DE3918839A1

DE3918839A1 - DISCHARGE LAMP HIGH INTENSITY

Info

Publication number: DE3918839A1
Application number: DE19893918839
Authority: DE
Inventors: John Melvin Anderson; Victor David Roberts
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-06-20
Filing date: 1989-06-09
Publication date: 1989-12-21
Also published as: FR2633098A1; NL8901518A; GB8914053D0; JPH0260048A; GB2221086A

Abstract

An electrodeless intensity-discharge lamp, having an envelope (11) situated in the bore of an excitation coil (14) and the interior of which envelope is to be provided a discharge plasma (12), driven by the excitation coil, is provided with a pair of starting electrodes (16) each of which is either adjacent to (as shown), or enters the envelope through Fig 2 (not shown), the associated one of an opposed pair of envelope end surfaces (11b, 11c). Coupling of a high voltage pulse between the pair of starting electrodes causes an electric field to be produced, between each electrode and the other one of the electrodes or the excitation coil, of magnitude and position sufficient to cause the material within the lamp envelope to create at least one spark channel (18) in which the plasma can then be formed responsive to the normal field provided by the excitation coil. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft elektrodenlose Entladungslampen hoher Intensität (abgekürzt "HID-Lampen") und mehr im besonderen neue Elektroden zum Initiieren einer Plasma-Entladung innerhalb des Bogenraumes der elektrodenlosen HID-Lampe.The invention relates to high discharge electrodeless discharge lamps Intensity (abbreviated "HID lamps") and more especially new Electrodes to initiate a plasma discharge inside the Arc space of the electrodeless HID lamp.

Es ist bekannt, innerhalb des Kolbens einer HID-Lampe ein ring förmiges (toroidales) lichtemittierendes Plasma zu schaffen. Zur Aufrechterhaltung hängt das Induktions-Bogenplasma von einem solenoidalen, divergenzfreien elektrischen Feld ab, wobei dieses Feld durch das veränderliche Magnetfeld einer Anregungsspule geschaffen wird, die üblicherweise in Form eines Solenoids vor liegt. Es ist erforderlich, einen sehr hohen Gradienten des elektrischen Feldes über das Bogenrohr zu entwickeln, um die Plasma-Entladung zu zünden; es ist schwierig, einen ausreichend hohen Gradienten des elektrischen Feldes zu entwickeln, insbe sondere in der dazugehörigen Anregungsspule, da der Spulenstrom prohibitiv hoch sein kann, selbst wenn er nur auf einer Impuls basis fließt. Es mag jedoch unmöglich sein, einen sehr hohen Gradienten des elektrischen Feldes zu schaffen, weil das erfor derliche Feld pro Windung der Anregungsspule die elektrische Durchbruchsfestigkeit dieser Spule von Windung zu Windung über steigt. Es ist daher schwierig, eine Einrichtung zum Zünden induktionsbetriebener HID-Lampen zu schaffen, und es ist auch schwierig, das heiße Neuzünden dieser Art Lampe zu bewerkstel ligen.It is known to have a ring within the bulb of an HID lamp to create shaped (toroidal) light-emitting plasma. For maintenance, the induction arc plasma depends on one solenoidal, divergence-free electric field, this Field due to the changing magnetic field of an excitation coil is created, usually in the form of a solenoid lies. It is necessary to have a very high gradient to develop the electric field over the arc tube to the Ignite plasma discharge; it's difficult to get one to develop high gradients of the electric field, esp especially in the associated excitation coil, since the coil current can be prohibitively high, even if it's only on an impulse base flows. However, it may be impossible to get a very high one Creating gradients of the electric field because the requ The electric field per turn of the excitation coil Breakdown resistance of this coil from turn to turn increases. It is therefore difficult to set up an ignition device creating induction powered HID lamps and it is too difficult to get the hot reignition of this kind of lamp leagues.

Es ist daher in hohem Maße erwünscht, eine Einrichtung zum Zünden der Plasma-Entladung der HID-Lampe zu schaffen, wo bei diese Zündeinrichtung leicht mit im Handel erhältlichen Lampen unter den üblichen Umgebungsbedingungen benutzt werden kann.It is therefore highly desirable to have a facility to ignite the plasma discharge of the HID lamp to create where with this ignition device easily with commercially available Lamps are used under the usual environmental conditions can.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrodenlose Ent ladungslampe hoher Intensität mit einem Kolben innerhalb des Hohlraumes (der Bohrung) einer Anregungsspule geschaffen, wobei der Kolben im Inneren mit einem durch die Anregungsspule ange triebenen Entladungsplasma versehen werden soll und der Kolben darüber hinaus ein Paar von Zündelektroden aufweist, die jede entweder benachbart dem Kolben angeordnet sind oder durch eine dazugehörige eines gegenüberliegenden Paares von Oberflächen in den Kolben hineinführen. Das Koppeln eines Hochspannungs-Impul ses zwischen dem Paar von Zündelektroden verursacht das Erzeu gen eines elektrischen Feldes zwischen jeder Elektrode und der anderen der Elektroden oder der Anregungsspule, wobei dieses Feld eine Größe und Position hat, die ausreichen, im Material innerhalb des Lampenkolbens mindestens einen Funkenkanal zu verursachen, in dem das Plasma dann aufgrund des durch die An regungsspule bereitgestellten Normalfeldes gebildet werden kann.According to the present invention, an electrodeless Ent High intensity charge lamp with a bulb inside the Cavity (the bore) created an excitation coil, wherein the piston inside with a through the excitation coil driven discharge plasma to be provided and the piston furthermore has a pair of ignition electrodes, each are either arranged adjacent to the piston or by a belonging to an opposite pair of surfaces in insert the piston. The coupling of a high voltage pulse it between the pair of ignition electrodes causes the generation electric field between each electrode and the other of the electrodes or the excitation coil, this Field has a size and position that are sufficient in the material at least one spark channel within the lamp bulb cause, in which the plasma then due to the by excitation coil provided normal field are formed can.

Bei den derzeit bevorzugten Ausführungsformen sind die Zünd elektroden leitende Teile mit abgerundeten Enden, die axial längs der Achse eines im wesentlichen zylindrischen Lampenkol bens angeordnet sind.In the currently preferred embodiments, the firing Electrode conductive parts with rounded ends that are axial along the axis of a substantially cylindrical lamp bulb are arranged.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lampe der oben genannten Art und insbesondere neue Zündelektroden für eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensität zu schaf fen.It is therefore an object of the present invention to provide a lamp of the type mentioned above and in particular new ignition electrodes for to create a high intensity electrodeless discharge lamp fen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich nung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:The invention is described below with reference to the drawing tion explained in more detail. In detail show:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer elektrodenlosen HID-Lampe und einer ersten Ausfüh rungsform von Zündelektroden dafür und Fig. 1 is a partially sectioned side view of an electrodeless HID lamp and a first embodiment of ignition electrodes therefor and

Fig. 2 eine andere teilweise geschnittene Seitenansicht einer elektrodenlosen HID-Lampe und einer zweiten Ausführungsform von Zündelektroden dafür. Fig. 2 is another partially sectioned side view of an electrodeless HID lamp and a second embodiment of ignition electrodes therefor.

In Fig. 1 ist eine Induktions- oder elektrodenlose Entladungs lampe hoher Intensität 10 gezeigt, die ein Entladungsrohr oder einen Kolben 11 umfaßt, der eine im wesentlichen zylindrische Gestalt aufweist und ein im wesentlichen gasförmiges Material 11 a einschließt, das ein Zündgas, wie Argon, Xenon usw. sowie ein Metallhalogenid, wie Natriumjodid usw., einschließt. Eine im wesentlichen ringförmige Plasma-Bogenentladung 12 wird durch ein elektrisches Feld innerhalb des Kolbens 11 aufrecht erhal ten, wobei das Feld durch eine Anregungsspule 14 erzeugt wird, die auf ein Hochfrequenz-Signal anspricht, das zwischen die gegenüberliegenden Spulenenden 14 a und 14 b gelegt wird. Der Kolben 11 ist mit seiner Achse allgemein längs der Achse der Spule 14 angeordnet.In Fig. 1, an induction or electrodeless discharge lamp of high intensity 10 is shown, which comprises a discharge tube or a bulb 11 which has a substantially cylindrical shape and includes a substantially gaseous material 11 a , which is an ignition gas such as argon, Xenon, etc. and a metal halide such as sodium iodide, etc. A substantially annular plasma arc discharge 12 is ten upright preserver by an electric field within the piston 11, wherein the field is generated by an excitation coil 14 responsive to a high frequency signal between the opposite coil ends 14 a and 14 set b becomes. The piston 11 is arranged with its axis generally along the axis of the spool 14 .

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Paar von Zündelektro den 16 a und 16 b geschaffen, die langgestreckte leitende Teile außerhalb der oberen und unteren Oberflächen 11 b und 11 c des Bogenrohres sind und sich axial zum Bogenkolben hin erstrecken und zwar im wesentlichen längs dessen Mittellinie. Eine Einrich tung 17 zur Abgabe von Hochspannungs-Impulsen legt eine Wechsel spannung an die außerhalb des Kolbens liegenden Elektroden 16 über dazugehörige Verbindungsmittel 17 a und 17 b zusammen mit der Anwendung der Hochfrequenz-Spannung an die Anregungsspule 14 an, um eine Zünd-Vorentladung 18 innerhalb des Kolbeninneren 11 a zu verursachen. Diese Zünd-Vorentladung bildet sogenannte "Funkenkanäle", die sich von einem Volumen benachbart dem abge rundeten Ende einer Zündelektrode zu einem Volumen benachbart dem abgerundeten Ende der anderen Zündelektrode erstrecken, wie einen ersten Funkenkanal 18 a, und sie schafft auch die gleichen Vorentladungs-Funkenkanäle innerhalb des Rohres 11 regellos von der Nähe jeder Zündelektrode zur Gesamtheit der Anregungsspulen- Windungen, so daß Zündkanäle 18 b von der Nähe der oberen Zünd elektrode 16 a zu den unteren Windungen der Anregungsspule 14 mit anderen Zündkanälen, die sich zu anderen Teilen der Anre gungsspule hin bilden, bis die obersten Zündkanäle 18 c von der oberen Zündelektrode 16 a zu den oberen Windungen der Anregungs spule gebildet werden. Gleichzeitig werden andere Zündkanäle 18 d von der Nähe der unteren Zündelektrode 16 b zu den oberen Teilen der Anregungsspule 14 mit anderen Kanälen 16 e von der unteren Zündelektrode 16 b zu den unteren Teilen der Anregungs spule 14 gebildet sowie weitere Kanäle zwischen den Kanälen 18 d und 18 e. Es ist ersichtlich, daß die Mehrzahl der Zündkanäle, d.h. Kanäle 18 b bis 18 e, die zwischen den Zündelektroden und der Anregungsspule 14 gebildet werden, Funkenentladungen innerhalb des Bogenrohr-Volumens hervorbringen, das im wesentlichen mit dem ringförmigen Bogenplasma 12 gefüllt ist, wobei das Plasma auf die Hochfrequenz-Wechselspannung anspricht, die von der Einrichtung 17 an die Elektroden 16 gelegt wird. Haben die Fun kenentladungen 18 eine ausreichende Größe, dann wird etwas Plasma gebildet und diffundiert in den ringförmigen Pfad des erwünsch ten Bogens, wobei dieses diffundierende Plasma zu der erwünsch ten ringförmigen Entladung 12 zündet. Es wurde festgestellt, daß höhere Frequenzen im Bereich der Hochfrequenz, die durch die Zünd-Leistungszuführung 17 geliefert werden, zu breiteren Funkenkanälen 18 führen,was hilfreich bei der Einrichtung des Plasmas 12 sein kann.According to one aspect of the invention, a pair of ignition electric 16 a and 16 b is created, which are elongated conductive parts outside the upper and lower surfaces 11 b and 11 c of the arc tube and extend axially towards the arc bulb, substantially along the center line thereof . A Einrich device 17 for delivering high-voltage pulses applies an alternating voltage to the electrodes 16 located outside the bulb via associated connecting means 17 a and 17 b together with the application of the high-frequency voltage to the excitation coil 14 in order to pre-discharge 18 to cause within the piston interior 11 a . This ignition pre-discharge forms so-called "spark channels", which extend from a volume adjacent the rounded end of one ignition electrode to a volume adjacent the rounded end of the other ignition electrode, like a first spark channel 18 a , and it also creates the same pre-discharge spark channels within the tube 11 randomly from the vicinity of each ignition electrode to the entirety of the excitation coil windings, so that ignition channels 18 b from the vicinity of the upper ignition electrode 16 a to the lower turns of the excitation coil 14 with other ignition channels that are related to other parts of the excitation coil back form until the top ignition channels 18 c are formed from the upper ignition electrode 16 a to the upper turns of the excitation coil. At the same time other ignition channels 18 d from the vicinity of the lower ignition electrode 16 b to the upper portions of the excitation coil 14 with other channels 16 e of the lower ignition electrode 16 b to the lower parts of the excitation coil 14 is formed, as well as additional channels between the channels 18 d and 18 e . It can be seen that the majority of the firing channels, ie channels 18 b to 18 e formed between the igniter electrodes and the excitation coil 14 produce spark discharges within the arc tube volume, which is substantially filled with the ring-shaped arc plasma 12, wherein the Plasma responds to the high-frequency AC voltage, which is applied to the electrodes 16 by the device 17 . If the spark discharges 18 are of a sufficient size, some plasma is formed and diffuses into the annular path of the desired arc, which diffusing plasma ignites to the desired annular discharge 12 . It has been found that higher frequencies in the high frequency range provided by the ignition power supply 17 lead to wider spark channels 18 , which can be helpful in setting up the plasma 12 .

Fig. 2 zeigt eine andere derzeit bevorzugte Ausführungsform, nämlich eine Lampe 10′ mit einem Kolben 11′, der axial im we sentlichen längs der Achse der Anregungsspule 14 angeordnet ist. Das Bogenrohr 11′ ist mit im Inneren liegenden gegenüberstehen den Zündelektroden 20 versehen. Eine erste, obere Zündelektrode 20 a hat ein abgerundetes bzw. kolbenförmiges oder ähnlich aus gebildetes Ende 22, und ein Elektrodenabschnitt 20 c, der durch einen Teil 11′d der oberen Wandung 11′b des Bogenrohres hin durchgeht ist in einer gasdichten Weise darin abgedichtet. In ähnlicher Weise hat eine zweite, untere Zündelektrode 20 b ein im wesentlichen abgerundetes Ende 22, und es weist einen Ab schnitt 20 d auf, der durch die untere Wandung 11′d hindurch geht und darin in einer gasdichten Weise abgedichtet ist. Die inneren Zündelektroden 20 sind mit einer geeigneten Impulsein richtung 17′ für hohe Spannung und hohe Frequenz verbunden, wo bei diese Einrichtung eine Ausgangsleitung 17 c auf hohem Poten tial mit bezug auf eine übliche Schaltungspotential-Verbindung 17 d haben kann und die Leitung 17 c mit dem Zuleitungsabschnitt 20 a der ersten Zündelektrode verbunden ist, während die andere Zündelektrode 20 b mit einem üblichen Schaltungspotential verbun den ist, um die Hochspannungs-Zündschaltung zu vervollständigen. Der Betrieb der inneren Zündelektroden 20 ist ähnlich dem Be trieb zum Zünden der Bogenentladung 12 mit den außerhalb des Rohres befindlichen Zündelektroden 16, obwohl hier keine Abhän gigkeit von Verschiebungsströmen besteht, die durch das Dielek trikum der oberen und unteren Wandungen 11 b und 11 c des Bogen rohres hindurchgehen, wie dies bei der Konfiguration mit äußeren Elektroden nach Fig. 1 der Fall ist, so daß der Zündstrom in der Ausführungsform der Fig. 2 im allgemeinen höher sein kann. Dies führt nicht nur zu einer stärkeren Funken entladung und einer größeren Wahrscheinlichkeit des Zündens der Hauptentladung, sondern gestattet auch die sorgfältige Bei behaltung der Trennung der Zündelektroden, da das Zünden inner halb des Kolbens und nicht durch eine Einrichtung außerhalb des Kolbens erfolgt. Fig. 2 shows another currently preferred embodiment, namely a lamp 10 'with a bulb 11 ', which is arranged axially in the essential we along the axis of the excitation coil 14 . The arc tube 11 'is provided with the ignition electrodes 20 lying on the inside. A first, upper ignition electrode 20 a has a rounded or piston-shaped or similarly formed end 22 , and an electrode section 20 c , which passes through a part 11 ' d of the upper wall 11 ' b of the arc tube, is sealed in a gas-tight manner therein . Similarly, a second, lower ignition electrode 20 b has a substantially rounded end 22 , and it has a section from 20 d , which passes through the lower wall 11 ' d and is sealed therein in a gas-tight manner. The inner ignition electrodes 20 are connected with a suitable impulse device 17 'for high voltage and high frequency, where in this device an output line 17 c can have high potential with respect to a conventional circuit potential connection 17 d and the line 17 c with the lead section 20 a of the first ignition electrode is connected, while the other ignition electrode 20 b is connected to a conventional circuit potential to complete the high-voltage ignition circuit. The operation of the inner ignition electrodes 20 is similar to the operation to ignite the arc discharge 12 with the ignition electrodes 16 located outside the tube, although here there is no dependency on displacement currents caused by the dielectric of the upper and lower walls 11 b and 11 c of the Arc tube go through, as is the case with the configuration with external electrodes according to FIG. 1, so that the ignition current in the embodiment of FIG. 2 can generally be higher. This not only leads to a stronger spark discharge and a greater probability of ignition of the main discharge, but also permits careful maintenance of the separation of the ignition electrodes, since the ignition takes place inside the piston and not by a device outside the piston.

Der Gebrauch der Zündelektroden 16 oder 20 gestattet einen sehr großen Zündstrom (von bis zu 100 A oder mehr) für eine kurze Zeitdauer durch die Impulseinrichtung 17, und dies gleichzeitig mit der Einführung des Hochfrequenz-Anregungssignals in die Spule 14. Der Betrieb des Bogenrohres 11 ähnelt somit dem Be trieb einer Blitzlampe, in der eine Entladung als Funkenkanal beginnt, sich zu einer radial ausdehnenden Bogensäule vergrößert und sich zu dem Volumen bewegt, wo der Hauptbogenring schließ lich gebildet wird. Die radiale Plasma-Ausdehnung kann relativ rasch sein und erzeugt eine Schockwelle, die in ihrem Sog die Elektronendichte bei einem ausreichend hohen Wert zurückläßt, um den solenoidalen Bogen zu zünden. Der Gebrauch der Zündelek troden gestattet sowohl das kalte Zünden eines HID-Bogens hohen Druckes, wie in einer Lampe mit Xenon als Puffergas (bei einem Druck von mindestens 26600 Pa) als auch das warme Neuzünden von Lampen, wie solcher, die Quecksilber als Puffergas benutzen, unmittelbar nachdem eine solche Lampe erloschen ist. Die Zünd elektroden 16 und 20 werden im allgemeinen ausreichend dünn ge fertigt für die solenoidale Entladung, daß sie durch das Haupt induktionsfeld, das durch die Anregungsspule 14 geliefert wird, nicht zu stark erwärmt werden. Die Zündelektroden 20 dringen daher in den meisten Fällen nur für eine kurze Distanz in den Bogenraum ein und beeinträchtigen die elektrischen Funktionen des Hauptbogens nicht. Normalerweise werden die Zündelektroden aus Wolfram hergestellt, doch können auch andere Materialien benutzt werden. Das Material der Zündelektroden sollte so aus gewählt sein, daß eine starke Reaktion mit den Bogenbestandtei len, die von einer chemisch reaktionsfähigen Art sein können (wie Chlor usw.) vermieden wird, obwohl es erwartet wird, daß die Zündelektroden während des Normalbetriebes nicht heiß ge nug werden, um in nachteiliger Weise mit den Bogenbestandteilen zu reagieren. Doch sollten die Zündelektroden ausreichend Masse haben, um zu gestatten, daß sie Zündströme von bis zu 100 A oder mehr tragen können, die für das richtige Zünden einer Ent ladung mit einem kurzzeitigen Impuls von vielleicht wenigen Mikrosekunden erwartet werden.The use of the ignition electrodes 16 or 20 allows a very large ignition current (up to 100 A or more) for a short period of time through the pulse device 17 , and this simultaneously with the introduction of the high frequency excitation signal into the coil 14 . The operation of the arc tube 11 thus resembles the operation of a flash lamp in which a discharge begins as a spark channel, increases to a radially expanding arc column and moves to the volume where the main arc ring is finally formed. The radial plasma expansion can be relatively rapid and generates a shock wave which, in its suction, leaves the electron density at a sufficiently high level to ignite the solenoidal arc. The use of the ignition electrodes permits both the cold ignition of a HID arc of high pressure, such as in a lamp with xenon as a buffer gas (at a pressure of at least 26600 Pa), and the warm re-ignition of lamps, such as those using mercury as the buffer gas , immediately after such a lamp goes out. The ignition electrodes 16 and 20 are generally made sufficiently thin for the solenoidal discharge that they are not excessively heated by the main induction field provided by the excitation coil 14 . In most cases, the ignition electrodes 20 therefore only penetrate the arc space for a short distance and do not impair the electrical functions of the main arc. The ignition electrodes are usually made of tungsten, but other materials can also be used. The material of the ignition electrodes should be chosen so that a strong reaction with the arc components, which may be of a chemically reactive type (such as chlorine, etc.), is avoided, although it is expected that the ignition electrodes will not become hot during normal operation enough to react adversely with the bow components. However, the ignition electrodes should have sufficient mass to allow them to carry ignition currents of up to 100 A or more, which are expected for the correct ignition of a discharge with a brief pulse of perhaps a few microseconds.

Claims

1. A high intensity discharge lamp comprising:
a piston for placement within a cavity of an excitation coil, the piston including a device responsive to the field of the excitation coil for supporting a discharge plasma and
an ignition electrode device for receiving an ignition signal pulse to create at least one spark channel within the bulb to at least support the initiation of the discharge plasma when the ignition pulse signal is received.

2. The lamp of claim 1, wherein the bulb is opposite has the first and second surfaces and the Ignition electrode device includes: a first conductive electrode, the whole with respect to the piston Lich beyond the first surface and adjacent to it this first surface and lead a second de electrode with respect to the piston entirely beyond and adjacent to the second surface second surface.

3. The lamp of claim 2, wherein at least one of the first and second electrodes in a direction away from that Piston is elongated.

4. The lamp of claim 3, wherein the bulb has symmetry axis and the elongated electrode essentially Lichen is aligned along this axis.

5. The lamp of claim 3, wherein each of the electrodes in one direction away from the piston and opposite is elongated to each other.

6. The lamp of claim 5, wherein the bulb has symmetry axis and each of the elongated electrodes in the is aligned substantially along this axis.

7. The lamp of claim 5, wherein each of the elongated Electrodes have a generally rounded end next to the Piston.

8. The lamp of claim 3, wherein each of the at least one elongated electrodes a generally rounded End next to the piston.

9. The lamp of claim 1, wherein the bulb first and two te has opposite surfaces and the Zünd Electrode device includes: an elongated te first conductive electrode, which is from outside the piston through the first surface inside of the piston extends and an elongated second conductive electrode extending from outside the bulb through the second surface into the inside of the piston extends.

10. The lamp of claim 9, wherein the bulb has symmetry axis and the elongated electrodes essentially Lichen are aligned along this axis.

11. The lamp of claim 10, wherein each of the electrodes in a direction essentially opposite to Longitudinal direction of the other electrode and away from the piston is elongated.

12. The lamp of claim 11, wherein each of the elongated th electrodes a thickened end inside the col bens has.

13. The lamp of claim 11, wherein each of the elongate th electrodes has a central section which in in a gas-tight manner through the associated waiter area is led.

14. The lamp of claim 9, wherein at least a portion of each Electrode inside the piston made of one material is made by the discharge under supporting device essentially unaffected remains.