DE69107183T2 - Elektrodlose Entladungslampe. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Hochintensitäts-Entladungs(HID)lampen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Starthilfe für eine elektrodenlose HID Lampe.
Hintergrund der Erfindung
• In einer Hochintensitäts-Entladungs (HID) lampe emittiert ein ionisierbares Gas mit einem mittleren bis hohen Druck, wie beispielsweise Quecksilber- oder Natriumdampf, sichtbare Strahlung bei Anregung, die typisch durch einen Stromfluß durch das Gas über eine Bogenentladung hervorgerufen wird. Eine Klasse von HID Lampen enthält induktiv gekoppelte elektrodenlose Lampen, die eine Bogenentladung entwickeln und aufrechterhalten, indem ein solenoidales bzw. quellenfreies elektrisches Feld in einer gasförmigen Lampenfüllung mit einem hohen Druck erzeugt wird. In einer derartigen Lampe wird die Hochdruckfüllung innerhalb einer Bogenröhre zunächst durch eine elektrische Entladung durchbrochen, und das entstehende Entladungsplasma wird durch Hochfrequenz(HF)-Strom in einer Anregungsspule, die die Bogenröhre umgibt, angeregt. Die Bogenröhre und die Anregungs-Spulenanordnung arbeiten im wesentlichen wie ein Transformator, der HF Energie mit dem Plasma koppelt. Das heißt, die Anregungsspule wirkt wie eine Primärspule, und das Plasma funktioniert wie eine eine einzige Windung aufweisende Sekundärspule, die mit der Primärspule induktiv gekoppelt ist. Der HF-Strom in der Anregungsspule erzeugt ein zeitveränderliches Magnetfeld, das seinerseits ein elektrisches Feld in dem Plasma hervorruft, das im wesentlichen in sich selbst geschlossen ist, d. h. ein solenoidales elektrisches Feld. Als Folge dieses elektrischen Feldes fließt ein Strom, der eine toroidale Bogenentladung in dem Plasma innerhalb der Bogenröhre zur Folge hat.
• Die toroidale Entladung in einer induktiv gekoppelten HID Bogenröhre ist im allgemeinen schwieriger zu starten als die Entladung in einer konventionellen Bogenröhre mit Elektroden, die als Enden für die Entladung dienen. Es gibt mehrere Gründe hierfür. Erstens eliminiert das Fehlen von Elektroden die vorteilhafte Rolle, die Elektroden häufig beim Starten von mit Elektroden versehenen Bogenröhren spielen. Beispielsweise gibt es ohne die Elektroden keine Gelegenheit für elektrische Feldkonzentrationen an der Elektrodenspitze und keine Gelegenheit zum Erzeugen von Anfangselektronen durch physikalische Prozesse an der Oberfläche der Kathoden-Elektrode, wie beispielsweise thermionische Emission, Feldemission oder Ionenbombardement. Zweitens ist es sehr schwierig, induktiv die sehr hohen elektrischen Felder zu erzeugen, die für den Durchbruch des einen relativ hohen Druck aufweisenden Füllgases in der Bogenröhre erforderlich sind. Drittens verwenden wir als das Puffergas in der Bogenröhren-Füllung ein Inertgas mit einem hohen Druck, anstatt Quecksilber. Beispielsweise verwenden wir in einem Ausführungsbeispiel von unserer Erfindung als Puffergas in unserer Bogenröhren-Füllung Krypton oder Xenon mit einem Raumtemperatur-Druck von 250 Torr oder mehr. Dieser Inertgas-Druck ist etwa zehn Mal höher als der Inertgas-Druck, der für einen Durchbruch beim ersten Starten wünschenswert ist.
• Es gibt eine Anzahl von Lösungen, die versucht oder vorgeschlagen worden sind, um die Bogenentladung in der Hochdruck-Inertgas-Bogenröhrenfüllung von einer elektrodenlosen Lampe einzuleiten. Ein früher Versuch beinhaltet die Absenkung des Gasdrückes der Füllung, indem beispielsweise die Bogenröhre zuerst in flüssigen Stickstoff eingetaucht wird, so daß die Gastemperatur auf einen sehr niedrigen Wert abgesenkt wird, und dann läßt man die Gastemperatur ansteigen. Wenn die Gastemperatur steigt, wird momentan eine optimale Gasdichte erreicht, damit eine Ionisation oder ein Durchbruch der Füllung auftritt, so daß eine Bogenentladung eingeleitet wird. Jedoch ist das Verfahren mit flüssigem Stickstoff zum Einleiten einer Bogenladung nicht praktikabel für eine breite kommerzielle Anwendung.
• Jüngere Lösungen haben die Verwendung einer Vielfalt von metallischen "Starthilfen" beinhaltet, die typisch dazu dienen, das elektrische Feld zum Starten zu erhöhen. Diese metallischen Starthilfen sind gewöhnlich außerhalb des Bogenröhrenmantels angeordnet, aber in einigen Fällen sind es Startelektroden gewesen, die durch Dichtungen hindurch in den Bogenröhrenmantel eintreten. Beispiele von diesen metallischen Starthilfen sind in den US-Patenten 4 894 589, 4 894 590, 4 902 937, 5 047 693, veröffentlicht am 10. September 1991, 4 982 140, veröffentlicht am 01. Januar 1991, 5 059 868, veröffentlicht am 22. Oktober 1991 (EP-A-0 458 546, veröffentlicht am 27.11.1991) und 5 084 654, veröffentlicht am 28. Januar 1992 (EP-A-0 458 544, veröffentlicht am 27.11.191), gezeigt.
• Es gibt einige Nachteile bei der Verwendung einer metallischen Starthilfe. Wenn beispielsweise die metallische Starthilfe einen derartigen Charakter hat, daß sie während des Lampenbetriebs in ihrer Lage bleibt, kann sie als ein Vehikel für einen die Lebensdauer begrenzenden Mechanismus dienen, wie beispielsweise Natriumverlust, Verschlechterung der Bogenröhren-Mantelwand oder Dichtungsversagen. Wenn auf der anderen Seite eine metallische Starthilfe einen derartigen Charakter hat, daß sie nach dem Starten entfernt oder herausgezogen wird, dann werden die Komplikationen und die Kosten, die in die Steuerung eines derartigen sich bewegenden Teils involviert sind, in das Lampendesign eingeführt. Ferner hat eine bewegbare Starthilfe die Tendenz, die Impedanzanpaßerfordernisse der Speiseschaltung für die Anregungsspule zu verändern.
Zusammenfassung
• Beim Ausführen der Erfindung in einer Form wird eine elektrodenlose HID Lampe geschaffen, die eine lichtdurchlässige Bogenröhre mit im Abstand angeordneten Wandabschnitten aus dielektrischem Material und einer ersten Gasfüllung in der Bogenröhre aufweist. Um die Bogenröhre herum ist eine Anregungsspule angeordnet, die mit hochfrequentem Strom speisbar ist, der zur Entwicklung einer toroidförmigen Bogenentladung in der ersten gasförmigen Füllung bei einem dielektrischen Durchbruch dieser Füllung wirksam ist. Ein Startbehälter mit rohrförmiger Konfiguration und primär aus dielektrischem Material ist mit der Bogenröhre verbunden und hat eine Endwand, die durch einen der Bogenröhren-Wandabschnitte gebildet ist. In dem Startbehälter befindet sich eine zweite Gasfüllung, die eine dielektrische Festigkeit hat, die wesentlich kleiner als diejenige der ersten Füllung unter normalen Bedingungen ist, die unmittelbar vor dem Starten der Lampe vorherrschen. Die toroidförmige Bogenentladung innerhalb der Bogenröhre wird durch eine Einrichtung eingeleitet, die einen dielektrischen Durchbruch der Gasfüllung in dem Startbehälter erzeugt, wobei sich der Durchbruch zu einer Entladung entwickelt, die entlang der Länge des Startbehälters verläuft und das Potential an der Endwand in einer derartigen Weise verändert, daß die zwischen den Bogenröhren-Wandabschnitten vorhandene Spannung ausreichend ansteigt, um einen dielektrischen Durchbruch der ersten Gasfüllung auszulösen.
Kurzbeschreibung der Figuren
• Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird verwiesen auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
• Figur 1 eine teilweise schematische und teilweise geschnittene Ansicht von einer elektrodenlosen Lampe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Figur 1 zeigt die Lampe in ihrem "Betriebs-" oder Arbeitsmodus.
• Figur 2 eine ähnliche Ansicht wie Figur 1 ist, außer daß sie die Lampe während einer anfänglichen Durchbruchsstufe frühzeitig in einem Startbetrieb zeigt.
• Figur 3 eine ähnliche Ansicht wie Figur 1 ist, außer daß sie die Lampe in einer Übergangsstufe zeigt, die unmittelbar nach der in Figur 2 gezeigten Stufe auftritt, aber unmittelbar vor dem Start des in Figur 1 gezeigten Arbeitsmodus.
• Figur 4 eine vergrößerte Schnittansicht von einem Teil der Lampe gemäß einem modifizierten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
• Figur 5 eine ähnliche Ansicht wie Figur 1 ist und eine modifizierte elektrodenlose Lampe gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung von einem Ausführungsbeispiel
• Die in Figur 1 gezeigte elektrodenlose Lampe 10 weist eine Bogenröhre 14 auf, deren Wände vorzugsweise aus einem Hochtemperatur-Glas, wie beispielsweise geschmolzenem Quarz, oder einer optisch transparenten oder durchscheinenden Keramik gebildet ist, wie beispielsweise einem polykristallinem Aluminiumoxyd. Ein Anregungsspule 16 umgibt die Bogenröhre und ist mit einer Hochfrequenz (HF) Vorschaltanordnung 18 gekoppelt, um eine toroidförmige Bogenentladung 20 in der Bogenröhre anzuregen. Als ein Beispiel ist die Bogenröhre 14 mit einer im wesentlichen elliptischen Form gezeigt. Jedoch können Bogenröhren mit anderen geeigneten Formen gelegentlich wünschenswert sein, was von dem Anwendungsfall abhängt, und diese sind durch unsere Erfindung eingeschlossen. Beispielsweise kann die Bogenröhre im wesentlichen kugelförmig sein oder die Form von einem kurzen Zylinder oder einer "Pillenkiste" mit abgerundeten Kanten haben. Eine Bogenröhre mit der letztgenannten Konfiguration ist in dem US-Patent 4 810 938, Johnson et al, gezeigt und beschrieben, auf das im nächsten Paragraphen näher eingegangen wird. Die Bogenröhre 14 enthält eine Füllung, in der die oben genannte Entladung mit einer im wesentlichen toroidförmigen Form während des Lampenbetriebs angeregt wird. Eine geeignete Füllung ist in dem US-Patent 4 810 938 von P. d. Johnson, J. T. Dakin und J. M. Anderson, beschrieben, das am 07. März 1989 erteilt und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde. Die Füllung gemäß dem Johnson et al Patent weist ein Natriumhalogenid, ein Cerhalogenid und Xenon auf, die in Gewichtsverhältnissen kombiniert sind, um sichtbare Strahlung zu erzeugen und ein hocheffizientes und gutes Farbgebungsvermögen bei weißen Farbtemperaturen aufzuweisen. Beispielsweise kann eine derartige Füllung gemäß dem Johnson et al Patent Natriumjodid und Cerchlorid in gleichen Gewichtsverhältnissen in Kombination mit Xenon bei einem Raumtemperatur-Partialdruck von etwa 500 Torr enthalten. Eine andere geeignete Füllung ist in dem US-Patent 4 972 120 (Witting) beschrieben. Die Füllung gemäß diesem Patent enthält eine Kombination von Lanthan-Halogenid, einem Natrium-Halogenid und Xenon oder Krypton als ein Puffergas. Ein spezielles Beispiel von einer Füllung gemäß US-A-4 972 120 (Witting) weist eine Kombination von Lanthan-Jodid, Natriumjodid, Cerjodid und einem 250 Torr Partialdruck von Xenon bei Raumtemperatur auf. Eine andere geeignete Füllung weist eine Kombination von Natriumjodid, Cerjodid und einen 250 Torr Partialdruck von Krypton bei Raumtemperatur auf.
• Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird der HID Lampe HF Leistung durch eine HF Vorschaltanordnung 18 über die damit gekoppelte Anregungsspule 16 zugeführt. Die Anregungsspule 16 ist in der Weise dargestellt, daß sie eine zwei Windungen aufweisende Spule mit einer Konfiguration aufweist, wie sie beispielsweise in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 5 039 903 (veröffentlicht am 13. August 1991) beschrieben ist. Eine derartige Spulenkonfiguration hat eine sehr hohe Effizienz zur Folge und bewirkt eine nur minimale Lichtblockierung von der Lampe. Die Anregungsspule der Farrall Anmeldung weist eine oder mehr Windungen auf, die in Reihe geschaltet sind. Die Form von jeder Windung wird im allgemein dadurch gebildet, daß ein bilateral symmetrisches Trapezoid um eine Spulenmittellinie gedreht wird, die in der gleichen Ebene wie das Trapezoid angeordnet ist, aber diese Linie schneidet nicht das Trapezoid, und es wird eine Überkreuzungseinrichtung zum Verbinden der Windungen geschaffen. Es können jedoch auch andere geeignete Spulenkonfigurationen mit der Starthilfe gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie sie beispielsweise in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 4 812 702 von J. M. Anderson, erteilt am 14. März 1989, beschrieben ist. Insbesondere beschreibt das Anderson Patent eine Spule mit sechs Windungen, die so angeordnet sind, daß der Spule ein im wesentlichen V-förmiger Querschnitt auf jeder Seite der Spulenmittellinie gegeben ist. Eine noch andere geeignete Anregungsspule kann beispielsweise eine soleonidale Form haben.
• Im Betrieb hat der HF Strom in der Spule 16 ein zeitveränderliches Magnetfeld zur Folge, das in der Bogenröhre 14 ein elektrisches Feld erzeugt, das im wesentlichen in sich selbst geschlossen ist. Sobald die Lampe gestartet wird, wie es gleich beschrieben wird, fließt ein Strom durch die Füllung iimerhalb der Bogenröhre 14 als eine Folge dieses soleonidalen elektrischen Feldes, wodurch die toroidale Bogenentladung 20 in der Füllung erzeugt wird. Geeignete Betriebsfrequenzen für die HF Vorschaltanordnung 18 liegen in dem Bereich von 0,1 bis 300 Megahertz (Mhz), wobei ein Beispiel für die Betriebsfrequenz 13,56 Mhz beträgt.
• Eine geeignete Vorschaltanordhung 18 ist in dem gemeinsam übertragenen US-Patent 5 047 692 von J. C. Borowiec und S. A. El-Hamamsy (veröffentlicht am 10. September 1991) beschrieben. Die Lampen-Vorschaltanordnung gemäß der genannten Patentanmeldung ist eine Vorschaltanordnung hoher Effizienz, die einen Klasse-D-Leistungsverstärker und ein abgestimmtes Netzwerk aufweist. Das abgestimmte Netzwerk enthält eine integrierte Abstimmkondensatorschaltung und eine Wärmesenke. Genauer gesagt sind zwei Kondensatoren, der erste in Reihenschaltung und der zweite in Parallelschaltung zu der Anregungsspule, integriert, indem sie sich eine gemeinsame Kondensatorplatte teilen. Weiterhin weisen die Metallplatten des parallelen Abstimmkondensators wärmeleitende Platten von einer Wärmesenke auf, die dazu verwendet wird, überschüssige Wärme von der Anregungsspule der Lampe abzuführen.
• Die Bogenröhre 14 gemäß Figur 1 ist in einem äußeren Mantel 22 eingeschlossen, der vorzugsweise aus Quarz besteht und dazu dient, den Wärmeverlust von der Bogenröhre zu verkleinern, ultraviolette Strahlung von der toroidalen Bogenentladung in der Bogenröhre zu absorbieren und die Bogenröhrenwände vor einer nachteiligen Oberflächenverunreinigung zu schützen. Die Bogenröhre wird auch von dem äußeren Mantel 22 durch einen hohlen Stab 24 mit einer langgestreckten rohrförmigen Konfiguration gehaltert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Bogenröhrenwand aus Quarz und der Stab 24 ist ein Quarzrohr mit einer Stoßverbindung durch das Verschmelzen mit der äußeren Oberfläche der Quarz-Bogenröhrenwand. In dem lokalisierten Bereich 27, wo das Quarzrohr mit der Quarz-Bogenröhrenwand verbunden ist, ist der Abschnitt 52 der Bogenröhrenwand im wesentlichen eben auf sowohl ihrer Außenfläche als auch auf ihrer Innenfläche. An einer Stelle 29, im Abstand entlang der Stange 24 von dem Bereich 27, erstreckt sich die Stange 27 durch eine Öffnung in der oberen Wand 30 des äußeren Mantels 22 und ist um den äußeren Umfang der oberen Wand herum verschmolzen, um eine vakuumdichte Dichtung zu bilden. Der Raum 32 zwischen dem äußeren Mantel 22 und der Bogenröhre 14 ist evakuiert, um eine thermische Isolierung zum Verkleinern der Wärmeverluste von der Bogenröhre zu schaffen.
• Das obere Ende der Stange 24 ist abgedichtet, so daß innerhalb der Stange eine geschlossene Kammer 35 ist.
• Diese Kammer ist mit einem Gas gefüllt, das eine wesentlich kleinere dielektrische Festigkeit als diejenige der Gasfüllung hat, die in der Bogenröhre 14 angeordnet ist, wenn man die normalen Bedingungen betrachtet, die unmittelbar vor dem Starten der Lampe 10 vorherrschen. Dieses Gas, das die Kammer 35 füllt, kann das gleiche Gas sein, wie es in der Bogenröhre 14 vorhanden ist, aber auf einem niedrigeren Druck als das Gas, das in der Bogenröhre vorhanden ist, z. B. auf einem Druck von etwa 1/10 von demjenigen der Bogenröhre. Alternativ kann das Gas in der Kammer 35 ein anderes Gas sein, das durch eine einfach entwickelte und gehandhabte Hochspannung durchbrochen werden kann. Beispiele der spezifischen Gase, die in der Kammer 35 verwendbar sind, sind Krypton, Xenon, Neon, Argon, Helium und Mischungen davon. In jedem Fall sollte der Druck dieser Füllung genügend klein sein, um dem Gas eine dielektrische Festigkeit unterhalb derjenigen des Gases innerhalb der Bogenröhre 14 zu erteilen. In unserem spezifischen Ausführungsbeispiel verwenden wir für die Füllung in der Kammer 35 reines Krypton bei einem Raumtemperatur-Druck von 20 Torr. Ein spezifisches Beispiel für eine Gasmischung, die vorteilhafterweise verwendbar ist, ist eine Penning-Mischung, die aus einer Mischung von Neon und Argon besteht.
• Die Stange oder der Behälter 24 und das Gas in ihrer Kammer 35 kann als Teil von einer Starthilfe betrachtet werden zum Unterstützen der Entwicklung der toroidalen Bogenentladung 20 in der Bogenröhre 14. Wie bald deutlicher werden wird, ist ein signifikantes Merkmal unserer Lampe, daß der Startbehälter oder die Stange 24 eine Endwand (ihre untere Endwand) hat, die durch einen Teil des Wandabschnittes 52 der Bogenröhre 14 gebildet ist.
• Unsere Starthilfe weist ferner eine Einrichtung auf zum Entwickeln und Anlegen einer hohen Spannung, um einen Durchbruch bzw. Überschlag in der hohlen Stange 24 und nachfolgend in der Kammer 14 einzuleiten. Diese Einrichtung, die schematisch in Figur 1 dargestellt ist, weist die Parallelschaltung von einer Drossel 38 und einem Kondensator 40 auf, die über Leiter, die schematisch bei 39 und 41 gezeigt sind, zwischen einen auf Erdpotential liegenden Punkt an der oberen Windung der Anregungsspule 16 und das untere Ende des Startbehälters 24 geschaltet ist. Ein geeigneter Schalter 42, der mit der Parallelschaltung in Reihe geschaltet ist, kann geschlossen werden, um die Parallelschaltung durch die Streukapazität der Lampe mit der Quelle zu verbinden, und kann geöffnet werden, um den Stromkreis zu unterbrechen, der die Parallelschaltung mit der Quelle verbindet. Weitere Einzelheiten der Spannungsentwicklungs- und Anlegeeinrichtung 38 - 42 sind in dem gemeinsamen übertragenen US-Patent 5 103 140, veröffentlicht am 07. April 1992 - Cocoma et al und in dem US-Patent 5 057 750 (veröffentlicht am 15. Oktober 1991) - Farrall et al - beschrieben. Die L-C Schaltung 38, 40 ist so abgestimmt, daß sie in einem Zustand angenäherter Resonanz ist, wenn sie durch den 13,56 Mhz HF Strom der Vorschaltanordnung 18 gespeist wird. Wenn eine Hochspannung über der L-C Schaltung 38, 40 durch den HF Strom von der Vorschaltanordnung 18 entwickelt wird, wird eine entsprechende Hochspannung über die Länge des Startbehälters 24 und auch über die Länge der Gassäule in der Kammer 35 des Startbehälters angelegt. Diese Hochspannung reicht aus, einen dielektrischen Überschlag über dieser Länge des Gases in der Kammer 35 zu erzeugen; und dieser Überschlag entwickelt sich zu einer Entladung, die sich entlang der gesamten Länge der Kammer 35 erstreckt. Diese Entladung, durch die ein kapazitiver Strom fließt, ist bei 45 in Figur 2 gezeigt, wo die Lampe in einem Zustand gezeigt ist, den wir als die Anfangsüberschlagsstufe bezeichnen.
• Die Entladung 45 in Figur 2, wie der toroidale Bogen 20 in Figur 1, ist ein elektrodenloser Bogen. Aber ein grundlegender Unterschied zwischen diesen zwei Bögen ist der, daß der Bogen 45 mit seiner Versorgungsquelle 18, 38 - 42 kapazitiv gekoppelt ist, wogegen der toroidale Bogen 20 mit seiner Versorgungsguelle 18, 16 induktiv gekoppelt ist.
• Unmittelbar vor der Anfangsüberschlagsstufe, die in Figur 2 gezeigt ist, und während die Anregungsspule 16 gespeist ist, sind der obere Wandabschnitt 52 der Bogenröhre und der äquatoriale Wandabschnitt 50 der Bogenröhre auf relativ kleinen Potentialen, die primär durch das durchschnittliche Potential der Anregungsspule 16 bestimmt sind, deren obere Windung auf Erdpotential ist. Jede Potentialdifferenz, die zwischen diesen zwei Wandabschnitten 50 und 52 zu dieser Zeit vorhanden ist, ist relativ klein und nicht groß genug, um einen dielektrischen Überschlag zwischen diesen Wandabschnitten zu bewirken, da sie durch das eine relativ hohe dielektrische Festigkeit aufweisende Füllgas in der Bogenröhre 14 getrennt sind.
• Unmittelbar vor der Anfangsüberschlagsstufe, die in Figur 2 gezeigt ist, wird eine relativ hohe Spannung in bezug auf Erde über der L-C Schaltung 38, 40 entwickelt. Diese Spannung ist eine HF Spannung, die an dem Oberteil des Startbehälters 24 erscheint, wogegen das Unterteil des Startbehälters 24 dann im wesentlichen auf Erdpotential ist. Wenn der oben beschriebene dielektrische Überschlag in der Kammer 35 auftritt und sich in die Entladung 45 entwickelt, ist das Potential, das an den Startbehälter 24 angelegt ist, durch die Entladung 45 (die als ein Leiter mit kleiner Impedanz wirkt) mit dem Wandabschnitt 52 der Bogenröhre an dem unteren Ende der Entladung verbunden. Das Ergebnis ist, daß das Potential dieses Wandabschnittes 52 rasch anwächst auf einen Wert nahe demjenigen der angelegten Spannung, wodurch die Spannung, die zwischen den Bogenröhren-Wandabschnitten 52 und 50 vorhanden ist, um einen großen Betrag vergrößert wird. Unmittelbar danach erscheinen, wie in Figur 3 gezeigt ist, fadenartige Entladungen 60 innerhalb der Bogenröhre 14, die aus dem Wandabschnitt 52 austreten.
• Diese Fadenentladungen 60 stellen einen dielektrischen Durchbruch der Gasfüllung innerhalb der Bogenröhre 14 dar. Dieser dielektrische Durchbruch gestattet, daß die elektrischen und magnetischen Felder, die dann von dem HF Strom durch die Anregungsspule 16 erzeugt werden, eine toroidale Bogenentladung der bei 20 in Figur 1 gezeigten Form entwickeln. Danach sind diese elektrischen und magnetischen Felder in der Lage, die toroidale Bogenentladung ohne Unterstützung von der Startentladung 45 aufrechtzuerhalten. Dementsprechend wird die Startentladung dann in einer geeigneten Weise gelöscht, z. B. indem der Schalter 42 geöffnet wird, um den Stromkreis 43 zu unterbrechen und die Entladung 45 von ihrer Versorgungsquelle zu trennen.
• Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß, weil die untere Endwand des Startbehälters 24 durch einen Abschnitt 52 der Bogenröhre gebildet wird, das gleiche Potential an der unteren Endwand des Startbehälters und an dem Wandabschnitt 52 der Bogenröhre vorhanden ist. Wenn also die Entladung 45 entwickelt ist, wie sie vorstehend beschrieben ist, überträgt sie auf den Bogenröhren-Wandabschnitt 52 das gleiche Potential, wie sie zu der Endwand des Startbehälters überträgt.
• Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist die innere Oberfläche der Bogenröhre in dem Bereich 52, wo die Fadenentladungen 60 austreten, im wesentlichen eben. Dieses Merkmal hat sich als signifikant erwiesen, denn wenn die Konstruktion in diesem Bereich so ist, daß die Stange 24 in die Bogenröhre hineinragt, dann wurde gefunden, daß die vorstehende Spitze der Stange einer Überhitzung und einem daraus resultierenden Versagen ausgesetzt ist. Auf der anderen Seite sind Konstruktionen, die lokale Kammern in diesem Bereich zur Folge haben, problematisch, weil diese Kammern als Kondensationsstellen für Halogenide in der Gasfüllung dienen.
• Ein weiteres signifikantes Merkmal unserer Lampe ist, daß der relevante Abschnitt von ihrem Startbehälter oder der Stange 24 einen kleineren transversalen Querschnitt hat als der relevante Abschnitt der Bogenröhre. Der relevante Abschnitt der Bogenröhre ist ihr hohler Abschnitt, der sich um den äußeren Umfang der toroidalen Entladung 20 erstreckt, und dieser hohle Abschnitt hat eine durchschnittliche Querschnittsfläche, die groß ist im Vergleich zu der transversalen Querschnittsfläche des Startbehälters in seinem relevanten Bereich, d.h. dem Bereich des Startbehälters unmittelbar neben seiner Endwand. Die Querschnittsfläche des Startbehälters in diesem Bereich relativ klein zu halten, ist wichtig, weil es verhindert, daß sich eine induktiv gekoppelte oder toroidale Entladung in dem Startbehälter 24 unter dem Einfluß der magnetischen und elektrischen Felder entwickelt, die darin vorhanden sind (als eine Folge des HF Stroms durch die Anregungsspule 16). Die Lampe kann zu jeder Zeit nur eine induktiv gekoppelte oder toroidale Bogenentladung aufrechterhalten, und wenn sich eine derartige induktiv gekoppelte Entladung in dem Startbehälter oder irgendwo sonst in der Lampe außerhalb der Bogenröhre entwickelt, verhindert ihr Vorhandensein, daß sich eine derartig induktiv gekoppelte Entladung in der Bogenröhre 14 entwickelt, wo sie vorgesehen ist.
• Wir haben zwar in unseren Zeichnungen einen rohrförmigen Startbehälter 24 gezeigt, der eine einfache geradlinige Konfiguration hat, es sei aber darauf hingewiesen, daß unsere Erfindung in ihren breiteren Aspekten andere Konfigurationen umfaßt, wie beispielsweise ein rohrförmiges Teil mit gekrümmt er Form oder ein rohrförmiges Teil mit einer Biegung in sich.
• Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß unsere Erfindung in ihren breiteren Aspekten zusätzliche Mittel enthalten kann, um einen Durchbruch in dem Startbehälter oder der Stange 24 einzuleiten. Andere geeignete Mittel können für diesen Zweck verwendet werden. Beispielsweise kann eine Elektrode (wie sie bei 62 in Figur 4 gezeigt ist) in das obere Ende des Startbehälters 24 eingefügt und eine hohe Spannung an diese Elektrode angelegt werden, um einen Durchbruch bzw. Überschlag der Gasfüllung in dem Startbehälter einzuleiten. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist die Elektrode 62 in der Weise gezeigt, daß sie mit dem Leiter 41 gemäß den Figuren 1 - 3 verbunden ist, damit sie eine Versorgungsspannung von der Einrichtung 38 - 42 gemäß den Figuren 1 - 3 empfangen kann. Eine geeignete folienartige Dichtung 61 ist dort vorgesehen, wo die Elektrode durch das Quarzrohr hindurchführt. Selbstverständlich können andere geeignete Hochspannungsquellen anstelle der gezeigten verwendet werden, um eine hohe Startspannung an die Elektrode 62 anzulegen. Obwohl eine Elektrode, wie bei 62, in dem Startbehälter gemäß Figur 4 vorhanden ist, wird die Lampe selbst trotzdem als eine elektrodenlose Lampe betrachtet, da trotzdem keine Elektrode für den Hauptbogen vorhanden sein würde, d.h. den toroidalen Bogen innerhalb der Bogenröhre 14. Eine hiermit in Beziehung stehende Anmeldung für eine Starteinrichtung des allgemeinen Typs, der in diesem Absatz beschrieben ist, ist das gemeinsam übertragene, gleichzeitig eingereichte US-Patent 5 095 249, veröffentlicht am 10. März 1992.
• Es sei weiter darauf hingewiesen, daß unsere Erfindung in ihrem breiteren Aspekt nicht auf die spezifische Einrichtung, wie sie bei 38 - 42 gezeigt ist, beschränkt ist, um eine Spannung an den Startbehälter oder die Stange 24 anzulegen. Beispielsweise besteht ein anderer Weg zum Einleiten eines Durchbruches darin, für diesen Zweck das induzierte elektrische Feld von einer geeignet konfigurierten sekundären Spule zu verwenden, die in Verbindung mit der Hauptanregungsspule einen Transformator bildet. Wenn dieser Transformator durch den oben beschriebenen Hochfrequenzstrom gespeist wird, bildet das resultierende elektrische Feld ein relativ hohes Potential an dem oberen Ende der Stange 24 und ein genügend hohes elektrisches Feld in dem Gas innerhalb der Stange, um eine Entladung zwischen den zwei Enden der Stange zu bewirken. Eine Vorrichtung, die auf dieser Lösung beruht, ist in Figur 5 gezeigt, die die gleichen Bezugszahlen verwendet, wie sie in Figur 1 erscheinen, um entsprechende Komponenten zu bezeichnen. Die oben genannte sekundäre Spule ist bei 70 gezeigt. Diese sekundäre Spule 70 ist um ein Rohr 72 aus einem gläsernen Material, wie beispielsweise Quarz- oder Pyrex-Glas, gewickeIt, das den Abschnitt der Lampe oberhalb der Hauptanregungsspule 16 umgibt. Die sekundäre Spule ist elektrisch an ihrem unteren Ende mit der oberen Wicklung der FIauptanregungsspule 16 und an ihrem unteren Ende durch den Leiter 41 mit dem oberen Ende des Startbehälters 24 verbunden. Diese sekundäre Spule 70 bildet in Kombination mit der Hauptanregungsspule einen Autotransformator, der, wenn er durch einen geeigneten HF Strom durch die Spule 16 gespeist wird, in der oben beschriebenen Weise wirkt, um eine Entladung in dem Startbehälter zu bewirken. Das Glasrohr 72 ordnet die sekundäre Spule in einem relativ großen Abstand von der Bogenröhre 14 an.
• Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß unsere Starteinrichtung nicht auf Metallelektroden, Metallsonden oder ähnlichen Metallteilen beruht, die nahe oder innerhalb der Bogenröhre angeordnet sind. Dies ermöglicht uns, die meisten der die Lebensdauer begrenzenden Probleme zu eliminieren, die mit metallischen Starthilfen verbunden sind, es ermöglicht uns auch, das Erfordernis für irgendeinen Mechanismus zu eliminieren, diese Metallteile nach dem Starten herauszuziehen. Während unsere Starteinrichtung, wie eine metallische Starthilfe, eine Lichtbogenbildung in der Bogenröhre initiiert, indem das elektrische Feld darin vergrößert oder konzentriert wird, so geschieht dies nicht durch Positionieren von Metallteilen neben oder innerhalb der Bogenröhre, sondern indem eine elektrische Entladung zum Übertragen eines hohen Potentials von einem entfernten Punkt zu einem Abschnitt der Bogenröhrenwand verwendet wird. Irgendwelche Metallteile, die wir verwenden, um das Starten zu unterstützen, sind nicht neben der Bogenröhre angeordnet, sondern statt dessen neben einer sekundären Kammer, die eine Füllung enthält, die von der Füllung in der Bogenröhre getrennt ist und leichter einen Durchbruch bzw. Überschlag erfährt als die Füllung innerhalb der Bogenröhre.

Claims (12)

1. Elektrodenlose Hochintensitäts-Entladungslampe (10), enthaltend:

(a) eine lichtdurchlässige Bogenröhre (14) mit im Abstand angeordneten Wandabschnitten aus dielektrischem Material und einer ersten Gasfüllung in der Bogenröhre,

(b) eine Anregungsspule (16), die um die Bogenröhre (14) herum angeordnet ist und mit hochfrequentem Strom speisbar ist zur Entwicklung einer toroidförmigen Bogenentladung (20) in der ersten Gasfüllung bei einem dielektrischen Überschlag der ersten Gasfüllung, gekennzeichnet durch:

(c) einen Startbehälter (24), der überwiegend aus dielektrischem Material besteht und mit der Bogenröhre (14) verbunden ist und eine Endwand (50) aufweist, die durch einen der Bogenröhren-Wandabschnitte aus dielelektrischem Material gebildet ist,

(d) eine zweite Gasfüllung in dem Startbehälter (24) mit einer dielektrischen Festigkeit, die kleiner als diejenige der ersten Füllung unter normalen Bedingungen ist, die unmittelbar vor dem Starten der Lampe vorherrschen, und

(e) eine Einrichtung zum Einleiten der toroidförmigen Bogenentladung (20) in der Bogenröhre (14) mit Mitteln zum Erzeugen eines dielektrischen Überschlages der Gasfüllung in dem Startbehälter (24), der sich zu einer Entladung (45) in dem Startbehälter entwickelt, die das Potential an der Endwand (52) um einen Betrag ändert, um die Spannung, die zwischen den Bogenröhren-Wandabschnitten vorhanden ist, genügend zu erhöhen, um einen dieleketrischen Überschlag der ersten Gasfüllung auszulösen.

2. Lampe nach Anspruch 1, wobei:

(a) der Abschnitt der Bogenröhre (14), der sich um den äußeren Umfang der toroidförmigen Bogenentladung (20) erstreckt, eine vorbestimmte Querschnittsfläche aufweist, und

(b) der Startbehälter (24) rohrförmig ist und eine Querschnittsfläche neben seiner Endwand (52) aufweist, die kleiner als die vorbestimmte Querschnittsfläche der Bogenröhre ist.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bogenröhre (14) eine im wesentlichen flache Innenfläche auf ihrer Wand in dem Bereich aufweist, wo der Startbehälter (24) mit der Bogenröhre verbunden ist.

4. Lampe nach Anspruch 1, wobei die zweite Gasfüllung einen kleineren Druck als die erste Gasfüllung unter Bedingungen hat, die normalerweise unmittelbar vor dem Starten der Lampe (10) vorherrschen.

5. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Erzeugen eines dielektrischen Überschlages der Gasfüllung in dem Startbehälter (24) eine Spannungsanlegeeinrichtung (38-42) aufweist, die außerhalb des Startbehälters angeordnet ist, zum Anlegen einer Hochspannung über einen Teil der zweiten Füllung, und wobei die dielektrische Entladung (45), die durch die letztgenannte Spannung entwickelt ist, ein elektrodenloser Bogen ist, der kapazitiv mit der Spannungsanlegeeinrichtung gekoppelt ist.

6. Lampe nach Anspruch 1, wobei:

(a) die Mittel zum Erzeugen eines dielektrischen Überschlages der Gasfüllung in dem Startbehälter (24) an einem von der Endwand entfernten Punkt ein Potential ausbilden, das, wenn es an die Endwand angelegt wird, ausreicht, um einen dielektrischen Überschlag in der Bogenröhre herbei zuführen, und

(b) die elektrische Entladung (45) in dem Startbehälter den vorbestimmten Punkt elektrisch init der Endwand (52) verbindet.

7. Lampe nach Anspruch 1 oder 6, wobei:

(a) eine Speisung der Anregungsspule (16) durch hochfrequenten Strom bewirkt, daß die im Abstand angeordneten Wandabschnitte der Bogenröhre (14) Potentiale relativ zueinander haben, die nicht ausreichen, um einen dielektrischen Überschlag der ersten Gasfüllung herbeizuführen, wobei angenommen ist, daß dann kein dielektrischer Überschlag der zweiten Gasfüllung vorhanden ist, und

(b) die Entwicklung der Entladung (45) in dem Startbehälter (24) bewirkt, daß sich das Potential des einen Bogenröhrenwandabschnittes relativ zu dem anderen der Bogenrörhrenwandabschnitte um einen Betrag ändert, der ausreicht, um einen dielektrischen Überschlag in der ersten Gasfüllung einzuleiten.

8. Lampe nach Anspruch 1, wobei der Startbehälter (24) eine Kammer (35) aufweist, in der die dielektrische Entladung entwickelt wird, wobei die Kammer einen Querschnitt hat, der so klein ist, um die Entwicklung einer toroidförmigen Bogenentladung darin zu verhindern.

9. Lampe nach Anspruch 1, wobei in der Startkammer (35) eine Elektrode (62) vorgesehen ist, an die eine hohe Spannung angelegt wird, um den dielektrischen Überschlag der Gasfüllung in dem Startbehälter (24) einzuleiten.

10. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines dielektrischen Überschlages der Gasfüllung in dem Startbehälter (24) eine zweite Spule (70) aufweist, die zwischen einen Punkt auf der Anregungsspule und einen Punkt auf dem Startbehälter geschaltet ist, um zusammen mit der Anregungsspule (16) einen Transformator zu bilden zur Entwicklung einer Spannung über der zweiten Gasfüllung, die bei Speisung des Transformators für einen Überschlag der zweiten Gasfüllung vor dem Einleiten der toroidförmigen Entladung (20) in der Bogenröhre (10) sorgt.

11. Lampe nach Anspruch 10, wobei eine Röhre aus Glasmaterial (72) um einen Teil der Lampe herum vorgesehen ist und die zweite Spule (70) um die Röhre herum gewickelt ist.

12. Lampe nach Anspruch 10, wobei die Anregungsspule als die Primärwicklung arbeitet und die zweite Spule als die Sekundärwicklung des Transformators arbeitet.