DE69313492T2 - Entladungs-Lichtquelle hoher Luminosität - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf eine Bogenentladungs-Lichtquelle großer Intensität, die eine hohe Helligkeit zeigt. Mehr im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf ein solches Bogenentladungsrohr großer Helligkeit, das in Verbindung mit einer Lichtleitfaser-Anordnung benutzt werden kann, um die Lichtabgabe der Lichtquelle zu einer Position oder zu Positionen entfernt von der Lichtquelle zu übertragen.
• Das Konzept der Schaffung einer zentralen Beleuchtungsquelle und des Kanalisierens der Lichtabgabe daraus zu verschiedenen entfernten Stehen unter Benutzung von Lichtleitfasern, Lichtführungen oder ähnlichem wurde für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen, die Automobil-, Anzeige- und Heimbeleuchtung einschließen. Ein Beispiel eines zentralen Beleuchtungsschemas für eine Automobil-Anwendung findet sich in der US-PS 4,958,263, die am 18. September 1990 Davenport et al, erteilt und auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Das Ziel dieses zentralen Beleuchtungsschemas für Automobile sowie irgendeines anderen zentralen Beleuchtungsschemas ist es, die wirksamste Lichtabgabe am Punkt der Lichtlieferung zu erzielen und eine solche Lichtabgabe in einer Weise zu liefern, die spezifische Beleuchtungs-Designbetrachtungen gestattet. Zum Beispiel haben sich bei einer Beleuchtungs-Anwendung für Automobile kürzliche Bemühungen auf die Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften der Fahrzeugfront durch Verringern des Raumes gerichtet, der für die Beleuchtung in Fahrtrichtung erforderlich ist. Es wäre vorteilhaft, wenn der Designer die erforderliche Beleuchtung in Vorwärtsrichtung unter Benutzung eines vorgesehenen Raumes in der Größenordnung von etwa 5 cm (2 Zoll) Höhe schaffen könnte. Es ist jedoch bekannt, daß zur Erzielung eines solchen Designs bei Schaffung des erforderlichen Beleuchtungsmusters ein schmaler, enger Lichtstrahl vom Austrittsende der Lichtleitfaser erforderlich ist. Um eine gute Beleuchtungs- und Strahl-Kontrolle von einem Scheinwerfer von 5 cm (2 Zoll) Höhe zu erzielen, ist es erforderlich, eine Lichtleitfaser mit einer Querschnittsabmessung von etwa 6 bis 8 mm zu benutzen und aus einer solchen Lichtleitfaser mindestens 500 Lumen (pro Scheinwerfer) in eine optische f/1-Vorrichtung zu liefern. Um für den Einsatz einer Lichtleitfaser einer derart geringen Abmessung zu sorgen, ist es außerdem erforderlich, eine Lichtquelle mit einem Entladungsspalt von beträchtlich weniger als dem Entladungsspalt von 4 mm zu schaffen, der typischerweise für Automobil-Scheinwerfer benutzt wird. Diese Größenbeschränkung ist der Tatsache zuzuschreiben, daß bei Einsatz eines typischen elliptischen Reflektors zum Fokussieren des Lichtes vom Bogen auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser der Reflektor die Länge des Entladungsspaltes um einen Faktor zwischen 3 und 4 vergrößert. Als ein Nebennutzen der Schaffung dieser kontrollierten Strahlabgabe erzielt der Designer Kosten-, Größen-, Gewichts- und Flexibilitäts-Vorteile durch Einsatz der Lichtleitfasern geringeren Durchmessers.
• Von weiterer Bedeutung für den Designer von Beleuchtungssystemen unter Verwendung einer zentralen Lichtquelle und eines Licht-Übertragungsmediums geringen Durchmessers zur Bereitstellung der Lichtabgabe an einer entfernten Stelle ist die Tatsache, daß die Helligkeit der Lichtquelle auf einem relativ hohen Niveau liegen mtiß. Die photometrische Definition der Helligkeit (genauer der Leuchtdichte bzw. Lichtstarke) sind die Anzahl von Lumen/Flächeneinheit/festem Einheitswinkel. Die übliche Vorrichtung zum Dirigieren von Licht von einem Entladungsbogen in eine Lichtleitfaser oder Lichtführung ist ein elliptischer Reflektor, wobei sich der Bogen an einem Brennpunkt und die Eintrittsfläche der Lichtleitfasern am zweiten Brennpunkt befinden. Bei dieser Anordnung ist die Helligkeit (Leuchtdichte) an der Faser proportional den Bogenlumen dividiert durch den Spalt². Es ist üblich, die Bogenlumen dividiert durch den Spalt² als die effektive Helligkeit des Bogens zu definieren. So wurde, z.B., experimentell bestimmt, daß eine hervorragende Scheinwerfer-Beleuchtung und Strahlkontrolle erhalten wird durch Koppeln von 1.000 Lumen in jeden Scheinwerfer durch einen optimierten optischen Kollektor und eine Lichtführung bei 55% Effizienz aus einem 2,7 mm langen Bogenspalt. Die effektive Helligkeit des Bogens zur Schaffung hervorragender Strahl-Leistungsfähigkeit wäre daher:
• 1.000 Lumen x 2 Scheinwerfer/(0,27 Cm)² x 0,55 = 50.000 lm/cm²
• Die in der oben genannten PS offenbarte Lichtquelle für die zentralisierte Automobil-Beleuchtung erzielt eine so definierte wirksame Helligkeit in der Größenordnung von 34.000 lm/cm². Dieses effektive Helligkeitsniveau wird erzielt durch Einsatz der Bogenentladungs-Lichtquelle, die in der US-PS 4,968,916 beschrieben ist, die Davenport et al. am 6. November 1990 erteilt und auf die Anmeldering der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Diese Lichtquelle enthält eine unter Druck stehende Gasfüllung, bestehend aus einem Metallhalogenid, einer Quecksilbermenge im Bereich zwischen 5 und 50) mg/cm³ des Kolbenvolumens und einem Inertgas mit einem Druck im Bereich von 13,33 X 10² N/m² und 2.000 x 10² N/m² (10 Torr und 15.000 Torr). Die US-PS 4,968,916 offenbart weiter, daß die Liichtquelle eine zylindrische, ellipsoidale oder rohrförmige Gestalt haben kann mit den allgemeinen Abmessungen: einer Länge im Bereich von 5 mm bis etwa 100 mm, einem zentralen Abschnitt mit einem Durchmesser von etwa 4 mm bis 25 mm, einem Volumen von etwa 0,1 bis 30 cm³ und einem vorbestimmten Abstand oder Bogenspalt zwischen den Elektroden zwischen 1 und 8 mm.
• In der tatsächlichen Praxis ist es bekannt, daß Bogenspalte für die typische Metallhalogenid-Entladungslichtquelle in der Größenordnung von mindestens 4 mm liegen müssen, um bei vorteilhaft hohen Bogenspannungen in einem genügend geringen Dichtebereich zu arbeiten, um keine konvektive Instabilität aufzuweisen. Würde man einen Bogenspalt von weniger als den typischen 4 mm für die in der US-PS 4,968,916 offenbarte Lampe benutzen und eine Betriebsspannung aufrechterhalten, die einen akzeptablen Wirksamkeitswert ergibt, dann wäre es erforderlich, die Quecksilberdichte in dieser Lampe auf einen Wert zu erhöhen, der merklich höher ist, als es dieses Design vorsieht. Für eine Entladungslampe ist die Quecksilberdichte, d.h. die Quecksilbermenge/Volumen, aus verschiedenen Gründen ein wichtiger Design-Faktor. Durch die bekannte Beziehung zwischen der Betriebsspannung und dem Produkt des Bogenspaltes und etwa der Quadratwurzel der Quecksilberdichte [siehe die unten folgende Gleichung (1)] ist ersichtlich, daß eine Verringerung des Bogenspaltes unter den typischerweise praktizierten Wert von 4 mm von einer exponentiellen Zunahme der Quecksilberdichte begleitet sein mtiß, um die erforderliche Betriebsspannung aufrechtzuerhalten. Eine solche Erhöhung der Quecksilberdichte beeinträchtigt jedoch andere Lampen-Betriebseigenschaften, wie die konvektive Stabilität und die auf das Material, aus dem das Bogenrohr konstruiert ist, wirkende Spannung. Natürlich ist es bekannt, daß die konvektive Stabilität von den Abmessungen des Bogenrohres sowie der Fülldichte abhängt, und bei Erhöhung der Fülldichte und des Durchmessers des Bogenrohres ohne Grenze ein Risiko der konvektiven Instabilität existiert. Es ist eine weitere Herausforderung für die konvektive Stabilität des Bogens und die mechanische Integrität des Bogenrohres, wenn Xenon mit einem Kaltfüll-Druck von mehreren Atmosphären hinzugegeben wird, um für sofortiges Licht beim Aufwärmen zu sorgen. Es wäre daher vorteilhaft, wenn man eine Entladungslampe mit einem kürzeren Logenspalt entwickeln würde, die ein hohes Helligkeitsniveau erzielt, insbesondere mit einem Bogenspalt in der Größenordnung von etwa 2,5 bis 3,0 mm bei einem Helligkeitsniveau von mehr als 50.000 lm/cm² und bei dem eine solchen Entladungslampe mit kurzem Bogenspalt bei höheren Drucken betrieben werden könnte, ohne Risiko des Versagens oder der Beschädigung der Integrität des Bogenrohres, in dem die Entladung stattfindet, und ohne Risiko einer konvektiven Instabilität, die ein Flackern des abgegebenen Lichtes verursachen würde. Die wirksame Helligkeit kann gegen die Bogenbelastung der Lampe aufgetragen werden, wobei die Bogenbelastung als die Lampenleistung dividiert durch den Bogenspalt gemessen wird, und wobei die Werte typischerweise in den Bereich zwischen 60-120 W/cm für Metallhalogenid-Entladungslampen fallen. Die zur Erzielung der Lumenzahl für diese erwünschte Helligkeit erforderliche Energie wird durch die Effizienz der Lampe bestimmt, die in der Größenordnung von etwa 15 Lumen pro Watt (lm/W) für eine Xenon-Entladungslampe bis etwa 70 oder mehr lm/W, wie im vorliegenden Falle, liegen kann. Bei 75 lm/W wäre es zur Erzielung von 4.500 lm über einen Bogenspalt von 2,7 mm erforderlich, die Bogenentladung bei 60 Watt als einem Beispiel einer Anwendung der vorliegenden Erfindung zu betreiben. Zusätzlich zu dem Metallhabgenid-Typ der Bogenentladung, der hier beschrieben wird, ist es bekannt, daß Xenon-Entladungslampen auch eine Lichtabgabe großer Helligkeit liefern. Die Nutzung einer reinen Xenon-Entladung bei etwa 15 lm/Watt erfordert jedoch eine deutlich höhere Energie für diese Lumenzahl, und zusätzlich hat die Lichtabgabe einer Xenon-Entladung einen dazugehörigen Index der Farbtemperatur (CCT) von etwa 10.000 Kelvin, was deutlich höher ist als der erwünschte Bereich für Scheinwerfer- oder allgmeine Beleuchtungs-Zwecke.
• Betrachtet man die Helligkeitsniveaus der Entladungslampe, dann wäre es sehr vorteilhaft, die erwünschte Lumenabgabe bei so wenig Energiezufuhr wie möglich zu erzielen, um Energie zu sparen und die durch die Lichtquelle erzeugte Wärme zu verringern, die die Lichtleitfasern beeinträchtigen kann. Bei einem Beispiel einer Kombination aus einer Lichtquelle und einem Reflektor zum Einsatz zusammen mit Lichtleitfasern, bei der ein Bogenspalt von 6 mm vorhanden ist, beträgt die erzielte Lichtabgabe etwa 33.000 lm/cm², und sie wird durch Einsatz einer 150 W-Lampe erzielt. Die US-PS 5,016,152, die Awai et al. am 14. Mai 1991 erteilt wurde, offenbart eine solche Lichtquelle, die in einem ellipsoidalen Reflektor angeordnet ist, um die Lichtabgabe zu einem Brennpunkt des Reflektors zu fokussieren. Obwohl diese PS darauf hinweist, daß es erwünscht ist, die Effizienz der Lichtübertragung zu den Lichtleitfasern zu erhöhen, enthält sie keine Diskussion der Schaffung einer Lichtquelle mit einem hohen Helligkeitsniveau und einem kurzen Bogenspalt, um die erforderlichen Abmessungen der Lichtleitfasern zu verringern.
• Es wäre vorteilhaft, wenn eine Entladungslichtquelle mit einem kurzen Bogenspalt und einer Lichtabgabe großer Helligkeit, um für den Einsatz zusammen mit Lichtleitfasern besonders geeignet zu sein, eine längere Lebensdauer aufwiese, wobei eine lange Lebensdauer typischerweise als in der Größenordnung von 2.000 Betriebsstunden oder länger liegend angesehen wird. Es ist bekannt, daß zur Erzielung einer langen Lebensdauer eine Metallhalogenid-Lichtquelle bei einem Wert der Wandbelastung von weniger als 20 W/cm² betrieben werden muß. Damit eine Lichtquelle großer Helligkeit besonders geeignet ist zum Betrieb zusammen mit einer Licht-Übertragungsanordnung, wie Lichtleitfasern ist, wäre es ein deutlicher Vorteil gegenüber bekannten Lichtquellen, wenn eine Entladungslampe geschaffen wurde, die ein relativ hohes Helligkeitsniveau unter Verwendung eines Bogenspaltes von beträchtlich weniger als 4 mm Länge erzielen würde und bei einer Spannung betrieben werden könnte, die eine höhere Wirksamkeit gestattet und eine Quecksilberdichte erfordert, die zu einem Betriebsdruck innerhalb der Beschränkungen der mechanischen Eigenschaften des Bogenrohres führt, wobei diese Quecksilberdichte zusammen mit den bevorzugten Abmessungen des Bogenrohres einen Betrieb der Lichtquelle ohne konvektive Instabilität und bei einer Wandbelastung gestatten würde, die zu einer langen Lebensdauer führt.
• Die bereits erwähnte US-A-4,968,916 offenbart eine Xenon-Metällhalogenid-Lampe mit einer verbesserten Elektrodenstruktur, die für Automobil-Anwendungen besonders geeignet ist. Die Elektrode weist einen Spitzenabschnitt auf, der an einem Ende eines Schaftes angeordnet ist, wobei der Schaft eine Glühfaden-Spule um sich herum aufweist. Die Spitze und der Schaft sind vorgesehen, einen hohen anfänglichen Strom während des Zündens und einen geringen Strom während des Betriebes zu gestatten. Der Spulen-Glühfaden ist in gegenüberliegenden Halsabschnitten eines Kolbens, der die Lichtquelle bildet, angeordnet, um (1) zu verursachen, daß die Elektroden axial innerhalb der Lichtquelle iusgerichtet sind, (2) den Schaft der Elektrode von einem innigen Kontakt mit dem Kolben fernzuhalten, um dadurch die Kondensation des Quecksilbers zu verhindern und eine beträchtliche Verdampfung der Metallhalogenid-Bestandteile am Halsabschnitt zu gestatten und (3) die Wärmeausdehnung der Elektrode daran zu hindern, den Kolben zum Reißen zu bringen.
• US-A-4,988,918 offenbart eine Entladungslampe mit kurzem Bogen, bei der der Bogen mit einem so kleinen Durchmesser erhalten werden kann, daß er als ein Fleck erscheint, wodurch die Beleuchtungs-Wirksamkeit der Entladungslampe mit kurzem Bogen hoch gemacht werden kann und ihre Helligkeit ebenfalls gefördert werden kann.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lichtquelle großer Helligkeit mit einem kurzen Bogenspalt zu schaffen, die die Fähigkeit bietet, in Verbindung mit Lichtleitfasern oder anderen Licht-Übertragungsmedien minimalen Durchmessers zusammenzuarbeiten, Für zentrale Beleuchtungssysteme, die Lichtleitfasern benutzen, kann die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems durch Einsatz einer Lichtquelle großer Helligkeit mit einem kurzen Bogenspalt verbessert werden, die eine Wirksamkeit und Farbtemperatur-Eigenschaften zeigt, die mit denen anderer Metallhalogenid-Entladungslampen übereinstimmen, die längere Bogenspalte haben. Die Lichtquelle der vorliegenden Erfindung liefert solche Eigenschaften, und dies bei einer geringeren Energieaufnahme bei einer effizienten Betriebsspannung und ohne Risiko einer konvektiven Instabilität und ohne Risiko der Beschädigung des Bogenrohres als ein Ergebnis des Betriebsdruckes der Lichtquelle.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bogenentladungs-Lichtquelle mit den Merkmalen des Anspruches 1 geschaffen.
• In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
• Figur 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer Bogenentladungs-Lichtquelle großer Helligkeit, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist,
• Figur 2 eine graphische Darstellung der effektiven Helligkeit in Abhängigkeit von der Bogenbelastung bei verschiedenen bekannten Lichtquellen, verglichen mit der Bogenentladungs- Lichtquelle der vorliegenden Erfindung,
• Figur 3 eine graphische Darstellung der Lösung der drei Beschränkungen in Abhängigkeit von der Gesamtdichte einschließlich 6 atm Kaltfullungs-Xe (33 mg/cm³) ftr Bogenrohr-Abmessungen, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen,
• Figur 4 eine graphische Darstellung einer anderen Lösung der drei Zwangsbedingungen in Abhängigkeit von der Gesamtdichte unter Benutzung von Bogenrohr-Abmessungen, die die Anforderungen der vorliegenden Erfindung nicht erfüllen, und
• Figur 5 eine graphische Darstellung der bevorzugten Lösung der drei Zwangsbedingungen in Abhängigkeit von der Gesamtdichte unter Benutzung von Bogenrohr-Abmessungen, die die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
• Wie in Figur 1 ersichtlich, wird die Bogenentladungs-Lampe 10 der vorliegenden Erfindung mit großer Helligkeit unter Benutzung eines Bogenrohres 12 geschaffen, das aus geschmolzenem Siliciumdioxid-Quarzmaterial konstruiert sein kann. Die Länge des Bogenrohres 12 wird durch die Größe A bezeichnet, und sie kann einen Wert im Bereich zwischen 40 und 100 mm haben. Das Bogenrohr 12 ist ein doppelendiges Bogenrohr mit einem ellipsoidal geformten, zentralen Abschnitt 14 und Elektroden 16 und 18, die sich von jedem Ende aus in eine Bogenkammer 20 erstrecken, die innerhalb des ellipsoidal ausgebildeten, zentralen Abschnittes 14 gebildet ist. Es sollte klar sein, daß die Eigenschaften großer Helligkeit der vorliegenden Erfindung auch durch Benutzung eines Bogenrohres mit nur einem einzigen Ende erzielt werden können, und ein solches Bogenrohr mit nur einem einzigen Ende fällt in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Den Elektroden wird Energie über konventionelle Leitungsdrähte 24 mit dazwischenliegenden Molybdän-Folienteilen 26 zugeführt, die zwischen den Leitungsdrähten 34 und den entsprechenden Elektroden 16,18 angeordnet sind.
• Der Abstand zwischen den Elektroden 16,18, d.h. der Bogenspalt 22, wird durch die Größenreferenz B bezeichnet, und er liegt in der Größenordnung von weniger als 4 mm. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt diese Abmessung jedoch bei etwa 2,0-3,5 mm und vorzugsweise 2,5-3, mm, so daß durch eine solche kurze Bogenabmessung das Bild der Lichtabgabe, das durch das Eintrittsende des (nicht gezeigten) Kopplungsgerätes für die Lichtleitfasern empfangen wird, von geringer Abmessung sein kann, was den Gebrauch von Lichtleitfasern geringeren Durchmessers für die Lichtverteilung gestattet. Es ist bekannt, daß es zur Erhöhung des Niveaus der effektiven Heiligkeit, eines Begriffes, der oben als Lumen/Bogenspalt² definiert wurde, bei einer Bogenentladungs-Lichtquelle erforderlich ist, die Länge B des Bogenspaltes 22 zu vermindern. Das Vermindem der Länge B des Bogenspaltes 22 hat die weitere Auswirkung, daß die Betriebsspannung der Bogenentladung etwa in Proportion zur Länge B und um einen Wert proportional der Quadratwurzel der Quecksilberdichte der Glasfüllung in der Bogenkammer 20 verringert wird, ein Faktor, der im folgenden detaillierter beschrieben wird.
• In der Bogenkammer 20 ist eine Gasfüllung enthalten, die im wesentlichen aus einer Mischung von Quecksilber, einer Menge eines Inertgases, wie Argon, Krypton oder Xenon, und einem Metallhalogenid-Bestandteil besteht. Die bevorzugte Ausführungsform schließt eine Menge Xenongas mit einem Fülldruck bei Raumtemperatur zwischen 1 und 15 bar (Atmosphären) ein, das dazu benutzt wird, um eine Lichtabgabe im wesentlichen sofort nach der Versorgung der Lichtquelle 10 mit Energie zu liefern. Der Hauptbestandteil, die innerhalb der Bogenkammer 22 angeordnete Quecksilberdosis, ist zuständig zur Bildung der Quecksilberdichte der Gasfüllung, wobei eine solche Quecksilberdichte typischerweise in Milligramm pro Kubikzentimeter (mg/cm³) des Volumens der Bogenkammer 20 gemessen wird. Die Auswahl der Quecksilberdichte bestimmt mehrere kritische Faktoren bezüglich des Betriebes der Entladungslampe 10 großer Helligkeit der vorliegenden Erfindung. Sc ist, z.B., unter der Annahme, daß der Bogenspalt 22 vorzugsweise in der Größenordnung von 2,5 mm liegt, die Betriebsspannung (Vop) durch die folgende empirische Gleichung gegeben:
• Vop = 21 + 1,8 (Quecksilberdichte)0,56 x Spalt (1)
• Zusätzlich zur Bestimmung der Betriebsspannung bestimmt die Quecksilberdichte auch den Quecksilberdruck innerhalb des Bogenrohres 12 gemäß der Gleichung:
• P(Hg) = 1,0 atm/(mg/cm³) x Quecksilberdichte (2)
• Zusätzlich zur Quecksilberdosis wird eine Füllung von 6 bar (Atmosphären) (bei 20ºC) Xenon zu der Lampe 10 hinzugegeben. Die Xenon-Füllung trägt zu einer Gasdichte von etwa 33 mg/cm³ und einem Betriebsdruck P(Xe) von 42 bar (Atmosphären) bei.
• Die Betriebsspannung Vop, die oben unter Bezugnahme auf Gleichung (1) diskutiert wurde, wird dann zur Bestimmung des Wirksamkeits-Wertes bestimmt, bei dem die Entladungslampe arbeitet. Der Wirksamkeits-Wert ist ausgedrückt als Lumen pro Watt (lm/W), und er wird durch die folgende empirische Gleichung bestimmt:
• 1m/w α1 - exp (-(Vop-15)/13,6 (3) wobei 15 Volt dem Elektrodenabfall zuzuschreiben sind, der, da die Elektrodenleistung kein Licht erzeugt, minimiert werden sollte, damit eine maximale Wirksamkeit erzielt werden kann. Bei der Erfüllung der Bedürfnisse der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß für den bevorzugten Bogenspalt 22 von etwa 2,5 mm das Bogenrohr 12 mit etwa 4,0 mg Quecksilber versehen wird, um den richtigen Wert der Quecksilberdichte zu ergeben, der zu einer Betriebsspannung von mehr als 45 Volt und einem Wirksamkeits-Wert von etwa 70-75 lm/W führt. Ein Diagramm der Betriebsspannung in Abhängigkeit von der Gesamtdichte für eine Entladungslampe 10 großer Helligkeit mit einem Bogenspalt 22 von etwa 2,5 mm und einem Xe-Druck bei kalter Füllung von 6 atm wird durch die Kurve 1 in den Figuren 4 und 5 gezeigt, woraus sich ergibt, daß für einen Gesamtwert der Füllungsdichte von mehr als 50 mg/cm³ des Volumens der Bogenkammer 20, entsprechend einer Hg-Fülldichte von 17 mg/cm³, die Bedingung, daß die Betriebsspannung größer als 45 Volt sein sollte, erfüllt wird. Anders zeigt Figur 3 einen Bogenspalt von etwa 1,8 mm, der die erforderliche Betriebsspannung von 45 Volt nur dann erzielt, wenn die Gesamtfülldichte in der Größenordnung von 70 mg/cm³ beträgt, was die Kaltfüllung von 6 atm Xenon, entsprechend 37 mg/cm³ Hg-Fülldichte einschließt. Diese Betiebsspannung ist als Kurve I' in Figur 3 gezeigt und, wie weiter unten detaillierter erläutert werden wird, führt dies zu anderen Bedingungen, die für den Betrieb der Lampe nachteilig sind.
• Nachdem die Betriebsspannung als eine Funktion der Quecksilberdichte und die Wirksamkeit als eine Funktion der Betriebsspannung bestimmt worden sind, ist es notwendig, die erforderliche Betriebsenergie zu bestimmen, um die erwünschte Lumenabgabe zu erzielen. Da der Wert von 4.500 Lumen für den Bogenspalt von 2,5 mm die erwünschte Lichtabgabe ist, und die Wirksamkeit in der Größenordnung von etwa 75 Lumen/Watt liegt, beträgt die erforderliche Leistungsgröße der Entladungslampe 10 großer Helligkeit etwa 60 Watt.
• Eine weitere Betrachtung bei der Entwicklung der Lichtquelle 10 großer Helligkeit der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit der Lampe 10, eine lange Lebensdauer aufzuweisen, wobei eine lange Lebensdauer typischerweise als mehr als 2.000 Stunden Betriebsdauer angesehen wird. Es ist bekannt, daß das Bogenrohr-Design erfordert, daß die Wandbelastung des Bogenrohres 12, gegeben durch die Lampenleistung dividiert durch die äußere Oberfläche des Bogenrohres, weniger als etwa 20W/cm² betragen muß. Da die Entladungslampe 10 großer Helligkeit bei etwa 60 Watt arbeitet, ist es erforderlich, eine Oberfläche von mindestens 3,0 cm² zu schaffen. Obwohl es eine Anzahl verschiedener Konfigurationen gibt, die eine Lampe mit einer solchen Oberfläche ergeben würden, schafft die vorliegende Erfindung ein Bogenrohr 12, das einen äußeren Kolbendurchmesser von etwa 9,1 mm, wie durch die Abmessung C in Figur 1 gezeigt, und eine Länge des Kolbens von 11,0 mm aufweist, wie durch die Abmessung D in Figur 1 gezeigt, wobei die Gestalt des Bogenrohres 12 ellipsoidal ist. Die verschiedenen Bogenrohr-Konfigurationen, die sich von der in Figur 1 gezeigten ellipsoidalen Konfiguration unterscheiden, aber eine Oberfläche von mindestens 3,0 cm² ergeben, liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
• Zusätzlich zur Oberfläche und der Abmessung des Bogenspaltes 20 veranschaulicht Figur 1 auch eine Abmessung E, die der Innendurchmesser des Kolbens bei der Bogenkammer 22 ist, und eine Abmessung h, die die Dicke der Wandung des Bogenrohres 12 repräsentiert, und bestimmt wird durch Abziehen des ilineren Kolbendurchmessers E der Kammer 22 vom äußeren Kolbendurchmesser C des Bogenrohres 12 und Dividieren durch 2. Diese Abmessungen, zusammen mit den oben erläuterten Werten der Quecksilberdichte und der Xenondichte, bilden die Parameter zur Bestimmung von zwei zusätzlichen Zwangsbedingungen, die auf den Figuren 3 bis 5 aufgetragen sind. Zusammen mit der Zwangsbedingung der Betriebsspannung, die oben als Kurve 1 der Figuren 4 und 5 diskutiert wurde, ist eine zweite Zwangsbedingung, die als eine Funktion des Wertes der Fülldichte variiert, ein Wert, der den Zustand der konvektiven Stabilität der Bogenentladung angibt. Damit konvektive Stabilität existiert, muß die Grashof-Zahl, die durch die folgende Gleichung gegeben ist:
• Gr = C x π² x R³ x (Quecksilberdichte + Xenondichte)² (4)
• worin R der halbe Bohrungsdurchmesser (Abmessung E von Figur 1) und C eine Proportionalitäts- Konstante ist, unterhalb eines vorbestimmten, kritischen Wertes liegen. Durch Experimentieren wurde festgestellt, daß der Wert Gr/C geringer als 1.400 mg²/cm³ sein muß, um sicherzustellen, daß die Lampe 10 in einer konvektionsmäßig stabilen Weise arbeitet. Würde man die Grashof-Zahl strikt als eine Funktion des Durchmessers der Bogenkammer 22 und der Fülldichte ermitteln, dann könnte die graphische Darstellung der Lösung von Gleichung 4 erhalten werden. Die graphischen Darstellungen der Figuren 4 und 5 für die Grashof-Zahl bei einem Kammer-Durchmesser von 7 mm zeigen, daß eine solche Zahl unter den kritischen Schwellenwert fällt, wenn die Gesamt-Fülldichte geringer als etwa 57 mg/cm³ ist. Die Lösung der verringerten Version von Gleichung 4 ergibt Kurve II', wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, die bei Vergleich mit Kurve I oder I' der Figuren 3 und 4 zeigt, daß es nicht eine einzige Lösung für die Gesamt-Fülldichte gibt, die die Zwangsbedingung der Betriebsspannung und die Zwangsbedingung der konvektiven Stabilität gleichzeitig erfüllt. In Figur 5 ist jedoch ersichtlich, daß bei einem Durchmesser der Bogenkammer 22 von 6,0 mm eine Lösung der Gleichung 4 für die Grashof-Zahi Kurve II ergibt, bei der für einen Wert der Gesamt-Fülldichte von weniger als etwa 72 mg/cm³ die konvektive Stabilität aufrechterhalten werden kann. Weiter ist in Figur 5 ersichtlich, daß für einen Bereich der Werte der Gesamt-Fülldichte zwischen etwa 52 und 72 mg/cm³ sowohl die Zwangsbedingung der Betriebsspannung als auch der konvektiven Stabilität gleichzeitig erfüllt werden.
• Eine dritte Zwangsbedingung wird durch den Wert der Gesamt-Fülldichte, des Innendurchmessers des Bogenrohres und der Abmessung "h" des Bogenrohres 12 bestimmt, wobei diese Zwangsbedingung als die Zwangsbedingung der strukturellen Integrität charakterisiert ist. Um die strukturelle Integrität des Bogenrohres 12 aufrechtzuerhalten, d.h. ohne Risiko eines nicht passiven Versagens zu betreiben, ist es erforderlich, daß die Zugspannung des Materials des Bogenrohres 12 am Äquator des Bogenrohres 12 nicht die Fähigkeit eines solchen Materials übersteigt, das im vorliegenden Falle Quarz ist. Die Zugspannung des Bogenrohres 12 ist durch die folgende Gleichung gegeben:
• = [P(Hg) + P(Xe)J x R/h (5)
• worin h der oben erläuterte Wert der Wandstärke des Bogenrohres ist, R der Innenradius des Bogenrohres ist, wobei die Lösung dieser Gleichung geringer sein muß als die Zugfestigkeit von Quarz, die in der Größenordnung von etwa 492,1 kg/cm² (7.000 psi) beträgt und P(Hg) + P(Xe) den Betriebsdruck der Lampe repräsentieren. Geht man davon aus, daß die Lampe 10 einen Sicherheitsfaktor zwischen 2 und 3 haben sollte, dann wurde bestimmt, daß ein Wert von weniger als 210,9 kg/cm² (3.000 psi) für die Lösung der Gleichung 5 geeignet sein würde. Es sollte jedoch klar sein, daß dieser Sicherheitsfaktor etwas willkürlich ist, und wenn der Lampen-Designer die Wahl treffen würde, diesen Standard auf einen Wert unter 2 zu verringern, der Bereich der Fülldichte, der alle drei Zwangsbedingungen in der in Figur 5 gezeigten Weise erfüllen würde, hinsichtlich der oberen Bereichsgrenze erweitert werden würde, und daß ein solcher erweiterter Bereich (theoretisch zur Grenze von Kurve II - 75 mg/cm³) im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt. Auch in dem Falle, bei dem ein anderes Material als Quarz für das Bogenrohr 12 benutzt werden würde, könnten Zugfestigkeit und Sicherheitsfaktor entsprechend eingestellt und die Erfindung noch immer praktiziert werden. Das Lösen der Gleichung 5 hinsichtlich der Fülldichte ergibt die in den Figuren 3 bis 5 gezeigte Gleichung, aus der die Kurven III' der Figuren 3 und 4 und die Kurve III der Figur 5 abgeleitet sind. In den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, daß für einen Wert der Wandstärke von 1,0 mm die Werte für die Fuildichte, die die dritte Zwangsbedingung erfüllen, bei Werten von weniger als 50 mg/cm³ liegen, die, verglichen mit den Lösungen der Zwangsbedingungen der Betriebsspannung und der konvektiven Stabilität zeigen, daß es keine Lösung der Fülidichte gibt, bei der alle drei Zwangsbedingungen gleichzeitig erfüllt werden.
• In Figur 5, bei der ein Wert von 1,5 mm für die Wandstärke des Bogenrohres 12 ausgewählt wurde, ist ersichtlich, daß es einen Bereich von Werten für die Fülldichte gibt, bei der alle drei Zwangsbedingungen gleichzeitig erfüllt werden können, wobei ein solcher Bereich zwischen etwa 55 und 58 mg/cm³ der Fülldichte fällt. Durch diese graphische Darstellung ist ersichtlich, daß für Werte der Fülldichte, die in diesen Bereich fallen, eine Entladungslampe 10 großer Helligkeit geschaffen werden kann, die einen Bogenspalt von 2,5 mm, einen Radius der Bogenkammer 22 von 3,0 mm und eine Wandstärke von 1,5 mm aufweist, was den Betrieb der Lampe 10 bei einer Betriebsspannung gestattet, die zu einem akzeptablen Wirksamkeits-Wert führt, und dies unter Bedingungen frei von konvektiver Instabilität und bei einem Druck, der einen geeigneten Sicherheitsfaktor aufweist, so daß die strukturelle Integrität des Bogenrohres 12 sichergestellt ist.
• Obwohl Figur 5 die Design-Parameter zeigt, unter denen die Entladungslampe 10 großer Helligkeit der vorliegenden Erfindung den wirksam sten Betrieb zeigt, sollte klar sein, daß Änderungen in der Lampen-Konstruktion möglich sind, die eine Entladungslampe großer Helligkeit mit einem kurzen Bogenspalt ergeben, der nicht in den in Figur 5 gezeigten Bereich fällt aber noch immer zu einer Lampe führen würde, die eine merklich verbesserte Helligkeit gegenüber vorhandenen Lichtquellen aufweisen würde, die für Lichtübertragungs-Systeme mit Lichtleitfasern benutzt werden. So wäre es, z.B., möglich, eine Lichtquelle gemäß den in Figur 4 gezeigten Werten zu konstruieren, bei der der Wert der Fülldichte so ausgewählt werden würde, daß die Zwangsbedingung der konvektiven Stabilität und die Zwangsbedingung der Zugfestigkeit gleichzeitig mit der Zwangsbedingung der Betriebsspannung erfüllt werden, was außerhalb des bevorzugten Bereiches fallen würde. In dieser Weise würde die resultierende Entladungslampe noch immer die große Helligkeit gegenüber dem kurzen Bogenspalt ergeben, doch hätte sie einen Wirksamkeitswert unterhalb des in Figur 5 gezeigten, was es erfordert, eine höhere Leistung zuzuführen und die resultierende Wandbelastung neu zu berechnen, um die lange Lebensdauer zu erhalten. Zusätzlich würde die oben diskutierte Erleichterung hinsichtlich des Sicherheitsfaktors eine Lampe großer Helligkeit bei einem Bereich der Fülldichte-Werte außerhalb des bevorzugten Bereiches ergeben, wobei die anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielt werden würden.
• Die folgenden Tabellen 1 und 2 veranschaulichen einen Vergleich der Charakteristika verschiedener Arten von Entladungs-Lichtquellen, einschließlich der Entladungslampe 10 großer Helligkeit der vorliegenden Erfindung, die als LE bezeichnet ist: TABELLE 1 TABELLE 2
• Wie oben erläutert, müssen die durch die Entladungslampe 10 erhältlichen Helligkeits-Niveaus hoch sein, um genügend Lichtabgabe zur Verwendung mit den Lichtleitfaser- oder ähnlichen Lichtübertragungs-Medien zu schaffen. Wie in Figur 2 ersichtlich, beträgt die effektive Helligkeit, gemessen in Lumen/cm², für die Entladungslampe 10 etwa 58.000 lm/cm², verglichen mit den Abgabeniveans der verschiedenen Lichtquellen, die in der obigen Tabelle 1 charakterisiert sind. Wie in Figur 2 ersichtlich, sind die Standard-Metallhalogenid-Lampen um das mindestens 10-fache geringer als das Ziel von 50.000 lm/cm², und selbst die als Dl bezeichneten Entladungs-Scheinwerfer sind um das 3,4-fache zu gering. Selbst die DFL bezeichnete Lichtquelle in Figur 2, die in der US- PS 4,886,458 beschrieben ist, erzielt nicht die wirksame Helligkeit der vorliegenden Erfindung.

Claims (5)

1. Bogenentladungs-Lichtquelle (10) mit großer Helligkeit, umfassend.

ein Entladungsrohr (12) mit einer darin ausgebildeten Bogenkammer (20);

eine in der Bogenkammer (20) angeordnete Füllung, die durch Energiezufuhr in einen Entladungszustand bringbar ist, wobei die Füllung eine Quecksilberdosis einschließt, die, als eine Funktion des Volumens des Bogens in Kammer (20), bestimmend ist für einen Füllungs-Dichtewert zwischen 50 und 60 mg/cm³;

mindestens zwei sich in die Bogenkammer (20) erstreckende Elektroden (16,18), die durch einen Bogenspalt (B) von 2 bis 3,5 mm getrennt sind;

wobei bei Energieversorgung der Lichtquelle sich eine Betriebsspannung mit einem vorbestimmten Minimalwert von 45 V zwischen den Elektroden (16,18) entwickelt;

die Bogenkammer (20) eine Größenabmessung aufweist, die so ausgewähit ist, daß in Verbindung mit der Füllungs-Dichte die Grashof-Zahl, dividiert durch C, unterhalb eines Schwellenwertes von 1400 mg²/cm³ liegt;

das Bogenrohr (12) einen Festigkeitswert von weniger als 210,9 kg/cm² (3000 psi), bestimmt als eine Funktion des Wandstärkewertes des Bogenrohres (12) und der Füllungs-Dichte, aufweist; wobei die Lichtquelle einen Helligkeitswert von mehr als 50.000 Lumen pro Länge zum Quadrat des Bogenspates (B) in Zentimetern aufweist.

2. Bogenentladungs-Lichtquelle nach Anspruch 1, worin die Füllung eine Menge eines Inertgases einschließt, wobei das Inertgas und das Quecksilber entsprechende Dichtewerte zur Füllungs- Dichte beitragen.

3. Bogenentladungs-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, worin die Bogenrohr-Abmessungswerte einen Wandladungs-Faktor von nicht mehr als 20 W/cm² der Bogenrohroberfläche erzielen.

4. Bogenentladungs-Lichtquelle nach Anspruch 3, worin das Bogenrohr eine Oberfläche von etwa 3,0 cm² aufweist und die Bogenentladungs-Lichtquelle bei etwa 60 W Leistung arbeitet.

5. Bogenentladungs-Lichtquelle nach Anspruch 3, worin die Wandstärke zwiachen 1,3 und 1,7 mm beträgt und die Füllung zwischen 4 und 8 Atmosphären Xenon bei Raumtemperatur einschließt.