DE69720184T2 - Seriengeschaltete hochdruck-bogenentladungslampe mit einer vereinfachten zündhilfevorrichtung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckentladungslampe mit einem ersten und einem zweiten Entladungselement, welche mit einem äußeren Kolben elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Entladungselement ein Entladungsgefäß mit einem Entladungsraum und einer ionisierbaren Füllung, eine erste und eine zweite Entladungselektrodenanordnung in dem Entladungsraum, welche jeweils einen Elektrodenteil, auf welchem bei normalem Lampenbetrieb eine Entladung endet, und einen Stromleiterteil, welcher sich bis zu der Außenseite des Entladungsgefäßes erstreckt, sowie Mittel aufweist, um die erste Elektrodenanordnung jedes Entladungselements mit einer Spannungsquelle außerhalb der Lampenummantelung elektrisch zu verbinden, und einer Zündhilfe, welche die Zündung der Entladungselemente ermöglicht.
• Eine solche Lampe ist aus U.S.-Patent 4 751 432 (Van Delm) bekannt.
• Hochdruckentladungslampen können in Reihe geschaltete Entladungselemente aufweisen, welche innerhalb einer einzelnen Lampenummantelung vorgesehen sind, um die Gesamtgröße der Lampe zu reduzieren oder ein Mischlicht zu erhalten. Das Lichtverhalten und die verbrauchte Leistung eines Hochdruckentladungselements sind proportional zu der physikalischen Trennung zwischen den Entladungselektroden und folglich der Gesamtlänge der Entladungselemente. Für hohe Leistungen ausgelegte Lampen mit einer einzelnen Bogenentladungsröhre weisen daher eine große Gesamtlänge auf, welche sowohl vom optischen Standpunkt aus als auch im Hinblick auf Kosten und Verarbeitung im Allgemeinen nicht wünschenswert ist. Die Gesamtlänge der Lampe kann durch Anordnen von zwei Entladungselementen innerhalb einer äußeren Ummantelung, welche jeweils mit der Hälfte der gewünschten Gesamtleistung betrieben werden, signifikant reduziert werden. Es wurden ebenfalls zwei Entladungselemente verwendet, welche unterschiedliche Spektren emittieren, um ein verbessertes Mischlichtspektrum zu erhalten, welches von diesem beider Elemente allein abweicht.
• Ein Hochdruck-Bogenentladungselement wird gezündet, indem an die Entladungselektroden ein Zündimpuls mit einer vorgeschriebenen Spannung und Bandbreite angelegt wird. Dieses erfolgt typischerweise mit Hilfe eines externen Zündelements in einem Vorschaltgerät, welches in einem Beleuchtungsstativ vorgesehen ist. Die (der) Zündimpuls(e) werden (wird) durch den Lampensockel, gewöhnlich in Form eines Gewindesockels, zugeführt. Eine zuverlässige Zündung solcher Entladungslampen ist häufig ein Problem, da die multiplen Entladungselemente die Zündcharakteristiken voneinander beeinträchtigen, wobei im Allgemeinen ein Zündimpuls mit einer wesentlich höheren Energie als dieser, welche ein Entladungselement der gleichen Gesamtleistung in Watt zuverlässig zündet, erforderlich ist. Jedoch geben Sicherheitsbedingungen eine obere Grenze für die Spannung des durch den Lampensockel zugeführten Zündimpulses vor. Außerdem erlaubt es die kommerzielle Realisierbarkeit einem Lampenkonstrukteur nicht, eine Lampe auf den Markt zu bringen, für welche ein eigenes, spezielles Vorschaltgerät und/oder Zündelement erforderlich sind. Vielmehr werden HID-Lampen mit multiplen Entladungselementen, welche für eine bestimmte Gesamtleistung in Watt ausgelegt sind, mit vorhandenen Vorschaltgeräten betrieben, welche so konstruiert sind, dass sie eine Lampe mit einem einzelnen Entladungselement entsprechender Bemessungsleistung betreiben.
• Das oben erwähnte Patent offenbart eine Zündhilfe, welche die beiden Entladungselemente sequentiell zündet. Die Zündhilfe ist durch einen Bimetallschalter dargestellt, welcher eines der Entladungselemente kurzschließt, um zu ermöglichen, dass der Zündimpuls anfangs lediglich an ein Element angelegt wird. Nachdem das eine Element gezündet wurde und eine Bogenentladung unterstützt, bewirkt die sich ergebende Wärme, dass sich der Bimetallschalter öffnet. Dadurch kann der Zündimpuls sowohl an das erste als auch das zweite Entladungselement angelegt werden. Da die Impedanz an dem bereits glühenden Entladungselement niedrig ist, erkennt das zweite Entladungselement im Prinzip die gesamte Energie des Zündimpulses, wodurch eine zuverlässige Zündung vorgesehen wird. Nachteil dieser Ausführung ist die lange Verzögerung der Zündung des zweiten Entladungselements auf Grund der Zeit, die das erste Entladungselement benötigt, um den Bimetallschalter auf seine Öffnungstemperatur zu erwärmen, welche sich in der Größenordnung von etwa 1-2 Minuten bewegt. Darüber hinaus sind Bimetallschalter schwer zu installieren, wobei gewöhnlich Handmontage und/oder Handeinstellung erforderlich sind.
• Infolgedessen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vereinfachte Zündhilfe für zwei in Reihe geschaltete Entladungselemente vorzusehen. Diese Aufgabe wird insofern erfüllt, als eine Lampe der in dem einleitenden Absatz beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet ist, dass:
• die Zündhilfe durch ein leitendes Element gebildet wird, welches einen ersten Wandabschnitt jedes der Entladungsgefäße überbrückt, wobei der erste Wandabschnitt von der ersten Entladungselektrodenanordnung beabstandet ist und dazwischen ein ionisierbarer Zwischenraum definiert wird.
• Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass ein Zündimpuls durch die Zündhilfe zwischen den ersten Elektrodenanordnungen kapazitiv gekoppelt wird, wodurch in dem Ionisationszwischenraum zwischen der ersten Elektrodenanordnung und dem ersten Wandabschnitt von mindestens einem der Entladungselemente eine Ionisation induziert wird.
• Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Entladungsgefäße keramisch, wobei jedes eine zentrale Zone aufweist, welche sich zwischen jedem der Elektrodenabschnitte und einer, mit der zentralen Zone in Verbindung stehenden Endzone erstreckt. Die Endzone sieht den ersten Wandabschnitt vor, umgibt die jeweilige erste Entladungselektrodenanordnung und weist einen größten Außendurchmesser auf, welcher kleiner als der kleinste Außendurchmesser der zentralen Zone ist. Die Verwendung einer solchen Endzone mit kleinem Durchmesser ermöglicht einen engen Abstand zwischen dem leitenden Element und der Elektrodenanordnung, um eine Iionisation der zwischen dem ersten Wandabschnitt der Endzone und der Elektrodenanordnung vorhandenen Füllung zu ermöglichen. Im Gegensatz zu Quarzglas ermöglicht die Verwendung eines keramischen Materials ein Entladungsgefäß mit einer Endzone kleinen Durchmessers und eine zentrale Zone größeren Durchmessers. Eine wesentlich engere Toleranz des Abstands zwischen der Elektrodenanordnung und der benachbarten Wand ist ebenfalls mit einem keramischen statt einem Quarzglas-Entladungsgefäß möglich. In einem Ausführungsbeispiel weist das leitende Element einen maximalen Abstand von den Entladungselektroden von etwa 0,9 mm auf.
• Eine einfache, preisgünstige Ausführung wird erhalten, wenn das leitende Element aus einer Leitungsmateriallänge, wie z. B. einem Draht- oder Blechstreifen, mit Endabschnitten, welche mit jedem ersten Wandabschnitt der Entladungselemente im Eingriff sind, besteht. Vorteilhafterweise weist das leitende Element Endabschnitte auf, welche jeweils um einen jeweiligen ersten Wandabschnitt gebogen sind, um das leitende Element an jedem Entladungselement mechanisch zu befestigen. Auf diese Weise sind keine zusätzlichen Befestigungselemente erforderlich.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 - eine Seitenansicht einer Hochdruckentladungslampe, welche ein Paar elektrisch in Reihe geschaltete Entladungselemente und ein leitendes Überbrückungselement aufweist;
• Fig. 2 - einen Querschnitt der Bogenentladungsröhre, welcher einen Ionisationszwischenraum zwischen der Elektrodenanordnung und dem Überbrückungselement darstellt; sowie
• Fig. 3 - eine perspektivische Ansicht des Überbrückungselements und eines Entladungselements.
• Fig. 1 zeigt eine Metallhalogen-Hochdruckentladungslampe mit einem ersten und zweiten Entladungselement 2, 3, welche innerhalb eines äußeren Kolbens bzw. einer Lampenummantelung 1 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Entladungselemente sind nominell identisch. Fig. 2 zeigt weiterhin das Entladungselement 3, welches ein Entladungsgefäß 30 mit einem Entladungsraum 11 und einer ionisierbaren Quecksilberfüllung, einem Metallhalogenid und einem Edelgas aufweist. Das Entladungsgefäß 30 sieht eine kreisförmige, zylindrische Wand 31 mit Endwänden 32, 33 vor, welche zusammen eine zentrale Zone des Entladungsgefäßes definieren. Die kreisförmigen, zylindrischen Wände 34, 35 definieren eine erste und eine zweite Endzone, welche mit der zentralen Zone in Verbindung stehen und eine jeweilige erste und zweite Entladungselektrodenanordnung 4, 5 enthalten. Die erste Endzone 34 sieht einen ersten Wandabschnitt 340 vor. Jede Endzone weist einen größten Außendurchmesser "de" auf, welcher kleiner als der kleinste Außendurchmesser "dc" der zentralen Zone ist. Die Wände 31-35 sind keramisch. Unter "keramisch", wie hier verwendet, wird ein Feuerfestmaterial, wie z. B. monokristallines Metalloxid (zum Beispiel Saphir), polykristallines Metalloxid (zum Beispiel polykristallines, dicht gesintertes Aluminiumoxid, Yttriumaluminiumgranat oder Yttriumoxid) sowie polykristallines, nicht oxidisches Material (zum Beispiel Aluminiumnitrid) verstanden. Solche Materialien gestatten hohe Wandtemperaturen bis 1500-1600 K und sind in zufriedenstellendem Maße gegen chemische Einwirkungen durch Halogenide und Na beständig.
• Jede Entladungselektrodenanordnung 4, 5 weist (i) einen Elektrodenteil mit einem Elektrodenstift 4a, 5a und einer Wicklung 4b, 5b, auf welcher bei normalem Lampenbetrieb eine Entladung endet, sowie (ii) einen Stromleiterteil auf, welcher sicher bis zu der Außenseite des Entladungsgefäßes erstreckt. Jeder Stromleiterteil weist einen ersten, halogenidbeständigen Teil 41, 51, welcher zum Beispiel aus Molybdän besteht, sowie einen zweiten Teil 40, 50 auf, welcher mit Hilfe einer keramischen Fritte 10 gegen die jeweilige Wand 34, 35 gasundurchlässig abgedichtet ist. Die zweiten Teile 40, 50 bestehen aus leitendem Material, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der diesem der keramischen Wand, zum Beispiel Niobium, ähnlich ist. Das Entladungselement wird in U.S.-Patent 5 424 609 weiter beschrieben.
• Ein leitfähiger Rahmen trägt die Entladungselemente innerhalb der äußeren Lampenummantelung (Fig. 1). Der Rahmen weist einen ersten und einen zweiten, leitenden, sich von dem Lampenfuß 14 erstreckenden Trägerstab 12, 13 auf, welche jeweils mit einem Lampenkontakt auf dem Lampensockel 15 auf bekannte Weise verbunden sind. Jeweilige C-förmige Anschlussteile 16, 17 verbinden jede der ersten Elektrodenanordnungen 4 mit einem jeweiligen ersten und zweiten Trägerstab 12, 13 und folglich mit einer, an den Kontakten an dem Lampensockel 15 vorgesehenen Spannungsquelle. Die Anschlussteile 16, 17, der erste und zweite Trägerstab 12, 13 und die Lampe 14 bilden zusammen Mittel, um die erste Elektrodenanordnung jedes Entladungselements mit einer Spannungsquelle außerhalb der Lampenummantelung elektrisch zu verbinden. Die zweiten Elektrodenanordnungen 5 sind über die leitende Querstrebe 18 in Reihe geschaltet. Zwischen der Querstrebe und dem oberen Ende des Trägerstabs 12 ist eine isolierfähige Halterung 19 vorgesehen, um den Entladungsgefäßen einen weiteren mechanischen Halt zu verleihen.
• Ein leitendes Überbrückungselement 20, welches eine Zündhilfe in Form eines planaren Metallbandes bildet, überbrückt die, die Elektrodenanordnungen 4 umgebenden, beiden Entladungselemente. Wie in Fig. 3 dargestellt, weist das Band gegenüberliegende Endabschnitte 20a, 20b auf, die jeweils um eine erste Endzone gebogen sind, um das Band an den Entladungselementen auf einfache Weise mechanisch zu sichern. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden die sich ergebenden, schleifenförmigen Endabschnitte zusammengeschweißt und die verbliebenen Bänder auf den Endabschnitten angebracht. Alternativ könnte das Band aus einem Metall mit Formerinnerungsvermögen gefertigt sein, welches seine Form beibehält, um das Band trotz des großen Temperaturunterschieds zwischen dem "Ein"- und "Aus"-Zustand der Lampe auf den Entladungselementen zu halten.
• Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt, liegt das Band gegen den Wandabschnitt 340 der Wand 34 jedes Entladungsgefäßes in der ersten Endzone an, wobei der Wandabschnitt durch einen Bereich dargestellt ist, welcher unmittelbar in Angrenzung an die Endwände 32 vorgesehen ist. In diesem Bereich ist die Elektrodenanordnung, im Besonderen der halogenidbeständige Teil 41, durch einen Abstand "S" von der Innenfläche dieses Wandabschnitts beabstandet. Da die Endzone mit der zentralen Zone in Verbindung steht, ist die ionisierbare Füllung in dem Raum zwischen der Elektrodenanordnung und der Wand, welcher einen ionisierbaren Zwischenraum bildet, vorhanden. Die Wand weist eine Dicke "t" auf, so dass das Band von der Elektrodenanordnung durch einen Gesamtabstand D = S + t beabstandet ist. Der Abstand D wird so gewählt, dass bei Anlegen eines vorgegebenen Zündimpulses an die ersten Entladungselektrodenanordnungen 4 (über Lampensockel 15 und leitende Träger 12, 13) das leitende Element 20 die ersten Entladungselektrodenanordnungen 4 kapazitiv aneinander koppelt und eine Ionisation in dem ionisierbaren Zwischenraum eines der Entladungselemente induziert. Die Ionisation sieht Protonen vor, um eine anfängliche Elektronenemission von der Elektrode sicherzustellen. Dieses führt zu einem weiteren Durchbruch der ionisierbaren Füllung, welcher in einer, zwischen den Entladungselektroden des Entladungselements aufrechterhaltenen Gasentladung resultiert. Sobald eine Gasentladung unterstützt wird, wird die Impedanz des Entladungselements drastisch reduziert, so dass das weitere Entladungselement die gesamte Energie der nachfolgenden Zündimpulse erkennt. Infolgedessen werden die Entladungselemente sequentiell und zuverlässig gezündet.
• Der vorgegebene Zündimpuls, für den eine Lampe ausgelegt ist, ändert sich je nach Wattzahl und Art einer Lampe. Der Zündimpuls ist durch die Maximalspannung, welche der Lampensockel und Rahmen ohne Lichtbogenbildung aufnehmen können, in der Höhe begrenzt. Der Zündimpuls ist typischerweise ebenfalls auf diesen begrenzt, welcher von handelsüblichen Zündelementen/Vorschaltgeräten, mit denen die Lampe verwendet wird, abgegeben wird.
• In einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden die Entladungsgefäßwände aus polykristallinem, dicht gesintertem Aluminiumoxid hergestellt. Elektrodenstifte und Wicklung wurden aus Wolfram und frei von Emissionsquellen gefertigt. Jedes Entladungselement wies eine Nennleistung von 100 W auf. Die Füllung des Entladungsgefäßes setzte sich aus 6,7 mg Hg und 7 mg der Metallhalogenide Natriumio¬ did/Thalliumiodid/Dysprosiumiodid in einem Gewichtsverhältnis von 91 : 8 : 1 sowie Argon als Zündgas bei 27 kPa (200 Torr) Kaltdruck zusammen. Jedes Entladungsgefäß wies einen Innendurchmesser von 7,2 mm und eine Innenlänge von 10 mm auf. Die Breite S des ionisierbaren Zwischenraums betrug 35 um, und die Wandstärke t von Wand 34 betrug 850 um., wodurch ein Gesamtabstand D von etwa 0,9 mm zwischen der Elektrodenanordnung und dem leitenden Überbrückungselement vorgesehen wurde.
• Ein Vergleichstest wurde zwischen sechs der oben beschriebenen Lampen und zehn anderweitig identischer Lampen ohne das leitende Band 20 durchgeführt. Die Lampen wurden in einer dunklen Umgebung mit einem 100 W Metallhalogen- Vorschaltgerät (Fabrikat Advance Transformer) betrieben, wobei das Zündelement des Vorschaltgeräts durch den ANSI-Standardimpulsgeneratorkreis (Typ Velonix 350 Hochspannungsimpulsgenerator oder ein Äquivalent) entsprechend dem ANSI-Standard:
• C78.387-1995 für Metallhalogenlampen ersetzt wurde. Die Impulsbreite betrug 1 us, und der Impuls wurde in seiner Amplitude erhöht, bis eine Zündung der Lampe erfolgte. Das ANSI-vorgegebene Maximum beträgt 4000 V für die Impulsamplitude. Sämtliche Lampen mit dem leitenden Band 20 zündeten in dem Spannungsbereich von 2400 bis 2800 V, wobei der Durchschnitt bei 2600 V lag. Lampen ohne die Zündhilfe würden nur unregelmäßig gezündet, in sämtlichen Fällen über 3500 V und typischerweise nicht unterhalb des ANSI- vorgegebenen Maximums von 4000 V.

Claims (6)

1. Hochdruckentladungslampe mit einem äußeren Kolben (1), einem ersten und einem zweiten Entladungselement (2, 3) innerhalb des äußeren Kolbens, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jedes Entladungselement ein Entladungsgefäß (30) mit einem Entladungsraum (11) und einer ionisierbaren Füllung, eine erste und eine zweite Entladungselektrodenanordnung (4, 5) in dem Entladungsraum, welche jeweils einen Elektrodenteil (4a, 4b, 5a, 5b), auf welchem bei normalem Lampenbetrieb eine Entladung endet, und einen Stromleiterteil (40, 41, 50, 51), welcher sich bis zu der Außenseite des Entladungsgefäßes erstreckt, sowie Mittel (16, 12, 17, 13, 15) aufweist, um die erste Elektrodenanordnung jedes Entladungselements mit einer Spannungsquelle außerhalb der Lampenummantelung elektrisch zu verbinden, und einer Zündhilfe innerhalb des äußeren Kolbens, welche bei Anlegen eines Zündimpulses an die Entladungslampe die Zündung der Entladungselemente ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass

die Zündhilfe durch ein leitendes Element (20) gebildet wird, welches einen ersten Wandabschnitt (340) jedes der Entladungsgefäße (2, 3) überbrückt, wobei der erste Wandabschnitt von der ersten Entladungselektrodenanordnung (4) beabstandet ist und dazwischen ein ionisierbarer Zwischenraum (S) definiert wird.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, wobei jedes der Entladungselemente (2, 3) ein keramisches Entladungsgefäß (30) aufweist, welches eine zentrale Zone (31) vorsieht, die sich zwischen den Elektrodenabschnitten und einer Endzone (34), welche mit der zentralen Zone in Verbindung steht, erstreckt, wobei die Endzone den ersten Wandabschnitt (340) aufweist und die erste Entladungselektrodenanordnung umgibt, wobei die Endzone einen größten Außendurchmesser aufweist, welcher kleiner als der kleinste Außendurchmesser der zentralen Zone ist.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das leitende Element (20) einen Abstand D von etwa 0,9 mm von der ersten Entladungselektrodenanordnung (4) aufweist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Element (20) aus einer planaren Metallbandlänge besteht und Endabschnitte aufweist, welche mit dem ersten Wandabschnitt (340) jedes Entladungsgefäßes im Eingriff sind.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, wobei die planare Metallbandlänge um jeden der Wandabschnitte gebogen ist, um den Draht an den Entladungsele¬ menten mechanisch zu befestigen.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die ionisierbare Füllung Quecksilber, ein Metallhalogenid und ein Edelgas enthält.