-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft Hochintensitätsentladungslampen (HID-Lampen),
insbesondere HID-Lampen, die eine verbesserte Elektrode für
verbesserte Dimmeigenschaften der Lampe aufweist. Die Erfindung
betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für derartige
verbesserte Elektroden.
-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
meisten kommerziell erhältlichen bekannten HID-Lampen werden
für verschiedene Zwecke verwendet, wobei zum Beispiel Halogen-Metalldampflampen
geringer Leistung für Innenraumbeleuchtungsanwendungen
verwendet werden. HID-Lampen weisen Elektroden ohne Vorheizeinrichtungen
auf. Die Lampen müssen mit kalten Elektroden zuverlässig
starten und die spezifizierten charakteristischen elektrischen Eigenschaften
und Leuchteigenschaften sowohl zu Beginn als auch über
ihre Lebensdauer hinweg erfüllen, nachdem sie die stabilen
Betriebstemperaturen erreicht haben. Diese Anforderungen setzen
unterschiedliche und häufig einander widersprechende Bedingungen
für die Elektrodenkonstruktion fest.
-
Zusätzlich
zu diesen Anforderungen ist in Anwendungen, in denen die Lichtleistung
der Lampe auf irgendeinen reduzierten Wert eingestellt werden soll
oder die tatsächlichen Bedingungen eine Reduktion der Lampenleistung
und des Energieverbrauchs ermöglichen, ein Dimmen von großem
Vorteil.
-
Die
bedeutendsten Arten von HID-Lampen sind die Hochdruck- Quecksilber-,
Hochdruck-Natrium-, Metall-Halogen-Lampen, Entla dungslampen für den
Automobilbereich und Lampen spezieller Art (Projektions-, Studiolampen,
etc.). Ein Dimmen im kontinuierlichen Betriebsmodus ist in dem niedrigen Wattleistungsbereich
von HID-Lampen, die zur Innenraumbeleuchtung oder gegebenenfalls
für Fahrzeugbeleuchtung bestimmt sind, besonders wichtig.
-
Herkömmliche
Elektrodenkonstruktionen ermöglichen ein Abwärtsdimmen
nur bis etwa 60% der Nennleistung, was sie für bestimmte
Anwendungen unbrauchbar macht.
-
Gemäß den
in der
US 2 887 603 und
der
US 2 951 171 offenbarten
Lösungen wird in einer Lampe ein spezielles Elektrodenpaar
verwendet. Eine von diesen weist ein Thoriumoxid-Emissionsmaterial
in einem konischen Hohlraum auf. Die andere offenbart eine Elektrode
mit einer Spule, die ein Nest für das Emissionsmaterial
bereitstellt, um seine Verlustrate zu reduzieren und folglich die
Lebensdauer der Lampe zu verlängern.
-
Die
Verwendung von Thoriumoxid als Emissionsmaterial in der Tabletten-
oder Pelletform ist in der
US
3 619 699 angegeben, die Elektroden von Entladungslampen
betrifft. Ein Eindringen des Lichtbogenansatzes in einen Elektrodenhohlraum
wird durch eine Dampfbeatmung des Emissionsmaterials unterstützt,
das während einer Wechselstrom-Wiederzündung nach
einem Stromnullwert Plasmabestandteile in den Hohlraum injiziert.
Eine derartige Beatmung ist in Hochdruck-Niederstrom-Lampen sehr
erwünscht. Die Beatmung wird durch einen Hohlraum begünstigt,
der eine Tiefe aufweist, die nicht wesentlich größer
ist als die Eindringtiefe des Ansatzes. Hohe Temperaturen tief im
Inneren des Hohlraums sind vorteilhaft und werden durch die Schaffung
einer verbesserten Wärmekopplung zwischen dem vorderen
Ende des Hohlraumelementes und der kühleren Strahlungsabschirmung,
die es umgibt, und auch durch eine Wärmeisolierung zwischen den
Seiten des Hohlraumelementes und der kühleren Abschirmung
erreicht. Ein Eindringen des Emissions materials im Inneren des unteren
Teils des Hohlraums begünstigt eine tiefere Ansatzeindringung.
Eine Verlängerung der Strahlungsabschirmung über
das Hohlraumelement hinaus wird vermieden, weil eine derartige Verlängerung
die Ausbildung eines fleckenartigen Lichtbogenansatzes an der Abschirmung
begünstigen würde.
-
Diese
Lehre liefert Hinweise auf die Verwendung eines schraubenförmigen
Elementes an der Spitze der Elektrode, wobei jedoch das schraubenförmige
Element nicht wirklich einen Hohlraum bildet. Das schraubenförmige
Element wird verwendet, um ein Reservoir für das Emissionsmaterial
zu schaffen. Das Reservoir ist mit dem Emissionsmaterial nicht vollständig
gefüllt, sondern ein Element, das dieses Material in Stellung
hält, füllt den Hohlraum vollständig
auf. Aufgrund des Emissionsmaterialeinsatzes und der großen
Anzahl von Elektrodenkomponenten ist es auch kompliziert, derartige
Elektroden herzustellen.
-
Eine
weitere Lösung ist aus der veröffentlichten Patentanmeldung
US 2006/0238127 bekannt,
in der das Entladungsgefäß einander gegenüberliegend
einen ersten und einen zweiten halsförmigen Abschnitt aufweist,
die mit einem Paar Elektroden versehen sind, wobei jede von diesen über
ihre gesamte Länge hinweg rohrförmig ist. Die
Kombination aus Stab und Schraube bzw. Wendel weist gemäß der
Angabe in dieser Druckschrift verschiedene Nachteile, wie beispielsweise
einen kaum kontrollierbaren thermischen Kontakt zwischen diesen,
auf. Deshalb ist die Elektrode mit einem Wolframrohr hergestellt,
der mit einem Zwischenelement auf einem Wolframstab montiert ist.
Ein Wolframrohr mit kleinem Durchmesser ist sehr kostspielig und
erfordert eine nicht herkömmliche Technologie zur Elektrodenherstellung,
die die Fertigungskosten weiter erhöhen kann und hauptsächlich
an Elektroden von einer Submillimetergröße Dimensionskontrollprobleme
umfassen kann.
-
Es
besteht ein Bedarf nach HID-Lampen mit hohlraumförmigen
Elektroden, die eine einfache und kostengünstige Herstellungstechnologie
erfordern.
-
Eine
in letzter Zeit aufkommende Anforderung besteht darin, dass HID-Lampen
mit einem kontinuierlichen und weiten Wattleistungsbereich dimmbar
sind. Es besteht ein besonderer weiterer Bedarf daran, diese Anforderung
durch eine geeignete Elektrodenstruktur zu erfüllen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist eine Hochintensitätsentladungslampe geschaffen, die
ein Entladungsgefäß und zwei Elektrodenstäbe
mit im Wesentlichen flachen Enden aufweist, die an gegenüberliegenden Positionen
innerhalb des Entladungsgefäßes einander zugewandt
sind. Eine Drahtwendel ist wenigstens auf einen Teil der Oberfläche
wenigstens eines der Elektrodenstäbe gewickelt. Die Wendel
ragt über das Ende des zugehörigen Elektrodenstabs
hinaus und bildet somit einen Hohlraum zur Erweiterung des dimmbaren
elektrischen Leistungsbereiches der Lampe.
-
In
einer beispielhaften Ausführungsform gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Elektrode für
Hochintensitätsentladungslampen geschaffen. Die Elektrode
weist einen Elektrodenstab auf, der ein im Wesentlichen flaches Ende
aufweist. Eine Drahtwendel ist auf wenigstens einem Teil der Oberfläche
des Elektrodenstabs gewickelt, und die Wendel ragt über
das Ende der Elektrode hinaus und bildet somit einen Hohlraum zur
Erweiterung des dimmbaren Leistungsbereiches der Lampe.
-
Schließlich
ist ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Elektrode geschaffen,
wobei das Verfahren den Schritt des Wi ckelns von Windungen wenigstens
einer Drahtwendelschicht auf der Oberfläche eines Elektrodenstabs
aufweist, während die Wendelschichten über das
Ende des Elektrodenstabs hinausragen, und auf diese Weise ein Hohlraum
gebildet wird.
-
In
beispielhaften Ausführungsformen des Verfahrens werden
die Wendelschichten und Windungen von diesen in einer Pressform
zusammengepresst, die einen Zylinder, einen inneren Kern und einen
oder zwei konzentrische ringförmige bewegbare Kolben aufweist.
-
Diese
Erfindung weist einige Vorteile gegenüber dem Stand der
Technik auf. Sie weitet den dimmbaren elektrischen Leistungsbereich
der HID-Lampen in Bezug auf den dimmbaren Leistungsbereich der bekannten
HID-Lampen wesentlich aus. Die flexible hohlraumförmige
Konfiguration der Lampenelektroden ergibt eine bessere Lichtausbeute; eine
besser definierte Lichtbogenanhaftung und folglich einen stabilen
Betrieb der Lampe. Die Elektrodenstruktur gemäß dieser
Erfindung kann erzeugt werden, indem lediglich geringe Modifikationen
an den existierenden Herstellungstechnologien vorgenommen werden,
was wiederum zu einer kostengünstigen und einfachen Fertigung
der Lampe führt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
Erfindung ist nachstehend in Einzelheiten unter Bezugnahme auf die
beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
-
1 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung einer beispielhaften
Ausführungsform einer HID-Lampe gemäß der
Erfindung, die ein Entladungsgefäß enthält,
-
2 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung des Entladungsgefäßes
nach 1,
-
3 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung des Endteils
einer Elektrode der Lampe nach 1,
-
4 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung einer anderen
Ausführungsform einer Elektrode gemäß der
Erfindung,
-
5 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung einer weiteren
Ausführungsform der Elektrode,
-
6 eine
Seitenansicht im Querschnitt unter Veranschaulichung einer noch
weiteren Ausführungsform der Elektrode,
-
7 eine
Seitenansicht im Querschnitt, die in schematisierter Weise eine
Pressanordnung veranschaulicht, die zur Herstellung der Elektrode
verwendet wird,
-
8 eine
Seitenansicht im Querschnitt, die in schematisierter Weise eine
weitere Pressanordnung veranschaulicht, die bei der Herstellung
der Elektrode verwendet wird,
-
9 eine
Seitenansicht im Querschnitt, die in schematisierter Weise die Anordnung
nach 7 nach dem Pressen veranschaulicht,
-
10 eine
schematisierte Darstellung, die die dimmbaren Wattleistungsbereiche
einer bekannten Lampe und einer erfindungsgemäßen
Lampe miteinander vergleicht.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Indem
zunächst auf 1 Bezug genommen wird, ist eine
Hochintensitäts- bzw. Hochdruck-Entladungslampe oder, wie
sie allgemein bezeichnet wird, eine HID-Lampe veranschaulicht. Die Lampe
weist eine äußere Hülle 1 auf,
die ein Entladungsgefäß 2 enthält,
das mittels Zuführungsdrähte 5 mit elektrischen
Anschlüssen 4 in Quetschabschnitten 6 verbunden
ist. Das Entladungsgefäß 2 weist zwei
Elektroden 3 auf. Das Entladungsgefäß 2 kann
beispielsweise aus Quarzglas hergestellt sein, obwohl jedoch andere
geeignete Materialien, wie z. B. polykristallines Aluminiumoxid,
Yttrium-Aluminium-Granat, AlN, ebenfalls verwendet werden können.
Die äußere Hülle 1 kann beispielsweise
aus Hartglas, Quarzglas oder dotierten Varianten von diesen hergestellt
sein, um ein richtiges Maß an Filterung der durch die Entladung
in dem Gefäß emittierten UV-Strahlung zu erzielen.
-
Das
Entladungsgefäß 2 ist in 2 veranschaulicht.
Es kann mit beliebigen bekannten Substanzen gefüllt sein,
die in HID-Lampen viel benutzt werden, wie beispielsweise Edelgas,
Natrium, Metallhalogenide, Quecksilber oder Materialien, die Quecksilber
ersetzen, z. B. ZnI2, AlI3.
Die beiden Elektroden 3 haben freie Enden, die an gegenüberliegenden
Positionen innerhalb des Entladungsgefäßes einander zugewandt
sind. Die Anordnung wird für andere HID-Lampen üblicherweise
verwendet.
-
3 zeigt
einen Endteil einer der Elektroden 7 der Lampe nach 1.
In 3 ist ein Elektrodenstab 9 vorhanden,
der aus Wolfram oder einer Wolframlegierung hergestellt ist. Die
Letztere kann 1–3 Gew.-% bestimmter Oxide eines oder mehrerer Metalle
aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die beispielsweise
Thorium, Hafnium und Cer enthält. Diese Materialart wird
gewöhnlich für Entladungslampenelektroden verwendet.
Eine Wendel 10 aus Wolfram- oder Wolframlegierungsdraht
ist auf einem Teil der Oberfläche wenigstens eines der
Elektrodenstäbe 9 gewickelt. Der Wolframlegierungsdraht
kann die gleichen additiven Materialien wie das Material des Elektrodenstabs 9 aufweisen.
Der Teil der Oberfläche mit dem gewickelten Draht befindet sich
in der Nähe des freien Endes des Elektrodenstabs 9,
wo er in einem im Wesentlichen flachen Ende 16 zu dem Entladungsraum
hin endet. Die Wendel 10 ragt über das Ende 16 des
Elektrodenstabs 9 hinaus. Somit ist ein Hohlraum 11 erzeugt, um
einen erweiterten dimmbaren Wattleistungsbereich der HID-Lampe zu
erhalten.
-
4 zeigt
den Endteil einer weiteren alternativen Art der hohlen Elektrode.
Diese ist der in 3 veranschaulichten Version
sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass die Wendel 10 zwei
Schichten enthält. Die erste Schicht 17 ist in
der gleichen Weise wie in der Ausführungsform nach 3 auf
einen Elektrodenstab 9 gewickelt. Eine äußere
zweite Schicht 18 ist jedoch unmittelbar auf die erste
Schicht aufgewickelt. Die beiden Schichten 17 und 18 ergeben
gemeinsam eine bessere Entwurfsflexibilität für die
thermisch wirksame Masse der Elektrode und zugleich eine größere
mechanische Stabilität. Der Hohlraum 11 ist in
dieser Ausführungsform ebenfalls ausgebildet und stellt
die gewünschten Funktionsmerkmale sicher.
-
Zwei
modifizierte Ausführungsformen dieser letzten Elektrode
der zweischichtigen Bauart folgen in den Darstellungen gemäß den 5 und 6.
-
In 5 ist
die zweite Schicht 18 relativ zu der ersten Schicht 17 zu
dem freien Ende der Elektrode hin verschoben. Dies ergibt eine andere
Gestalt des Hohlraums 11, der einen trichterartig erweiterten Halsabschnitt
aufweist. Es ist festgestellt worden, dass diese Gestalt ebenfalls
den erzielbaren erweiterten dimmbaren Bereich deutlich unterstützt.
Der trichterartig erweiterte Halsabschnitt des Hohlraums 11 weist
tatsächlich einen in neren Abschnitt mit einer Länge
L1 und einen äußeren geweiteten Abschnitt auf.
Eine Gesamtlänge des Hohlraums 11 ist L2. Das Maß der
Aufweitung in dem Halsabschnitt ist in dieser veranschaulichten
Ausführungsform durch den Radius r2 des Drahts in der ersten
Schicht 17 bestimmt. Die Aufweitung ist in diesem Fall
gleich dem Vierfachen von r2, weil der Durchmesser der Drähte der
beiden Spulen gleich ist. Die Aufweitung kann jedoch in nachfolgenden
Windungen der Spule in der zweiten Schicht 18 bei dem Verlauf
von dem Ende 16 des Elektrodenstabs 9 weg zunehmen.
Dies ergibt einen konischen trichterartig sich aufweitenden Halsabschnitt.
Diese mögliche Ausführungsform ist nicht durch
eine gesonderte Zeichnungsfigur veranschaulicht.
-
Der
Radius r3 des Drahts in der zweiten Schicht 18 kann mit
dem Radius r2 des Drahts in der ersten Schicht 17 im Wesentlichen
identisch sein oder sich von diesem unterscheiden. Als eine übliche praktische
Regel für die Größen kann empfohlen werden,
dass die Radien r2 und r3 der Drähte der Wendeln weniger
als 3/5 des Radius r1 des zugehörigen Elektrodenstabs 9 mit
zylindrischer Gestalt betragen sollen. Diese Regel rührt
von Beschränkungen der Herstellungstechnologie nach dem
Stand der Technik her.
-
6 zeigt
eine Variante der 5, die mit einer dritten Schicht 19 vervollständigt
ist. Die zweite Schicht 18 steht in diesem Fall ebenfalls über
das Ende 16 des entsprechenden Elektrodenstabs mit einer
größeren Länge als die erste Schicht 17 vor.
Die dritte Schicht 19 ist aus Wolfram- oder Wolframlegierungsdraht
hergestellt, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht 17 und 18 gewickelt
ist, wobei der Radius des Drahtes in der dritten Schicht kleiner ist
als der Radius des Drahtes in der ersten und der zweiten Schicht 17 und 18.
Der Radius kann beispielsweise durch die Geometrie, d. h. durch
die Radien r2 und r3, optimiert sein. Aufgrund dieser Anordnung
kann die Auffüllung des Zwischenraums zwischen den Drähten
der Wendeln 10 besser sein als in der vorherigen Ausführungsform.
Die dritte Schicht 19 kann sich über die gesamte
Außenseite der ersten Schicht 17 und nicht nur über
den die zweite Schicht 18 überlappenden Abschnitt
hinweg erstrecken. Ein Emissionsmaterial kann auch zwischen den
Wendelwindungen verabreicht werden, anstatt dass dieses dem Material
des Elektrodenstabs oder der Wendel in Legierungsform beigegeben
wird.
-
Im
Verlauf der Herstellung wird ein Schritt des Wickelns von Windungen
von wenigstens einer Wendelschicht aus Wolfram- oder Wolframlegierungsdraht
auf die Oberfläche eines Elektrodenstabs 9 ausgeführt,
während die resultierenden Wendelschichten über
das Ende 16 des Elektrodenstabs 9 hinausragen
werden und somit der Hohlraum 11 erzeugt wird.
-
Der
Endteil der Elektrode 7 ist somit aus Wendeln 10 hergestellt.
Dies bedeutet, dass der elektrische und mechanische Kontakt zwischen
den benachbarten Windungen der Wendel gelegentlich nicht ausreichend
sein kann. Um die Qualität des Kontaktes zu verbessern,
können die Wendelschichten und die Windungen von diesen
während der Herstellung zusammengepresst werden. 7 veranschaulicht
in schematisierter Weise eine Pressanordnung, die zu diesem Zweck
verwendet wird. Ein Zylinder 13 weist einen Innendurchmesser
auf, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der zweiten
Schicht 18 ist, um während des Pressvorgangs eine
Abstützung zu erzielen. Aus dem gleichen Grund wird ein
innerer Kern 14 in den Hohlraum 11 hineingedrückt.
Der innere Kern 14 bietet eine innere Abstützung
für die erste Schicht 17. In dem Falle, dass die
erste und die zweite Schicht 17 und 18 über
das Ende 16 des entsprechenden Elektrodenstabs 9 über
die gleiche Länge hinausragen, ist das einzig erforderliche
Anpresselement ein ringförmiger Kolben 15, der
rings um den inneren Kern 14 angeordnet ist. Der ringförmige
Kolben 15 ist entlang des inneren Kerns 14 bewegbar.
Wenn eine Kraft F1 auf den Kolben 15 ausgeübt wird,
werden die Windungen der Wendeln 10 in gewissem Maße
verformt, wie dies in 9 veranschaulicht ist. Das Ergebnis
ist eine dichtere Elektrodenendteilstruktur, die während
des Betriebs der Lampe gegenüber der Entladung resistenter
ist.
-
Die
Schichtstruktur nach 5 erfordert ein anderes Presswerkzeug,
als es in 9 veranschaulicht ist. Da sich
die Auskraglängen L1 und L2 voneinander unterscheiden,
sind zwei konzentrische ringförmige Kolben 15' und 15'' um
den inneren Kern 14 herum geeignet. Es müssen
entsprechende Kräfte F1 bzw. F2 in einer voneinander unabhängigen
Weise ausgeübt werden.
-
In
dem Diagramm nach 10 werden die dimmbaren elektrischen
Leistungsbereiche einer bekannten HID-Lampe ohne den Hohlraum 11 (D1)
und einer HID-Lampe mit dem Hohlraum 11 gemäß einer beispielhaften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (D2) miteinander
verglichen. Die beiden HID-Lampen haben den gleichen Nennleistungswert. Es
kann ersehen werden, dass der dimmbare Leistungsbereich in dem Fall
von D2 von einem deutlich niedrigeren Wert aus beginnt als im Falle
von D1. Ferner ist die lm/W-Ausbeute für D2 ebenfalls besser. Der
erweiterte dimmbare Leistungsbereich der Lampe weist wenigstens
10–100% der elektrischen Nennleistung auf. Es ist gewöhnlich
möglich, einen stabilen Betrieb in dem gesamten Bereich
von 5–100% der Nennleistung zu erhalten, was ein Dimmvermögen
in 1–100% des nominellen Lampenlichtstroms ergibt. Dies
war unter Verwendung irgendwelcher bekannter HID-Elektroden nicht
möglich.
-
Die
beiden Elektroden nach 2 sind beide von der Art, die
einer Ausführungsform der Erfindung entspricht. Es ist
jedoch möglich, eine herkömmliche Elektrode ohne
den Hohlraum und eine Elektrode entsprechend einer Ausführungsform
der Erfindung zu verwenden.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die veranschaulichten und offenbarten Ausführungsformen
beschränkt, sondern andere Elemente, Verbesserungen und
Veränderungen liegen ebenfalls in dem Schutzbereich der
Erfindung. Beispielsweise ist es für Fachleute klar, dass
verschiedene Querschnittsgestalten des Elektrodenstabs, wie beispielsweise ein
polygonales Querschnittsprofil, ebenfalls für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung anwendbar sein können.
-
Zusammenfassung:
-
Eine
Hochintensitäts-Entladungslampe weist ein Entladungsgefäß und
zwei Elektrodenstäbe mit im Wesentlichen flachen Enden
auf, die an gegenüberliegenden Positionen innerhalb des
Entladungsgefäßes einander gegenüberliegen.
Eine Drahtwendel ist um wenigstens einen Teil der Oberfläche
wenigstens eines der Elektrodenstäbe gewickelt. Die Wendel
ragt über das Ende des zugehörigen Elektrodenstabs
hinaus und bildet somit einen Hohlraum zur Erweiterung des dimmbaren
Leistungsbereichs der Lampe.
-
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
-
- - US 2887603 [0006]
- - US 2951171 [0006]
- - US 3619699 [0007]
- - US 2006/0238127 [0009]