sind die wichtigsten Gesichtspunkte beim Entwurf einer Bogenentladungslampe, die Wärme zu bewahren und die Gaskonvektion hinter der Elektrode zu steuern. Der Wärmeverlust durch die Kapsel verringert die Energie für die Lichterzeugung. Eine schwache Gaskonvektion ermöglicht den Additiven, an der Kapsel oder am Elektrodenfuß zu kondensieren und dadurch ihre Konzentration in dem Bogen zu verringern. Die bevorzugte Konstruktion verwendet eine verdünnte Wand gegenüber der Kathode, um die Wärmeleitung zum Kathodendichtungsende zu reduzieren. Die bevorzugte Oberfläche ist glatt und im übrigen der konvektiven Gasströmung ausgesetzt. Bei einer Ausführungsform ist das Kathodendichtungsende eingebuchtet, um die Menge an Quarz zu vermindern und die Wärmeleitung vom Kathodenfuß zum Kathodendichtungsende zu verringern. Die zurückgehaltene Wärme hilft, das Füllgas örtlich zu erhitzen, um eine vertikale Strömung rund um die Kathode zu verstärken. Außerdem kann die Einbuchtung helfen, nahe dem Kathodenfuß einen glatten, abgerundeten Bereich zu bilden. Die glatte innere Hüllenoberfläche verbessert die Gaskonvektion quer durch die Metallhalogenide oder ähnliche Kondensate, die sich an der an den Kathodenfuß angrenzenden Hüllenwand bilden. Die verbesserte Konvektion, die von der Form des Anodenendes herrührt, strömt dann rund um die Kathode, um zu helfen, die kondensierten Materialien effizienter zu verdampfen. Es wurde gefunden, daß ein halbkugelförmiges Kathodenende die erwünschte glatte, exponierte Oberfläche bereitstellt. Es können andere Oberflächen verwendet werden, die einer Halbkugel nahekommen.
Die an den Anoden- und den Kathodenfuß angrenzenden inneren Oberflächen sind wichtig, da die kataphoretische Gleichstromanregung der Metallhalogenide sowohl die Gaskonvektion als auch die Kaltstellentemperatur bei der Steuerung des Aufenthaltsortes der Kondensate beherrscht. Der kataphoretische Anregungsprozeß findet an der Kathode, der negativen Elektrode statt. Bei einer Gleichstromlichtquelle findet die kataphoretische Anregung immer in einer Richtung statt und besondere Sorgfalt muß angewendet werden, um kleine Hüllengeometrien zu vermeiden, beispielsweise spitze Winkel, die die Metallhalogenid- Kondensate einschließen können und den Entladungsbogen verkümmern lassen.
Die Form des Mittelabschnitts der Kapsel wird als weniger entscheidend angesehen. Der Mittelabschnitt kann zylindrisch sein und ursprünglich aus einem Quarzrohr geformt sein. Der Mittelabschnitt kann ebenso die Form eines symmetrischen und diametrischen Abschnitts eines Ellipsoids oder Sphäroids aufweisen, vorausgesetzt, daß die axiale Krümmung des Abschnitts klein ist. Die bevorzugte Rohrform für den Mittelabschnitt ist folglich durch die leichte Tonnenform gut angenähert. Große Krümmungen führen gezwungenermaßen zu einem großen Schnittwinkel zwischen dem Mittelabschnitt und dem Anodenfuß, dadurch werden an jedem Ende symmetrische Wärmegefüge und gleiche Wärmegradienten erzeugt, die die konvektive Strömung zum Scheitern bringen. Durch Kombinieren des konischen Anodenendes, des röhrenförmigen oder tonnenförmigen Mittelabschnitts und des halbkugelförmigen Kathodenendes ergibt sich ein tränenförmiges eingeschlossenes Volumen.
FIG. 1 zeigt im Querschnitt eine bevorzugte Ausführungsform einer Gestalt für eine horizontal betriebene Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem röhrenförmigen Mittelabschnitt. Die Metallhalogenlampe 10 niedriger Leistung ist aus einer Lampenkapsel 12, einer Lampenfüllung 30, einer Anode 40 und einer Kathode 66 aufgebaut, um im allgemeinen horizontal entlang einer Achse 68 betrieben zu werden.
Die Lampenkapsel 12 kann aus einem lichtdurchlässigen Material, wie beispielsweise Quarz oder Glas, gebildet sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Lampenkapsel 12 ein Anodendichtungsende 14 auf, angeführt von einem Anodenhals 16 mit einer Anodenhalsdicke 20. Das Anodendichtungsende 14 wirkt zwangsläufig als Wärmeverbraucher, der der Lampe Energie entzieht. Der Anodenhals 16 ist folglich vorgesehen, die Wärmeströmung von einem Anodenfuß 46 zum Anodendichtungsende 14 zu verstärken. An den Anodenhals 16 angrenzend befindet sich ein Mittelabschnitt 22 mit einer inneren Oberfläche 24, die ein eingeschlossenes Volumen 26 definiert. Der Mittelabschnitt 22 hat die allgemeine Form eines Rotationskörpers mit einer Wanddicke 28. Der Mittelabschnitt 22 erstreckt sich zu einem Kathodenhals 36, der zu einem Kathodendichtungsende 38 führt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform hat das eingeschlossene Volumen 26 ein Verhältnis von Gesamtlänge zu größter Breite von etwa 2,7. Das eingeschlossene Volumen 26 der Bogenentladungskapsel niedriger Leistung hat ein Volumen von weniger als 0,1 cm³ und vorzugsweise weniger als etwa 0,05 cm³. Bei einem Beispiel fand man, daß eine Kapsel 12 mit einem eingeschlossenen Volumen von 0,020 cm³ ziemlich gut arbeitet. Die Kapsel 12 sollte eine Wanddicke 28 aufweisen, gemessen entlang des Mittelabschnitts 22 am kürzesten Abstand zwischen der äußeren Oberfläche und der inneren Oberfläche 24, die ausreicht, um genügend Wärme vom Wandbereich zum Anodendichtungsende 14 und zum Kathodendichtungsende 36 zu leiten, so daß in Kombination mit der Strahlung und der Konvektion von der Lampenoberfläche die Temperatur der Kapsel 12 ein wenig unterhalb des Erweichungspunktes des Kapselmaterials gehalten wird. Die bevorzugte Wanddicke ist hinsichtlich größerer Lampen nicht linear proportional, aber sie ist für das kleine Volumen ein wenig dicker. Die Aufgabe der Kapsel 12 ist, die höchstmögliche Temperatur zu erreichen, die das Kapselmaterial für einen andauernden Zeitraum bei minimalem Qualitätsverlust des Materials ertragen kann. Der kälteste Punkt entlang des inneren Volumens, welcher im allgemeinen etwa 750ºC beträgt, sollte heiß genug sein, um die Salzkondensate ausreichend zu verdampfen. Ähnlich sollte der heißeste Punkt den Erweichungspunkt des Hüllenmaterials bei vorgegebenem Betriebsdruck nicht überschreiten. Eine Lampe kann ansonsten innerhalb dieser Temperaturgrenzen betrieben werden. Eine höhere Temperatur innerhalb der Grenzen ist gewöhnlich effizienter, ist jedoch schädlich für die Lampe und verkürzt ihre Lebensdauer. Eine niedrigere Temperatur innerhalb der Grenzen ist weniger effizient bei der Erzeugung von Lumen pro Watt, aber die Lampe hält länger. Eine niedrigere Temperatur trägt auch zu ineffizienter Bedeckung mit Salzkondensaten bei, was die Aufwärmzeit bei konstanter Leistung verlängern kann. Für eine Kapsel 12 mit einem Volumen von 0,02 cm³ beträgt die bevorzugte Wandstärke 28 etwa 1,5 Millimeter.
Die Geometrie der Kapsel 12 ist für die Maximierung des Lampenwirkungsgrades und für die Aufwärmzeiten der Lampe wichtig. Die bevorzugte Kapsel 12 hat eine innere Oberfläche 24 mit einem näherungsweise konischen Anodenende 18, einem näherungsweise röhrenförmigen Mittelabschnitt 22 und einem näherungsweise halbkugelförmigen Kathodenende 32. Das konische Anodenende 18 weist einen bevorzugten Halbwinkel von etwa 45 Grad von der Lampenachse 68 zu einer Seite oder äquivalent einen Winkel von etwa 90 Grad von einer Seite zur anderen Seite auf. Die Kegelbasis 50 des konischen Anodenendes 18 ist etwa quer zur Lampenachse 68 und koplanar mit der Anodenspitze 48 angeordnet. Man nimmt an, daß die relevanten Eigenschaften des konischen Anodenendes 18 die sind, daß die Anodenspitze 48 von der inneren Oberfläche 24 relativ weit entfernt angeordnet ist, während die innere Oberfläche 24 wegen der vom Anodenfuß 46 ausgehenden Wärmeleitung nahe der Strecke des Anodenfußes 46 angeordnet ist.
Der Mittelabschnitt 22 der bevorzugten inneren Oberfläche 24 weist eine zylindrische Form auf. Ein koaxialer Abschnitt eines Sphäroids oder eines Ellipsoids kann ebenfalls verwendet werden. Fig. 2 zeigt eine Kapsel mit einem sphäroidförmigen Mittelabschnitt 70 und Fig. 3 zeigt eine Kapsel mit einem ellipsoidförmigen Mittelabschnitt 72. Die axiale Länge 52 des Mittelabschnitts 22 bestimmt den Abstand zwischen der Anodenspitze 48 und der Kathodenspitze 56 und beträgt vorzugsweise etwa 4, Millimeter oder etwa eineinhalb mal den Durchmesser D von 2,6 Millimetern. Man nimmt an, daß die relevanten Eigenschaften die sind, daß der Mittelabschnitt 22 eine Rotationsfläche bezüglich der Lampenachse 68 darstellt und in axialer Richtung eine geringe oder keine Krümmung aufweist. Röhrenförmige oder leicht tonnenförmige innere Oberflächen sind folglich bevorzugt.
Das bevorzugte halbkugelförmige Kathodenende 32 hat etwa den Durchmesser des Mittelabschnitt 22 und ist so angeordnet, daß die Kathodenspitze 56 das Zentrum einer Kugel ist, die mit einer Hälfte das halbkugelförmige Ende 32 berührt. Die diametrische Basis 58 des halbkugelförmigen Endes 32 ist etwa quer zur Lampenachse 68 und koplanar mit der Kathodenspitze 56 angeordnet. Man nimmt an, daß die relevanten Eigenschaften des halbkugelförmigen Endes 32 die sind, daß die an den Kathodenfuß 60 angrenzende innere Oberfläche 24 glatt ist und die Kathodenspitze 56 von der inneren Oberfläche 24 möglichst weit entfernt angeordnet ist. Der Kathodenfuß 60 nahe der inneren Oberfläche 24 bleibt so heiß wie möglich. Dadurch, daß der Kathodenendaufbau heiß, glatt und offen ist, fördert er die vertikale Gaskonvektion zur Verdampfung der Kondensate am Kathodenende 32.
Die bevorzugte Kapsel 12 hat im wesentlichen eine röhrenförmige Geometrie mit einem kleinen Innendurchmesser D 54 von etwa 2,6 Millimetern, einem großen Innendurchmesser oder einer Länge L von etwa 7,1 Millimetern, was ein Längenverhältnis L/D von 2,72 ergibt. Beispielsweise wird die Kapsel 12 als Zylinder mit asymmetrischen Bereichen hinter der Anode und der Kathode dargestellt. Es wird angenommen, daß die wichtigen Eigenschaften der relativ große Abstand zwischen der Anodenspitze 48 und der angrenzenden inneren Oberfläche 24 in Kombination mit der relativ ausgedehnten inneren Strecke 52 von der Anodenspitze 48 zur Kathodenspitze 56 sind, wie es in einer zylindrischen oder länglichen Sphäroidkapsel vorgesehen ist. Die asymmetrischen Bereiche hinter der Anodenspitze 48 und der Kathodenspitze 56 verstärken die unterschiedlichen Wärmegradienten und fördern dadurch die horizontale konvektive Strömung.
Die Kapsel 12 tragt in dem Anodendichtungsende 14 eine Anode 40. Die bevorzugte Anode 40 weist einen Anodenanschluß 42, eine zwischengeschaltete Anodendichtung 44 und eine exponierte Anodenspitze 48 auf. Die bevorzugte Anode 40 ist koaxial angeordnet und verläuft vom Äußeren der Kapsel 12 durch das Anodendichtungsende 14 zum eingeschlossenen Volumen 26. Der Anodenanschluß 42 ist folglich am Kapseläußeren exponiert, um Elektrizität aufzunehmen. Die Anodendichtung 44 ist in das Anodendichtungsende 14 eingeschlossen und die Anodenspitze 48 ist in dem eingeschlossenen Volumen 26 angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Anodenspitze 48 axial in das eingeschlossene Volumen 26 mit einem Abstand X hinein, der etwa derselbe Abstand ist wie jener, den die Spitze der Anode 40 zur inneren Oberfläche 24 aufweist. Da das angrenzende konische Anodenende 18 mit einem Winkel von etwa 45 Grad zur Anode angeordnet ist, ist der Querabstand von der Anodenspitze 48 zur inneren Oberfläche etwa der Durchmesser D, dividiert durch zweimal die Quadratwurzel von zwei. Das Ausdehnungsverhältnis X/D der Anodenspitze 48 ist darum etwa 0,5. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Anodenspitze 48 folglich als Mittelpunkt in einem koaxialen konischen Ende 18 des eingeschlossenen Volumens 26 angeordnet. Die innere Oberfläche 24 schneidet den Anodenfuß 46 in dem eingeschlossenen Volumen 26 in einem spitzen Winkel. Beispielsweise wird eine Anode 40 als äußerer Stab dargestellt, der an eine Dichtungsfolie gekoppelt ist, die wiederum an einen geraden Stab mit einer abgerundeten Spitze, welcher sich in das eingeschlossene Volumen 26 hineinerstreckt, gekoppelt ist. Andere Gebilde für Elektrodendichtungen und Elektrodenspitzen sind bekannt und können zur Verwendung in der vorliegenden Ausführung angepaßt werden.
Die Kapsel 12 trägt in einem Kathodendichtungsende 38 die Kathode 66. Die Kathode 58 weist eine Kathodenspitze 56, einen Kathodenfuß 60, eine Kathodendichtung 62 und einen exponierten Kathodenanschluß 64 auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Ende der Kathodenspitze 56 axial in dem eingeschlossenen Kapselvolumen mit einem Abstand Y angeordnet, der etwa derselbe Abstand ist wie jener, den die Kathodenspitze 56 zur Innenwand der Kapsel aufweist. Da das eingeschlossene Volumen 26 etwa zylindrisch ist, ist der Querabstand von der Spitze der Kathode 58 zur inneren Oberfläche etwa die Hälfte des Durchmessers, D/2. Das Ausdehnungsverhältnis Y/D der Kathode 58 ist folglich etwa 0,5. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Spitze der Kathode 58 folglich als Mittelpunkt einer Kugel angeordnet, deren Oberfläche auf einer Seite etwa tangential zum halbkugelförmigen Kathodenende 32 des eingeschlossenen Volumens 26 verläuft. Herkömmlicher ist die Oberfläche des eingeschlossenen Volumens 26 am Kathodenende um die Kathodenspitze etwa halbkugelförmig. Die innere Oberfläche des eingeschlossenen Volumens 26 schneidet folglich den Kathodenfuß 60 etwa senkrecht. Die Kathode 58 ist so angeordnet, daß sie vom eingeschlossenen Volumen 26 durch das Kathodendichtungsende 38 zum Äußeren verläuft, um Elektrizität aufzunehmen. Beispielsweise wird eine Kathode 58 als äußerer Stab dargestellt, der an eine Dichtungsfolie gekoppelt ist, die wiederum an einen geraden Stab mit einer abgerundeten Spitze, welcher sich in das eingeschlossene Volumen 26 hineinerstreckt, gekoppelt ist. Andere Gebilde für Kathodendichtungen und Kathodenspitzen sind bekannt und können zur Verwendung in der vorliegenden Ausführung angepaßt werden.
Die Lampenfüllungen 30 für Bogenentladungslampen sind dafür bekannt, daß sie ein Trägergas wie Neon, Argon, Krypton oder Xenon und eine Vielzahl an Additiven wie Quecksilber, Scandium, Jod und andere enthalten. Zahlreiche Lampenfüllungen werden für das vorliegende Lampenhüllengebilde als geeignet angesehen. Die bevorzugte Lampenfüllung 28 ist eine Füllung aus Quecksilber und Natriumscandiumjodid (NaScI&sub4;) in acht Atmosphären Xenon. Andere geeignete Zusammensetzungen können verwendet werden.
Alternative Ausführungsformen der tränenförmigen Bogenentladungslampe sind in FIG. 2 und FIG. 3 dargestellt. FIG. 2 zeigt im Querschnitt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Gestalt für eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem Sphäroidabschnitt als Mittelabschnitt. FIG. 3 zeigt im Querschnitt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Gestalt für eine Metallhalogenidkapsel niedriger Leistung mit einem Ellipsoidabschnitt als Mittelabschnitt.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung der tränenförmigen Bogenentladungslampe ist zunächst gleichzeitig Quetschdichten und Quetschformen des Kathodenendes. Das Quetschdichten dichtet die Kathode am Verwendungsort an, während das Quetschformen das eingeschlossene Volumen 26 rund um den Kathodenfuß zu einem näherungsweise halbkugelförmigen Ende ausweitet. Die genaue Anordnung der Kathode und die Bildung des angrenzenden Kathodenendes kann folglich in einem Arbeitsgang erreicht werden. Das Quetschformen kann auch den mittleren Abschnitt zu einem ausgedehnten zylindrischen, kugelförmigen, ellipsoidförmigen oder ähnlichen Abschnitt ausbilden. Die teilweise gebildete Kapsel wird dann von Verunreinigungen gereinigt. Spülen des Kapselvolumens mit Stickstoff wird nahegelegt. In dem Kapselvolumen werden dann die Metallhalogenide oder andere Additive und das Füllgas angeordnet. Die Gasfüllung wird in dem eingeschlossenen Volumen kryothermisch kondensiert. Eine Anode wird in dem verbleibenden offenen Ende der Kapsel angeordnet und am Verwendungsort vakuumabgedichtet. Das Vakuumabdichten bewahrt das halbkugelformige Kathodenende und den zylindrischen Mittelabschnitt weitgehend, während das Anodenende der Kapsel beim Abdichten der Anode schrumpft. Das Vakuumabdichten ergibt an den Anodenfuß angrenzend ein konisch geformtes Anodenende.
Das Aufwärmen der Kapsel hängt von miteinander zusammenhängenden Faktoren ab. Die Faktoren für das Aufwärmen schließen die Kapselmasse, die Zuführung von elektrischer Leistung, die Füllgaszusammensetzung, den Füllgasdruck, die chemische Dosierungszusammensetzung und die chemische Dosierungsmenge ein. Verschiedene Volumina und Wanddicken wurden ausgewertet, um die minimale Aufwärmzeit für einen fast konstanten Eingangsstrom ausfindig zu machen. Im allgemeinen wurden Kapselwanddicken von etwa 0,4 bis 1,5 Millimetern und Kapselvolumina von 0,02 bis 0,1 Kubikzentimetern untersucht. Eine minimale Aufwärmzeit wurde willkürlich als die Zeit gewählt, die erforderlich ist, um 80% des bei vollem Betrieb ausgesandten Lichts zu erreichen. Es wurde für alle Messungen der Aufwärmzeit dieselbe Belastung für unterschiedliche Hüllenformen verwendet.
Der bevorzugte Lichtstrom wurde durch die minimale Anzahl an Lumen, die für einen zulässigen Scheinwerfer erforderlich sind, bestimmt. Während einige Metallhalogenlampen mehr als 70 Lumen pro Watt erreichen können, war die bevorzugte Lampe nicht dafür vorgesehen, die Lichterzeugung zu maximieren. Bei einem Autoscheinwerfer kann übermäßiges Licht entgegenkommende Fahrzeuge blenden, so daß nur die erforderliche Anzahl an Lumen erzeugt werden sollte. Die Bogenentladung kann wandstabilisiert ausgeführt sein. Die Wandstabilisierung beeinflußt die Helligkeit der Entladung. Die Wandstabilisierung ist für eine Fahrzeuglampe im allgemeinen bevorzugt, da die Entladungsbewegung weniger ausgeprägt ist. Das Licht flackert dann nicht mit der Bogenbewegung, wie bei der Elektrodenstabilisierung. Leider verursachen wandstabilisierte Bögen an den Innenwänden hohe thermische Belastungen. Hohe thermische Belastungen können die Hüllenwand erweichen und verformen.
Anfänglich wurde gefunden, daß die Lampen mit den besten Aufwärmzeiten im Betrieb am oberen Teil der Lampenhüllenwand Temperaturen oberhalb 1100ºC aufweisen. Diese Temperaturen erweichen die Hüllenwand. Die Kapselform wurde verändert, um dem horizontalen Betrieb zu genügen und nach wie vor die maximalen Wandtemperaturen unterhalb des Punktes für Qualitätsverlust der Kapsel zu halten, der für Quarz etwa 1000ºC beträgt. Die wichtigsten Ausführungen sind nachstehend aufgeführt und zeigen die entscheidenden Parameter. TABELLE 1
Der Begriff "Ellipse" bezieht sich auf eine elliptische oder footballförmige Kapsel und "Träne" bezieht sich auf eine tränenförmige oder röhrenförmige Kapsel, deren eines Ende abgerundet und deren gegenüberliegendes Ende eher spitz ist. Der Hauptunterschied bei den verschiedenen Lampenformen ist die Wandstärke. Durch Erhöhen der Wandstärke wird die Wärmeleitung verstärkt und dadurch die maximale Wandtemperatur reduziert, aber auch die Gesamtzahl an Lumen reduziert und die Aufwärmzeit erhöht. Durch beträchtliches Vermindern des eingeschlossenen Volumens konnte der Lichtstrom erhöht werden, ohne die Wandtemperatur zu erhöhen.
Wenn die mit den Metallhalogenid-Kondensaten bedeckte Fläche der Innenwand vergrößert wird, verdampfen die Kondensate schneller, wodurch eine höhere Konzentration der Additive in dem Bogen aufrechterhalten wird. Man nimmt an, daß die optimale Ausführung durch eine röhrenförmige Geometrie von 2 x 5 beschrieben wird, wobei das Anodenende ausgebildet ist, um die konvektive Strömung zu verstärken, und das Kathodenende ausgebildet ist, um das Kondensat der konvektiven Strömung auszusetzen. Die Gesamtform sieht "tränen"-förmig aus. Die konischen und halbkugelförmigen Oberflächen helfen folglich, die Additivmenge in dem Bogen zu erhalten, um die Lampenleistung aufrechtzuerhalten.
Bei einem Arbeitsbeispiel waren einige der Abmessungen etwa folgendermaßen: Die Kapsel war etwa 32 Millimeter lang. Das Anodendichtungsende war eine Vakuumdichtung, die 5,08 Millimeter breit und etwa 11,5 Millimeter lang war. Die eingeschnürte Anodenfläche war etwa 1,5 Millimeter lang und hatte eine Einbuchtung von etwa 1,0 Millimetern. Der röhrenförmige Mittelabschnitt war etwa 3,98 Millimeter lang mit einem äußeren Durchmesser von 5,2 Millimetern. Das eingeschlossene Volumen war 7,1 Millimeter lang und hatte einen inneren Durchmesser von 2,6 Millimetern. Der eingeschnürte Kathodenbereich war ähnlich zum ersten und etwa 1,0 Millimeter lang und hatte eine Einbuchtung von etwa 1,0 Millimetern. Das abgedichtete Kathodenende war etwa 9,5 Millimeter lang und 6,1 Millimeter breit.
In das erste Dichtungsende war eine Kathode aus einem ersten Einführungsdraht eingeschlossen. Der erste Einführungsdraht hatte einen Durchmesser von etwa 0,51 Millimetern. Der Einführungsdraht trat in das Anodendichtungsende ein und koppelte an eine erste Folie. Die erste Folie hatte eine Länge von 5,0 Millimetern und eine Breite von 1,5 Millimetern. Die erste Folie wurde dann an eine Kathode gekoppelt. Die Kathodenelektrode erstreckte sich in das eingeschlossene Volumen hinein, so daß sie etwa 1,5 Millimeter in dem eingeschlossenen Volumen exponiert war. Die gegenüberliegende Elektrode, die Anode, war ähnlich etwa 1,5 Millimeter in dem eingeschlossenen Volumen exponiert. Die Anode trat in die zweite Dichtungsfläche ein, um mit einer zweiten Folie, die etwa 1,5 Millimeter breit und 5,0 Millimeter lang war, zu koppeln. An das gegenüberliegende Ende der zweiten Folie gekoppelt erstreckte sich ein zweiter Leitungsdraht mit einem Durchmesser von etwa 0,51 Millimetern. Der zweite Leitungsdraht trat aus der zweiten Dichtung heraus, so daß er für den elektrischen Anschluß freigelegt war. Das eingeschlossene Volumen enthielt eine Lampenfüllung einschließlich Quecksilber, Natrium, Scandium, Jod und etwa 8 Atmosphären Xenon. Die offenbarten Betriebsbedingungen, Abmessungen, Konfigurationen und Ausführungsformen sind nur als Beispiele angegeben,und andere geeignete Konfigurationen und Verhältnisse können zur Durchführung der Erfindung verwendet werden.
Obwohl das gezeigt und beschrieben wurde, was zur Zeit für die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gehalten wird, wird es für den Fachmann ersichtlich sein, daß zahlreiche Veränderungen und Modifizierungen davon ausgeführt werden können, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen definierten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Metallhalogenidkapsel (12) niedriger Leistung, die horizontal angeordnet mit Gleichstrom betrieben wird, einen internen Hohlraum besitzt und aufweist:

a) eine aus lichtdurchlässigem Material gebildete, im wesentlichen zylindrische Kapsel mit einer inneren Wand (24), die ein eingeschlossenes Volumen (26) von weniger als 0,1 cm³ definiert, wobei die Wand (24) ein Kathodenende (32), das für konvektive Strömungen in dem eingeschlossenen Volumen (26) offen ist, ein zwischengeschaltetes Band (22) und ein Anodenende (18) aufweist, das bezüglich der Form des Kathodenendes (32) asymmetrisch ist, um einen abweichenden Wärmegradienten bezüglich des Kathodenendes (32) zu erzeugen und dadurch die konvektive Strömung im eingeschlossenen Volumen (26) zu verstärken,

b) eine in einem Anodenende (18) der Kapsel (12) positionierte Anodenelektrode (40), die ein erstes Anschlußende (42), einen an die Kapsel (12) gekoppelten intermediären Dichtungsabschnitt (44) und ein zweites exponiertes inneres Ende (46) aufweist, das sich durch das Anodenende (18) des eingeschlossenen Volumens (26) in das eingeschlossene Volumen hineinerstreckt,

c) eine im Kathodenende (32) der Kapsel (12) angeordnete Kathodenelektrode (66), die ein erstes Anschlußende (64), einen an die Kapsel (12) angekoppelten intermediären Dichtungsabschnitt (62) und ein zweites exponiertes inneres Ende (60) besitzt, das sich durch das Kathodenende (32) des eingeschlossenen Volumens (26) in das eingeschlossene Volumen hineinerstreckt, und

d) eine in dem eingeschlossenen Volumen (26) angeordnete Lampenfüllung (30), die zur Aussendung von Licht anregbar ist, sobald an das erste Anschlußende (42) der Anode (40) und das erste Anschlußende (64) der Kathode (66) Elektrizität angelegt wird.

2. Kapsel nach Anspruch 1, bei welcher die Anodenelektrode (40) und die Kathodenelektrode (66) jeweils axial im Anodenende (18) und Kathodenende (32) positioniert sind, die intermediären Dichtungsabschnitte (44, 62) an der Kapselwand (24) angedichtet sind, und die zweiten exponierten inneren Enden (46, 60) der Anode (40) und der Kathode (66) sich im allgemeinen koaxial durch die jeweiligen Enden (18, 32) des eingeschlossenen Volumens (26) in das eingeschlossene Volumen hineinerstrecken.

3. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das Kathodenende (32) des eingeschlossenen Volumens (26) näherungsweise halbkugelig ist.

4. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher ein Endaufbau der Kathodenelektrode (66) näherungsweise koplanar mit einer quer zur Lampenachse (68) angeordneten Ebene verläuft, um eine diametrische Ebene (58) des halbkugeligen Endes des eingeschlossenen Volumens (26) zu definieren.

5. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das Anodenende (18) des eingeschlossenen Volumens (26) näherungsweise konisch ist.

6. Kapsel nach Anpruch 5, bei welcher die Spitze (48) der Anodenelektrode (40) näherungsweise koplanar mit einer Ebene (48) angeordnet ist, welche eine Basis des konischen Endes des eingeschlossenen Volumens (26) definiert.

7. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das intermediäre Band (22) eine Wanddicke von weniger als 2,0 Millimetern aufweist.

8. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das intermediäre Band (22) Rohrform mit einem näherungsweisen konstanten inneren Durchmesser (54) aufweist.

9. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das intermediäre Band (22) eine kugelige Abschnittsform mit einer näherungsweisen konstanten Biegung (Fig. 2) aufweist.

10. Kapsel nach Anspruch 2, bei welcher das intermediäre Band (22) eine elliptische Abschnittsform (Fig. 3) aufweist.

11. Kapsel nach Anspruch 2 oder den Ansprüchen 1, 2, 3 und 5, bei welcher die Kapsel (12) eine tränenförmige innere Höhlung aufweist, das eingeschlossene Volumen (26) kleiner als 0.040 cm³ ist und das Anodenende (18) eine untere Seite zur Erzeugung von Wärme aufweist und dadurch Konvektionen im eingeschlossenen Volumen (26) verstärkt bzw. stimuliert.

12. Kapsel nach Anspruch 1, 2, 3 und 5, bei welcher die Kapsel (12) eine Wanddicke von weniger als 2,0 Millimetern besitzt und ein eingeschlossenes Volumen (26) von weniger als 0,020 cm³ definiert, und einen inneren Durchmesser (54) in Querrichtung von etwa 2,0 Millimetern und einen inneren Durchmesser (52) in Axialrichtung von etwa 7,5 Millimetern aufweist.