SE435333B - Hogtrycksmetallangurladdningslampa - Google Patents

Description

780754-6-2 mellanstorlekar (dvs 250 watt eller mindre) och vilka är ef- fektivare än vad som hittills varit möjligt utan kompromisser vad avser andra prestandafaktorer. Detta syfte nås med hög- trycksmetallångurladdningslampan enligt patentkraven.i Det har befunnits, att en viktig faktor för ernående av hög effektivitet för låg- och mellaneffektmetallhalidurladd- ïningslampor ligger i utvecklandet av höga temperaturer vid lampans ändar utan att ljustransmissionen alltför mycket blockeras vid lampändarna och utan att alltför stora termiska ändförluster uppkommer. Detta åstadkommas genom utnyttjandet av små förslutningar kring elektroderna vid bågkammarens ändar och genom korrekt val av kammarens storlek och form, särskilt rektangelvärdet bågkammarlängden: diametern. Allmänt bör bågkammaren ha relativt stort tvärsnitt och bör vara rundad eller jämnt konturerad. Lämpligen är bågkammaren ellip- soidisk till formen och innefattar relativt fiämna övergångar från dess mitt- till dess änddelar för undvikande av alltför starka påkänningar och metallkondensation i övergångsområdena..

Det är önskvärt att helt undvika värmebevarande och ljushind- rande beläggningar och liknande på kammarändarna. _ Den korrekta placeringen avelektroderna i kammarens änddelar är även av betydelse för ernående av god effektivitet, låg färgtemperatur och snabb uppvärmning. Korrekt placering innefattar införandet av elektroderna i tillräcklig mån för förhindrande av destruktivt höga temperaturer vid förslut- ningarna, medan ett sådant alltför stort elektrodinförings- djup undvikes, som kan förorsaka ett skadligt temperaturfall bakom elektroderna. _ Ovanstående konstruktionskarakteristika måste uppnås med bibehållande av en bågbelastning, som är tillräckligt hög för ernáende av god effektivitet och med bibehållande av lamp- höljets väggbelastning inom ett område, som tillförsäkrar rimligt lång livslängd med det för höljet begagnade materia- let. Tunnväggiga höljen av smält kvarts begagnas för att änd- förslutningarna skall kunna hållas små, och med sådana höljen upprättas väggbelastningar av mellan 10 och 35 watt per cmz höljesyta. 7807546-2 Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hän- visning till bifogade ritningar.

Fig. 1a och 1b är diagram, som visar effekten av elek- trodinföringen på färgtemperatur och effektivitet, fig. 2 visar en mantlad 250-watts metallhalidlampa en- ligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, fig. 3 visar en icke mantlad, tidigare känd 250-watts metallhalidlampa för jämförelse med lampan enligt fig. 2, fig. 4 visar en icke mantlad 70-watts metallhalidlampa enligt uppfinningen, fig. 5 visar en icke mantlad 30-watts metallhalidlampa enligt uppfinningen, och ' fig. 6 är en schematisk vy, som visar de rymdvinklar, som upptages av förslutningarna vid lampans enligt fig. 2 ändar i förhållande till den totala rymdvinkel, som omsluter lampans centrum. I Metallhalidurladdningslampor med höljen-av smält kisel- díoxíd för bågrören har konventionellt framställts genom en särskild tillverkningsprocess, som är bekväm och relativt bil- lig. Enligt den mest tillämpade processen tillverkas bàgkamma- ren av ett rakt rörstycke av smält kiseldioxid, vars ändar upphettas och får sjunka samman till en flat del, i vilken de tilledare, som förbinder elektroderna med utsidan, är inbäd- dade. Det har befunnits, att tidigare känd konstruktionspra- xis för lampor, vid vilka sådana bågrör utnyttjas, oundvik- ligen lett till låg effektivitet för högtrycksurladdnings- lampor av liten storlek, vilket lett till åsikten, att en liten metallhalidlampa av hög effektivitet icke kan framstäl- las kommersiellt.

Den konventionella praxisen vid konstruerandet av hög- trycksmetallhalidlampor av mindre storlekar är följande. Det kan antagas, att en existerande, tillfredsställande 500-watts- konstruktion, som arbetar med ett ljusbâgsspänningsfall av ungefär 135 volt, skall modifieras till en 250-wattskonstruk- tion. För bibehållande av god effektivitet måste bågbelast- ningen P,dvs ineffekten till lampan (watt) dividerad med båg- fào7s4s-2 längden (cm), hållas hög. Man kan bibehålla samma bågbelast- ning och samtidigt halvera ineffekten från 500 till 250 watt genom att minska bâglängden till hälften, varvid spänningen över lampan halveras under antagande av samma kvicksilver- densitet och ström under stabilt arbetssätt. Förhandenvarande ballastkonstruktion kräver emellertid, att spänningen hålls nära konstruktionsvärdet 135 volt. Genom ökning av kvick- sílverdosen, dvs genom att något mer än fördubbla den arbet- ande kvicksilverångdensiteten, kan spänningsfallet över den modifierade lampan återställas till ursprungsvärdet. Emeller- tid måste nu för halvering av ineffekten strömmen halveras," men reducering av strömmen reducerar det värme,.som alstras av jon- och elektronbombardemanget vid elektrodspetsarna och leder till att elektroderna förblir relativt svala. Följakt- ligen reduceras väggtemperaturen vid bågkammarens ändar (nära elektrodgenomgångsstället), vilket kan leda till kondensation av en samling kvicksilver vid ändarna. Uppvärmningstiden, dvs den tid, som erfordras för uppbyggande av ångtrycket och för att nå normal ljusuteffekt, sedan lampan startats, blir för- modligen allt för lång, även om allt kvicksilver så småningom förångas. Men även om långsam uppvärmning kan tolereras, bil- dar den lägre arbetsändtemperaturen en kall fläck, som minskar' halidångans arbetspartialtryck, vilket gör, att det av lampan utsända ljuset långt ifrån får den önskade färgtemperaturen.

Man har försökt lösa problemet med kvicksilver- och metallhalidkondensation vid ändarna och långsam uppvärmning på många olika sätt. Ett sådant sätt är att reducera bågkammar- diametern och därigenom änddelarnas ytarea, så att samma elek- trodförluster ger upphov till högre ändtemperaturer. Emeller- tid kan denna reduktion i bågkammardiametern öka väggbelast- ningen utöver tillâtliga nivåer. För att föra ned väggbelast- ningen till acceptabla nivåer, måste lamplängden ökas, men detta minskar bågbelastningen och effektiviteten.

En annan vanlig och i det närmaste över allt tillämpad utväg har varit att anbringa reflekterande, värmebevarande be- läggningar på bågrörets ände för att uppfànga värme. Det har exempelvis varit vanligt att anbringa ett vitt, ogenomskinligt 7so7s46-2 skikt av zirkoniumoxid- eller aluminiumoxidpulver på metallha- lidbâgrörens ytterytsändar. Genom att på detta sätt minska värmeförlusten genom strålning genom kammarväggarna vid änd- områdena kan adekvat ändtemperatur ernås med mindre behov av att minska kammardiametern och därefter bàgbelastningen. Den sålunda uppnådda effektiviteten är bättre än vad som skulle vara fallet, om bågrörändarna helt enkelt skulle tillåtas bli kalla vid samma bågbelastning. Vid metallhalidlampor, där metallhalider tillsättes kvicksilverfyllningen, är ändbeting- elserna kritiska. Även om en metallhalids ångtryck ofta är högre än den ingående metallens ångtryck, har för lampor be- gagnade metallhalider i allmänhet ångtryck, som ligger flera storleksordningar under kvicksilvrets àngtryck. Eftersom metallhalidlampornas effektivitet och färg beror på att till- räckligt metallhalidångtryck uppnås, har man eftersträvat värmebevarande ändbeläggningar av stor area-och jämförelsevis höga väggbelastningar.

Den omedelbara effekten av utvidgr e ändbeläggningar och högre väggbelastningar vid metallhalidlampor är verkligen att effektiviteten höjes och färgkarakteristika förbättras. Ändbeläggningarna är emellertid i sig strålningsabsorberande och har därför negativ effekt pá effektiviteten, dvs de fångar strålningsvärmeenergi för att hålla temperaturerna uppe, men de blockerar även strålningsljusenergi. Denna nackdel har skymts av att ändbeläggningarna ger upphov till en omedelbar ökning av ljusuteffekten på grund av den uppnådda högre metallhalidångdensiteten. Även om sålunda en given lampas prestanda kan förbätt- ras medelst en ändbeläggning, anger dock förekomsten av be- läggningen att konstruktionen icke är optimerad, eftersom en beläggning alltid blockerar ljus och förorsakar ljusförlust.

Ju större ändbeläggningen är desto större är avvikelsen från det optimala.

Enligt föreliggande uppfinning optimeras metallhalid- lampkonstruktionen vad gäller effektivitet och livslängd för mellan- och mindre lampstorlekar, i allmänhet 250 watt eller därunder, av följande särdrag: 1901546-2 ïï En väggbelastning av från 10 till 35 watt per cm2, så att med den tunna vägg av smält kiseldioxid, som begagnas för lamphöljet, besitter lampan tillräcklig livslängd och vidmakt~ håller i tillräcklig mån ljusutbytet. 2) Kort båglängd och liten bågkammarstorlek för uppnående av den bågbelastning, som erfordras för hög effektivitet. Bågbe- lastningen bör vara så hög som möjligt inom området 60 till 150 watt per cm2 men bör icke vara så hög, att den övre grän- sen för väggbelastningen överskrides. 3) Bâgkammarproportioner, som kännetecknas av ett rektangel- värde (X/D) inre längd (X): största diameter (D) inom området approximativt0,9 till 2,5 och så stort som möjligt inom detta område i motsvarighet till begränsningen vad gäller väggbe- lastníngen. 7 _ 1' 4) Tilledningsförslutningar, som upptager icke mer-än en liten andel av den totala rymdvinkeln vid höljets centrum och som är liten i förhållande tillhöljets storlek för mini- mering av de termiska ändförlusterna genom ledning och strål- ning. Värmebevarande anordningar eller beläggningar på lamp- ändarna elimineras företrädesvis helt, men då sådana begagnas såsom kompromiss bör den rymdvinkel, som tillsammans upptages av förslutningarna och sådana anordningar eller ändbelägg- ningar vara mindre än 10 % av den totala rymdvinkeln vid båg- kammarens centrum. _ _ 5) Bågkammaränddelar, som är krökta med en krökningsradie, som icke överskrider radien vid mittavsnittet och som lämp- ligenär mindre (utom då X/D är mindre än 1), varvid bågkam- maren har en rundad utformning, som jämnt leder in,i ändde- larna och lämpligen är i huvudsak ellipsoidisk. 6) Elektrodinföringsdjup, som är tillräckliga för undvikande av allt för höga förslutninqstemperaturer men som icke är så stora, att låga temperaturer erhålles bakom elektroderna. För lamporna enligt föreliggande uppfinning faller elektrodinfö- ringsfaktorerna i området 0,1 till 0,6. _ _ Väggbelastningen är ineffekten till lampan dividerad med bågkammarens yttre, strålande ytarea._I praktiken betrak- tas den strålande ytan som varande höljets ytteryta med 7807546-2 undantag av nackförslutníngarna. Den tillàtliga väggbelast- ningen beror på det begagnade höljesmaterialet och den lamp- livslängd och det ljusutbyte, som betraktas tillräckligt för den avsedda användningen av lampan; För kvarts eller smält kiseldioxid medför alltför stor väggbelastning att höljets glaskristallisation sätter in tidigare, vilket medför dåligt utbyte och förkortad livslängd. Tunnväggiga kvartshöljen före- drages för lamporna enligt uppfinningen, eftersom begagnandet av en tunn vägg av kvarts medger ett så tunt ändhölje, att det antingen expanderar eller sjunker samman, om ínsides- ytan upphettas till plasticitet under det att lampan arbetar.

Väggtjocklekar av 1,5 mm eller mindre betraktas såsom tunn- väggiga. Med de tunnväggiga höljen av smält kiseldioxid, som begagnas för metallhalidlamporna enligt uppfinningen, upp- rättas väggbelastningar av från 10 till 35 watt per cmz för ernående av tillräckligt vidmakthållet ljusutbyte och till- räcklig livslängd för allmänna belysningstillämpningar.

För en given ineffekt innebär en ort båglängd hög bågbelastning, dvs en hög ineffekt per langdenhet för bågen, vilket är önskvärt. För ett givet elektrodinföringsdjup krä- ver emellertid en kort båglängd en kort bågkammare och i all mänhet liten bågkammarstorlek och hög väggbelastning. Efter- som allt för höga väggbelastningar måste undvikas, bör sålun- da bågbelastningen icke ökas till utöver den verkligt an- vändbara.

Vid låga bågbelastningar ökar effektiviteten snabbt med en ökning i belastningen, men vid högre bågbelastningar avtager ökningstakten. Det har befunnits, att vid bågbelast- ningar utöver 150 watt per cm för metallhalidlampor uppväger problem med glaskristallisation av höljet av smält kiseldio- xid och dåligt ljusutbyte ytterligare fördelar vad gäller effektiviteten, om icke bâgkammardiametern göres avsevärt större än bågkammarens längd. En diameter, som är mycket stör- re än längden, inför emellertid svårigheter vad gäller förång- ningen av dosen och etablerandet av höga arbetstryck. Av dessa skäl och enligt uppfinningen begränsas bågbelastningen till området approximativt 60 - 150 watt per cm. 7897546-2 Bågkammarens volym bör vara liten för åstadkommande av kort bàglängd och hög kvicksilverångdensitet för en given i kvicksilverdos eller -massa. 250-watts metallhalidlampan en- ligt uppfinningen har en bâgkammare med en volym av ungefär 4 cm3, medan de mindre båglamporna enligt uppfinningen har bågkamrar av en volym understigande 1 cma. ' Även om behovet av hög bågbelastning begränsar båg- längden L, som i sin tur tenderar att begränsa längden av 7 bågkammaren, har kombinationen av detta behov med den ovan beskrivna begränsningen vad gäller väggbelastníngen möjlig- gjort framgångsrik specificering av bågkammarformer i ett- abegränsat proportionsomrâde. Båglängden L plus införingsdju- pet för de två elektroderna ger den inre bågkammarlängden X.

Bågkammarens innerdiameter D är medeldiametern vid kammarens maximala tvärsnitt. I U 7 Vad gäller rektangelvärdet inre bågkammarlängd X: .innerdiameter D har det fastställts, att X/D.bör ligga mellan 0,9 och 2,5. Inom detta område föredrages det högsta X/D-för- hållande, som är förenligt med de begränsningar, som krav på livslängd och bibehållet utbyte ställer på väggbelastning.

Bågkammarproportioner i omrâdet 0,9 till 2,5 innebär en av- vikelse från desamma för tidigare kända, konventionella me- tallhalidlampor för allmänna belysningsändamål, där rektangel- värdet X/D i allmänhet ligger över 2,5. Bågkammaren enligt föreliggande uppfinning tenderar att avvika från den lång- sträckta cylinder, som hittills har föredragits, och går mot en mer ellipsoidisk form eller en nära approximation till denna. För de lägsta effekterna kan kammaren tendera mot en sfärisk eller approximativt sfärisk form och kan även gå ut- över en sfär till en något avplattad sfäroid. Emellertid inne- bär det knappast någon fördel att gå utöver en sfär, eftersom sfären har den nackdelen i jämförelse med en ellipsoid, att det föreligger en tvärare ändring för sfärens innervägg vid nackförslutningarna, så att en sfär lättare brister.

Ellipsoidiska och sfäroidiska bågkamrar har hittills mest begagnats för lampor av mycket hög effekt med ineffekter_ av 1000 watt eller mer samt de så kallade kompakta lamporna wiaøšsàé-š för särskilda tillämpningar med kort livslängd, exempelvis lampor för projektion och fotokopiering. Dessa kompakta lam- por är konstruerade för att ge små ljuskällor av extremt hög ljusstyrka, och de uppvisar höga bàgbelastningar, som gott och väl överskrider 150 watt per cm, och mycket höga väggbe- lastningar gott och väl över 100 watt per cmz. De kräver tjockväggiga höljen för att motstå de mycket höga inre trycken och har relativt låg effektivitet och korta livslängder. I motsats härtill begagnas för lampor enligt föreliggande upp- finning tunnväggiga höljen, och de har hög effektivitet och långa livslängder. _ De tilledare, som bär elektroderna, sträcker sig genom förslutningar, dvs genom relativt långa nackar av smält kisel- -dioxid, som icke genomsläpper ljuset effektivt. Det har befun- nits, att förslutningarna ger upphov till en ljusförlust på i huvudsak samma sätt som ändbeläggningarna, och_att förlusten är proportionell mot förslutningarnas strålningsblockerande tvärsnitt. Lampändarnas strålningsblockering eller absorp- tionstvärsnitt kan mätas såsom den andel, som tillsammans upp- tages av de båda förslutningarna eller av förslutningarna och _ändbeläggningar av rymdvinkeln vid bågkammarens mitt. Alterna- tivt kan absorptionstvärsnittet definieras på ett ekvivalent sätt såsom den andel av ytan av en tänkt sfär, som omsluter lampan, som skulle avskuggas av ändförslutningarna, när en punktformig ljuskälla placeras vid bågkammarens centrum (fíg. 6). Vid vissa tidigare kända lampor med förslutningar av hel diameter kan enbart förslutningarnas stràlningsabsorptions- tvärsnitt överskrida 10 %, och förslutningarnas och ändbe- läggningarnas tillsammantagna strålningsabsorptionstvärsnitt kan överskrida 20 %. Enligt föreliggande uppfinning bör nack- förslutningarnas absorptionstvärsnitt göras så litet som möj- ligt med hänsyn till vad som är acceptabelt med tanke på till- verkningen, företrädesvis understigande 1 % för större lampor inom ramen för uppfinningen. I varje fall bör nackförslut- ningarnas och ändbeläggningarnas tillsammantagna absorptions- tvärsnitt understiga 10 % av rymdvinkeln vid bågkammarens centrum. Då höljesstorleken minskas, innebär de praktiska 7807546-2 '10 svårigheterna vad gäller hanteringen av mycket små delar, att ett högre absorptionstvärsnitt måste accepteras.

Ytterligare en betydelsefull fördel, som erhålles genom användandet av små nackförslutningar är, att värmeför- luster genom förslutningarna genom ledning och strålning mins- kas. Förslutningar av stort tvärsnitt tenderar att verka såsom '"köldpoler" och drager värme från bågkammarens ändar. Genom utnyttjandet av små förslutningar (vilket delvis möjliggöres av tunnväggig kvarts) minskas ytarean och därmed värmestrål- ningsförmågan för förslutningarna. Detta bidrager till att hålla kammarens ändar vid en hög temperatur, så att metall- kondensation undvikes och så att snabb uppvärmning befordras utan behov av ändbeläggningar. _ Höljets änddelar kan definieras som de delar av höljes- volymen, som ligger utanför imaginära plan, vilka går genom elektrodspetsarna och vinkelrätt mot lampaxeln. Med andra ord är änddelarna delarna mellan dessa plan och inträdesställena för tílledningarna. I I allmänhet bör ändarna ges en krökning, som icke är mindre än bågkammarväggens krökning vid mellandelen utom för X/D-förhållanden, som understiger 1, i vilket fall krökningen vid ändarna kan vara mindre än krökningen vid mellandelen med så mycket som 10 %. Ãnddelarna bör vara rundade och fria från fördjupningar eller veck, vilka skulle bilda "köldpoler", där metallångan skulle kondenseras. Höljesformen bör vara mjuk, dvs övergångsdelarna från mellandelen till änddelarna bör vara relativt jämna. Lämpligen bör en mjuk kurva övergå approxima- tivt tangentiellt i kurvan vid mellandelen och i änddelarnas och nackarnas kurva. Formen måste vara sådan, att allt för stor metallkondensation undvikes i övergångsomrâdena, och om någon kondensation förekommer, bör denna vara likformigt för- delad. I allmänhet skall skarpa vinklar och tvära omvändningar i krökningen undvikas. Slutligen bestämmes kammarutformningens lämplighet av dess förmåga att utveckla hög effektivitet och ge den önskade lampfärgtemperaturen utan att ändbeläggningar skall erfordras. __ I en metallhalidlampa förångas metallhalidfyllnings- 7807546-2 11 beståndsdelarna aldrig helt. Det slutliga läget av och tempe- raturen hos det kondensat, som återstår i den valda änddel- formen beror i kritisk mån på elektrodinföringsfaktorn Y, som kan definieras som förhållandet mellan summan av införings- djupen för båda elektroderna och bågkammarlängden X. Den kan på likvärdigt sätt definieras som förhållandet mellan skill- naden mellan bågkammarlängden X och båglängden L och bågkam- marlängden och erhålles av följande uttryck: För lampor, som skall arbeta horisontellt är lika elektrodin- föring vid båda ändarna önskvärd. För lampor, som skall arbeta vertikalt, där temperaturbetingelserna vid de båda ändarna kan vara helt olika på grund av gravitations- och konvektions- effekter, är ett asymetriskt mönster ofta att föredraga.

Variationen i färgtemperatur och relativ effektivitet såsom en funktion av elektrodinföringsfa',orn Y visas för 250- wattslampor i fig. 1a och 1b. Dimensioneiia X, D och L visas i den infällda vyn av en typisk 250-wattslampa enligt uppfin- ningen, fig. 1b. Kurvorna A i de båda figurerna motsvarar en lampa med ett X/D-förhållande av 2,0 och där tangentlinjer till de krökta sidoväggarna skär varandra vid axeln och bil- dar en vinkel av ungefär GOO. Kurvorna B motsvarar en lampa med ett X/D-förhållande av 1,3, där tangentlinjerna på lik- nande sätt skär varandra under en vinkel av ungefär 100°. Vad först gäller fallet "A" framgår det, att för ett relativt stort införingsdjup motsvarande en införingsfaktor Y, som är större än 0,4, är färgtemperaturen (fig. 1a) hög och effek- tiviteten (fig. 1b) låg. Under dessa betingelser samlas metallhalidkondensatet från satsen till större delen bakom elektroderna. För mindre elektrodinföríngsdjup sjunker färg- temperaturen och ökar effektiviteten, till dess i huvudsak hela mängden kondensat drivits ut ur änddelen och in i båg- delen av höljet eller dess huvudkropp, varvid kondensatet ger upphov till en film eller ett skikt på kammarens inneryta.

Den optimala betingelsen för denna lampa är en införings- 7097546-2 12 faktor Y av approximativt 0,31, för vilken färgtemperatur- kurvan når sitt nadir, medan effektivitetskurvan når sitt ze- nit. Om elektrodinföringsdjupet ytterligare minskas, börjar emellertid kondensatet att åter närma sig förslutningarna. Då så sker befinner sig kondensatet vid en lägre temperatur på grund av att bågbelastningen minskat liksom på grund av att kondensatet i sitt nya läge icke så effektivt upphettas av bågen. Sålunda sjunker effektiviteten och färgtemperaturen börjar åter stiga.

Då höljesväggarna snabbt divergerar från axeln såsom en funktion av avståndet från elektrodinföringsstället, får en variation i elektrodinföringsdjupet mindre effekt på kon- densatfördelningen än då väggarna divergerar långsammare-från axeln. Snabb divergens sker med ett X/D-förhållande, som när- mar sig 1, medan ett stort X/D-förhållande innebär långsam divergens. Vid alltför snabb divergens kan_elektrodspetsarna med ett införingsdjup för ernående av_maximal effektivitet befinna sig så nära ändförslutningarna, att maximitemperatu- ren för långvarig integritet för förslutningarna och änd- väggarna hos höljet av smält kiseldioxid överskrides. Fallet "B" belyser denna betingelse, där effektiviteten fortsätter att öka i fig. 1b, medan elektrodinföringsdjupet minskas. Vid en faktor Y av 0,35 är elektrodinföringsdjupet så litet, att den kritiska förslutningstemperaturen överskrides och tidig glaskristallisation uppträder. Sålunda representerar fallet "B" en icke optimerad lampkonstruktion, vars prestanda skulle förbättras av en ändbeläggning. Den totala effektiviteten i fallet "B" kommer emellertid alltid att ligga långt under effektiviteten i fallet "A", däretthögre X/D-förhållande valts. Dessa resultat belyser önskvärdheten av att välja det högsta möjliga X/D-förhållande, som är förenligt med behovet av att icke överskrida den tillâtliga väggbelastningen.

Av ovan beskrivna test och mätningar liksom av andra av liknande art har det befunnits, att elektrodinföringsfak- torn Y bör ligga i området 0,1 - 0,6; För de lampor, för vilka fig. 1a och 1b gäller, erhålles den lägsta färgtempera- turen och den högsta effektiviteten nära detta områdes mitt, 7807546-2 13 från ungefär 0,2 - 0,4, men det särskilda valet för varje given lampkonstruktion beror på den valda ändformningen och den valda effekten.

Fig. 2 visar en 250-watts metallhalidlampa enligt upp- finningen, på vilken ovanstående konstruktionsprinciper till- lämpats. Lampan innefattar en bågkammare, som begränsas av ett inre hölje 1 av en tunn vägg av smält kiseldioxid, som bäres i ett yttre glashölje eller en mantel 2. En lämplig fyllning för det inre höljet 1 innefattar 24 mg kvicksilver och 50 mg halidsalt bestående av 84 viktprocent NaI, 12 Vikts- procent ScI3 och 4 viktsprocent ThI4 plus en inert startgas, exempelvis argon eller xenon. Innerhöljet har en innervolym av 3,9 cm3.

Den yttre manteln 2 är vid sin nedre ände försedd med ett inåtgående skaft 3, genom vilket relativt styva tilled- ningstrådar 4, 5.sträcker sig, vilka vid sina ytterändar är förbundna med elektriska kontakter på en konventionell skruv- gänga, dvs det gängade höljet 6 och ändkcatakten 7. Det inre höljet 1, betecknat bâgrör, även om det iir ellipsoidisk form och icke rörform, är upphängt i manteln mellan en lång sido- stav 8 och en kort stav 9, som är svetsade vid tillednings- trådarna 4, 5. Utrymmet i den yttre manteln är fyllt till 0,5 atmosfärer med kväve, men kan vara evakuerat om så önskas för att minska värmeförlusten från bågröret.

Det inre höljet eller bågröret 1 bildas av en tunn vägg (dvs understigande 1,5 mm) av kvarts eller smält kiseldioxid, och urladdningsutrymmet eller bågkammaren är i huvudsak ellip- soidisk. Den kan antagas genererad genom rotation av en ellips omkring lampans längdaxel, vilken är vertikal i fig. 2. Ett sätt att forma kolven 11 är att expandera och stuka ett rela- tivt tunnväggigt rör av smält kiseldioxid, medan detta är upphettat till plasticitet och roterar i en glassvarv med dubbel chuck. Nackdelarna 12, 13 kan formas på liknande sätt genom att man tillåter kvartsröret att sjunka in på grund av ytspänningen. Allmänt kan kolvens väggtjocklek och form regle- ras genom koordinering av hastigheten och placeringen av upp- hettningen och hastigheten av expansionen eller insjunkníngen. 7897546-2 14 Ett annat sätt att forma en kolv av allmänt denna form visas i den amerikanska patentskriften 3 897 233. Alternativt kan bågkammaren framställas genom upphettning och formblåsning till den önskade formen av ett rör av smält kiseldioxid och med öppna ändar samt av lämplig väggtjocklek.

Volframtrådelektroder 14, 15 med ytterändar, som är formade till öppna slingor såsom visas, föredrages. Elektro- derna 14, 15 monteras i bågrörets motsatta ändar och sträcker sig från tilledare, som består av mellanliggande molybden- folier 16, 17, vilka i sin tur genom yttre tilledningsdelar 18, 19 är förbundna med sidostaven 8 resp stödstaven 9. De' hermetiska förslutningarna göres vid molybdenfolierna 16, vilka vätes av det till plasticitet under förslutningsopera- tionen upphettade kislet. Vid denna tidpunkt kan den smälta kiseldioxiden pressas mot folierna genom anbringning av under- tryck, genom mekanisk nypning eller bådadera. Fyllningen eller satsen införes i höljet genom ett sidoutloppsrör, som därefter trimmas vid 21.

De visade nackarna eller ändförslutningarna 12, 13 är vakuumformade samt är cylindriska såsom.visas i fig. 6. Vid utövandet av uppfinningen formas förslutningarna 12, 13 med liten tvärsnittsarea för att minska ljusstrâlningsblockering eller absorptionstvärsnittet vid lampändarna och för att göra värmeförlusterna genom förslutningarna så små som möjligt.

För 250-wattslampans enligt fig. 1 och 6 hölje 1 uppgår den rymdvinkel a, som upptages av varje ändförslutning 12, 13 till ungefär 0,3 % av rymdvinkeln vid höljets 1 centrum. Med andra ord har ändförslutningarna 12, 13 sådan tvärsnittsarea, att den totala arean av de skuggor 25 (fig. 6), som ändförslut- ningarna kastar på ytan av en imaginär sfär 26, som omsluter lampan, uppgår till endast ungefär 0,6 % av sfärens totala ytarea, om en punktformig ljuskälla placeras vid höljets cent- rum 27. Vid denna utföringsform saknar förslutningarna 12, 13 och höljets 1 ändar helt värmebevarande beläggningar. Den enda ljusavmaskning, som erhålles vid höljets ändar, är så- lunda den avmaskning,_som erhålles av ändförslutningarna.

En bättre förståelse av uppfinningen kan vinnas genom 78137546-2 15 en jämförelse mellan 250-watts metallhalidlampan enligt uppfinningen och en konventionell, tidigare känd lampa av samma märkvärde och med begagnande av samma fyllning, varvid den tidigare kända lampan visas vid 51 i fig. 3. Denna lampa 1 är framställd av ett i huvudsak cylindriskt rör av smält kiseldioxid, vars ändar tillslutes genom stora förslutningar 52 av full diameter. Huvudelektroderna 53 innefattar dubbla skikt av volframtråd, som är lindad kring volframnackar, var- vid líndningarna och utrymmena mellan líndningarna är belagda eller fyllda med emitterande oxider, inklusive alkalisk jord- metalloxid. En obelagd längd av volframtrâd 54 skjuter in i bågkammaren och bildar en startelektrod. Bågrörets ändar är koniskt rundade och belagda med ogenomskinliga skikt av vit zirkoniumoxid vid 55 och 56. Beläggningen 55 befinner sig lägst vid drift och har större area än beläggningen 56. De belagda ändarna upptaget tillsammans omkring 10 % av den totala rymdvinkeln, som omger bågrörets centrum.

Lamporna i fig. 2 och 3 jämföras -znom de i nedanståen- de tabell givna data: Tabell 1 .

Jämförelse mellan 250-watts metallhalidlampor 250 watt 250 watt tidigare känd ny konstruktion konstruktion Bågbelastning 68,5 w/cm 115 w/cm Båglängd (L) 3,7 cm 1 2,2 cm Bågkammarlängd (X) 4,6 cm 3,0 cm Diameter (D) 1,5 cm 1,5 cm L/D 2,4 1,5 X/D 3,0 2,0 Införingsfaktor (Y) 0,20 0,27 Yttre strålande area 22,0 cmz 14,8 cmz Volym I I 6,8 cm3 3,9 cm3 Väggbelastning 11,4 w/cm2 17,0 cmz Upptagen rymdvinkel 10 % 0,6 % 7807546-2 16 Effektivitet 82 LPW 105 LPW Lumen 20,500 s 26,300 Hg-belastning - 31 mg 28 mg Hg-densitet 4,6 mg/cm3 7,2 mg/cm3 Ovanstående tabell 1 visar de fördelar, som vinnes ge- nom tillämpning av föreliggande uppfinning på en 250-watts metallhalidlampa. Lampan enligt uppfinningen har en effektivi- tet av 105 lumen per watt i motsats till 82 lumen per watt för den tidigare kända lampan. Utöver förbättringen i effek- tivitet ger konstruktionen enligt föreliggande uppfinning en förbättring vad gäller upprätthållandet av ljusutbytet; En 70 watts metallhalidlampa enligt uppfinningen visas vid 61 i fig. 4. Bågkammaren är i huvudsak ellipsoidisk, och fyllningen innefattar kvicksilver, NaI, ScI3, ThI4 och argon.

Volframtrådelektroder=62 är insmälta i höljet genom smala nackar 63. Elektroderna är anslutna till.tilledningar 64, som innefattar foliedelar 65, vilka är hermetiskt ínsmälta i nack- arna. Bågkammaren är renad, och dosen är införd genom den ena nacken före förslutningen, så att ingen utloppsrörsidospets kvarstår. Det finns ingen hjälpstartelektrod och ingen värme- reflekterande beläggning. I Genom lämplig nedskalning av lampan enligt fig. 4 för förminskning av dess storlek, kan en 30-watts metallhalid- lampa med ellipsoidisk bågkammare erhållas¿ De fysiska detalj- erna och parametrarna för 70 och 30-wattslampor med ellipsoi- diska bågkamrar ges i nedanstående tabell 2.

Tabell 2 Parametrar för ellipsoidisk miniatyrlampa 70 w 30 w Bågbelastning 78 w/cm 67 w/cm Båglängd (L) 0,9 cm 0,45 om Bågkammarlängd (X) 1,3 cm 0,75 cm Diameter _ 0,7 Cm _ 0,35 Cm L/D _ 1,3 1,3 X/D 1,9 _ k 2,1 7807546-2 17 Införingsfaktor (Y) 0,31 0,47 Yttre strålande area 3,9 cmz 1,2 cmz Volym 0,33 cm3 0,066 cm3 Väggbelastning 18 w/cm2 25 w/cmz Rymdvinkel 2,4 % 5,6 % Effektivitet ' 100 LPw 106 LPw Lumen . 7,000 * 3,480 Hg-belastning 11,6 mg 2,5 mg Hg-densitet 35,2 mg/cm3 c 39,8 mg/cm3 I tabell 2 göres ingen jämförelse med tidigare kända metallhalidlampor av jämförlig storlek och jämförlig effekt, eftersom såvitt känt hittills ingen sådan lampa existerat. De båda små lampornas enligt uppfinningen effektivitet är icke endast hög i absoluta tal utan rent av häpnadsväckande med tanke på deras storlek. 70-wattslampans effektivitet vid 100 lumen per watt ligger över den tidigare kända 250-watts metallhalidlampan enligt tabell 1, som har värdet 82 lumen 7 per watt. 30-wattslampans effektivitet, 16 lumen per watt, överskrider i signifikant mån den effektivitet av ungefär 80 lumen per watt, som en tidigare känd 175-watts metallhalid- lampa med samma typ av fyllning uppvisar. Effektiviteter av detta slag för metallhalidurladdningslampor under 100 watt har tidigare betraktats som omöjligal En annan miniatyrmetallhalidlampa enligt uppfinningen, även i detta fall en 30-wattslampa, visas vid 76 i fig. 5 och innefattar en sfärisk bågkammare. Samma typ av fyllning kan begagnas såsom för lampan enligt fig. 4. Elektroderna 77 ut- göres av volframtrådar, som är anslutna till tilledarna 78 med foliedelar 79 i smala nackar 80. Övriga fysiska detaljer och parametrar för denna lampa ges i tabell 3 nedan.

Tabell 3 Parametrar gällande sfärisk miniatyrlampa 30 w Bågbelastning 100 w/cm Båglängd (L) 0,3 cm 7807546-2 18 Bågkammarlängd (X) 0,6 cm Diameter (D) 0,6 cm L/n I 0,5 X/D' 1,0 Införingsfaktor (Y) 0,5 Yttre strålningsarea 1,4 cmz Volym 7 0,11 cm3 Väggbelastning 21 w/cm Rymdvinkel 6 % Effektivitet 85 LPW Lumen _ 2,550 Hg-belastning 4,3 mg Hg-densitet 39,1 mg/cm3 För en optimerad lampkonstruktion enligt uppfinningen begagnas så små ändförslutningar som möjligt, samt väljes bågkammarens rektangelvärde och andra diskuterade parametrar för ernående av önskade arbetsbetingelser utan värmebevarande anordningar eller beläggningar på lampans ändar. Det kan emellertid i praktiken inträffa, att det blir mer ekonomiskt att bibehålla en existerande lamphöljeskonstruktion och åstadkomma en önskad prestandaändring, exempelvis sänkning av färgtemperaturen, genom att utnyttja mindre ändbeläggningar.

Detta kan belysas av följande exempel. En 35-wattslampa med ellipsoidiskt hölje med ett X/D-förhållande av ungefär 2, fig. 4, har en effektivitet av 115 lumen per watt vid en färgtem- peratur av 4500°K, varjämte dess ändförslutningar tillsam- mans intager ungefär 5 % av rymdvinkeln vid bågkammarens cent- rum, Det antages nu, att man önskar framställa en liknande lampa med en färgtemperatur, som är sänkt till ungefär 3800°K.

Detta kan åstadkommas genom anbringning av reflekterande änd- beläggningar omkring förslutningarna, vilket ökar den andel av rymdvinkeln, som förslutningarna och ändbeläggningarna upp- tager till ungefär 10 %. De härigenom hetare lampändarna dri- ver överskottshalidsaltet i ytterligare mån bort från ändarna mot bågkammarens centrala del. Detta kan sänka färgtempera- turen ungefär 700°K och samtidigt medföra ett effektivitete- fall av ungefär 20 %. Sålunda möjliggöres en ny lampprodukt 7eo7s4s-2 19 med den önskade färgtemperaturen vid en effektivitet av 92 lumen per watt. Lampan kan vara helt tillräcklig för den tänkta marknaden, och kostnaden för omkonstruktion av utrust- ning, inklusive nya formar för en modifierad höljesutformning, undvikas.

Vid tidigare kända metallhalidlampor med höljen av smält kiseldioxid har väggbelastningen i allmänhet icke över- skridit ungefär 15 watt per cmz. Detta är högre än det tak av 10 watt per cmz, som i allmänhet accepteras för kvicksilver- lampor (dvs lampor med en fyllning av kvicksilver utan metall- halidtillsats). Den högre väggbelastningen har emellertid be- dömts nödvändig för åstadkommande av tillräckligt ångtryck för de tillsatta metallhalidsalterna och för att erhålla av- sevärda fördelar av deras förekomst. Metallhalidlampornas livslängd är i avsevärd mån begränsad genom natriumförlust och/eller ökande bågspänningsfall såsom en funktion av funk- tionstiden. Det har allmänt accepterats, att dessa lampors ljusutbytesvidmakthållande och livslängd i och för sig legat lägre än motsvarande för kvicksilverlampcr.

En oväntad fördel, som erhålles genom föreliggande upp- finning, är att väggbelastningar gott och väl utöver 15 watt per cm2 kan tillämpas på metallhalidlampor utan menliga verk- ningar. Vidmakthållandet av ljusutbytet och livslängden för lampor enligt föreliggande uppfinning är överlägsna motsvaran- de för konventionella lampor med samma halidarter. Det har i själva verket befunnits, att väggbelastningar av upp till 35 watt per cm2 kan utnyttjas utan drastisk försämring vad gäller ljusutbytesbibehållandet, medan natriumförlusten och/eller bågspänningsstegringen hålles vid tolerabla nivåer. Den prak- tiska begränsningen vad gäller väggbelastningen blir nu mjuk- ningspunkten för kvarts eller kiseldíoxid, så att bågkammaren icke längre bibehåller sin ursprungliga form under den belast- ning det inre trycket utövar, och denna begränsning beror av väggtjockleken. Emellertid kan praktiskt taget alla de önskade resultaten lätt ernås med tunna höljen av smält kiseldioxid vid belastningar understigande 35 watt per cmz, varigenom konstruktioner möjliggöres, vilka uppvisar högre effektivitet 7807546-2 20 med bibehållande av fördelarna av tunn vägg av smält kisel- dioxíd.

Claims (3)

7807546-2 21 PATENTKRAV

1. Högtrycksmetallångurladdningslampa för allmänna belys- ningsändamål och avsedd för en ineffekt icke överstigande 250 watt, k ä n n e t e c k n a d av en bågkammare, som bil- das av ett ljusgenomsläppligt, i huvudsak ellipsoidiskt eller sfäroidiskt hölje (1) av ett förhållande mellan sin längd och sin diameter (X/D) av ungefär 0,9 - 2,5 samt av en väggtjock- lek av högst 1,5 mm och som innehåller en för förângning under lampans drift avsedd fyllning av kvicksilver och metallhalid samt vars väggarea är vald att ge en väggbelastning av ungefär 10 - 35 watt/cmz, när lampan arbetar vid märkeffekt, samt ett par elektroder, som bäres i bågkammaren på tilledare (18, 19), som sträcker sig genom höljet, vilka elektroder har varandra motstående spetsar, vilka är inbördes åtskilda med en sträcka (L) av sådan längd, att en bågbelastning av unge- fär 60 - 150 watt/cm erhålles, när lampan arbetar vid märk- effekten, varjämte elektrodernas införingsfaktor (Y) är ungefär 0,1 - 0,6, där Y = (X - L)/X, samt nackförslutningar (12, 13) hermetiskt binder tilledarna til höljet, vilka nack- förslutningar och eventuella därmed förbu ina värmebevarande anordningar tillsammans upptager mindre än 10% av rymdvinkeln vid bågkammarens centrum.

2. Lampa enligt patentkravet 1, avsedd för en ineffekt av ungefär 250 watt, k ä n n e t e c k n a d av att bágkamma- ren är i huvudsak ellipsoidisk, att väggbelastningen är unge- fär 10 - 25 watt/cmz, att förhållandet (X/D) uppgår till unge- fär 1,5 - 2,5, att bågbelastningen är ungefär 100 - 150 watt /cm , samt att halsförslutningarna och eventuella därmed för- bundna värmebevarande anordningar tillsammans upptager mindre än 1 % av rymdvinkeln vid bågkammarens centrum.

3. Lampa enligt patentkravet 1, avsedd för en ineffekt, som icke överstiger 70 watt, k ä n n e t e c k n a d av att bågkammaren har en volym, som är mindre än 1 cm3, att väggbe- lastningen uppgår till ungefär 15 - 35 watt/cmz, att bågbe- lastningen är ungefär 60 - 120 watt/cm, samt att halsförslut- ningarna och eventuella därmed förbundna värmebevarande anord- ningar tillsammans upptager mindre än 7 % av rymdvinkeln vid bågkammarens centrum.