DE3907056A1 - Elektrodenlose entladungslampe hoher intensitaet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Entladungslampen hoher Intensi­ tät (HID-Lampen), und mehr im besonderen bezieht sie sich auf eine elektrodenlose HID-Lampe bzw. eine HID-Lampe mit quellen­ freiem elektrischem Feld, das eine bei hoher Temperatur be­ ständige Anregungsspule benutzt.

Bei einer elektrodenlosen HID-Lampe wird eine lichtemittierende ringförmige Bogenentladung in einem gas- oder plasmahaltigen Entladungsrohr durch einen hochfrequenten elektrischen Strom in einer das Rohr umgebenden Anregungsspule induziert. Es sind hohe Temperaturen (mehr als 1000°C) in dem Entladungsrohr er­ forderlich, um das Kondensieren des Gases zu verhindern, doch darf die Spule nicht Temperaturen ausgesetzt werden, die sich ihrem Schmelzpunkt nähern. Induktionsspulen früherer HID-Lampen, die üblicherweise aus Kupfer hergestellt sind, dürfen Tempe­ raturen von mehr als etwa 200°C oberhalb Raumtemperatur nicht ausgesetzt werden, um zu große Widerstandsverluste in der Spu­ le und eine Oxidation der Spule in der umgebenden Luft zu ver­ hindern. Dies erreicht man durch Kühlen der Spule. Das Kühlen ist bei einer handelsüblichen Lampe, die hinsichtlich der Ko­ sten, Größe und der Leistungsaufnahme gewissen Beschränkungen unterliegt, schwierig auszuführen. Auch erfordert eine Kühl­ spule eine angemessene Isolation zwischen dem Entladungsrohr und der Spule, weil sonst die Wärmebelastung der Spule zu stark wird und die Temperatur des Entladungsrohres unter etwa 1000°C fällt, wobei die Dämpfe im Entladungsrohr kondensieren. Die Induktionsspule der HID-Lampe nach dem Stande der Technik ist daher außerhalb des Lampenkolbens angeordnet, und der Kolben ist durch eine Isolationsschicht vom Entladungs- bzw. Bogen­ rohr getrennt. Diese Zwischen-Isolierschichten führen zu effek­ tiven Spulendurchmessern, die sehr viel größer sind als der Bogendurchmesser, was eine schlechte Kopplung und hohe Spulen­ ströme verursacht, die zu hohen Energieverlusten in der Spule und dem Energie liefernden Vorschaltgerät führen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrodenlose HID-Lampe mit einer Anregungsspule zu schaffen, die bei der hohen Temperatur des Entladungsrohres betrieben werden kann, ohne daß zu große Leistungsverluste aufgrund des Widerstandes auftreten. Weiter soll die zu schaffende HID-Lampe keine separate Kühlung erfordern. Auch soll die Lampe minimale Strom- und Spannungsanforderungen haben. Schließlich soll die zu schaffende HID-Lampe mit einer Anregungsspule versehen sein, die innerhalb des Glaskolbens der Lampe angeordnet ist.

Die elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität gemäß der vorliegenden Erfindung schließt einen Außenkolben ein, der ein Bogenrohr umgibt, das ein Füllmaterial enthält, das bei Anre­ gung ein lichtemittierendes Plasma bilden kann. Eine Anregungs­ spule, die das Rohr umgibt, induziert darin ein magnetisches Feld, das in Wechselwirkung mit der Füllung tritt und eine lichtemittierende, ringförmige Bogenentladung bildet. Die An­ regungsspule ist so ausgeführt, daß sie das von der ringförmi­ gen Entladung emittierte Licht nur minimal blockiert, während die magnetische Flußkopplung zwischen der Spule und der Bogen­ entladung optimiert wird. Die vorliegende Erfindung minimiert Leistungsverluste durch Widerstand in der Spule und minimiert folglich Leistungsverluste durch Widerstand in der Lampe.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung ist die Anregungsspule direkt auf und um das Entladungs­ rohr herum gewickelt und besteht aus einem Leiter mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche. Indem man ein hochschmel­ zendes, einen geringen spezifischen Widerstand und einen ge­ ringen Dampfdruck aufweisendes Metall für den Leiter benutzt, ist für die Spule kein separates Kühlen erforderlich. Durch Anordnen der Spule in großer Nähe zum Entladungsrohr kann der Spulendurchmesser klein gemacht werden, was die Leistungsver­ luste in der Spule und somit in der Lampe minimiert.

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

Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführungsform einer elektro­ denlosen HID-Lampe nach dem Stande der Technik mit einer äußeren sanduhrförmigen Anregungsspule und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer neuen und verbesser­ ten elektrodenlosen HID-Lampe mit einer bei hoher Temperatur beständigen Anregungsspule, die direkt auf das Entladungsrohr der Lampe gewickelt ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Lampe nach dem Stande der Technik ist Gegenstand der älteren Anmeldung P 38 42 971.3 vom 21. Dezember 1988. Diese Lampe umfaßt ein Entladungsrohr 2, das üblicherwei­ se aus Quarz besteht und innerhalb eines Glaskolbens 8 montiert ist, der von einer äußeren Induktionsspule 6 mit Luftkern um­ geben ist. Die Spule ist in Form einer Sanduhr ausgebildet, um das von dem Entladungsring stammende Licht nur minimal zu bloc­ kieren. Das von dem Entladungsrohr 2 eingeschlossene Volumen enthält eine Menge mindestens eines Gases, wie eines Metall­ halogenids, in dem ein Entladungsbogenplasma 4 induziert wird, wenn ein hochfrequenter Strom in der Anregungsspule 6 fließt. Dieser hochfrequente Strom wird durch eine nicht dargestellte Quelle erzeugt, die mit der Spule 6 verbunden ist. Das Entla­ dungsrohr kann auch ein inertes Gas enthalten, um als Diffusions­ sperre zu dienen und einen Wärmeverlust an den Wänden des Ent­ ladungsrohres 2 zu verhindern. Üblicherweise nimmt das Entla­ dungsbogenplasma 4, das die Lichtquelle darstellt, die Gestalt eines Ringes an. Die Induktionsspule 6 besteht aus einem hoch­ leitenden Material, wie Kupfer, um den durch Widerstände be­ dingten Leistungsverlust in der Spule minimal zu halten. Da die Spule außerhalb des Kolbens 8 angeordnet ist, wird sie bei einer Temperatur betrieben, die nur etwas oberhalb von Raumtem­ peratur liegt. Eine Isolationsschicht 10 kann außerhalb des Entladungsrohres längs dessen Seiten und am Boden angeordnet sein, um den Wärmeverlust aus dem Entladungsrohr zu minimieren.

Eine grundlegende Anforderung für die Spule nach dem Stande der Technik, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, besteht in der Notwendigkeit einer Spulenkühlung, um deren Temperatur an einem Anstieg auf mehr als etwa 200°C oberhalb von Zimmertem­ peratur zu hindern. Dieses Kühlen verhindert zu große Wider­ standsverluste in der Spule, und es ist besonders wirksam, da der spezifische Widerstand der Spule mit der Temperatur zunimmt. Das Kühlen verhindert auch eine Oxidation der Spule 6 in der umgebenden Luft.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Lampe nach dem Stande der Technik erfordert das Kühlen der Spule 6 eine angemessene Isolation zwischen dem Bogenrohr 2 und der Spule, weil bei zu starker Wärmebelastung der Spule der spezifische Widerstand der Spule steigt und die Temperatur des Entladungsrohres weit genug ab­ fallen würde, um eine Kondensation der Dämpfe im Bogenrohr zu verursachen. Aus diesem Grunde ist die Induktionsspule 6 außer­ halb des Lampenkolbens 8 angeordnet, und der Lampenkolben 8 ist vorzugsweise durch eine Isolationsschicht 10, wie aus Glas­ wolle, vom Bogenrohr 2 getrennt. Diese Zwischenschichten füh­ ren jedoch zu wirksamen Spulendurchmessern, die sehr viel grö­ ßer sind als der Durchmesser der Bogenentladung 4, was eine schlechte induktive Kupplung und hohe Spulenströme verursacht. So ist z.B. für einen Bogen von 12 mm Durchmesser in einem Bogenrohr von 20 mm Außendurchmesser der effektive Durchmesser der Induktionsspule 6 üblicherweise 38 mm. Dieser große Spu­ lendurchmesser führt zu hohen Spulenströmen, die zu hohen Lei­ stungsverlusten in der Spule und im nicht dargestellten Vor­ schaltgerät, das die Leistung zuführt, führen.

In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, induziert ein hochfre­ quenter Strom mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 1000 MHz in einer Induktionsspule 16 mit Gaskern eine ringformige Plas­ ma-Bogenentladung 14 innerhalb eines zylindrischen Bogenrohres 12, das üblicherweise aus Quarz besteht und eine Füllung aus mindestens einem Gas, wie einem Metallhalogenid, enthält. Bei dieser Ausführungsform ist ein Band aus einem hochtemperatur­ beständigen Metall (d.h. einem Metall, das einen Schmelzpunkt oberhalb von 1000°C und einen Dampfdruck von weniger als 10^-8 Torr bei 1000°C hat) mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 50×10^-6 Ohm-Zentimeter bei 1000°C direkt in einer Spirale um das Bogenrohr 12 gewickelt, um als Anre­ gungsspule 16 für die Lampe zu dienen. Ein hierfür geeignetes Metall kann üblicherweise ein hochschmelzendes Metall, wie Wolfram oder Molybdän, umfassen.

Bogenrohr 12 und hochtemperaturbeständige Anregungsspule 16 sind in einem äußeren Glaskolben 18 eingeschlossen. Es können übliche elektrische Verbindungen mittels Zuleitungen 22 am nicht gezeigten Lampensockel vorgenommen werden. Eine Wärme­ abschirmung 20, wie aus Glaswolle, kann am Boden des Bogenroh­ res 12 angebracht werden, falls erforderlich. Die Wärmeab­ schirmung ist entlang der Seiten des Bogenrohres 12 nicht er­ forderlich, weil wegen der Widerstandserwärmung von der Spule 16 in dem Bogenrohr eine Temperatur aufrechterhalten wird, die erforderlich ist, um die darin enthaltenen Gase bzw. Dämpfe am Kondensieren zu hindern. Das Licht wird in erster Linie oben aus dem Bogenrohr 12 emittiert.

Die bei hoher Temperatur beständige Anregungsspule 16 hat einen sehr viel kleineren Durchmesser als die Induktionsspule nach dem Stande der Technik, die bei der in Fig. 1 gezeigten Lampe benutzt wird. Für eine Bogenentladung 14 von 12 mm Durchmesser in der Lampe der Fig. 2 kann der Durchmesser der Spule 16 gleich dem Außendurchmesser des Bogenrohres 12 sein, d.h. 20 mm. Die Dicke des Spulenbandes braucht nicht sehr viel größer zu sein als die Hauttiefe ( z.B. weniger als 0,1 mm bei einer Frequenz von 13,56 MHz).

Trotz des sehr viel höheren spezifischen Widerstandes des ver­ wendeten Metalles bei einer Temperatur von 1000°C, verglichen mit dem des Kupfers bei den Anregungsspulen der Lampen des Standes der Technik, bei denen diese Spulen bei Temperaturen nicht viel über Raumtemperatur betrieben werden, hat die Spu­ le 16 keine übermäßig großen Leistungsverluste aufgrund des Widerstandes. So übersteigt der spezifische Widerstand von Wolfram bei 1000°C mit 32 Mikroohm-Zentimeter den spezifischen Widerstand von Kupfer bei 22°C von 1,7 Mikroohm-Zentimeter um einen Faktor von fast 19. Wären alle anderen Effekte gleich, dann würde der höhere spezifische Widerstand der bei hoher Temperatur betriebenen Anregungsspule zu unangemessen hohen Widerstandsverlusten führen. Bei der Hochtemperatur-Spule wird dieser Faktor von fast 19 bezüglich des höheren spezifischen Widerstandes jedoch mehr als kompensiert durch drei Effekte, die die Widerstandsverluste bezüglich der Spule nach dem Stan­ de der Technik reduzieren. Diese drei Effekte sind die Haut­ dicke bzw. Eindringtiefe, die Kopplungswirksamkeit und die Spulenlänge. Der höhere spezifische Widerstand der Hochtempe­ ratur-Spule 16 erhöht die Eindringtiefe und vermindert somit den Spulenwiderstand. Der bei der Hochtemperatur-Spule erziel­ bare geringere Durchmesser gestattet eine erhöhte Kopplungs­ effizienz und somit eine Verminderung hinsichtlich des Spulen­ stromes und der Spulenverluste. Dieser verminderte Durchmesser führt zu einer kleineren Spulenlänge und somit zu einem ver­ minderten Spulenwiderstand.

Die Wirkungen der Eindringtiefe, der Kopplungseffizienz und der Spulenlänge können in einem relevanten Beispiel dargestellt werden durch Vergleichen einer Anregungsspule nach dem Stande der Technik (z.B. der in Fig. 1 gezeigten Spule 6) mit der Hochtemperatur-Anregungsspule 16 der in Fig. 2 gezeigten Lampe. In beiden Fällen wird eine Bogenentladung mit einem wirksamen Durchmesser von 12 mm erzeugt, wenn man die Spule bei einer Anregungsfrequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von 120 Watt (24 V bei 5 A) in einem Entladungsrohr von 20 mm Außendurchmesser und 17 mm Höhe betreibt. Sowohl die Spule nach dem Stande der Technik als auch die Hochtemperatur-Spule haben fünf Windun­ gen, und jede Windung hat eine effektive Weite (gemessen längs der Axialabmessung der Spule) von 2 mm. Die Trennung zwischen benachbarten Windungen der Hochtemperatur-Spule beträgt etwa 0,5 mm. Die Spule nach dem Stande der Technik hat einen effek­ tiven Durchmesser von 38 mm, während die Hochtemperatur-Spule einen Durchmesser von 20 mm aufweist und einen spezifischen Widerstand, der etwa das 19-fache des der Spule nach dem Stan­ de der Technik ist.

Die Eindringtiefe in einem Leiter ist proportional der Quadrat­ wurzel des spezifischen Widerstandes. Die Eindringtiefe der Hochtemperatur-Spule 16 ist daher um einen Faktor von = 4,3 mal größer als die der Spule 6 nach dem Stande der Technik, und der Widerstand der Hochtemperatur-Spule ist um den glei­ chen Faktor geringer.

Der erforderliche Spulenstrom wird durch die Notwendigkeit be­ stimmt, dem Plasma genug Spannung durch Induktion zuzuführen, um die Entladungsspannung aufrecht zu erhalten. Dies erfordert eine spezifische Größe des magnetischen Feldes bei einer gege­ benen Frequenz. Der erforderliche Spulenstrom zur Erzeugung dieses spezifischen Magnetfeldes ist proportional zum effekti­ ven Spulendurchmesser. Der Widerstands-Leistungsverlust in der Spule ist proportional dem Quadrat des Stromes, d.h. dem Qua­ drat des Spulendurchmessers. Der Leistungsverlust der Hochtem­ peratur-Spule ist daher um einen Faktor von (38/20)² = 3,6 mal geringer als der der Spule nach dem Stande der Technik auf­ grund der besseren Spulenkopplung bei der Hochtemperatur-Spule. Da der Spulenwiderstand direkt proportional dem Spulendurch­ messer ist, weist die Hochtemperatur-Spule auch einen um einen Faktor von (38/20) = 1,9 geringeren Spulenwiderstand aufgrund ihres geringeren Durchmessers auf.

Kombiniert man die oben bestimmten Faktoren, dann beträgt das Verhältnis der Widerstands-Verlustleistung in der Hochtempera­ tur-Spule mit Bezug auf die Spule nach dem Stande der Technik (Verhältnis der spezifischen Widerstände)/(Verhältnis der Lei­ stungsverluste) (Verhältnis der Eindringtiefen) (Widerstands­ verhältnis) oder 19/(3,6) (4,3) (1,9) = 0,63. Dieses Verhältnis der Widerstands-Verlustleistung zeigt, daß die Hochtemperatur- Spule eine um 37% geringere Widerstands-Verlustleistung hat als die Anregungsspule nach dem Stande der Technik.

Die in Fig. 2 gezeigte Hochtemperatur-Anregungsspule 16 leitet nicht nur einen geringeren Strom, verglichen mit der Anre­ gungsspule nach dem Stande der Technik, sondern erfordert we­ gen des geringeren Spulenstromes und der geringeren Spulen­ induktanz auch eine sehr viel geringere Spannung. Diese Effek­ te vermindern die Kosten und die Verlustleistung des Netzgerä­ tes der Lampe sowie das abgestrahlte elektromagnetische Rau­ schen beträchtlich.

Vorstehend ist eine elektrodenlose HID-Lampe mit einer Anre­ gungsspule beschrieben, die innerhalb des Glaskolbens der Lampe angeordnet ist und bei der hohen Temperatur des Entladungsroh­ res betrieben werden kann, ohne daß zu große Widerstand-Lei­ stungsverluste auftreten und ohne daß eine separate Spulenküh­ lung erforderlich ist. Dies erleichtert eine integrale Lam­ penausführung, die Lampe und Spule innerhalb eines äußeren Glaskolbens kombiniert und übliche Stromverbindungen am Sockel aufweist. Die Lampe erfordert minimalen Strom und minimale Spannung von ihrem Netzgerät.

Claims (9)

1. Entladungslampe hoher Intensität mit quellenfreiem elektrischem Feld, umfassend:
einen transparenten Außenkolben (18),
ein lichtdurchlässiges Entladungsrohr (12), das mit Abstand von dem Kolben innerhalb des Kolbens angeord­ net ist,
eine Anregungsspule (16), die innerhalb des Kolbens angeordnet ist und das Entladungsrohr umgibt, wobei das Entladungsrohr ein Füllmaterial einschließt, das bei vorbestimmter Anregung durch die Spule eine lichtemittierende Plasma-Bogenentladung bilden kann und
eine leitende Einrichtung (22) zur elektrischen Ver­ bindung der Anregungsspule (16) nach außerhalb des Kolbens.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1 , wobei die Spule (16) direkt auf das Entladungsrohr (12) gewickelt ist.

3. Entladungslampe nach Anspruch 2, worin die Spule (16) aus einem bandförmigen Leiter gewickelt ist.

4. Entladungslampe nach Anspruch 3, wobei der Leiter (16) aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht.

5. Entladungslampe nach Anspruch 4, wobei das Metall Wolfram oder Molybdän ist.

6. Entladungslampe nach Anspruch 2, worin die Spule (16) um die Seiten des Entladungsrohres (12) gewickelt ist, um eine Beeinträchtigung des Lichtes, das oben aus dem Entladungsrohr austritt, zu vermeiden, wobei die Lampe weiter eine Wärmeabschirmung (20) ein­ schließt, die am Boden des Entladungsrohres (12) an­ geordnet ist.

7. Entladungslampe nach Anspruch 6, worin die Spule (16) aus einem bandförmigen Leiter gewickelt ist.

8. Entladungslampe nach Anspruch 7, worin der Leiter (16) aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht.

9. Entladungslampe nach Anspruch 8, worin das Metall bei einer Temperatur von 1000°C einen spezifischen Wider­ stand von weniger als 50 × 10^-6 Ohm-Zentimeter auf­ weist.