DE19901987A1

DE19901987A1 - Metallhalogenidlampe mit Zündhilfe

Info

Publication number: DE19901987A1
Application number: DE19901987A
Authority: DE
Inventors: Klaus Stockwald
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2000-07-27
Also published as: US6222320B1; CA2294655A1

Abstract

Bei einer Metallhalogenidlampe mit einem keramischen, rohrförmigen Entladungsgefäß (1) ist außen am Entladungsgefäß eine elektrisch leitende Zündhilfe (11) angebracht, die eine inhomogene elektrische Feldstärke bereitstellt. Sie besteht aus einem quer zur Achse sich erstreckenden Metalldraht, der sich vom Gestell (8) zur Außenwand des Entladungsgefäßes hin erstreckt. Er endet dort etwa in Höhe einer Elektrode (2).

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um Metallhalogenidlampen mit einer außerhalb des keramischen Entladungsgefäßes angebrachten Zündhilfe.

Stand der Technik

Die Verwendung von Zündhilfen, die die Zündspannung verringern, ist schon lange bekannt. Alternativ wurde früher ein radioaktives Gas (Kr 85) zum Startgas in der Lampe zugegeben.

Aus der US-A 5 355 053 ist bereits eine Metallhalogenidlampe mit äußerer Zündhilfe bekannt. Beim Zünden von Metallhalogenidlampen erfolgt der elektrische Durch schlag durch einen Hochspannungsimpuls, der zwischen die beiden im keramischen Entladungsgefäß befindlichen Elektroden angelegt wird. Der Absolutwert dieser Hochspannung wird bestimmt durch die geometrischen Abmessungen des Entla dungsgefäßes und insbesondere durch den Kaltfülldruck des darin befindlichen Edelgases (meist Xenon). Ein hoher Kaltfülldruck führt einerseits zu hohen Licht ausbeuten und guter Maintenance, erfordert aber andererseits entsprechend große Zündspannungen, die nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen.

Man behilft sich durch eine außen am Entladungsgefäß angebrachte elektrisch lei tende, metallische Zündhilfe. Sie ist entweder ein Metalldraht oder ein Streifen, der auf das keramische Entladungsgefäß aufgesintert ist. Das separate Teil kann ebenfalls die Gestalt eines am Entladungsgefäß anliegenden Zündstreifens haben, der beispielsweise mittels eines Bimetalls angedrückt wird. Im laufenden Betrieb hebt das Bimetall diese Zündhilfe vom Entladungsgefäß ab. Dies ist nötig, da die Zündhilfe elektrisch mit einer der beiden Elektroden verbunden ist und so zwischen der Zündhilfe und der zweiten Elektrode ein starker Gradient der elektrischen Feld stärke vorliegt, der zur Diffusion des Natriums durch die Wand des Entladungsgefä ßes führt.

Bei Zündhilfen ohne direkten elektrischen Kontakt zur Netzspannung wird auf ein Bimetall verzichtet. Es werden statt dessen axiale oder wendelförmig das Entla dungsgefäß umgebende Zündstreifen verwendet. Die Zündhilfe ist hierbei nur kapa zitiv an den Zündimpuls gekoppelt. Da sie auf freischwebendem Potential liegt, wird die Natriumdiffusion verhindert. Eine derartige Konstruktion wird auch für Metallha logenidlampen verwendet, wo sie insbesondere am Außenkolben angebracht ist (EP-A 732 870). Diese Lampe hat wesentlich weniger Anteil des Natrium an der Füllung.

Der Durchschlag bildet sich in beiden Fällen, also sowohl bei direkter als auch bei kapzitiver Kopplung, gleichermaßen aus. Zunächst entsteht eine Entladung zwi schen der ersten Elektrode, an der der Hochspannungsimpuls anliegt, und der nächstgelegenen Stelle der Keramikwand, an der außen die Zündhilfe sitzt. Die Entladung breitet sich an der Keramikwand aus, bis es schließlich zum Durchschlag zur zweiten Elektrode hin kommt.

Bei Zündhilfen ohne direkten elektrischen Kontakt zur Netzspannung stellt sich auf der Zündhilfe wegen der kapazitiven Kopplung ein Potential ein, das zwischen dem des Hochspannungsimpulses an der ersten Elektrode und dem Nullpotential der zweiten Elektrode liegt. Die Potentialdifferenz zwischen dem Hochspannungsimpuls und der Zündhilfe ist demzufolge geringer, als wenn die Zündhilfe auf dem Potential einer der Elektroden liegt. Maßgeblich für die Höhe der Zündspannung ist die sich ausbildende Feldstärke im Raum zwischen Elektrodenspitze und Zündhilfe. Dabei nehmen die Geometrie und die Abstände Einfluß auf die Höhe der Zündspannung.

Eine weitere vorbekannte Lösung für Metallhalogenidlampen mit einem Entladungs gefäß aus Quarzglas besteht darin, UV-abstrahlende gasgefüllte Kammern außer halb des Entladungsvolumens vorzusehen (EP-A 722 184). Die Zündung wird hier durch die ionisierende Wirkung der UV-Strahlung erleichtert.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die relativ unproblematisch zündet und deren Zündhilfe einfach und kostengünstig herzustellen ist. Es ist eine weitere Auf gabe, die zur Zündung erforderliche elektrische Feldstärke insbesondere für Lam pen mit hoher Metallhalogeniddosis, wie sie vor allem in nahezu oder völlig queck silberfreien Metallhalogenid-Hochdrucklampen benötigt wird, herabzusetzen und somit bei diesen Lampen die Zündung und Bogen-Übernahme zu erleichtern.

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

Metallhalogenidlampen mit wenig Quecksilber (entsprechend weniger als 1 mg/cm³ Hg), vor allem quecksilberfreie Metallhalogenidlampen zeigen große Schwierigkei ten, zuverlässig zu zünden. Bei diesen Lampen, die eine hohe Dosis an Metallhalo geniden beinhalten (etwa 10 bis 250 µmol/cm³) besteht die Schwierigkeit, daß beim Erkalten der Lampe auf den Elektrodenoberflächen Metallhalogenidschichten kon densieren. Dadurch läuft der für die Vermehrung der Ladungsträger maßgebliche Prozeß der Auslösung von Elektronen aus der Oberfläche der Elektroden wesentlich weniger effizient ab als bei einer unbeschichteten oder mit Metall (HG) beschichte ten Oberfläche einer Elektrode. Beispielsweise kondensieren bei Hg-haltigen Lam pen kleine Hg-Tröpfchen auf der Elektrodenoberfläche.

Die Verwendung einer einseitigen Zündhilfe führt dazu, daß sich eine seitlich von der Elektrode weggerichtete kapazitive Hilfsentladung ausbildet, die die Entladungs strecke zwischen den Elektroden vorionisiert. Die Hilfsentladung emittiert nämlich hochenergetische UV-Strahlung in das Volumen zwischen den Elektroden. Dieser Prozeß ist so effizient, daß die Vermehrung der Ladungsträger in diesem Volumen und damit der Durchschlag sehr begünstigt wird.

Erfindungsgemäß ist die Zündhilfe so ausgebildet, daß sie eine starke Inhomogeni tät der elektrischen Feldstärke zwischen der Zündhilfe und der zugeordneten Elek trode bewirkt. Dadurch wird bei gleichem Wert der angelegten Zündspannung die Effektivität der Zündhilfe deutlich erhöht.

Die Zündhilfe kann bei permanentem Anliegen der Elektrode am Entladungsgefäß aus hitzebeständigem Metall (typisch Wolfram) hergestellt sein. Falls nur ein zeit weiliger Kontakt zum Entladungsgefäß im kalten Zustand der Lampe gewünscht ist, empfiehlt sich die Verwendung eines dünnen Bimetallstreifens.

Bei Lampen mit keramischem Entladungsgefäß wurde zumindest über eine Brenn dauer von ca. 5000 h kein Anzeichen einer durch das Anliegen einer metallischen Zündelektrode induzierten Natriumdiffusion festgestellt.

Die Konstruktion ist insbesondere auch hilfreich bei keramischen Metallhalogenid lampen, bei denen auf einen Zusatz von radioaktiven Anteilen im Startgas (wie z. B. Kr 85) verzichtet wird. Weiterhin wird bei permanent anliegender Zündelektrode die Heißzündung von keramischen Metallhalogenidlampen erleichtert.

Eine erste Ausführungsform der Zündhilfe besteht darin, einseitig (oder auch zwei seitig) einen punktuellen Kontakt einer Zündhilfe außen an der Wand des Entla dungsgefäßes etwa in Höhe einer ersten Elektrode zu schaffen, vorteilhaft in der Nähe der Elektrodenspitze oder im angrenzenden Bereich des Elektrodenschaftes. Dabei soll der direkte Abstand zwischen Zündelektrode und Elektrode wesentlich kleiner sein als der Abstand zwischen den beiden Elektroden im Entladungsvolu men.

Die Punktform schafft eine extrem starke Inhomogenität der elektrischen Feldstärke. Diese punktuelle Zündhilfe (Zündelektrode) ist mit der Zuleitung der anderen, zwei ten Elektrode verbunden.

Die äußere Zündelektrode kann außen am Entladungsgefäß zeitweilig oder auch permanent anliegen. Die Zündelektrode ist bei einseitig gesockelten Lampen am Gestell, das das Entladungsgefäß haltert, angebracht (angeschweißt) und berührt von dort ausgehend das Entladungsgefäß in der Nähe der ersten Elektrode, wäh rend das Gestell zur zweiten Elektrode führt.

Durch das Anliegen einer Zündhilfe am keramischen Entladungsgefäß wird eine kapazitive Teilentladung zwischen Zündhilfe und innenliegender Elektrode erzeugt. Aufgrund des kleineren geometrischen Abstandes zwischen der Zündhilfe und der innenliegenden Elektrode, verglichen mit dem Elektrodenabstand im Entladungs gefäß, sind die Zündbedingungen aufgrund der höheren elektrischen Feldstärke günstiger. Beschrieben wird dieser Zusammenhang durch das Paschen-Gesetz, wonach die Zündspannung U_z eine direkte Funktion des Kaltfülldrucks p (des Startgases) und des Elektrodenabstands d ist, also U_z = f (pxd).

Es bildet sich eine kapazitiv gekoppelte Hilfsentladung zur Wand des Entladungs gefäßes hin aus. Diese leistungsschwache Hilfsentladung erzeugt im Entladungs volumen, das mit Startgas in Form von Edelgas gefüllt ist (typisch Ar, Ar/Hg- Mischung, Xe) eine effiziente Vorionisierung des Startgases, so daß die Bedingun gen für eine Zündung zwischen den Elektroden wesentlich erleichtert werden. Wenn erst einmal eine Hilfsentladung erzeugt ist, bildet sich ein Gasdurchbruch zwischen den Elektroden schnell aus.

Es zeigt sich, daß die Zündelektrode selbst bei völlig Hg-freien Lampen mit hohem Metallhalogenidanteil (typisch 10 bis 250 µmol/cm³) die elektrische Feldstärke für die Zündung der Lampe wesentlich (typisch um 30%) herabsetzt.

Die Ausführungsform mit permanent anliegender Zündelektrode kann auch bei ke ramischen Metallhalogenidlampen mit Natrium als Füllungsbestandteil angewandt werden, ohne daß Natriumdiffusion durch die Wand des Entladungsgefäßes auftritt.

Bei Gefahr einer erhöhten Natriumdiffusion, z. B. auch bei Entladungsgefäßen aus Quarzglas, kann die Elektrode als dünner Bimetallstreifen ausgeführt sein, der sich bei Erwärmung im Betrieb vom Entladungsgefäß abhebt. Die Konstruktion ist insbe sondere auch hilfreich bei Lampen, bei denen auf einen Zusatz von radioaktiven Anteilen im Puffergas (Kr 85) verzichtet wird.

Eine permanent anliegende Zündelektrode erleichtert außerdem auch die Heißwie derzündung von keramischen Metallhalogenidlampen.

Eine zweite Ausführungsform verwendet eine flächige, streifenförmige Zündhilfe für ein ausgebauchtes Entladungsgefäß. Sie ist rein kapazitiv gekoppelt ohne Verbin dung zu einer Zuleitung für eine Elektrode. In dieser Ausführungsform ist die Zünd hilfe bogenförmig gekrümmt, indem der Zündstreifen achsparallel auf dem Entla dungsgefäß angebracht ist und zwar in dem Bereich, der ausgebaucht (elliptisch oder tonnenförmig etc.) ist. Vorteilhaft ist eine dünne (z. B. gedruckte) Leiterbahn (z. B. eine Mo/W-Al₂O₃-Cermet-Schicht) auf der Außenhaut des ausgebauchten ke ramischen Entladungsgefäßes aufgebracht, derart, daß sich beim Anlegen eines Zündspannungsimpulses kapazitiv gekoppelte Hilfsentladungen von beiden Lam penelektroden zur Wand des Entladungsgefäßes hin ausbilden und dadurch eine vorionisierende Hilfsentladung entsteht. Die bogenförmige Krümmung führt auch hier zu einer Inhomogenität des elektrischen Feldes und damit zu einer erleichterten Zündung.

Die Breite des Zündstreifens (in Form einer gedruckten Leiterbahn) wird dabei so schmal wie möglich gewählt, typisch ist 0,1 mm Breite. Die Länge ist so bemessen, daß die Zündbedingungen zwischen jeder Elektrode und dem Zündstreifen an der äußeren Wand des Entladungsgefäßes günstiger sind, als zwischen den Elektro den. Das bedeutet, daß die Lage und Länge des Zündstreifens so gewählt wird, daß die Summe der beiden Abstände zwischen jeweils einer innenliegenden Elek trode und dem Zündstreifen kleiner ist als der Elektrodenabstand innen.

Ein Vorteil dieser Anordnung ist dabei, daß keine zusätzliche Außenkonstruktion am Gestell notwendig ist. Weiterhin ist kein dauernder Kontakt zwischen Zündstreifen und Elektrode vorhanden, so daß die Gefahr möglicher Diffusionsprozesse durch die Wand des Entladungsgefäßes sehr klein ist. Dies ist wichtig bei natriumhaltiger Füllung.

Die erfindungsgemäße Zündhilfe ist einfach und kostengünstig herstellbar. Bei spielsweise läßt sich der Zündstreifen durch ein Siebdruck-, Dispenser- oder Stem peldruckverfahren herstellen.

Vorteilhaft wird als Material des Entladungsgefäßes Aluminiumoxid verwendet, das frei von Zusätzen an Yttrium- und Zirkonoxid ist. Diese Substanzen verhindern bei einer Natriumhochdrucklampe die Diffusion des Natriums. Sie verteuern und ver komplizieren jedoch die Herstellung. Dagegen ist ein Zusatz von MgO o. ä. er wünscht. Im allgemeinen sollte dessen Anteil unter 500 ppm liegen.

Figuren

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher er läutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Metallhalogenidlampe mit Zündhilfe in Seitenansicht, geschnit ten;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe.

Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist eine einseitig verschlossene Metallhalogenidlampe gezeigt. Ihr eine Längsachse definierendes zweiseitig verschlossenes Entladungsgefäß 1 ist rohr förmig mit konstantem Durchmesser und besteht aus Aluminiumoxid-Keramik mit 400 ppm MgO. Das Entladungsgefäß 1 kann jedoch auch ausgebaucht sein. Zwei Elektroden 2, 3 sind an den Enden des Entladungsgefäß in das Entladungsvolumen mittels Durchführungen 7, 9 axial eingeführt. Das Entladungsgefäß 1 ist von einem einseitig gesockelten Außenkolben 4 umgeben. Der Außenkolben 4 ist von einer Quetschung 5 verschlossen, in der zwei Molybdänfolien 10 vakuumdicht eingesch molzen sind. Eine erste kurze Stromzuführung 6 verbindet die Durchführung 7 am ersten Ende des Entladungsgefäßes mit der ersten Folie 10. Eine zweite Stromzuführung, die als massives Gestell 8 ausgebildet ist, führt von der zweiten Folie 10 an der Innenwand des Außenkolbens 4 entlang zur zweiten Durchführung 9. Die Füllung besteht aus Xenon mit 150 mbar Kaltfülldruck sowie den Halogeniden der Metalle Natrium, Thallium, Indium, Hafnium und eines oder mehrerer Lanthani de. Die Gesamtmenge an Metallhalogeniden beträgt ca. 30 mg/cm³ und entspricht etwa 130 µmol/cm³. Quecksilber wird nicht verwendet.

In Höhe der ersten Elektrode 2 ist außen am Entladungsgefäß 1 eine Zünd- Elektrode 11 angebracht. Sie ist ein Draht mit einem Durchmesser von 0,2 mm, der vom Gestell 8 sich quer zur Lampenachse bis zur äußeren Wand des Entladungs gefäßes 1 erstreckt. Die Zünd-Elektrode ist am Gestell 8 angeschweißt und besteht entweder aus dünnem Wolfram-Draht oder einem Bimetallstreifen. Vorteilhaft ist die Zünd-Elektrode 11 etwa 0,5 bis 1 mm vom Kopf der Elektrode 2 nach hinten ver setzt. Dies ist für bauchige oder elliptische Entladungsgefäße besonders empfeh lenswert, da dann der Abstand zum Elektrodenschaft geringer gehalten werden kann.

In Fig. 1 ist auch der wahrscheinliche Pfad der Entladung für die vorionisierende Hilfsentladung 12 eingezeichnet. Er erstreckt sich direkt von der Elektrode 2 zur Zündelektrode 11.

In Fig. 2 ist eine zweiseitig gesockelte Metallhalogenidlampe gezeigt. Das Entla dungsgefäß 14 entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei spiel. Jedoch ist das Entladungsgefäß in der Mitte elliptisch ausgebaucht (26), wo bei rohrförmige Endteile am Entladungsvolumen angesetzt sind. Der Außenkolben 15 ist zweiseitig durch Quetschungen 16 verschlossen. Jede Durchführung 17 ist direkt über eine kurze Stromzuführung 18a, 18b in Form einer Ausdehnungsschleife mit der Molybdänfolie 19 in der Quetschung 16 verbunden. Zusätzlich ist die erste Stromzuführung 18a, die zur ersten Elektrode 2 führt, über einen gewinkelten Stab 20 bis auf die Höhe der zweiten Elektrode 3 verlängert, wo eine Zünd-Elektrode 11 rechtwinkelig an den Stab 20 angesetzt ist und quer zur Lampenachse bis zur Au ßenwand des Entladungsgefäßes geführt ist.

In Fig. 3 ist ebenfalls eine zweiseitig gesockelte Metallhalogenidlampe gezeigt. Das Entladungsgefäß 14 entspricht weitestgehend dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel. Auch ist der Außenkolben 15 wieder zweiseitig durch Quet schungen 16 verschlossen. Jede der Durchführungen 17 ist direkt über eine kurze Stromzuführung 18 in Form einer Ausdehnungsschleife mit der Molybdänfolie 19 in der Quetschung 16 verbunden.

Zusätzlich erstreckt sich hier ein gebogener Zündstreifen 25 in etwa achsparallel als Leiterbahn über die Ausbauchung 26 des Entladungsgefäßes. Der Zündstreifen 25 endet jeweils etwa in Höhe der beiden Elektroden 2, 3 und hat keinen Kontakt zu den Stromzuführungen 18. Er ist also lediglich kapazitiv an die Stromzuführungen 18 gekoppelt. Der Zündstreifen hat eine Breite von 0,1 mm. Der Zündimpuls wird an die erste Elektrode 2 angelegt, während die zweite Elektrode 3 auf Nullpotential hegt.

Claims

1. Metallhalogenidlampe mit einem keramischen, rohrähnlichem Entladungsgefäß (1), das eine Längsachse definiert, und in dem zwei Elektroden (2, 3) einander gegen überliegen, wobei außen am Entladungsgefäß (1) eine elektrisch leitende Zündhilfe angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (11; 25) derart ausgebil det ist, daß sie eine inhomogene elektrische Feldstärke an mindestens einer Elek trode bewirkt.

2. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (11) in der Nähe einer ersten Elektrode (2) die Außenwand des Entladungsgefäßes (1) punktförmig kontaktiert.

3. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (11) mit der Zuleitung (8; 18) zur zweiten Elektrode (3) zumindest zeitweilig elek trisch leitend verbunden ist.

4. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entla dungsgefäß (24) in der Mitte ausgebaucht (26) ist.

5. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe bogenförmig gestaltet ist, indem sie als Zündstreifen (25) auf der Ausbauchung (26) achsparallel angebracht ist, wobei der Zündstreifen (25) sich zwischen den beiden Elektroden (2, 3) an der Außenwand des Entladungsgefäßes erstreckt.

6. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (25) rein kapazitiv an die Elektroden (2, 3) angekoppelt ist.

7. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung höchstens 1 mg/cm³ Quecksilber enthält.

8. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Entladungsgefäßes frei von Yttrium und Zirkon ist.

9. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung eine Menge an Metallhalogeniden enthält, die zwischen 10 und 250 µmol/cm³ liegt.

10. Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe ein Draht oder Metallstreifen oder ein aufgesinterter Zündstreifen ist.