DE102007010607A1

DE102007010607A1 - Entladungslampe

Info

Publication number: DE102007010607A1
Application number: DE200710010607
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Barth; Markus Kranz; Andreas Naujoks
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-11

Abstract

Offenbart ist eine Entladungslampe mit zumindest einer Elektrode, bei der zum Verbessern des Zündverhaltens am Außenumfang Zündkanten ausgebildet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Bei Entladungslampen erfolgt die Lichterzeugung beim Stromdurchgang durch Gas- oder Metalldampfplasmen in abgeschlossenen Entladungsgefäßen. In die Entladungsgefäße führen dicht eingeschmolzene, eingequetschte Stromzuführungen, die beispielsweise jeweils über eine Molybdänfolie mit einer in den Innenraum des Entladungsgefäßes hinein ragenden Elektrode verbunden sind. Zur Überführung des zunächst nicht leitenden Gases oder Dampfes in den leitenden Plasmazustand muss die Entladung gezündet werden. Dazu werden in Folge der Ionisation des Gases oder des Dampfes stets vorhandene Ladungsträger in einem elektrischen Feld beschleunigt und erzeugen dabei durch Stoßionisation eine Ladungsträgerlawine, die schließlich zum Ausgang eines leitfähigen Plasmakanals wird. Durch geeignete Vorschaltgeräte muss dabei dafür gesorgt werden, dass der Strom durch die Entladung auf zulässige Werte begrenzt wird. Im stationären leitfähigen Plasma, das nach außen hin elektrisch neutral ist, existieren Io nen, Elektronen sowie Neutralteilchen im Grundzustand und im angeregten Zustand nebeneinander. Die beweglichen Elektronen nehmen Energie im anliegenden elektrischen Feld auf und übertragen sie durch Stoß auf die Atome oder Moleküle der Entladung. Dabei kommt es sowohl zu elastischen Stößen, bei denen lediglich kinetische Energie ausgetauscht wird als auch zu inelastischen Stößen, d. h. zur Anregung bzw. Ionisation von Atomen bzw. Molekülen. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird die dann frei werdende Energie als für das betreffende Atom bzw. Molekül charakteristische Strahlung abgegeben.
Ein wichtiger Entladungslampentyp sind Xenon-Hochdrucklampen, bei denen die Füllung des Entladungsgefäßes aus hochreinem Xenongas besteht, das Spuren von Metallhalogeniden enthält. Die Lampen können sowohl Quecksilber enthalten (D1, D2), als auch quecksilberfrei sein (D3, D4). Eine derartige, beispielsweise für Fahrzeugscheinwerfer verwendete Xenon-Hochdrucklampe ist in der Internetdomain www.Osram.de unter der Produktbezeichnung XENARC^® sowie in der WO 2006/099850 A2 beschrieben. Derartige Lampentypen, auch D-Lampen genannt, benötigen eine hohe Durchbruchsspannung zur Zündung. Da jedoch die durch einen Zünder der Lampe maximal lieferbare Spannung limitiert ist, müssen zündunterstützende Maßnahmen vorgesehen werden. So ist es beispielsweise bekannt, bei quecksilberfreien D-Lampen das Entladungsgefäß mit einer Zündhilfsschicht zu versehen, welche zu einer Reduzierung der zur Zündung notwendigen Durchbruchsspannung führt. Derartige Zündhilfsschichten können zwar das Zündproblem reduzieren, es kommt jedoch immer noch zu Nichtzündern, die durch eine aufwendige Qualitätskontrolle selektiert werden müssen.
Darstellung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Entladungslampe zu schaffen, die bei reproduzierbarer Qualität ein verbessertes Zündverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Lampe, insbesondere eine Entladungslampe hat zumindest eine in einen Innenraum eines Entladungsgefäßes hinein ragende Elektrode, wobei der Innenraum mit einem ionisierbaren Füllgas gefüllt ist. Zur Verbesserung der Zündbarkeit ist am Außenumfang eines in das Entladungsgefäß hinein ragenden Elektrodenendabschnitt zumindest eine Zündkante ausgebildet. Diese führt zu einer Feldspitzenerhöhung, so dass die Zündspannung reduziert wird. Dabei macht man sich folgenden Effekt zu nutze: wenn, wie eingangs beschrieben, eine Elektronenlawine entsteht, bilden die Elektronen einen negativen Lawinenkopf und die langsameren Ionen einen positiv geladenen, lang gezogenen Schweif. Die hohe Ladungsdichte im Lawinenkopf führt zu einer verstärkten Ionisation und damit zu einer erhöhten Strahlungsemission. Durch die emittierte Strahlung bilden sich dann neue Anfangselektronen, die ihrerseits wieder eine Lawine auslösen, so dass sich ein Entladungskanal ausbildet, der in der Praxis „Streamer" genannt wird. Dieser Streamer entwickelt sich in Richtung auf die jeweilige Elektrode. Durch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Zündkante und der damit einhergehenden Feldspitzenerhöhung wird diese Streamerbildung unterstützt und damit das Zündverhalten verbessert, ohne dass es weiterer zündspannungsreduzierender Maßnahmen bedarf (Zündhilfsschicht).
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Zündkanten als spitzwinklige oder scharfkantige Erhöhungen oder Spitzen ausgebildet. Unter dem Begriff „Erhöhung" ist dabei nicht notwendiger Weise eine in Radialrichtung über den Außenumfang der Elektrode hinaus stehende Struktur zu verstehen, sondern diese Erhöhung oder Spitze kann beispielsweise auch durch Einprägungen am Außenumfang der Elektrode ausgebildet sein.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Erhöhungen entlang der Umfangskanten zumindest einer Umfangsnut oder eines Umfangsnutabschnittes ausgebildet. Wie vorstehend beschrieben, wird durch diese als spitzwinklig oder scharfkantig Erhöhung ausgebildete Zündkante die Streamerbildung unterstützt. Durch den am Außenumfang der Elektrode ausgebildeten Nutabschnitt oder die Umfangsnut wird die Kühlung der Elektrode verzögert, da sich die Wärme im Bodenbereich der Umfangsnut bzw. des Nutabschnittes aufstaut und so ein Abkühlen der Nutwandungen und der daran angrenzenden Erhöhungen/Zündkanten verzögert wird. Dadurch wird nach dem Abschalten der Lampe die Kondensation des zündbehindernden Jods auf den Spitzen verhindert, so dass auch durch diese Maßnahme die Zündspannung reduziert wird. Das Ausbilden von Wärmestaunuten im Bereich der Elektrodenspitze per se ist bekannt; diese bekannten Wärmestaunuten sind jedoch direkt im Elektrodenspitzenbereich ausgeführt und können eine Streamerbildung nicht unterstützen.
Bei einer Variante der Erfindung ist am Außenumfang der Elektrode eine Vielzahl von umlaufenden Umfangsnuten im Abstand zueinander angeordnet. Dabei können beispielsweise sechs Umfangsnuten vorgesehen werden.
Alternativ kann eine Umfangsnut spiralförmig vorgesehen werden, so dass diese den für die Streamerbildung wichtigen Bereich der Elektrode gewindeförmig umgreift.
Die Herstellung der Nuten oder Nutabschnitte ist besonders einfach, wenn diese einen etwa rechtwinkligen Querschnitt aufweisen.
Dabei wird es bevorzugt, die Nuten oder Nutabschnitte mittels hochenergetischer Strahlung, beispielsweise Laserenergie auszubilden.
Die als eine Erhöhung ausgebildete Zündkante kann dabei durch Aufwürfe aufgeschmolzenen Materials beidseitig der Nut oder des Nutabschnittes ausgebildet sein.
Da die für die Streamerbildung wichtigen Bereiche der Elektrode im Abstand zu den Elektrodenspitzen vorgesehen sind, reicht es erfindungsgemäß aus, die Zündkanten lediglich in diesen Bereichen vorzusehen. Diese Abschnitte sind vorzugsweise näher zur Entladungsgefäßwandung als zur Elektrodenspitze hin angeordnet.
Die Verankerung der Elektrode im Einschmelzbereich mit dem Entladungsgefäß kann verbessert werden, wenn sich die Umfangsnuten oder Nutabschnitte bis in diesen Einschmelzbereich hinein erstrecken.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden aus Wolfram hergestellt, wobei das Füllgas ein Edelgas, insbesondere Xenon mit einem Anteil von Metallhalogeniden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Xenon-Hochdruckentladungslampe;
2 eine Elektrode der Hochdruckentladungslampe aus 1 und
3 einen Vergleich der Zündspannungen einer erfindungsgemäßen Entladungslampe mit einer herkömmlichen Entladungslampe.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des Beispiels einer Xenon-Entladungslampe 1 erläutert. Derartige Xenon-Entladungslampen (XENARC^®) enthalten keinerlei Quecksilber und sind daher besonders umweltfreundlich. Ein besonderer Vorteil von Entladungslampen, insbesondere von Xenon-Entladungslampen ist, dass sie bei einem vergleichsweise geringen Stromverbrauch mehr Licht als mit Glühwendel ausgeführte Lampen, beispielsweise Halogenlampen erzeugen. Des Weiteren haben die Xenon-Entladungslampen eine wesentlich längere Lebensdauer und erzeugen ein Licht, das sehr ähnlich zum Tageslicht ist. Derartige Entladungslampen werden daher beispielsweise bei Projektoren und bei Fahrzeugscheinwerfern eingesetzt. Ein so genannter „Brenner" der Entladungslampe 1 hat ein Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas mit einem Innenraum 4 und zwei diametral angeordneten, abgedichteten Endabschnitten 6, 8, die als Glaseinschmelzungen 10, 12 ausgebildet sind. Aus diesen ragen eine Stromzuführungen 14, 15 heraus, die mit rechteckigen Molybdänfolien 16, 18 verschweißt sind. Diese sind mit etwa stiftförmigen Elektroden 20, 22 kontaktiert, deren Endabschnitte gemäß 1 in den Innenraum 4 des Entladungsgefäßes 2 hinein ragen. Zwischen diesen beiden Elektroden 20, 22 erstreckt sich beim Betrieb der Lampe ein Entladungsbogen. Die Elektroden 20, 22 bestehen üblicher Weise aus ThO₂ dotiertem Wolfram und sind durch Sintern und einem anschließenden Umformprozess, wie beispielsweise Walzen oder Hämmern und ggf. durch einen sich daran anschließenden Ziehvorgang auf Maß gebracht. Die Elektroden 20, 22 haben jeweils einen in der Glaseinschmelzung 10 bzw. 12 eingebetteten, als Elektrodenschaft ausgebildeten ersten Endabschnitt 26, 27 und einen zweiten, in den Innenraum 4 hinein ragenden Endabschnitt 28, 29 der jeweils mit einer Elektrodenspitze 30, 31 versehen ist. Diese kann beispielsweise durch Rundschleifen, chemisches Abtragen oder durch Laserbearbeitung ausgebildet werden.
Der Innenraum 4 des Entladungsgefäßes 2 ist bei einer Xenon-Entladungslampe 1 mit hochreinem Xenon und mehreren Metallhalogeniden, wie beispielsweise Natrium- und Scandiumjodid gefüllt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind jeweils an dem in den Innenraum 4 hinein ragenden zweiten Endabschnitt 28, 29 die eingangs erläuterten Streamerbildung unterstützenden umfangsseitigen Spit zen ausgebildet, die im Folgenden Zündkanten 32, 34 genannt werden. Diese Zündkanten sind vorzugsweise im Abstand zu den beiden Elektrodenspitzen 30 in dem an die Glaseinschmelzungen 10 bzw. 12 angrenzenden Bereich ausgebildet.
Der prinzipielle Aufbau der Elektroden 20, 22 wird beispielhaft anhand 2 erläutert. Gemäß der Darstellung in 2 sind an dem in den Innenraum 4 des Entladungsgefäßes 2 hineinragenden Endabschnitt 29 der Elektrode 22 eine Vielzahl von Zündkanten 34 ausgebildet, deren Aufbau sich aus dem Detail X erschließt. Demgemäß sind am Außenumfang der Elektrode 22 eine Vielzahl von umlaufenden Umfangsnuten 36 ausgebildet, an deren Umfangskanten jeweils umlaufende Erhöhungen oder Spitzen 38, 40 ausgebildet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Umfangsnuten 36 durch Laserbearbeitung beispielsweise mittels eines diodengepumpten Vanadat-Festkörperlasers ausgebildet, wobei dieser mit einer sehr guten Strahlqualität ausgeführt ist, so dass sich die Zündkanten 32, 34 mit der gewünschten Qualität herstellen lassen. Die mittlere Leistung des Lasers beträgt beispielsweise 35 Watt, wobei die Pulsenergie > 1,5 mJ beträgt. Bei der Laserbearbeitung der Umfangsnuten 36 kommt es im Umfangskantenbereich zu Aufwürfen aus aufgeschmolzenem und wieder erstarrten Material, so dass die Spitzen 38, 40 als umlaufende, vergleichsweise scharfkantige Bereich ausgebildet werden.
Die Erfindung ist jedoch keinesfalls darauf beschränkt, umlaufende Nuten vorzusehen, es könnten auch abschnittsweise ausgebildete Nuten oder eine einzige schraubenlinienförmige Nut vorgesehen werden. Wie in 2 strich punktiert angedeutet ist, müssen die Umfangsnuten 36 nicht vollständig in dem links von der strichpunktierten Linie ausgebildeten Innenraum 4 angeordnet sein, sondern können sich in die Glaseinschmelzung 12 (rechts von der strichpunktierten Linie) hinein erstrecken. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Umfangsnuten 36 gleichbeabstandet nebeneinander liegend angeordnet, selbstverständlich kann sowohl die Geometrie als auch die Anzahl der Umfangsnuten 36 variiert werden. Die Umfangsnuten 36 haben gemäß 2 einen etwa rechteckförmigen Querschnitt, prinzipiell können auch andere Querschnittsformen, wie trapezförmige, dreiecksförmige oder sonst wie ausgestaltete Nutformen ausgewählt werden. Es ist auch nicht notwendiger Weise erforderlich, die Spitzen 38, 40 radial über den Außenumfang der Elektrode 22 auskragen zu lassen. Prinzipiell könnten die Spitzen 38, 40 auch ohne eine Umfangsnut 36 durch geeignete Laserbearbeitung, Umformen oder dergleichen ausgebildet werden.
Die Geometrie des dargestellten Ausführungsbeispiels birgt zwei wesentliche Vorteile in sich. Zum Einen wird durch die Spitzen 38, 40 die Streamerbildung im hinteren, d. h. im glaseinschmelzungsseitigen Bereich der Elektrode 22 unterstützt, da sich im Bereich dieser Spitzen 38, 40 eine Feldspitzenerhöhung einstellt. Zum Anderen führen die Einkerbungen, im vorliegenden Fall die Umfangsnuten 36 zu einer verzögerten Abkühlung der Elektrode 20, 22 nach dem Abschalten, da sich im Nutgrund die Wärme staut. Bei einem zu schnellen Abkühlen der Elektrode 22 könnte die Zündung behinderndes Jod auf den Spitzen 38, 40 kondensieren, so dass bei einer nachfolgenden Inbetriebnahme der Lampe eine höhere Zündspannung erforderlich wäre. Ei ne derartige Kondensation von die Zündung behindernden Materialien kann durch den künstlich erzeugten Wärmestau verhindert oder zumindest behindert werden. Die beiden vorgenannten Effekte – Unterstützung der Streamerbildung und Behinderung der Kondensation von die Zündung behindernden Stoffen – führen dazu, dass gegenüber herkömmlichen Entladungslampen die Zündspannung wesentlich verringert werden kann. Dies ergibt sich aus dem in 3 dargestellten Diagramm, in dem die erforderliche Zündspannung einer herkömmlichen Entladungslampe der Zündspannung einer erfindungsgemäßen Entladungslampe mit Zündkanten 32, 34 gegenüber gestellt ist.
In dem Diagramm ist die relative Verteilung der Zündspannung einer Xenon-Entladungslampe mit herkömmlichen, unbeschichtetem Entladungsgefäß und mit den in 2 dargestellten Elektroden dargestellt. Die dunkel eingefärbten Säulen stehen für den herkömmlichen Elektrodenaufbau, während die grau eingefärbten Säulen für Entladungslampen stehen, die mit der vorbeschriebenen Zündhilfe ausgebildet sind. Man erkennt, dass die Zündspannung bei den Entladungslampen gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ganz erheblich unter der Zündspannung herkömmlicher Entladungslampen liegt. So liegt die mittlere Zündspannung beim beschriebenen Ausführungsbeispiel bei etwa 16,8 kV, während die mittlere Zündspannung bei einem herkömmlichen System ohne Zündhilfe bei 27,6 kV liegt, so dass die eingangs gestellte Aufgabe mit der erfindungsgemäßen Lösung überzeugend gelöst ist.
Offenbart ist eine Entladungslampe mit zumindest einer Elektrode, bei der zum Verbessern des Zündverhaltens am Außenumfang Zündkanten ausgebildet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/099850 A2 [0003]

Claims

Entladungslampe mit zumindest einer in einen Innenraum (4) eines Entladungsgefäßes (2) hinein ragenden Elektrode (20, 22), wobei der Innenraum (4) mit einem ionisierbaren Füllgas gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Zündbarkeit am Außenumfang eines in den Innenraum (4) hinein ragenden Endabschnitts (28, 29) der Elektrode (20, 22) zumindest eine Zündkante (32, 34) ausgebildet ist.
Entladungslampe nach Patentanspruch 1, wobei die Zündkante (32, 34) spitzwinklig oder scharfkantig ist.
Entladungslampe nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Zündkante (32, 34) entlang von Umfangskanten zumindest einer Umfangsnut (36) oder eines Umfangsnutabschnittes ausgebildet ist.
Entladungslampe nach Patentanspruch 3, wobei eine Vielzahl von umlaufenden Umfangsnuten (36) im Abstand zueinander angeordnet ist.
Entladungslampe nach Patentanspruch 4, wobei sechs Umfangsnuten (36) vorgesehen sind.
Entladungslampe nach Patentanspruch 3, wobei eine Umfangsnut (36) spiralförmig verläuft.
Entladungslampe nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, wobei die Umfangsnut (36) einen etwa rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Umfangsnut (36) oder der Umfangsnutabschnitt mittels Laserenergie ausgebildet ist.
Entladungslampe nach einem der Patentansprüche 3 bis 8, wobei die Zündkante (32, 34) durch Aufwürfe (38, 40) aufgeschmolzenen Materials beidseitig der Umfangsnut (36) ausgebildet ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Zündkante (32, 34) im Abstand zu einer Elektrodenspitze (30, 31) angeordnet ist.
Entladungslampe nach Patentanspruch 10, wobei die Zündkante (32, 34) näher zur Entladungsgefäßwandung als zur Elektrodenspitze (30, 31) angeordnet ist.
Entladungslampe nach einem der Patentansprüche 3 bis 11, wobei sich der mit zumindest einer Umfangsnut (36) versehene Bereich bis in eine Glaseinschmelzung (10, 12) der Elektrode (20, 22) erstreckt.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Elektroden (20, 22) aus Wolfram hergestellt sind und das Füllgas ein Edelgas ist, das Spuren oder Anteile von Metallhalogeniden enthält.