DE3918839A1 - Entladungslampe hoher intensitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektrodenlose Entladungslampen hoher Intensität (abgekürzt "HID-Lampen") und mehr im besonderen neue Elektroden zum Initiieren einer Plasma-Entladung innerhalb des Bogenraumes der elektrodenlosen HID-Lampe.

Es ist bekannt, innerhalb des Kolbens einer HID-Lampe ein ring­ förmiges (toroidales) lichtemittierendes Plasma zu schaffen. Zur Aufrechterhaltung hängt das Induktions-Bogenplasma von einem solenoidalen, divergenzfreien elektrischen Feld ab, wobei dieses Feld durch das veränderliche Magnetfeld einer Anregungsspule geschaffen wird, die üblicherweise in Form eines Solenoids vor­ liegt. Es ist erforderlich, einen sehr hohen Gradienten des elektrischen Feldes über das Bogenrohr zu entwickeln, um die Plasma-Entladung zu zünden; es ist schwierig, einen ausreichend hohen Gradienten des elektrischen Feldes zu entwickeln, insbe­ sondere in der dazugehörigen Anregungsspule, da der Spulenstrom prohibitiv hoch sein kann, selbst wenn er nur auf einer Impuls­ basis fließt. Es mag jedoch unmöglich sein, einen sehr hohen Gradienten des elektrischen Feldes zu schaffen, weil das erfor­ derliche Feld pro Windung der Anregungsspule die elektrische Durchbruchsfestigkeit dieser Spule von Windung zu Windung über­ steigt. Es ist daher schwierig, eine Einrichtung zum Zünden induktionsbetriebener HID-Lampen zu schaffen, und es ist auch schwierig, das heiße Neuzünden dieser Art Lampe zu bewerkstel­ ligen.

Es ist daher in hohem Maße erwünscht, eine Einrichtung zum Zünden der Plasma-Entladung der HID-Lampe zu schaffen, wo­ bei diese Zündeinrichtung leicht mit im Handel erhältlichen Lampen unter den üblichen Umgebungsbedingungen benutzt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrodenlose Ent­ ladungslampe hoher Intensität mit einem Kolben innerhalb des Hohlraumes (der Bohrung) einer Anregungsspule geschaffen, wobei der Kolben im Inneren mit einem durch die Anregungsspule ange­ triebenen Entladungsplasma versehen werden soll und der Kolben darüber hinaus ein Paar von Zündelektroden aufweist, die jede entweder benachbart dem Kolben angeordnet sind oder durch eine dazugehörige eines gegenüberliegenden Paares von Oberflächen in den Kolben hineinführen. Das Koppeln eines Hochspannungs-Impul­ ses zwischen dem Paar von Zündelektroden verursacht das Erzeu­ gen eines elektrischen Feldes zwischen jeder Elektrode und der anderen der Elektroden oder der Anregungsspule, wobei dieses Feld eine Größe und Position hat, die ausreichen, im Material innerhalb des Lampenkolbens mindestens einen Funkenkanal zu verursachen, in dem das Plasma dann aufgrund des durch die An­ regungsspule bereitgestellten Normalfeldes gebildet werden kann.

Bei den derzeit bevorzugten Ausführungsformen sind die Zünd­ elektroden leitende Teile mit abgerundeten Enden, die axial längs der Achse eines im wesentlichen zylindrischen Lampenkol­ bens angeordnet sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lampe der oben genannten Art und insbesondere neue Zündelektroden für eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität zu schaf­ fen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer elektrodenlosen HID-Lampe und einer ersten Ausfüh­ rungsform von Zündelektroden dafür und

Fig. 2 eine andere teilweise geschnittene Seitenansicht einer elektrodenlosen HID-Lampe und einer zweiten Ausführungsform von Zündelektroden dafür.

In Fig. 1 ist eine Induktions- oder elektrodenlose Entladungs­ lampe hoher Intensität 10 gezeigt, die ein Entladungsrohr oder einen Kolben 11 umfaßt, der eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist und ein im wesentlichen gasförmiges Material 11 a einschließt, das ein Zündgas, wie Argon, Xenon usw. sowie ein Metallhalogenid, wie Natriumjodid usw., einschließt. Eine im wesentlichen ringförmige Plasma-Bogenentladung 12 wird durch ein elektrisches Feld innerhalb des Kolbens 11 aufrecht erhal­ ten, wobei das Feld durch eine Anregungsspule 14 erzeugt wird, die auf ein Hochfrequenz-Signal anspricht, das zwischen die gegenüberliegenden Spulenenden 14 a und 14 b gelegt wird. Der Kolben 11 ist mit seiner Achse allgemein längs der Achse der Spule 14 angeordnet.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Paar von Zündelektro­ den 16 a und 16 b geschaffen, die langgestreckte leitende Teile außerhalb der oberen und unteren Oberflächen 11 b und 11 c des Bogenrohres sind und sich axial zum Bogenkolben hin erstrecken und zwar im wesentlichen längs dessen Mittellinie. Eine Einrich­ tung 17 zur Abgabe von Hochspannungs-Impulsen legt eine Wechsel­ spannung an die außerhalb des Kolbens liegenden Elektroden 16 über dazugehörige Verbindungsmittel 17 a und 17 b zusammen mit der Anwendung der Hochfrequenz-Spannung an die Anregungsspule 14 an, um eine Zünd-Vorentladung 18 innerhalb des Kolbeninneren 11 a zu verursachen. Diese Zünd-Vorentladung bildet sogenannte "Funkenkanäle", die sich von einem Volumen benachbart dem abge­ rundeten Ende einer Zündelektrode zu einem Volumen benachbart dem abgerundeten Ende der anderen Zündelektrode erstrecken, wie einen ersten Funkenkanal 18 a, und sie schafft auch die gleichen Vorentladungs-Funkenkanäle innerhalb des Rohres 11 regellos von der Nähe jeder Zündelektrode zur Gesamtheit der Anregungsspulen- Windungen, so daß Zündkanäle 18 b von der Nähe der oberen Zünd­ elektrode 16 a zu den unteren Windungen der Anregungsspule 14 mit anderen Zündkanälen, die sich zu anderen Teilen der Anre­ gungsspule hin bilden, bis die obersten Zündkanäle 18 c von der oberen Zündelektrode 16 a zu den oberen Windungen der Anregungs­ spule gebildet werden. Gleichzeitig werden andere Zündkanäle 18 d von der Nähe der unteren Zündelektrode 16 b zu den oberen Teilen der Anregungsspule 14 mit anderen Kanälen 16 e von der unteren Zündelektrode 16 b zu den unteren Teilen der Anregungs­ spule 14 gebildet sowie weitere Kanäle zwischen den Kanälen 18 d und 18 e. Es ist ersichtlich, daß die Mehrzahl der Zündkanäle, d.h. Kanäle 18 b bis 18 e, die zwischen den Zündelektroden und der Anregungsspule 14 gebildet werden, Funkenentladungen innerhalb des Bogenrohr-Volumens hervorbringen, das im wesentlichen mit dem ringförmigen Bogenplasma 12 gefüllt ist, wobei das Plasma auf die Hochfrequenz-Wechselspannung anspricht, die von der Einrichtung 17 an die Elektroden 16 gelegt wird. Haben die Fun­ kenentladungen 18 eine ausreichende Größe, dann wird etwas Plasma gebildet und diffundiert in den ringförmigen Pfad des erwünsch­ ten Bogens, wobei dieses diffundierende Plasma zu der erwünsch­ ten ringförmigen Entladung 12 zündet. Es wurde festgestellt, daß höhere Frequenzen im Bereich der Hochfrequenz, die durch die Zünd-Leistungszuführung 17 geliefert werden, zu breiteren Funkenkanälen 18 führen,was hilfreich bei der Einrichtung des Plasmas 12 sein kann.

Fig. 2 zeigt eine andere derzeit bevorzugte Ausführungsform, nämlich eine Lampe 10′ mit einem Kolben 11′, der axial im we­ sentlichen längs der Achse der Anregungsspule 14 angeordnet ist. Das Bogenrohr 11′ ist mit im Inneren liegenden gegenüberstehen­ den Zündelektroden 20 versehen. Eine erste, obere Zündelektrode 20 a hat ein abgerundetes bzw. kolbenförmiges oder ähnlich aus­ gebildetes Ende 22, und ein Elektrodenabschnitt 20 c, der durch einen Teil 11′d der oberen Wandung 11′b des Bogenrohres hin­ durchgeht ist in einer gasdichten Weise darin abgedichtet. In ähnlicher Weise hat eine zweite, untere Zündelektrode 20 b ein im wesentlichen abgerundetes Ende 22, und es weist einen Ab­ schnitt 20 d auf, der durch die untere Wandung 11′d hindurch­ geht und darin in einer gasdichten Weise abgedichtet ist. Die inneren Zündelektroden 20 sind mit einer geeigneten Impulsein­ richtung 17′ für hohe Spannung und hohe Frequenz verbunden, wo­ bei diese Einrichtung eine Ausgangsleitung 17 c auf hohem Poten­ tial mit bezug auf eine übliche Schaltungspotential-Verbindung 17 d haben kann und die Leitung 17 c mit dem Zuleitungsabschnitt 20 a der ersten Zündelektrode verbunden ist, während die andere Zündelektrode 20 b mit einem üblichen Schaltungspotential verbun­ den ist, um die Hochspannungs-Zündschaltung zu vervollständigen. Der Betrieb der inneren Zündelektroden 20 ist ähnlich dem Be­ trieb zum Zünden der Bogenentladung 12 mit den außerhalb des Rohres befindlichen Zündelektroden 16, obwohl hier keine Abhän­ gigkeit von Verschiebungsströmen besteht, die durch das Dielek­ trikum der oberen und unteren Wandungen 11 b und 11 c des Bogen­ rohres hindurchgehen, wie dies bei der Konfiguration mit äußeren Elektroden nach Fig. 1 der Fall ist, so daß der Zündstrom in der Ausführungsform der Fig. 2 im allgemeinen höher sein kann. Dies führt nicht nur zu einer stärkeren Funken­ entladung und einer größeren Wahrscheinlichkeit des Zündens der Hauptentladung, sondern gestattet auch die sorgfältige Bei­ behaltung der Trennung der Zündelektroden, da das Zünden inner­ halb des Kolbens und nicht durch eine Einrichtung außerhalb des Kolbens erfolgt.

Der Gebrauch der Zündelektroden 16 oder 20 gestattet einen sehr großen Zündstrom (von bis zu 100 A oder mehr) für eine kurze Zeitdauer durch die Impulseinrichtung 17, und dies gleichzeitig mit der Einführung des Hochfrequenz-Anregungssignals in die Spule 14. Der Betrieb des Bogenrohres 11 ähnelt somit dem Be­ trieb einer Blitzlampe, in der eine Entladung als Funkenkanal beginnt, sich zu einer radial ausdehnenden Bogensäule vergrößert und sich zu dem Volumen bewegt, wo der Hauptbogenring schließ­ lich gebildet wird. Die radiale Plasma-Ausdehnung kann relativ rasch sein und erzeugt eine Schockwelle, die in ihrem Sog die Elektronendichte bei einem ausreichend hohen Wert zurückläßt, um den solenoidalen Bogen zu zünden. Der Gebrauch der Zündelek­ troden gestattet sowohl das kalte Zünden eines HID-Bogens hohen Druckes, wie in einer Lampe mit Xenon als Puffergas (bei einem Druck von mindestens 26600 Pa) als auch das warme Neuzünden von Lampen, wie solcher, die Quecksilber als Puffergas benutzen, unmittelbar nachdem eine solche Lampe erloschen ist. Die Zünd­ elektroden 16 und 20 werden im allgemeinen ausreichend dünn ge­ fertigt für die solenoidale Entladung, daß sie durch das Haupt­ induktionsfeld, das durch die Anregungsspule 14 geliefert wird, nicht zu stark erwärmt werden. Die Zündelektroden 20 dringen daher in den meisten Fällen nur für eine kurze Distanz in den Bogenraum ein und beeinträchtigen die elektrischen Funktionen des Hauptbogens nicht. Normalerweise werden die Zündelektroden aus Wolfram hergestellt, doch können auch andere Materialien benutzt werden. Das Material der Zündelektroden sollte so aus­ gewählt sein, daß eine starke Reaktion mit den Bogenbestandtei­ len, die von einer chemisch reaktionsfähigen Art sein können (wie Chlor usw.) vermieden wird, obwohl es erwartet wird, daß die Zündelektroden während des Normalbetriebes nicht heiß ge­ nug werden, um in nachteiliger Weise mit den Bogenbestandteilen zu reagieren. Doch sollten die Zündelektroden ausreichend Masse haben, um zu gestatten, daß sie Zündströme von bis zu 100 A oder mehr tragen können, die für das richtige Zünden einer Ent­ ladung mit einem kurzzeitigen Impuls von vielleicht wenigen Mikrosekunden erwartet werden.

Claims (14)

1. Entladungslampe hoher Intensität, umfassend:
einen Kolben zum Anordnen innerhalb eines Hohlraumes einer Anregungsspule, wobei der Kolben eine auf das Feld der Anregungsspule ansprechende Einrichtung zum Unterstützen eines Entladungsplasmas enthält und
eine Zündelektrodeneinrichtung zur Aufnahme eines Zünd­ signal-Impulses zur Schaffung mindestens eines Funken­ kanals innerhalb des Kolbens um die Initiierung des Entladungsplasmas zumindest zu unterstützen, wenn das Zündimpuls-Signal empfangen wird.

2. Lampe nach Anspruch 1, worin der Kolben gegenüberlie­ gende erste und zweite Oberflächen aufweist und die Zündelektroden-Einrichtung einschließt: eine erste leitende Elektrode, die bezüglich des Kolbens gänz­ lich jenseits der ersten Oberfläche und benachbart zu dieser ersten Oberfläche liegt und eine zweite leiten­ de Elektrode, die mit Bezug auf den Kolben gänzlich jenseits der zweiten Oberfläche und benachbart dieser zweiten Oberfläche liegt.

3. Lampe nach Anspruch 2, worin mindestens eine der ersten und zweiten Elektroden in einer Richtung weg von dem Kolben langgestreckt ist.

4. Lampe nach Anspruch 3, worin der Kolben eine Symmetrie­ achse hat und die langgestreckte Elektrode im wesent­ lichen längs dieser Achse ausgerichtet ist.

5. Lampe nach Anspruch 3, worin jede der Elektroden in einer Richtung weg von dem Kolben und entgegengesetzt zueinander langgestreckt ist.

6. Lampe nach Anspruch 5, worin der Kolben eine Symmetrie­ achse hat und jede der langgestreckten Elektroden im wesentlichen längs dieser Achse ausgerichtet ist.

7. Lampe nach Anspruch 5, worin jede der langgestreckten Elektroden ein allgemein abgerundetes Ende nächst dem Kolben hat.

8. Lampe nach Anspruch 3, worin jede der mindestens einen langgestreckten Elektroden ein allgemein abgerundetes Ende nächst dem Kolben hat.

9. Lampe nach Anspruch 1, worin der Kolben erste und zwei­ te gegenüberliegende Oberflächen aufweist und die Zünd­ elektroden-Einrichtung einschließt: eine langgestreck­ te erste leitende Elektrode, die sich von außerhalb dem Kolben durch die erste Oberfläche in das Innere des Kolbens erstreckt und eine langgestreckte zweite leitende Elektrode, die sich von außerhalb des Kolbens durch die zweite Oberfläche in das Innere des Kolbens erstreckt.

10. Lampe nach Anspruch 9, worin der Kolben eine Symmetrie­ achse hat und die langgestreckten Elektroden im wesent­ lichen längs dieser Achse ausgerichtet sind.

11. Lampe nach Anspruch 10, worin jede der Elektroden in einer Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zur Längsrichtung der anderen Elektrode und weg vom Kolben langgestreckt ist.

12. Lampe nach Anspruch 11, worin jede der langgestreck­ ten Elektroden ein verdicktes Ende innerhalb des Kol­ bens hat.

13. Lampe nach Anspruch 11, worin jede der langgestreck­ ten Elektroden einen mittleren Abschnitt hat, der in einer gasdichten Weise durch die dazugehörige Ober­ fläche geführt ist.

14. Lampe nach Anspruch 9, worin mindestens der Teil jeder Elektrode innerhalb des Kolbens aus einem Material hergestellt ist, das durch die die Entladung unter­ stützende Einrichtung im wesentlichen unbeeinflußt bleibt.