Hochdruckentladungslampe

Abstract

 Eine Hochdruckentladungslampe weist zur Verbesserung der Berstdruckbeständigkeit ein konisches Stützröllchen (5) auf. Bevorzugt ist das Verhältnis zwischen Außendurchmesser am hinteren und vorderen Ende zwischen 1,1 und 2,5.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei vornehmlich um Kurzbogenlampen, insbesondere Quecksilber-Entladungslampen, vor allem hoher Leistung. Diese können auch Zusätze an Metallhalogeniden enthalten. Die Erfindung ist im Prinzip auch bei Xenonkurzbogenlampen verwendbar.

Stand der Technik

[0002] Aus der Schrift US-A 5 140 222 ist eine gattungsgemäße Hochdruckentladungslampe bekannt. Sie besitzt eine Xenonfüllung. Die Kolbenhälse sind mit konischen Stützelementen aus Quarzglas und keramischen Scheiben versehen, wobei diese beweglich im Kolbenhals sitzen und mittels einer Feder an eine Verengung am Eingang des Kolbenhalses angepreßt werden.

[0003] Bei Quecksilber-Hochdruckentladungslampen sind bisher Stützröllchen mit gerader äußerer Mantelfläche verwendet worden, wobei der Kolbenhals an diese äußere Mantelfläche angeschmolzen ist. Bisher bekannte Lampen verwendeten angeschmolzene Stützröllchen mit konstanter Wanddicke über die Länge, siehe EP-A 479 089, EP-A 479 088 sowie DE-A 196 18 967. Dadurch waren Außendurchmesser und Innendurchmesser konstruktiv vorgegeben durch den Durchmesser der Folieneinschmelzung im hinteren Teil des Kolbenhalses. Die Stützröllchen wurden außerdem meist direkt am Beginn des Kolbenhalses eingesetzt und dort mit der Kolbenwand im Bereich des Kolbenhalses verschmolzen. Diese Technologie gestattet aber nur Quecksilberfüllmengen bis maximal 20 mg/cm³ bei relativ kleinen Kolbenabmessungen bis zu einer Gesamtlänge von etwa 80 mm. Bei höherem Druck erhöht sich das Berst-Risiko, weil die Belastbarkeit im Bereich des Übergangs Entladungsvolumen/Kolbenhals überschritten wird.

Darstellung der Erfindung

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die einem hohen Fülldruck standhalten kann ohne zu bersten. Typisch ist ein Wert des Betriebsdrucks von 30 bis 70 bar.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

[0006] Im einzelnen besteht die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe aus einem Kolben aus Quarzglas mit zwei im wesentlichen zylindrischen Kolbenhälsen, in denen zwei Elektroden, die sich diametral gegenüberstehen, mittels Elektrodenstäben gehaltert sind, wobei jeder Stab im vorderen Teil des Kolbenhalses von einem Stützröllchen ummantelt ist, das mit der Kolbenwand im Bereich des Kolbenhalses verschmolzen ist. Das Stützröllchen ist an seiner Außenseite (Mantelfläche) konisch geformt und läuft in Richtung zur Elektrode hin spitz zu, so daß der Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens kleiner als der Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens ist.

[0007] Der Stab kann entweder in den hinteren Teil des Kolbenhalses direkt weitergeführt sein oder hinter dem Stützröllchen enden, beispielsweise an einer Molybdän-Scheibe. Der Stab wird in diesem Fall durch ein Verlängerungsteil nach außen weitergeführt. Dieser Umstand ist jedoch für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung.

[0008] Durch die neuartige Stütztechnik können großwattige Lampen mit einer Leistung von mehr als 1000 Watt mit einer Füllung unter hohem Betriebsdruck (bis 70 bar) versehen werden. Typisch ist eine Quecksilberfüllung mit 20 bis 100 mg/cm³, maximal bis 150 mg/cm³. Die großen Kolben haben Längen bis zu 120 mm und mehr und typische Durchmesser von 100 mm. Wegen des hohen Betriebsdrucks muß der Gefahr des Berstens des Kolbens begegnet werden. Eine sorgfältige Analyse hat als Schwachstelle den Übergang zwischen Entladungsvolumen und Kolbenhals gefunden. Es hat sich gezeigt, daß ein konisches Stützröllchen hier Abhilfe schafft. Bei geeigneter Dimensionierung läßt sich eine Erhöhung des Berstdrucks um bis zu 300% erreichen.

[0009] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des hinteren Endes des konischen Stützröllchens und dem Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens zwischen 1,1 und 2,5.

[0010] Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß die Wandstärke des Stützröllchens an seinem vorderen Ende möglichst klein sein soll, damit der Übergang von der Wandstärke des Kolbenhalses zu der des Systems Kolbenhals/Stützröllchen möglichst kontinuierlich ist. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Wandstärke am vorderen Ende des Stützröllchens kleiner gleich, bevorzugt kleiner als 50%, der ursprünglichen Wandstärke des Kolbens an dieser Stelle ist. Dann ist die verstärkte Wandstärke nach dem Verschmelzen bzw. Anschmelzen maximal das 1,5-fache der ursprünglichen Wandstärke.

[0011] Vorteilhaft ist ein Bereich am vorderen Ende des Kolbenhalses (im folgenden Einzug genannt) frei vom Stützröllchen. Es wird empfohlen, daß der Einzug maximal dem Zweifachen des Außendurchmesser des Stützröllchens an dessen vorderem Ende entspricht. Absolut gesehen sollte der Einzug bevorzugt zwischen 3 und 25 mm betragen.

[0012] Eine weitere Verbesserung und Optimierung der Berstdruckfestigkeit wird dadurch erzielt, daß die Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs an die konische Außenfläche vorne am Stützröllchen derart anschließt, daß der Winkel β zwischen der Stirnfläche des Stützröllchens und der Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs maximal 90°, bevorzugt höchstens gleich α und bevorzugt kleiner gleich α - 15° ist, wenn α der Winkel ist, der einem tangentialen Anschluß der Kolbeninnenwand an der Stirnfläche des Stützröllchens entspricht. Die Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs steht daher typisch über das Stützröllchen nach innen über.

[0013] Unter dem Begriff eines konischen Stützröllchens ist hier nicht ausschließlich ein Konus mit gerader Mantelfläche zu verstehen, sondern auch, daß die Erzeugende der konischen Mantelfläche eine geschwungene Kurve darstellt, so daß die Mantelfläche etwas ausgebaucht, aber insgesamt noch konisch, ist. Das konische Stützröllchen kann auch an seinem hinteren Ende ein kurzes zylindrisches Ansatzstück (maximal 30% der Gesamtlänge) mit konstantem Durchmesser besitzen. Dieses ist jedoch für die erfindungsgemäße Funktion bedeutungslos.

[0014] Die wichtigste Anwendung der vorliegende Erfindung bezieht sich darauf, daß der Kolben mit Quecksilber gefüllt ist, wobei die Füllmenge bis zu 150 mg/cm³, typisch 30 bis 100 mg/cm³, beträgt. Typische Leistungen der Lampe liegen bei mindestes 1 kW.

[0015] Die erzielte Drucksteigerung wird durch eine bessere geometrische Anpassung der Wanddicken beim Übergang zwischen der reinen Kolbenwand und der durch das Stützröllchen verstärkten Wand erreicht. Dadurch kann letztlich der Kolbenhals an dieser Stelle konisch verengt werden. Bevorzugt ist ein maximaler Außendurchmesser des Stützröllchens von bis zu 20 mm, insbesondere bis zu 15 mm, am hinteren Ende. Insgesamt wird also ein geringerer Durchmesser, und damit auch eine kleinere Oberfläche, im vorderen Bereich des Kolbenhalses geschaffen. Dadurch wird der Berstdruck erhöht. Die Verbindung zwischen Kolbenhals und Stützröllchen wird durch das an sich bekannte Aufschmelzen des Kolbenhalses auf das vorne schmalere Stützröllchen geschaffen.

[0016] Durch den Einzug am Kolbenhals ergibt sich eine günstigere Verteilung der durch den Innendruck der Füllung verursachten Kraft im Kolbenhals. Der Kolbenhals ist ein empfindlicher Bereich der Lampe. Es hat sich herausgestellt, daß die Druckstabilität des Kolbenhalses mit dem Verhältnis Wandstärke:Durchmesser steigt. Bei gleicher Wandstärke wird daher eine erhöhte Stabilität dadurch erzielt, daß der Durchmesser der Verbindungsstelle verringert wird durch das konische Stützröllchen.

Figuren

[0017] Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1

eine Quecksilber-Hochdruckentladungslampe im Schnitt

Figur 2

ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützröllchens

Figur 3

ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützröllchens

Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Figur 1 zeigt eine Quecksilber-Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Leistung von 2,5 kW im Schnitt. Sie hat einen Kolben 2 aus Quarzglas mit einer Wandstärke von 4 mm. Er ist elliptisch, tonnenförmig o.ä. geformt und umschließt ein Entladungsvolumen 3. Daran schließen sich an beiden Seiten diametral gegenüberstehend zwei Kolbenhälse 4 an (nur einer ist gezeigt).

[0019] Diese besitzen einen vorderen konischen Teil 4a, der ein Stützröllchen 5 aus Quarzglas enthält, und einen hinteren zylindrischen Teil 4b, der die abdichtende Einschmelzung bildet. Der vordere Teil 4a weist einen Einzug 6 von 5 mm Länge auf. Daran schließt sich ein Stützröllchen 5 mit Bohrung 7 an, das konisch geformt ist. Sein Innendurchmesser ist 7 mm, sein Außendurchmesser am vorderen Ende ist 11 mm, der Außendurchmesser am hinteren Ende ist 15 mm. Die Wandstärke des Kolbens in diesem Bereich ist etwa 4 mm. Die axiale Länge des Stützröllchens ist 22 mm.

[0020] In der Bohrung 7 des Stützröllchens ist ein Elektrodenstab 10 mit einem Durchmesser von 6 mm axial geführt, der bis in das Entladungsvolumen reicht, und dort einen Elektrodenkopf 11 als Anode trägt. Der Stab 10 ist über das Stützröllchen 5 hinaus nach hinten verlängert und endet an einem Teller 12, an den sich ein zylindrischer Quarzblock 13 anschließt. Dahinter folgt ein zweiter Teller 14, der mittig eine Außenstromzuführung in Form eines Molybdänstabs 15 hält. An der Außenfläche des Quarzblocks sind vier Folien 16 aus Molybdän in an sich bekannter Weise entlanggeführt und an der Wand des Kolbenhalses eingeschmolzen.

[0021] Die Kolbeninnenwand ist am Vorderende des Stützröllchens in etwa tangential über die Mantelfläche des Stützröllchens hinaus weitergeführt, d.h. β=α.

[0022] Das konische Stützröllchen 5 führt zu einer Steigerung des Berstdrucks um 200 %, verglichen mit dem o.e. Stand der Technik. Durch den Einzug von 5 mm wird der Berstdruck um weitere 100% erhöht.

[0023] Figur 2 zeigt ein Stützröllchen 20, dessen äußere Mantelfläche 21 leicht konvex ausgebaucht ist. Das Verhältnis der Außendurchmesser am vorderen und am hinteren Ende ist 1,9.

[0024] Figur 3 zeigt ein Stützröllchen 25 mit gerader Mantelfläche 26 und einem Verhältnis der Außendurchmesser am vorderen und am hinteren Ende von 1,4. Am hinteren Ende kann ein zylindrisches Ansatzstück 27 mit konstantem Außendurchmesser sitzen. Seine Länge beträgt etwa 10% der Gesamtlänge des Stützröllchens 25. Am vorderen Ende, wo sich die Stirnfläche 28 befindet, ist die Kolbeninnenwand 29 so an das Stützröllchen 25 angeschlossen, daß sie einen Winkel von β = 70° mit der Stirnfläche 28 bildet. Dagegen beträgt der Tangentialwinkel α = 86°.

Ansprüche

1. Hochdruckentladungslampe (1), bestehend aus einem Kolben (2) aus Quarzglas mit zwei im wesentlichen zylindrischen Kolbenhälsen (4a,4b), in denen zwei Elektroden (11), die sich diametral gegenüberstehen, mittels Elektrodenstäben (10) gehaltert sind, wobei jeder Stab (10) im vorderen Teil des Kolbenhalses von einem Stützröllchen (5;20;25) ummantelt ist, das mit der Kolbenwand im Bereich des Kolbenhalses verschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützröllchen (5;20;25) an seiner Außenseite konisch geformt ist und in Richtung zur Elektrode (11) hin spitz zuläuft, so daß der Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens kleiner als der Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens ist.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Außendurchmesser des hinteren Endes des Stützröllchens (5;20;25) und dem Außendurchmesser des vorderen Endes des Stützröllchens (5;20;25) zwischen 1,1 und 2,5 beträgt.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Stützröllchens (5;20;25) an seinem vorderen Ende kleiner gleich, bevorzugt kleiner als 50%, der Wandstärke des Kolbens an dieser Stelle ist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich des Kolbenhalses, Einzug (6) genannt, an dessen vorderen Ende frei vom Stützröllchen ist.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzug (6) maximal dem Zweifachen des Außendurchmesser des Stützröllchens an dessen vorderem Ende entspricht.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzug (6) zwischen 3 und 25 mm beträgt.

7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbeninnenwand (29) im Bereich des Einzugs (6) an die konische Außenfläche des Stützröllchens derart anschließt, daß der Winkel β zwischen der Stirnfläche (28) des Stützröllchens und der Kolbeninnenwand im Bereich des Einzugs höchstens gleich α und bevorzugt kleiner gleich α - 15° ist, wenn α der Winkel ist, der einem tangentialen Anschluß der Kolbeninnenwand (29) an das Stützröllchen (25) entspricht.

8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende der konischen Mantelfläche eine Gerade (21) oder eine geschwungene Kurve (26) ist.

9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) mit Quecksilber gefüllt ist, wobei die Füllung bis zu 150 mg/cm³ beträgt.

10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Lampe (1) mindestes 1 kW beträgt.

Zeichnung