DE69620153T2

DE69620153T2 - Elektrodenlose niederdruck- und hochintensitäts- leuchtquelle oder elektrische lampe und verfahren zum betreiben derselben

Info

Publication number: DE69620153T2
Application number: DE69620153T
Authority: DE
Inventors: Benjamin Alexandrovich; A. Godyak; B. Piejak; Eugen Statnic
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1995-09-15
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: HUP9701872A2; HUP9701872A3; AU6701396A; KR100356960B1; DE69620153D1; CN1165582A; HU222165B1; CN1155049C; US5834905A; EP0806054A1; AU705741B2; WO1997010610A1; EP0806054B1; KR970706597A

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung

Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 15. September 1995 eingereichten vorläufigen U.S.- Anmeldung Nr. 60/003827.

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Lampen und insbesondere eine Hochintensitätsniederdruckleuchtstofflichtquelle, die pro Längeneinheit wesentlich mehr Licht erzeugen kann als herkömmliche Leuchtstofflampen mit Elektroden.

Allgemeiner Stand der Technik

VHO-Leuchtstofflampen (VHO = very high output = sehr hohe Ausgabe) und Metallhalogenidhochintensitätsentladungslichtbogenlampen (HID = high intensity discharge = Hochintensitätsentladung) sorgen für eine effiziente hohe Lumenausgabe und eine gute Farbwiedergabe. Die VHO-Leuchtstofflampe basiert auf herkömmlicher Leuchtstofftechnologie mit Elektroden. Damit die Elektroden eine lange Lebensdauer aufweisen (etwa 10 000 Stunden), beträgt der Puffergasdruck in diesen Lampen etwa 2,7 mbar (2 Torr), und der Entladungsstrom liegt in der Regel unter 1,5 A. Zum Minimieren der Sättigung bei der Ultraviolettstrahlung und um somit einen annehmbaren Wirkungsgrad zu erhalten, arbeiten VHO-Leuchtstofflampen mit einem relativ leichten Gas, wie etwa Neon, bei Puffergasdrücken von etwa 2,7 mbar (2 Torr). Durch die Anforderungen nach langer Lebensdauer und großem Wirkungsgrad wird der Parameterbereich beschränkt, in dem diese Lampen arbeiten können, was schließlich auch die größte axiale Lichtdichte beschränkt, die diese Lampen wirksam erzeugen können. Deshalb sind VHO-Leuchtstofflampen für die Lichtmenge, die sie erzeugen, relativ lang, und ihr Wirkungsgrad ist bescheiden und liegt in der Regel nicht über etwa 70 Lumen pro Watt. Weil jedoch VHO- Leuchtstofflampen so zugeschnitten werden können, daß sie ein gleichförmiges, stabiles und reiches Farbspektrum liefern, finden sie weite Verbreitung in großen Geschäften, wo eine gute, stabile Farbwiedergabe und ein sofortiges Ein- und Ausschalten gefordert werden.
Die Metallhalogenid-HID-Lampe ist eine Lichtbogenlampe, die wesentlich kompakter ist als die VHO-Leuchtstofflampe. Die Gesamtlänge der ganzen Lampe (einschließlich Kragen) kann etwa 20,3 oder 25,4 cm (8 oder 10 Zoll) betragen. Die Lebensdauer einer HID-Lampe liegt in der Regel bei 7 000 bis 10 000 Stunden. Die Funktionsweise der HID-Lampe unterscheidet sich ziemlich von der von Niederdruckleuchtstofflampen, da die HID-Entladung in der Regel bei einem Gasdruck von einigen wenigen Atmosphären vor sich geht. Da der Aufbau dieses Gasdrucks etwa 5-10 Minuten dauert, emittiert die HID- Lampe nicht sofort einen Großteil an Licht. Außerdem benötigen HID-Lampen bei einer Stromunterbrechung, selbst wenn diese nur einen Augenblick dauert, zum Neuzünden möglicherweise 10 Minuten oder länger. Außerdem variieren die Farbwiedergabe und die Gesamtlumenausgabe von HID-Lampen etwas über ihre Lebensdauer hinweg, und die Lampen sollten am Ende ihrer Lebensdauer ersetzt werden, um einen möglichen katastrophalen Ausfall der heißen Lampe zu vermeiden. Die HID-Lampe findet breite Verwendung bei Anwendungen im Freien, wie etwa Straßenlampen, Tunnels und Stadien.
Eine als das QL-Beleuchtungssystem bekannte, induktiv angekoppelte Leuchtstofflampe enthält einen Lampenkolben, der die Form einer herkömmlichen Glühlampe mit einem Wiedereintrittshohlraum hat, einen in dem Wiedereintrittshohlraum positionierten Leistungskoppler und einen Hochfrequenzgenerator. Das QL- Beleuchtungssystem weist einen relativ komplizierten Aufbau auf und muß gekühlt werden. Außerdem arbeitet das QL-Beleuchtungssystem in der Regel bei einer Frequenz von 2,65 MHz, einer Frequenz, bei der Sorge dafür getragen werden muß, daß Hochfrequenzstörung verhindert wird.
Elektrodenlose Leuchtstofflampen sind bekannt aus US-Patent Nr. 3,500,118, erteilt am 10. März 1970 an Anderson; US-Patent Nr. 3,987,334, erteilt am 19. Oktober 1976 an Anderson; US-A-4,180,763, erteilt am 25.12.1979 an Anderson, und Anderson, Illuminating Engineering, April 1969, Seiten 236 bis 244. Eine elektrodenlose, induktiv gekoppelte Lampe enthält eine Niederdruckquecksilber-/Puffergasentladung in einer Entladungsröhre, die einen durchgehenden, geschlossenen elektrischen Weg bildet. Der Weg der Entladungsröhre geht durch die Mitte von einem oder mehreren ringförmigen Ferritkernen, so daß die Entladungsröhre zur Sekundärwicklung eines Transformators wird. An die Entladung wird Leistung angekoppelt, indem eine sinusförmige Spannung an einige wenige Windungen eines Drahts angelegt wird, der um den die Entladungsröhre umgebenden, ringförmigen Kern herumgewickelt ist. Der Strom durch die Primärwicklung erzeugt einen zeitlich veränderlichen Magnetfluß, der entlang der Entladungsröhre eine Spannung induziert, die die Entladung aufrechterhält. Die Innenfläche der Entladungsröhre ist mit einem Leuchtstoff beschichtet, der, wenn er mit von den angeregten Quecksilbergasatomen emittierten Photonen bestrahlt wird, sichtbares Licht emittiert.
Die von Anderson beschriebene elektrodenlose Lampe weist einen Entladungsstrom zwischen 0,25 und 1,0 A und einen Puffergasdruck zwischen 0,67 und 6,7 mbar (0,5 und 5 Torr) auf. In der von Anderson beschriebenen elektrodenlosen Lampe wurde Argon als Puffergas verwendet. Außerdem wurden zum Bestromen einer 32 Watt- Entladung in der von Anderson beschriebenen elektrodenlosen Lamge etwa 2,5 Kilogramm Ferritmaterial verwendet. Die von Anderson beschriebenen Lampenparameter ergeben eine Lampe, die einen hohen Kernverlust aufweist und deshalb äußerst ineffizient ist. Außerdem ist die Anderson-Lampe wegen des in dem Transformatorkern verwendeten Ferritmaterials für die Praxis zu schwer.

Kurze Darstellung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht eine elektrische Lampenbaugruppe aus einer elektrodenlosen Lampe mit einem röhrenförmigen Lampenkolben in Form einer geschlossenen Schleife, der Quecksilberdampf und ein Puffergas mit einem Druck von unter 0,67 mbar (0,5 Torr) umschließt, einem um den Lampenkolben herum angeordneten Transformatorkern, einer auf dem Transformatorkern angeordneten Eingangswicklung und einer an die Eingangswicklung angekoppelten Hochfrequenzstromquelle. Die Hochfrequenzquelle führt dem Quecksilberdampf und dem Puffergas ausreichend Hochfrequenzenergie zu, damit in dem Lampenkolben eine Entladung mit einem Entladungsstrom erzeugt wird, der mindestens 2 A beträgt.
Die elektrodenlose Lampe enthält bevorzugt auf einer Innenfläche des Lampenkolbens einen Leuchtstoff zum Emittieren von Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich als Reaktion auf von der Entladung emittierte Ultraviolettstrahlung. Der Lampenkolben weist bevorzugt eine Querschnittsabmessung in einem Bereich von 2,5 bis 10,2 cm (1 bis 4 Zoll) auf. In einer ersten Ausführungsform ist der Lampenkolben oval. In einer zweiten Ausführungsform besteht der Lampenkolben aus einer ersten und zweiten parallelen Röhre, die an ihren Enden miteinander verbunden sind, um eine geschlossene Schleife zu bilden. Das Puffergas ist bevorzugt ein Edelgas, wie etwa Krypton.
Die Hochfrequenzleistungsquelle weist bevorzugt eine Frequenz in einem Bereich von etwa 50 kxz bis etwa 3 MHz und besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 100 kHz bis etwa 400 kHz auf. Der Transformatorkern weist bevorzugt eine ringförmige Konfiguration auf, die den Lampenkolben umgibt. Der Transformatorkern besteht bevorzugt aus Ferritmaterial. Der Kernleistungsverlust liegt bevorzugt bei höchstens 5% der von der Hochfrequenzleistungsquelle zugeführten Gesamtleistung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine elektrische Lampenbaugruppe eine elektrodenlose Lampe mit einem röhrenförmigen Lampenkolben, der Quecksilberdampf und ein Puffergas bei einem Druck von unter 0,67 mbar (0,5 Torr) umschließt. Der Lampenkolben besteht aus einer ersten und einem zweiten parallelen Röhre, die gerade Röhren sein können, die an einem Ende oder in der Nähe eines Endes durch eie erste seitliche Röhre und an dem anderen Ende oder in der Nähe des anderen Endes durch eine zweite seitliche Röhre verbunden sind, um eine geschlossene Schleife zu bilden. Die elektrische Lampenbaugruppe besteht weiterhin aus einem ersten Transformatorkern, der um die erste seitliche Röhre des Lampenkolbens herum angeordnet ist, einem zweiten Transformatorkern, der um die zweite seitliche Röhre des Lampenkolbens angeordnet ist, einer ersten und zweiten, an dem ersten bzw. zweiten Transformatorkern angeordneten Eingangswicklung und einer an die erste und zweite Eingangswicklung angekoppelten Hochfrequenzleistungsquelle. Die Hochfrequenzleistungsquelle führt dem Quecksilberdampf und dem Puffergas ausreichend Hochfrequenzenergie zu, damit in dem Lampenkolben eine Entladung mit einem Entladungsstrom von mindestens 2 Ampere erzeugt wird.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Lampe bereitgestellt, die eine elektrodenlose Lampe mit einem röhrenförmigen Lampenkolben in Form einer geschlossenen Schleife umfaßt, der ein Puffergas und Quecksilberdampf umschließt. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Herstellen eines Quecksilberdampf- und Puffergasdrucks im Lampenkolben von unter 0,67 mbar (0,5 Torr) und induktives Ankoppeln von ausreichend Hochfrequenzenergie an den Quecksilberdampf und das Puffergas, um in dem Lampenkolben eine Entladung mit einem Entladungsstrom von mindestens 2 A zu erzeugen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt eine elektrische Lampenbaugruppe eine elektrodenlose Lampe, die einen röhrenförmigen Lampenkolben in Form einer geschlossenen Schleife enthält, der Quecksilberdampf und ein Puffergas bei einem Druck von unter 0,67 mbar (0,5 Torr) umschließt, und Mittel zum induktiven Ankoppeln ausreichender Hochfrequenzenergie an den Quecksilberdampf und das Puffergas, um in dem Lampenkolben eine Entladung mit einem Entladungsstrom von mindestens 2 A zu erzeugen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die durch Bezugnahme hier aufgenommen sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Schemadiagramm, das elektrische Verbindungen mit der elektrodenlosen Leuchtstofflampe der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Schemadiagramm einer elektrodenlosen Leuchtstofflampe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Lumen und Lumen pro Watt als Funktion der Entladungsleistung für die elektrodenlose Leuchstofflampe von Fig. 3 und
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Entladungsspannungen, des Kernverlusts und des Leistungsfaktors als Funktion der Lampenleistung für die elektrodenlose Leuchtstofflampe von Fig. 3.

Ausführliche Beschreibung

Eine erste Ausführungsform einer Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Eine Lampe 10 enthält einen Lampenkolben 12, der elektrodenlos ist und eine röhrenförmige Konfiguration in Form einer geschlossenen Schleife aufweist. Der Lampenkolben 12 umgibt ein Entladungsgebiet 14 (Fig. 2), das ein Puffergas und Quecksilberdampf enthält. Eine Leuchtstoffbeschichtung 16 ist an der Innenfläche des Lampenkolbens 12 ausgebildet. Hochfrequenzenergie (HF) aus einer HF-Quelle 20 wird durch einen ersten Transformatorkern 22 und einen zweiten Transformatorkern 24 induktiv an die elektrodenlose Lampe 10 angekoppelt. Jeder der Transformatorkerne 22 und 24 weist bevorzugt eine den Lampenkolben 12 umgebende ringförmige Konfiguration auf. Die HF-Quelle 20 ist mit einer Wicklung 30 an dem ersten Transformatorkern 22 und mit einer Wicklung 32 an dem zweiten Transformatorkern 24 verbunden. Ein an der Außenfläche des Lampenkolbens 12 befestigter und mit der HF-Quelle 20 elektrisch verbundener leitender Streifen 26 kann dazu verwendet werden, das Zünden einer Entladung in der elektrodenlosen Lampe 10 zu unterstützen.
Im Betrieb wird HF-Energie durch die Transformatorkerne 22 und 24 induktiv an eine Niederdruckentladung im Lampenkolben 12 angekoppelt. Die elektrodenlose Lampe 10 fungiert als Sekundärkreis für jeden Transformator. Die Wicklungen 30 und 32 werden bevorzugt in Phase angesteuert und können, wie in Fig. 2 gezeigt, parallel angeschlossen sein. Die Transformatoren 22 und 24 sind derart an dem Lampenkolben 12 positioniert, daß sich die durch die Transformatorkerne 22 und 24 in der Entladung induzierten Spannungen addieren. Der HF-Strom durch die Wicklungen 30 und 32 erzeugt einen zeitlich variierenden Magnetfluß, der entlang dem Lampenkolben 12 eine Spannung induziert, die eine Entladung aufrechterhält. Die Entladung im Lampenkolben 12 emittiert Ultraviolettstrahlung, die die Emission von sichtbarem Licht durch die Leuchtstoffbeschichtung 16 stimuliert. In dieser Konfiguration ist der Lampenkolben 12 aus einem Material wie etwa Glas hergestellt, das sichtbares Licht durchläßt. Ein geeignetes Glas ist Pyrex (Handelsname). Der Kolben kann aber auch aus einem Weichglas konstruiert werden, wie etwa Kalknatronglas, wobei eine Innenfläche mit einer Sperrschicht wie etwa Aluminiumoxid beschichtet ist. In einer alternativen Konfiguration wird die elektrodenlose Lampe als Quelle für Ultraviolettstrahlung verwendet. In dieser Konfiguration entfällt die Leuchtstoffbeschichtung 16 und der Lampenkolben 12 ist aus einem für Ultraviolettstrahlung durchlässigen Material, wie etwa Quarz, hergestellt.
Der Lampenkolben weist für eine hohe Lumenabgabe bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von etwa einem Zoll bis etwa 10,16 mm (vier Zoll) auf. Das Füllmaterial besteht aus einem Puffergas und einer geringen Quecksilbermenge, die Quecksilberdampf erzeugt. Bei dem Puffergas handelt es sich bevorzugt um ein Edelgas und ganz besonders bevorzugt um Krypton. Es hat sich herausgestellt, daß Krypton beim Betrieb der Lampe unter einer mäßigen Leistungsbelastung mehr Lumen pro Watt liefert. Bei einer höheren Leistungsbelastung ist möglicherweise der Einsatz von Argon zu bevorzugen. Der Lampenkolben 12 kann eine beliebige Form aufweisen, die eine geschlossene Schleife bildet, einschließlich einer ovalen Form, wie in Fig. 1 gezeigt, einer kreisförmigen Form, einer elliptischen Form oder einer Reihe von geraden Röhren, die verbunden sind, um eine geschlossene Schleife zu bilden, wie unten beschrieben.
Die Transformatorkerne 22 und 24 werden bevorzugt aus einem verlustarmen Ferritmaterial mit hoher Permeabilität hergestellt, wie etwa Mangan-Zink-Ferrit. Die Transformatorkerne 22 und 24 bilden um den Lampenkolben 12 herum eine geschlossene Schleife und weisen in der Regel eine ringförmige Konfiguration mit einem Durchmesser auf, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Lampenkolbens 12. Die Kerne 22 und 24 werden geschnitten, um sie an dem Lampenkolben 12 zu installieren. Die geschnittenen Enden werden bevorzugt poliert, um eine etwaige Lücke zwischen den Enden jedes Transformatorkerns nach der Installation an dem Lampenkolben 12 zu minimieren.
Da das Ferritmaterial der Transformatorkerne relativ teuer ist, ist es wünschenswert, die verwendete Menge zu begrenzen. Bei einem Ansatz wird ein kleiner Abschnitt des Lampenkolbens auf einen kleineren Durchmesser verjüngt, und ein Transformatorkern mit einem kleineren Durchmesser wird an dem Abschnitt des Lampenkolbens mit dem kleineren Durchmesser positioniert. Der Abschnitt des Lampenkolbens mit dem kleineren Durchmesser sollte so kurz wie möglich gehalten werden, um die Entladungsspannung zu minimieren. Bei einem anderen Ansatz wird ein einzelner Transformatorkern zum Ankoppeln von HF-Energie an die Entladung verwendet.
Die Wicklungen 30 und 32 können jeweils einige wenige Windungen aus Draht umfassen, der eine Größe aufweist, die ausreicht, um den Primärstrom zu führen. Jeder Transformator ist dafür konfiguriert, die Primärspannung herabzusetzen und den Primärstrom heraufzusetzen, in der Regel um einen Faktor von etwa 5 bis 10. Die Primärwicklungen 30 und 32 können in der Regel jeweils etwa 8 bis 12 Windungen aufweisen.
Die HF-Quelle 20 liegt bevorzugt in einem Bereich von etwa 50 kHz bis 3 MHz und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 100 kHz bis etwa 400 kHz. Als Beispiel können eine Primärspannung in einem Bereich von etwa 100 bis 200 V und ein Primärstrom von etwa 1 A eine Entladungsspannung von 20 bis 30 V und einen Entladungsstrom in der Größenordnung von etwa 5 A erzeugen.
Die elektrische Lampenbaugruppe der vorliegenden Erfindung verwendet eine Kombination von Parametern, die eine hohe Lumenausgabe, viel Lumen pro Watt, einen geringen Kernverlust und eine lange Betriebsdauer liefern. Es ist festgestellt worden, daß ein Puffergasdruck von unter etwa 0,67 mbar (0,5 Torr) und ein Entladungsstrom von mindestens etwa 2,0 A die gewünschte Leistung erzeugt. Bevorzugt ist der Puffergasdruck höchstens etwa 0,27 mbar (0,2 Torr), und der Entladungsstrom beträgt mindestens etwa 5,0 A. Bei Röhren mit größeren Durchmessern erfüllt bzw. übertrifft die Leistung der Lampenbaugruppe der vorliegenden Erfindung die Leistung von herkömmlichen Leuchtstofflampen mit Elektroden und sehr hoher Ausgabe bezüglich der Lumenausgabe und Lumen pro Watt.
Es hat sich als wichtig herausgestellt, die Entladungsspannung in einer induktiv gekoppelten Entladung zu minimieren, da der Ferritkernverlust mit der Entladungsspannung scharf zunimmt. Das größere Atomgewicht des Puffergases, der größere Röhrendurchmesser und der Betrieb bei höherem Strom im Vergleich zu elektrodenlosen Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik führen zu einer geringeren Entladungsspannung. Die Lampe der vorliegenden Erfindung erfordert zum Bestromen einer 120 W-Entladung nur 0,4 Kilogramm Ferritmaterial. Bei dieser Konfiguration liegt der Kernverlust bei etwa 3%. Der Transformatorkernleistungsverlust liegt im allgemeinen in der Regel bei höchstens 5% der von der HF-Quelle in der Lampe der vorliegenden Erfindung zugeführten Gesamtleistung. Außerdem liegt das Verhältnis aus Transformatorkernvolumen zu Entladungsleistung bei der Lampe der vorliegenden Erfindung in der Regel unter 1 Kubikzentimeter pro Watt.
Eine Analyse der Lampe der vorliegenden Erfindung deutet darauf hin, daß sich die korrekte Wahl des Entladungsstroms entscheidend auf den Ferritkernverlust auswirkt, der beim Antreiben einer induktiven Entladung entsteht. Das Problem des Ferritkernverlustes und des Entladungsstroms läßt sich anhand der folgenden Analyse verstehen. Im allgemeinen weisen Entladungen bei einem geringen Druck eine negative Spannungs-Strom-Kennlinie auf. Somit steht die Entladungsspannung Vd derart zu dem Entladungsstrom Id in Beziehung, daß die Entladungsspannung Vd proportional zu Id-k ist. Da die Spannung und der Strom etwa in Phase sind, ist die Entladungsleistung Pd proportional zu Id1-k. Der Ferritkernverlust Pc ist proportional zu der n-ten Potenz der Entladungsspannung Vd, die gleich der Primärspannung dividiert durch die Anzahl der Windungen auf dem Transformatorkern ist. Somit ist Pc proportional zu Vdn, die wiederum proportional zu Id-kn ist. Das Verhältnis Pc/Pd kann man schreiben als
ξ = Pc/Pd Id&supmin;[k(n-1) + 1]
In der Regel ist 0,2 < k < 0,4 und 2,5 < n < 3,1. Wenn k = 0,3 und n = 2,8 als repräsentative Werte genommen werden, dann reduziert sich der obige Ausdruck für ξ zu
ξ Id-1,5
Bei einem gegebenen Ferritkern führt eine Erhöhung des Entladungsstroms von 0,5 A auf 5 A zu einer Reduktion von ξ um 10-1,5 oder zu einem dreißigmal niedrigeren Kernverlust. Diese Analyse erklärt die größere Ankopplungseffizienz, die man bei einem höheren Entladungsstrom erhält. Das impliziert jedoch nicht, daß ein bloßes Erhöhen des Entladungsstroms in elektrodenlosen Leuchtstofflampen nach dem Stand der Technik eine wünschenswerte Lampenleistung liefern würde. Es ist außerdem wichtig, daß die Entladungsleistung effizient in Ultraviolettstrahlung umgewandelt wird. Um eine effiziente Erzeugung von Ultraviolettstrahlung aus Quecksilber bei einem hohen Strom zu erhalten, ist es wichtig, daß der Puffergasdruck unter etwa 0,67 mbar (0,5 Torr) liegt. Es ist somit wichtig, einen hohen Entladungsstrom mit einem geringen Puffergasdruck zu kombinieren. Der Entladungsstrom Id sollte bevorzugt mindestens etwa 2,0 Ampere betragen und der Puffergasdruck unter etwa 0,67 mbar (0,5 Torr) liegen.
Das Zünden einer Entladung in der elektrodenlosen Leuchtstofflampe der vorliegenden Erfindung ist relativ einfach. Die Ausgangsspannung der HF-Quelle vor dem Zünden einer Entladung beträgt in der Regel das zweibis dreifache der Betriebsspannung. Diese an einen leitenden Streifen 26 an dem Lampenkolben 12 angelegte Spannung reicht zum Einleiten einer Entladung aus. Im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung können andere Zündeinrichtungen zum Einsatz kommen. Der leitende Streifen oder eine andere Zündeinrichtung kann nach dem Einleiten einer Entladung aus dem Lampenkreis herausgeschaltet werden.
Es wird ein Beispiel für eine elektrodenlose Leuchtstofflampe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Konfiguration der Fig. 1 und 2 beschrieben. Ein Lampenkolben bestand aus einer Entladungsglasröhre in Form einer geschlossenen Schleife, das mit einem Edelgas und Quecksilberdampf gefüllt war, wobei die Innenfläche des Lampenkolbens mit Leuchtstoff beschichtet war. Die Länge des Entladungswegs betrug 66 Zentimeter (cm) und der Röhrenaußendurchmesser 38 Millimeter (mm). Der Lampenkolben war mit Krypton bei einem Druck von 0,27 mbar (0,2 Torr) und Quecksilberdampf bei etwa 0,008 mbar (6 Millitorr) gefüllt. Zwei ringförmige Ferritkerne (P-Typ, hergestellt von Magnetics, einem Unternehmensbereich von Spang and Company) wurden in zwei Stücke geschnitten, wobei das Ende des Stücks flachgeschliffen wurde. Jeder ringförmige Kern wurde um den Lampenkolben herum montiert, wobei sechs Primärwindungen aus Draht um jeden Ferritkern gewickelt waren. Die Kerne wiesen einen Außendurchmesser von 75 mm, einen Innendurchmesser von 40 mm und eine Dicke von 12,6 mm auf, wobei der Gesamtquerschnitt für die beiden Kerne 4, 4 Quadratzentimeter betrug. Die Lampe wurde mit einer sinusförmigen HF-Signalquelle bei einer Frequenz von 250 kHz angetrieben. Folgendes war die Leistung der Lampe unter einer Reihe von Betriebsbedingungen. Der Entladungsstrom betrug 5 Ampere; die Entladungsleistung betrug 120 Watt, 1,8 Watt pro Zentimeter; die Lichtausgabe betrug 10 000 Lumen; Lumen pro Watt lag bei 80; das Verhältnis aus Kernleistungsverlust zu Entladungsleistung betrug 0,054; das Kernvolumen betrug 80 Kubikzentimeter; das Verhältnis aus Kernvolumen zu Entladungsleistung betrug 0,67 Kubikzentimeter pro Watt; die Entladungsspannung betrug 25 Volt RMS; das Entladungsfeld betrug 0,37 Volt pro Zentimeter; die Kernflußdichte betrug 0,05 T (500 Gauß); der Kernverlust betrug 6,5 Watt, 0,08 Watt pro Kubikzentimeter und die Gesamtleistung betrug 126,5 Watt.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer elektrodenlosen Hochintensitätsleuchtstofflampe gemäß der Erfindung gezeigt. Eine elektrodenlose Lampe 50 besteht aus einem Lampenkolben 52 mit zwei geraden Röhren 54 und 56 in paralleler Konfiguration. Die Röhren 54 und 56 sind an jedem Ende zugeschmolzen, an einem Ende oder in der Nähe eines Endes durch eine seitliche Röhre 58 und an dem anderen Ende oder in der Nähe des anderen Endes durch eine seitliche Röhre 60 miteinander verbunden. Jede der Röhren 58 und 60 sorgt für eine Gasverbindung zwischen den Röhren 54 und 56, wodurch eine Konfiguration in Form einer geschlossenen Schleife gebildet wird. Die geraden Röhren 54 und 56 weisen im Vergleich zu anderen Formen dadurch einen wichtigen Vorteil auf, daß es leicht ist, sie herzustellen und mit Leuchtstoff zu beschichten. Die Lampe kann jedoch, wie oben angemerkt, in beinahe jeder Form hergestellt werden, selbst einer asymmetrischen, die einen Entladungsweg in Form einer geschlossenen Schleife bildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform war jedes der Röhren 54 und 56 40 cm lang und hatte einen Durchmesser von 5 cm. Die seitlichen Röhren 58 und 60 waren 3,8 cm lang und hatten einen Durchmesser von 3,8 cm. Bei ansteigendem Durchmesser der Röhren 54 und 56 sinken die Entladungsspannung und somit die Ferritverluste. Wenn der Durchmesser der Röhren 58 und 60 auf 3,8 cm reduziert wird, sinken die Ferritgrößen und auch die Ferritverluste.
Die in Fig. 3 gezeigte Lampe war mit 0,27 mbar (0,2 Torr) Krypton-Puffergas und 0,008 mbar (6 Millitorr) Quecksilberdampf gefüllt. Ein Transformatorkern 62 war um die seitliche Röhre 58 herum montiert, und ein Transformatorkern 64 war um die seitliche Röhre 60 herum montiert. Bei jedem Transformatorkern handelte es sich um einen ringförmigen BE2-Ferritkern, der in zwei Stücke geschnitten wurde und dessen Enden poliert wurden. Eine Primärwicklung aus acht Windungen aus Draht war um jeden Ferritkern gewickelt. Jeder Kern hatte einen Außendurchmesser von 8,1 cm, einen Innendurchmesser von 4,6 cm, einen Querschnitt von 4,4 cm² und ein Volumen von 88 cm³. Die Primärwicklungen wurden mit einer sinusförmigen HF-Quelle mit einer Frequenz von 200 kFz angetrieben, die wie in Fig. 2 gezeigt angeschlossen waren.
In Fig. 4 sind die Lumenausgabe und Lumen pro Watt für die Lampe von Fig. 3 als Funktion der Entladungsleistung aufgetragen. Die Lumenausgabe ist durch die Kurve 70 angegeben und die Lumen pro Watt durch die Kurve 72. Die Messungen wurden nach 100 Stunden Lampenbetrieb bei einer Kaltpunkttemperatur von 40ºC vorgenommen. Wie in Fig. 4 gezeigt, steigt die Lumenausgabe mit der Entladungsleistung, während die Lumen pro Watt (LPW) ihr Maximum bei 150 Watt haben. Bei einem Spitzen-LPW wurden 14 000 Lumen mit einer Wirksamkeit (einschließlich Ferritkernverlust) von 92 LPW erzeugt. Die axiale Lumendichte bei diesem LPW- Wert beträgt 163 Lumen pro cm (415 Lumen pro Zoll), was um den Faktor 2,75 größer ist als bei einer herkömmlichen VHO-Leuchtstofflampe. Der Entladungsstrom bei 150 Watt liegt bei etwa 6 Ampere. Durch den Betrieb mit den hier offenbarten Parametern kann die Lampe der vorliegenden Erfindung gleichzeitig eine relativ hohe Lumenausgabe, eine hohe Wirksamkeit und eine hohe axiale Lumendichte erzielen, wodurch sie zu einer attraktiven Alternative zu herkömmlichen VHO- Leuchtstofflampen und Hochintensitätshochdruckentladungslampen wird.
Ausgewählte elektrische Kennlinien der Lampe der Fig. 3 sind in Fig. 5 als Funktion der Lampenleistung aufgetragen. Die Entladungsspannung wird durch die Kurve 76, der Kernverlust durch die Kurve 78 und der Leistungsfaktor durch die Kurve 80 dargestellt. Die Entladungsspannung und der Kernverlust sind an der linken Ordinate aufgetragen, während der Leistungsfaktor an der rechten Ordinate aufgetragen ist. Die Entladungsspannung sinkt mit steigender Lampenleistung. Die verringerte Entladungsspannung führt zu einer entsprechenden Verringerung des Kernverlusts. Fig. 5 betont, daß es wichtig ist, die Entladungsspannung niedrig zu halten. Der Kernverlust beträgt 40% der Gesamtlampenleistung bei 50 Watt, während er bei 150 Watt nur etwa 6% der Gesamtlampenleistung beträgt. Die in Fig. 4 gezeigte Erhöhung des LPW-Werts mit der Entladungsleistung bis zu 150 Watt steht in erster Linie in Beziehung zu der entsprechenden Verringerung beim Kernverlust. Die bemerkenswerte Gesamtleistung der Lampe ist auf die Wahl der Betriebsparameter zurückzuführen (in erster Linie Gasdruck, Temperatur, Entladungsröhrendurchmesser und Entladungsstrom). Das BE2-Kernmaterial wird nicht als das optimale Kernmaterial betrachtet. Messungen haben gezeigt, daß der Kernverlust durch Verwendung eines hochwertigen Kernmaterials, wie etwa 3F3 von Philips, um einen Faktor von fast Zwei reduziert werden kann.
Bei 150 Watt beträgt das mittlere elektrische Feld in der Entladung etwa 0,29 V pro cm (0,75 V pro Zoll). Ein derartig kleines elektrisches Feld würde bei einer Entladung mit Elektroden zu einer recht unwirksamen Lichtquelle führen, da der Elektrodenabfall bezüglich der Gesamtentladungsspannung beträchtlich wäre (aus dem Elektrodenabfallgebiet kommt so gut wie kein Licht). Im Hinblick auf die Kathodenverdampfung und die Wirksamkeit könnte eine Entladung mit Elektroden unter diesen Bedingungen nicht über einen längeren Zeitraum ablaufen. Im Gegensatz dazu wird erwartet, daß die Lampe der vorliegenden Erfindung wegen ihrer elektrodenlosen Konfiguration eine extrem lange Lebensdauer aufweist.
Wenngleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, die gegenwärtig als die bevorzugten Ausführungsformen betrachtet werden, so ist für den Fachmann klar, daß daran verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Elektrische Lampenbaugruppe, die folgendes umfaßt:

eine elektrodenlose Lampe (10) mit einem röhrenförmigen Lampenkolben (12) in Form einer geschlossenen Schleife, der Quecksilberdampf und ein Puffergas umschließt;

einen Transformatorkern (22), der um den Lampenkolben (12) herum angeordnet ist; wobei der Kern (22) aus einem Ferritmaterial besteht;

eine Eingangswicklung (30), die auf dem Transformatorkern (22) angeordnet ist, und eine an die Eingangswicklung angekoppelte Hochfrequenzleistungsquelle zum Liefern von ausreichend Hochfrequenzenergie an den Quecksilberdampf und das Puffergas, um in dem Lampenkolben (12) eine Entladung mit einem Entladungsstrom zu erzeugen;

gekennzeichnet durch einen Gasdruck von unter 0,67 mbar (0,5 Torr) und einen Entladungsstrom von mindestens 2 Ampere.

2. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrodenlose Lampe (10) an einer Innenfläche des Lampenkolbens einen Leuchtstoff (16) zum Emittieren von Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich als Reaktion auf von der Entladung emittierte Ultraviolettstrahlung enthält.

3. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzleistungsquelle (20) eine Frequenz in einem Bereich von 50 kI-Iz bis 3 MHz aufweist.

4. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzleistungsquelle (20) eine Frequenz in einem Bereich von 100 kHz bis 400 kHz aufweist.

5. Elektrische Lampe nach Anspruch 1, wobei das Puffergas ein Edelgas umfaßt.

6. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Puffergas Krypton umfaßt.

7. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der röhrenförmige Lampenkolben eine Querschnittsabmessung in einem Bereich von 2, 5 bis 10 cm (1 bis 4 Zoll) aufweist.

8. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Transformatorkern (22) eine ringförmige Konfiguration aufweist.

9. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, weiterhin mit einem um den Lampenkolben (12) herum angeordneten zweiten Transformatorkern (24) und einer auf dem zweiten Transformatorkern (24) angeordneten und an die Hochfrequenzleistungsquelle angekoppelten zweiten Eingangswicklung (32).

10. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Lampenkolben (12) oval ist.

11. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Lampenkolben (52) eine erste und zweite parallele Röhre (54, 56) umfaßt, die an ihren Enden verbunden sind, um eine geschlossene Schleife zu bilden.

12. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei dem Transformatorkern ein Kernleistungsverlust zugeordnet ist, wobei durch die Hochfrequenzquelle eine Gesamtleistung zugeführt wird, und wobei der Kernleistungsverlust höchstens 15% der von der Hochfrequenzleistungsquelle gelieferten Gesamtleistung beträgt.

13. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei ein Verhältnis aus Transformatorkernvolumen des Transformatorkerns zu der Entladungsleistung der elektrodenlosen Lampe unter zwei Kubikzentimetern pro Watt liegt.

14. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Druck in dem Lampenkolben höchstens 0,27 mbar (0,2 Torr) und der Entladungsstrom mindestens etwa 5 Ampere beträgt.

15. Elektrische Lampenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Lampenkolben aus einem für Ultraviolettstrahlung durchlässigen Material besteht und die elektrodenlose Lampe Ultraviolettstrahlung emittiert.

16. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Lampe, die eine elektrodenlose Lampe mit einem röhrenförmigen Lampenkolben in Form einer geschlossenen Schleife umfaßt, der ein Puffergas und Quecksilberdampf umschließt, mit den folgenden Schritten:

Herstellen eines Drucks des Quecksilberdampfes und des Puffergases in dem Lampenkolben, der unter 0,67 mbar (0,5 Torr) liegt und

induktives Ankoppeln von ausreichend Hochfrequenzenergie an den Quecksilberdampf und das Puffergas, um in dem Lampenkolben eine Entladung mit einem Entladungsstrom von mindestens etwa 2 Ampere herzustellen.

17. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Lampe nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Herstellens eines Drucks das Herstellen eines Drucks des Quecksilberdampfes und des Puffergases von höchstens 0,27 mbar (0,2 Torr) umfaßt und der Schritt des induktiven Ankoppelns von Hochfrequenzenergie das induktive Ankoppeln von ausreichend Hochfrequenzenergie zum Erzeugen eines Entladungsstroms von mindestens etwa 5 Ampere umfaßt.