DE102009030709A1

DE102009030709A1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE102009030709A1
Application number: DE102009030709A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Beau; Yan Ming Dr. Cambridge Li; Thomas Schröder
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Ledvance GmbH
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2010-01-21
Also published as: FR2933808A3; NL2003135C2; US20100007275A1; CN201601110U; JP3153945U; HU3699U; DE202008009456U1; FR2933808B3; US8829793B2; HU0900139V0; NL2003135A1

Abstract

Die Hochdruckentladungslampe weist ein keramisches Entladungsgefäß mit zwei Enden in einem Außenkolben, der einseitig gesockelt ist, auf. Das Gestell beinhaltet eine Rückführung, die zwei gerade Leiterteile und dazwischen ein Windungsteil mit einer Windung umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Lampen sind Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß, insbesondere für die Allgemeinbeleuchtung.
Stand der Technik
Die WO 03/030209 offenbart eine Hochdruckentladungslampe, bei der ein keramisches Entladungsgefäß in einem Außenkolben mittels eines Gestells gehaltert ist, wobei das Entladungsgefäß zwei Enden und der Außenkolben einseitig gesockelt ist. Dabei wird zur Kompensation der Bogenkrümmung das Gestell in mehreren Windungen um das Entladungsgefäß herumgeführt.
Eine solche Konstruktion erfordert jedoch sowohl Materialaufwand als auch aufwendige Herstellung.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe für die Allgemeinbeleuchtung bereitzustellen, mit der die Lageabhängigkeit von Farbort, Lichtstrom und Lichtausbeute möglichst minimiert wird und die mittlere Lebensdauer verlängert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Metallhalogenidlampe verwendet ein Gestell mit einem Rückführungsdraht, der gerade Anteile besitzt und höchstens 1,25 Windungen aufweist. Diese vereinfacht die Montage, minimiert die Materialkosten, führt zu nur geringer zusätzlicher Abschattung (in der Größenordnung von lediglich 1%) und stabilisiert das Entladungsgefäß zusätzlich im Außenkolben. Damit lassen sich eine höhere Lichtausbeute erzielen. Der Farbort der Lampe ist jetzt nahezu unabhängig von der Brennlage. Auch die Lebensdauer wird erhöht. Fertigungstechnisch besonders geeignet sind 0,5 und 1,0 Windungen.
Bei keramischen Metallhalogenidlampen mit einseitiger Sockelung treten Lebensdauerprobleme auf durch die Bogenkrümmung in horizontaler Orientierung. Aufgabe ist hier, eine universelle Brennlage zu erreichen. Der Plasmabogen im Entladungsgefäß nähert sich bisher bei horizontaler Brennlage der Wand des Entladungsgefäßes sehr stark und führt zu einer Überhitzung und letztendlich zum Bruch der Keramik. Verursacht wird dies unter anderem durch die Lage des geraden Rückführungdrahtes unterhalb des Entladungsgefäßes. Dabei wechselwirkt der Lichtbogen mit dem durch den Strom des Rückführungsdrahtes hervorgerufenen Magnetfeld und bewirkt eine Abstoßung des Bogens. Die natürliche Bogenkrümmung durch „Auftrieb” des heißen Plasmas wird somit verstärkt.
Bekannt ist, dass durch einen zweiten Rückführungsdraht die magnetische Kraft auf den Bogen kompensiert werden kann, siehe WO 03/030209 . Eine solche Konstruktion erfor dert jedoch einen erheblichen Mehraufwand an Material und Prozess-Schritten und ist nur mit großem Aufwand zu automatisieren. Zwei weitere dort gezeigte Bauarten sind die Doppelhelix und eine Wendel mit mehreren Windungen.
In WO03/060948 wird eine Spule senkrecht zur Brennerachse beschrieben. Auch hier sind die Anordnungen sehr kompliziert und aufwendig zu montieren. Weiterhin absorbieren viele Leitungen in der Nähe des Brenners Licht und reduzieren so Lichtstrom und -ausbeute. Die US 2003/025455 beschreibt einen gekrümmten Rückführungsdraht. Dadurch wird lediglich der Abstand zum Lichtbogen vergrößert und somit das Magnetfeld nur wenig vermindert. Weiterhin ist bei engen Außenkolben kein Platz für solch eine Ausführung.
Erfindungsgemäß ist rückleitende Stromzuführung mit maximal 1,25 Windungen ausgestattet. Die Rückführung hat daher zwei gerade Endteile und dazwischen ein Windungsteil. Für gegebene gerade Endteile kann die axiale Länge des Windungsteils dahingehend optimiert werden, dass das Magnetfeld By in der Mitte zwischen den Elektroden verschwindet, siehe 2. Hier wurde der Strom willkürlich auf 1 Ampere normiert. Die Berechnungen bezüglich der optimalen Geometrie sind unabhängig von dieser willkürlichen Wahl. Es ist zu sehen, dass das magnetische Feld By in der Bogenmitte verschwindet, aber auf beiden Seiten des Zentrums wieder abfällt. Für die Auslenkung ist jedoch das Integral des magnetischen Feldes zwischen den Elektroden maßgeblich. Daher wurde die Wendelhöhe H(Bavg = 0) dahingehend optimiert, dass das Integral des magnetischen Feldes By über den Elektrodenabstand verschwindet. Zum Vergleich sind die Verhältnisse bei einem Windungsteil mit 2 Windungen in 7 illustriert, wobei die drei Komponenten Bx, By, Bz angegeben sind. In der Mitte des Windungsteils wird das Magnetfeld um lediglich 53% reduziert, das Integral des Magnetfeldes entlang des Elektrodenabstandes wird auf 24% vermindert, vgl. 7 im Gegensatz zu 2.
Das Ergebnis ist in 3 illustriert. Hier ist die optimale Wendelhöhe für verschiedene Wendelradien R dargestellt. Letztere sind im Wesentlichen durch den verwendeten Außenkolben begrenzt. Weiterhin wurden die Toleranzen für die Wendelhöhe angegeben, bei der das Magnetfeld eines geraden Leiters nicht auf Null, sondern auf 10% bzw. 30% eines geraden Leiters reduziert wird. Es stellte sich heraus, dass bei einem Radius von 20 mm die Wendelhöhe H zwischen 21 und 28 mm (10% Bw) bzw. zwischen 15 mm und 35 mm liegen kann (30% Bw). Somit ist diese Geometrie sehr tolerant gegen Abweichungen in der Fertigung. Kleinere Radien als 10 mm implizieren kompakte Brenner mit geringer Leistungsaufnahme, bei denen der Lampenstrom deutlich kleiner ist, z. B. HCI-T 150 W mit 1,8 A Lampenstrom und Außenkolben-Außendurchmesser von 24,8 mm. Für große Radien konvergiert H(Bavg = 0)/R gegen die Asymptote von 0,6256.
In 4 ist zusätzlich die Wendelhöhe gezeigt, bei dem das Magnetfeld in der Mitte zwischen den Elektroden verschwindet: H(By = 0). Da die optimale Wendelhöhe näherungsweise mit dem Radius skaliert, wurde auch der Quotient H/R berechnet. Im betrachteten Intervall zwischen R = 10 mm und 30 mm liegen die Quotienten H(By = 0)/R zwischen 1,07 und 0,92 und die Quotienten H(Bavg = 0)/R zwischen 1,79 und 1,01. Der Quotient lässt sich sehr gut mit der Gleichung H(Bavg = 0)/R = 5,64·R^–0,514 beschreiben, siehe 4. Für die 30%-ige Abweichung im B-Feld liegt H(Bavg = 0)/R zwischen 2,5 und 0,58.
Beim Ausführungsbeispiel einer 400 W-Lampe mit Metallhalogenid-Füllung ist der Außendurchmesser des Außenkolbens 34 mm und der Wendelradius R gleich 14,5 mm. Damit ergibt sich H(Bavg = 0) zu 20,3 mm. Die beiden geraden Teilstücke der Stromzuführung sind hier 47 mm und 28 mm lang. Die Lampe ist in 5 dargestellt. Während bei der herkömmlichen Geometrie auf Grund der magnetischen Abstoßung der Lichtbogen sichtbar gekrümmt ist, ist er bei der vorgestellten Neuerung gerade. Auch die Lage des Metallhalogenid-Kondensats in der senkrechten Brennlage spiegelt diesen Sachverhalt wieder: Während sich das Kondensat bei der herkömmlichen Konstruktion stark asymmetrisch auf der Seite der Stromzuführung konzentriert, ist sie bei der Wendelkonstruktion nahezu perfekt zylindersymmetrisch.
Die fotometrischen und elektrischen Daten bei etwa 100 h sind in Tabelle 1 zusammengefasst und mit der herkömmlichen Konstruktion verglichen. Die Lichtausbeute ist etwa 1 lm/W höher als beim Standard. Die Farbort-Konsistenz der beiden Brennlagen ist deutlich besser (Δ Tn = 8 K gegenüber 240 K und Δ dc = 1,3 gegenüber 2,8). Dies kann mit der verminderten Bogenauslenkung in horizontaler Orientierung erklärt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 angegeben. Hier hat das Windungsteil nur eine halbe Windung, die zudem in einer Ebene quer zur Lampenachse in der Mitte des Entladungsgefäßes ausgeführt ist. Hier kompensie ren sich die Magnetfelder der gegenüberliegenden geraden Anteile der Stromzuführung. Das Magnetfeld der „halben” Windung steht immer senkrecht auf der Stromrichtung und bewirkt so auch keine Ablenkung. Dieses Design hat weiterhin den Vorteil, dass sich die halbe Windung im Bereich der Nahtstelle zwischen den beiden Hälften des Entladungsgefäßes befindet und die zusätzliche optische Abschattung durch den Draht reduziert.
Bevorzugt ist eine Anordnung, bei der die gerade Endteile mindestens in das Entladungsvolumen bis zu den Spitzen der Elektroden reichen.
Vorteilhaft gilt für die axiale Länge H des Windungsteils und den Radius des Windungsteils die Beziehung: 0 ≤ H/R ≤ 2,5. besonders bevorzugt gilt: 0,35 ≤ H/R ≤ 2,4.
Vorteilhaft hat der Außenkolben einen Außendurchmesser von höchstens 70 mm Durchmesser. Insbesondere ist der Betriebsstrom in der Lampe mindestens 1,7 Ampere.
Besonders hohe Lichtausbeuten lassen sich mit einer Füllung erzielen, die mindestens 2 Gewichtsprozent CeJ3 als Metallhalogenid enthält.
Die Farbstreuung und Lageabhängigkeit wird besonders gut reduziert, wenn das keramische Entladungsgefäß zylindrisch ist, mit abgerundeten Endstücken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
1 eine Hochdruckentladungslampe mit Entladungsgefäß;
2 eine Darstellung des Magnetfelds als Funktion der axialen Position;
3 eine Darstellung der Höhe der Windung als Funktion des Radius der Windung,
4 eine Darstellung der optimalen Windungshöhe als Funktion des Radius der Windung;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hochdruckentladungslampe;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hochdruckentladungslampe;
7 eine Darstellung des Magnetfelds als Funktion der axialen Position eines Entladungsgefäß mit zwei Windungen des Windungsteils.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt schematisch eine Metallhalogenidlampe 1. Sie besteht aus einem Entladungsgefäß 2 aus Keramik, in das zwei Elektroden 3 eingeführt sind. Das Entladungsgefäß hat einen zentralen zylindrischen Teil 5 und zwei abgerundete Enden 4, die bevorzugt als Halbkugelschalen ausgeführt sind. An den Enden sitzen zwei Abdichtungen 6, die hier als Kapillaren ausgeführt sind. Bevorzugt ist das Entladungsgefäß und die Abdichtungen integral aus zwei Hälften aus einem Material wie PCA hergestellt. Der verbindende Wulst hat die Bezugsziffer 9. Das Entladungsgefäß 2 ist von einem Außenkolben 7 umgeben. Das Entladungsgefäß 2 ist im Außenkolben mittels eines Gestells 8 gehaltert. Der Außenkolben ist mit einem Sockelteil 19 verschlossen.
Das Gestell umfasst eine kurze Stromzuführung 10 für das zum Sockel zeigende Ende des Entladungsgefäßes und eine lange Stromzuführung, die Rückführung 11, für das vom Sockel abgewandte Ende des Entladungsgefäßes. Die Rückführung 11 weist ein Bügelteil 12 auf, sowie ein entferntes gerades Teil 13, das vom Bügel in Richtung Sockel zeigt, ein Windungsteil 14, das im Bereich des zentralen Teils des Entladungsgefäßes angeordnet ist, und ein benachbart zum Sockel angeordnetes gerades Teil 15. Die geraden Teile erstrecken sich von der Kapillare aus bis in die Zone, die zwischen dem Ende des Entladungsvolumens und der Spitze der Elektrode 3 liegt.
Das Entladungsgefäß ist eine Kugelhalbschale mit dem Radius R der Halbschale an den Endteilen 4, der gerade zylindrische Abschnitt 5 hat die axiale Länge L zwischen den Halbschalen, der Elektrodenabstand ist EA.
Das in 2 gezeigte Diagramm zeigt das Magnetfeld B (in Tesla) in der y-Komponente By (senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Elektroden) der geraden Stromzuführung (By gerade) und die drei Feldkomponenten Bx, By, Bz des optimalen Magnetfelds B(opt) eines optimalen Windungsteils. Dabei zeigt Bz(opt) entlang der Verbindungslinie zwischen den Elektroden und bewirkt keine Bogenauslenkung. Bx(opt) wechselt im Bereich des Plasmabogens das Vorzeichen und führt somit auch nicht zu einer großräumigen Bogenkrümmung. By(opt) verschwindet nahezu in der Bogenmitte.
3 zeigt die optimale Höhe H (axiale Länge in Metern) des Windungsteils (wobei das Integral von By entlang des Elektrodenabstandes verschwindet) als Funktion des Radius R des Windungsteils. Zusätzlich sind die Höhen H angegeben, bei denen das Magnetfeld eines geraden Leiters auf 10% bzw. 30% reduziert wird. Es handelt sich um ein Windungsteil mit einer ganzen Windung. Kurve 1 gilt für ein mittleres Magnetfeld B von B = 0. Kurve 2 zeigt die Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld von B = 0,3 Bw. Dabei ist Bw das Magnetfeld, das im Falle eines geraden Rückführungsteils ohne Windung entsteht, wenn die Stromstärke 1 A ist bei dem angegebenen Radius R. Kurve 3 zeigt die Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld von B = –0,3 Bw. Kurve 4 zeigt die Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld von B = 0,1 Bw und Kurve 5 die Verhältnisse für ein mittleres Magnetfeld von B = –0,1 Bw. 4 zeigt in der linken Ordinate die optimale Höhe H der Wendel By(opt) – also wobei das Integral von By entlang des Elektrodenabstandes insgesamt verschwindet, Kurve 1 – und By0(opt) – wobei angenommen ist, dass das Magnetfeld in der Mitte zwischen den Elektroden verschwindet, Kurve 2 – als Funktion des Radius R des Windungsteils, vgl. dazu 3. Beide Höhen des Windungsteils sind auch auf den Radius normiert dargestellt als H/R, siehe dazu die rechte Ordinate. Die Normierung der Kurve 1 führt zu Kurve 3, die Normierung der Kurve 2 führt zu Kurve 4. Kurve 5 ist zum Vergleich die geschlossene Darstellung der Potenzkurve y = 5,64 x^–0,514 (R² = 0,989).
Ein konkretes Beispiel für die Relation zwischen Windungshöhe H und Elektrodenabstand EA ist H = 20 mm und EA = 18 mm. Bevorzugt ist H = 1,0 bis 1,3 EA.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe 20, bei der die Rückführung 21 gekröpft ist. Das Bügelteil ist nur rudimentär ausgebildet, weil die entfernte Stromzuführung 22, die aus dem Entladungsgefäß austritt, in einer Pumpspitze 23 gehaltert ist. Vom endständigen geraden Leiterteil 24, das hier bis zur Mitte des Entladungsgefäßes 25 reicht, ist ein Halbkreis 26 als Windungsteil zur gegenüberliegenden Seite des Entladungsgefäßes geschlagen. Von dort ist das benachbarte gerade Leiterteil 27 in den Sockel 28 geführt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenidlampe 20, bei der das Windungsteil 30 ebenfalls nur eine halbe Windung vollführt. Jedoch ist diese halbe Windung nicht in einer Ebene quer zur Lampenachse vollzogen, sondern in einer Ebene, die schräg, etwa im 30°- bis 45°-Winkel, gegen die Lampenachse A geneigt ist. Hier enden die geraden Leiterteile 24, 27 im Entladungsvolumen jeweils etwa in Höhe der Spitzen der Elektroden.
Eine typische Füllung enthält folgende Bestandteile:
Hg: 10 bis 40 mg;
Xe oder Ar, jeweils 120 bis 380 mbar;
NaJ 0 bis 10 Gew.-%;
TlJ 5 bis 20 Gew.-%;
SEJ3: SE = Dy + Ho + Tm, insgesamt 20 bis 50 Gew.-%;
CeJ3: 0 bis 10 Gew.-%.
Das Windungsteil umfasst maximal 1,25 Windungen um das Entladungsgefäß herum und minimal 0,25 Windungen. Bevorzugt umfasst es 0,5 bis 1,0 Windungen.
Tabelle 1 zeigt die Mittelwerte der lichtelektrischen Daten und Standardabweichungen von Spannung und Farbort verschiedener Muster bei etwa 100 h Betriebsdauer. Hier bedeuten:

RF-Draht: Rückführungsdraht; Lage: s: senkrecht, w: waagerecht (Stromzuführung unten); ul: Lampenspannung; uls: Wiederzündspitze; pl: Lampenleistung; Φ: Lichtstrom; η: Lichtausbeute; tn: Farbtemperatur; dc: Abstand zum Planck-Kurvenzug; Ra: Farbwiedergabe; R9: Farbwiedergabe satt rot; σ(G): Standardabweichung der Größe G.

Das Entladungsgefäß ist bevorzugt keramisch, es kann jedoch auch aus Quarzglas gefertigt sein.
Für die axiale Länge H und den Radius R des Windungsteils gilt: 0 ≤ H/R ≤ 3,0 und bevorzugt ≤ 2,5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 03/030209 [0002, 0009]
- WO 03/060948 [0010]
- US 2003/025455 [0010]

Claims

Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenachse und mit einem zweiendigen Entladungsgefäß, das ein Entladungsvolumen umgibt, wobei Elektroden sich in das vom Entladungsgefäß umhüllte Entladungsvolumen erstrecken, und wobei eine Füllung, die Metallhalogenide enthält, im Entladungsvolumen untergebracht ist, wobei das Entladungsgefäß von einem einseitig gesockelten Außenkolben umgeben ist und es darin durch ein Gestell gehaltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell eine kurze Stromzuführung und eine lange Stromzuführung umfasst, wobei die lange Stromzuführung zwei gerade Leiter mit einem Windungsteil dazwischen umfasst, wobei das Windungsteil maximal 1,25 Windungen um das Entladungsgefäß herum ausführt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Windungsteil eine Windung ausführt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Windungsteil mindestens 0,25 Windungen ausführt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Windungsteil in einer Ebene quer zur Lampenachse liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Windungsteil in einer Ebene schräg zur Lampenachse liegt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geraden Leiter von dem Ende des Entladungsgefäßes her sich bis mindestens zur Spitze der benachbarten Elektrode erstrecken.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die axiale Länge H und den Radius R des Windungsteils gilt: 0 ≤ H/R ≤ 3,0 und bevorzugt ≤ 2,5.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die axiale Länge H und den Radius R des Windungsteils gilt: 0,35 ≤ H/R ≤ 2,4.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkolben einen Innendurchmesser von maximal 70 mm hat.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsstrom mindestens 1,7 A beträgt.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung als Metallhalogenid mindestens CeJ3 in einer Menge von 2 Gew.-% aufweist.
Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß ein zentrales zylindrisches Teil und zwei abgerundete Enden aufweist.