DE2261233A1 - Hochdruckgasentladungslampe - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS RGiNLÄNDER
DIPL-ING. KLAU-: DEPNHARDT 1 Λ. Di".

D - 8.M ON CH EN 60
THEODOR-STORM-STKASSE 18a

SG PI36 D

GTE Sylvania Inc., Wilmington, Delaware, USA

Hochdruckgesentladungslampe

Prioritätt 30. Dezember 1971 - USA - Serial Wq₀ 214 000

Zusammenfassung

Eine Hochdruck-Quecksilber-Natriuia~Lampe mit einem Außemnantel und einem inneren Bogenrohr vreist mehrere Windungen eines Wolfram-Widerstandheizdrahtes auf, die um das Bogenrohr . gewickelt sindo Der Draht ist elektrisch mit den Zuleitungen su den Bogenrohrelektroden verbunden und heist die Quecksilber- und Hatrium~Füllung auf Bogenzündtemperatur. Bei dieser Temperatur öffnet ein Bimetallschältsr den Drahtanschluß.

Erfindung

Unter den vielen Arten von Geräten mit einer Füllung aus

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verdampfbarοία, ionisierbarem Material, das aiae Bogenentladung trügt, beispielsweise Hocharuck-Quecksilberlasipe.n, kann eine bessere Lichtemission erreicht werden, wenn Metalle, wie Alkalimetalle, etwa Natrium und Caesium» und andere Metalle der Quecksilberfüllung hinzugefügt werden (US-Patentschrift 3 262 012). Trotz ihrer verbesserten Farbwiedergabe, des höheren Lichtstroms und der höheren Lebensdauer ist es schwierig oder unmöglich, Hochdruck-Natriumlampen (HPS) mit üblicherweise verfügbaren Vorschaltgeräten für die früheren Hochdruck-Quecksilberlampen (HP) ohne Alkalimetallfüllung zu starten. HPS-Lampen erfordern bisher zur Zündung einen Kilovoltimpuls (Minimum' 2500 V), verglichen mit 200 - oder 300 V Spitzenspannung, die zum Starten einer Bogenentladung in einor HP-Quecksilberlampe erforderlich sind. Für HPS-Lampen wird auch gleichzeitig eine 60 Hz, 250V ^ , 4 A Stromversorgung geliefert, um die Startentladung mit niedrigem Strom in eine Betriebsentladung mit hohem Strom zu ändern» Dementsprechend können KPS-Lampen nicht in den derzeit vorhandenen Millionen von Fassungen für HP-Quecksllberlampen verwendet werden, sondern müssen mit einem speziellen₉ erheblich aufwendigeren Hochspannung-Vorschaltgerät verwendet werden. Während einer relativ langen Startperiode von mehreren Minuten wird wenig oder kein Licht abgegeben,

Hauptaufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Möglichkeit zum Starten einer Bogenentladung in Lampen wie HPS-Lampen verfügbar zu machen, bei der die Forderungen an die Zündspannung wesentlich herabgesetzt sind, die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Startvorgangs erhöht wird, und die Verwendung mit den früher verfügbaren, billigen Vorschaltgeräten möglich wird, insbesondere vorhandenen Fassungen, die bereits mit Vorschaltgeräten für HP·(im Gegensatz zu HPS-)Lampen vergleichbarer Leistung selbst bei

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niedrigen Temperaturen und Versorgimg·sspannungon water dens Normalwert verwendet werden können. Weiter soll eine Beleuchtung vor dem Starten der Haupt«Bogeiie»tladung verfügbar gemacht werden«,

Zusammenfassung; der Erfindung

ErfindungsgeffläB besteht eine Hochdruck^Gasentladungslamp© aus einem Außenmantel, einem inneren Bogenrchr mit voneinander entfernten Entladungselektroden und einer Füllung aus Alkalimetall und Edelgas, sowie einer elektrischen Heiseinrichtung» die mit wenigstens einer dieser Elektroden verbunden ist und die Temperatur des Bogenrohrs auf wenigstens etwa 150 ⁰C wirksam erhöht, so daß die zum Starten eines Bogens zwischen den Elektroden orforderliche Spannung erheblich verringert wird.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung nMher erläutert werden^ es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Hochdruck-Quecksilbor-Natrium-Lampe;

Fig· 2 schematisch die elektrische Schaltung der Lampe nach Fig. 1j und

Fig. 3 grafisch die Startspannung in Abhängigkeit von der kontrollierten Bogenrohrtemperatur für bekannte Lampen und Lampen nach der Erfindung*

Die in Fig*- 1 dargestellte Hochdruck-Quecksilber-Natrium-(HPS) besteht aus einem üblichen äußeren Glasmantel 1,

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der von einem Sockel 2 hervorsteht. Sin Fuß 3 trägt ZulcituncsdrMht© 4 und 6, von denen der erste 4 nit einem Bügel 7 an den unteren Anschluß ε eines Bogenrohrs 10 angeschweißt ist. Der andere Zuleitungsdraht ist mit einem C-förmigen Rahmen 11 verschweißt« der bis zur Spitze des Außenmantels 1 reicht. Zwischen die Spitze des Rahmens und den oberen Anschluß 9 des Bogenrohrs sind Bügel 14 geschweißt. Die beiden Anschlüsse S und 9 sind mit Elektroden 16 innerhalb des Bogenrohrs verbunden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Federfinger 12 liegen am Hantel 1 an und positionieren den Rahmen 11 und das Bogenrohr 10.

Ein typisches Bogenrohr 10 für eine 400 W HPS-Laape besteht aus polykristallinem, hochreinem Tonerderohr hoher Dichtet das gegen Natrium widerstandsfähig let (US-Patentschrift 3 026 210). Das Rohr hat eine Länge von 115 mm (4 1/2"), einen Außendurchmesser von 6,90 mm (0,35oⁿ) und eine Wandstärke von 0,76 mm (0,030"). Das Bogenrohr enthält eine Gasfüllung aus Argon unter 23 Torr, oder Xenon unter 13 Torr, und eine chemische Füllung von 20 mg Quecksilber und 50 mg Quecksilber-Natrium-Amalgam» etwa 1 Gewichtsteil Natrium auf 3 Geeichtsteil© Quecksilber. Andere als die beschriebenen verdampfbaren, lonlsierbaren Füllmaterialien können verwendet werden. Bisherige HPS-Lampen haben einen Iliniraumimpuls von 2500 V benötigt, um einen Bogen zwischen den Elektroden 16 eines kalten HPS-Bogenrohrs bei Zimmertemperatur zu zünden. Des Hochepannungs-Vorschaltgerät wiegt und kostet erheblich mehr als ein übliches Vorschaltgerät für Hochdruck-Quecksilberlampen«

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich ein Leiter 17 aus Ohmschem Heizmaterial vorzugsweise

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in gewendalter Form um das Bogenrohr 10 herum mid wird in Kontakt mit diesem abgestützt, und zwar über den gröx3ten Teil desselben, oder vorzugsweise in der dargestellten Weise über praktisch die ganze Länge des Bogenentladungsraums zwischen den Elektroden 16₀ , Typischerweise handelt es sich bei dem Leiter um einen Wolfraradraht, 12,31 mg pro 200 mm, der für 120 V, 100 VJ Wechselstrom bis herauf zu 3000 ⁰K bemessen ist. Die Windungen der Wendel können Entfernungen von etwa 3 bis 13 mm (1/8 bis 1/12") haben, wobei die Endwindungen eine Entfernung von etwa 6 ram (1/4^M) von den Endkappen des Bogenrohres haben· Die obere Windung der Drahtwendel ist an einen Stab 18 geschweißt, der isolierend auf den Rahmen 11 mit Drähten 19 abgestützt ist, die getrennt in Glaszylinder 21 gebettet sind* Der elektriscüe Zwischenraum zwischen dem Stab 1G und dem Rahmen 11 wird bei niedriger Lampentemperatur mit einem bimetallischen Thermostatschalter 22 geschlossen, der an den Stab 18 angeschweißt ist und den Rahmen 11 berührt,, In ähnlicher Weise ist die unterste Windung der Wendel 17 an eixxen Stab 23 geschweißt, der isolierend vom Zuleitungsdraht abgestützt wird und mit einem thermostatischen Sehalter 2h mit dem Zuleitungsdraht 4 verbunden ist« Einer'oder beide thermostatischen Schalter können durch einen dauernden .Anschluß ersetzt werden, bei Weglassung beider Schalter ergibt sich allerdings ein Wirkungsgradverlust· Die thermostatischen Schalter öffnen den Drahtkreis nach der Bcgenzündung und während der normalen Laapenaüfwärmung und des normalen Lampenbetriebes· Es ist zwar ein wärmeempfindlicher mechanischer Schalter dargestellt worden5 ®s können stattdessen Jedooh auch andere Schalter verwendet werden, etwa Schalter, die auf die Bogenstartteaperatur, die Bogenbetriebsspanmmg oder den

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Bogenbetriebsstrom ansprechen, einschließlich Festkörperschalter laid Gasentladunssschaltor.

Venn die Lampe mit einem üblichen Vorschaltgerät für 120 V Wechselstrom, 400 M₉ 60 Hz installiert wird, das eine Drossel aufweist, die einen Ausgang von 240 V liefert, fließt ein Strom von etwa 0,5/. durch (Lan Draht, Der Draht glüht, so daß er sine brauchbare Lichtmenge emittiert, und hebt den Dampfdruck sowohl der Natrium- als auch der Quecksilber-Komponente der Füllung auf einen Wert an, in dem diese Füllung wenigstens teilweise verdampft und in einen ionisierbaren Bogenzündzustand kommt« Die Lampe startet in etwa 100 see und läuft danach auf dem vollen Betriebszustand in erheblich weniger Zeit als bisher benötigt wurde. Das ist eine erhebliche Herabsetzung gegenüber dem bisher erforderlichen Startimpuls in der Größenordnung von 2D00 - 3000 V. Darüberhinaus startet die Lampe innerhalb einer etwas längeren Periode (beispiol3uoiso 3 min) wenn Spannungen von nur 160 ^v _eff S ims angelegt werden« In jedem dieser Fälle zündet der Bogon über die Lampenelektroden bei einer Spannung! die niedriger ist, als die, bei der eine kalte Lampe zünden würde, und die Zündung erfolgt unabhängig von der ttogebimcotemperatur.

In Fig. 3 sind vier Kurven dargestellt, die die Lampenstart-Spitzenspannung in Abhängigkeit von dor Temperatur für vier 400 V Hochdrucl&anpon mit BogenrohrfUllungen von Alkalimetall und Edelgas zeigen. In jedem Falle war das Bogenrohr in einen Kolben odsr einen Außenmantel eingekapselt, der Helium zur guten Wärmeübertragung enthielt· Die eingekapselte Lampa wurde in einem Ofen auf mehrere Tempef-aturniveaus erhitzt, bei denen jeweils die Temperatur ins Gleichgewicht

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ge??rasht i-nxede * 3;!is.te wachssad© Spasming mrM© dgssa assgelegt bis ein Bogsn gezündet wurde, und an dieses Pimfct die Spitsen^Startspasmwng

Kurven A'und X gelten für HFSt-Bogenrohre _p die mit Argon. unter 23 Torr (A) bzw. Xenon unter 13 £©rr (X) gefüllt •waren* woboi "bei beiden Rohren der Leiter'17 nach Fig. 1 ua£ 2 fohlte. Die Kurven A* und X* geltea für die gleichen Rohre ₉ die jedoch mit dem Leiter 17 ia der beschriebenen Veise versehen waren» mir daß dar Leiter 17 an einem Ende nicht angeschlossen \mr_$ etwa dadurch, daß die Kontakte des Biiaetallsenaltsrs 22 in einem isolierenden Abstand gehalten warden, wobei das andere Bnde permanent mit nur einer Elektrode verbunden war, um das Potential dieser Elektrode im wesentlichen längs der gesamten Oberfläche des Bogenrohrs einzustellen» Die Bogenrohre für die Kurven A* und X* wurden nicht durch die Leiter 17_S sondern durch die Heizelemente des Ofens außerhalb dee llantels 1 erwärmt·

Alle vier Kurven zeigen einen ähnlichen Abfall der Spitssen-Startspannung auf ein Minimum und dann ein Anwachsen bei steigender Of©ntemperatur₀ Alle Kurven demonstrieren damit die Feststellung, daß bei-alkali.» metall~ldelgas«gefüllten Bogenrohren die Spitzenstartspaimung bei Temperatüren über 150 ⁰C deutlich herabgesetzt ist. Diese Herabsetzung bei höheren Temperaturen seigen die früheren Hochdruck-Quecksilberlampen HP (verslichen mit derzeitigen HP£~Laap©n) nicht; die Lampenstsrtßp?>.am»ag für HP-Lampen wird dadurch herabgesetzt, daß diese erforderlichenfalls auf Zimmertemperatur fcsrabgekühlt tverden, nicht durch Heizen« Die Kurven- A K©igoa ©ine Herabsetsung der früher erforderlichen

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Startspannung von IIPS-Lampen von 2500 V Minimum auf eine Spitzenstartspannung von etwa 275 V für die HPS-Argon-Larapo nach Kurve /, und etwa 400 V für die HPS-Xenon-Lampe X. Aus Kurven ' und X ist zu erkennen, daß die Verringerung der Startspannung bei etwa 150 ⁰C merklich wird und bis zu etwa 400 ⁰C beachtlich bleibt.

Ein Vergleich der Kurven A und X mit den Kurven A* und X* zeigt noch eine weitere Herabsetzung der Startspannung in den Lampen nach Kurven A* und X*, die mit dem ■gewendelten Leiter 17 versehen sind· Beim Vergleich der Kurve A mit der Kurve A* ergibt sich eine weitere Herabsetzung der Startspannung vom Minimum von etwa 275 V gemäß Kurve A auf ein Minimum von etwa 160 V gemäß Kurve A», Noch frappierender ist, daß das Minimum der Xenonlampenlcurven von etwa 400 V auf 160 V Spitzenstartspannung herabgesetzt wird, eine Herabsetzung um mehr als 50 %,

Ss wird angenommen, daß diese weitere starke Herabsetzung der Startspannung sich aus der kapazitiven Kopplung zwischen dem Wendelloiter 17 und der Füllung im Bogenentladungsraum ergibt, die ebenfalls als Leiter angesehen werden kann· In Jedem Falle zeigt Fig. 3f daß die Herabsetzung der Startspannung auf das Vorhandensein der beiden Formen von Leitern in enger elektrischer Kopplung zurückgeführt werden kann.

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Claims (13)

1. Patentansprüche

   hy Hochdruck-Gasentladungslampe bestehend aus einem Außenraantel und einem inneren Bogenrohr, das voneinander entfernte Bogenentladungselektroden und eine Füllung aus verdampfbarem, ionisierbarem Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein elektrischer Leiter über einen größeren Teil der Länge des Bogenentladungsraums erstreckt und mit diesem kapazitiv gekoppelt ist, und die Anschlüsse, mit denen den Elektroden Spannung zugeführt wird, einen Anschluß für diesen Leiter aufweisen,
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennz^chnet_Λ daß der Leiter sich im wesentlichen über die volle Länge des Bogenentladungsraums erstreckt.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeighnetj daß die Füllung ein Alkalimetall und ein Edelgas aufweist·
4. 4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnete, daß das Alkalimetall nNatrium und/odor Caesium let.
5. 5. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bfe 4, dadurch, ^ekennzcictoet^ daß die Füllung Quecksilber enthält»
6. 6. Lampe nach Anspruch 4 und 5, dadurch

   daß die Füllung ein Natrium«Quecksilb©r«Amalgam aus etwa 1 Gewichtsteil auf 3 Gewichtstsile Quecksilber enthält,.

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7. 7. Lampe nach einem der AnsprUohe3-6fladurch gekennzeichnet. daß das Edelgas Argon und/oder Xenon ict.
8. ß. Lampe nach einon der Ansprüche 1 bis 7# dadurch /!oltonnzelchnet. daß der Leiter mit dem Bogonrohr in Berührung steht und strukturell von diesem abgestützt ist.
9. 9. Lampe nach oinom der Ansprüche 1 bis 8_t dadurch rekennzeichnet. daß der Leiter parallel zu den Elektroden geschaltet ist.
10. 10, Lampe nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus Ohnschom Heizmaterial besteht.
11. 11. Lampe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet. daß der Leiter aus einem zur VaiOglut geeigneten Material besteht.
12. 12» Lampe nach Anspruch 9t 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet» daß der Drahtanschluß aus einem Rahmen besteht, der des Bogenrohr im Mantel positioniert·
13. 13. Lampe nach Anspruch 10, 11 odor 12, dadurch gekennzeichnet. daß der Leiter mit einem Schalter an eine Elektrode angeschlossen ist, der auf die Bogenstartbedingungen anspricht, um den Leiter abzuschalten.

    14, Lampe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein värmeempfindlicher Schalter ist.

    15« Lampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeempfindliche Schalter bei einer Temperatur zv/isehen 150 und 400 ⁰C öffnet.

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