NL2003135C2 - Hogedruk-ontladingslamp. - Google Patents

Description

HOGEDRUK-ONTLADINGSLAMP Technisch gebied 5 De uitvinding gaat uit van een hogedruk-ontladingslamp volgens de aanhef van conclusie 1. Dergelijke lampen zijn hogedruk-ontladingslampen met keramisch ontla-dingsvat, in het bijzonder voor de algemene verlichting.

Stand van de techniek 10 WO 03/030209 openbaart een hogedruk-ontladingslamp, waarbij een keramisch ontladingsvat in een buitenballon door middel van een frame is vastgehouden, waarbij het ontladingsvat twee einden heeft en de buitenballon aan één zijde gesokkeld is. Daarbij wordt voor de compensatie van de boogkromming het frame in meerdere win-15 dingen rondom het ontladingsvat geleid.

Een dergelijke constructie vereist echter zowel extra materiaalkosten als ook een complexe fabricage.

Beschrijving van de uitvinding 20

Het is de doelstelling van de onderhavige uitvinding om een metaalhalogenide-hogedruk-ontladingslamp voor de algemene verlichting te verschaffen, waarmee de positie-afhankelijkheid van kleurlocatie, lichtstroom en lichtrendement zo veel mogelijk geminimaliseerd wordt en de gemiddelde levensduur wordt verlengd.

25 Deze doelstelling wordt bereikt door de kenmerkende maatregelen van conclu sie 1. Bijzonder voordelige uitvoeringen bevinden zich in de afhankelijke conclusies. De metaalhalogenidelamp volgens de uitvinding maakt gebruik van een frame met een terugvoerdraad, die rechte delen bezit en ten hoogste 1,25 windingen omvat. Dit vereenvoudigt de montage, minimaliseert de materiaalkosten, leidt tot slechts geringe aan-30 vullende afschaduwing (in de orde van grootte van slechts 1%) en stabiliseert het ontladingsvat aanvullend in de buitenballon. Daarmee kan een hoger lichtrendement worden bereikt. De kleurlocatie van de lamp is nu nagenoeg onafhankelijk van de brandpositie.

2

Ook de levensduur wordt verhoogd. Fabricagetechnisch bijzonder geschikt zijn 0,5 en 1,0 windingen.

Bij keramische metaalhalogenide-lampen met eenzijdige sokkeling treden le-vensduurproblemen op door de boogkromming in horizontale oriëntatie. Het is hier de 5 doelstelling om een universele brandpositie te bereiken. De plasmaboog in het ontla-dingsvat nadert tot dusver bij horizontale brandpositie zeer sterk de wand van het ont-ladingsvat en leidt tot een oververhitting en tenslotte tot een breuk van het keramiek. Dit wordt onder andere veroorzaakt door de ligging van de rechte terugvoerdraad onder het ontladingsvat. Daarbij is de lichtboog in wisselwerking met het door de stroom van 10 de terugvoerdraad tot stand gebrachte magneetveld en bewerkstelligt een afstoting van de boog. De natuurlijke boogkromming door “opdrijven” van het hete plasma wordt derhalve versterkt.

Bekend is dat door een tweede terugvoerdraad de magnetische kracht op de boog gecompenseerd kan worden, zie WO 03/030209. Een dergelijke constructie vereist ech-15 ter een aanzienlijk extra gebruik van materiaal en processtappen en kan slechts met grote complexiteit geautomatiseerd worden. Twee verdere daar getoonde bouwtypes zijn de dubbele helix en een spiraal met meerdere windingen.

In W003/060948 wordt een spoel loodrecht ten opzichte van de branderas beschreven. Ook hier zijn de inrichtingen zeer gecompliceerd en complex om te monte-20 ren. Verder absorberen veel leidingen in de nabijheid van de brander licht en reduceren zo lichtstroom en -rendement. US 2003/025455 beschrijft een gekromde terugvoerdraad. Daardoor wordt slechts de afstand tot de lichtboog vergroot en wordt derhalve het magneetveld slechts weinig gereduceerd. Verder is bij nauwe buitenballon geen plaats voor een dergelijke uitvoering.

25 Volgens de uitvinding is de terugvoerende stroomtoevoer met maximaal 1,25 windingen uitgerust. De terugvoer heeft daarom twee rechte einddelen en daartussen een windingsdeel. Voor gegeven rechte einddelen kan de axiale lengte van het win-dingsdeel zodanig geoptimaliseerd worden, dat het magneetveld By in het midden tussen de elektroden verdwijnt, zie figuur 2. Hier werd de stroom willekeurig op 1 ampère 30 genormaliseerd. De berekeningen met betrekking tot de optimale geometrie zijn onafhankelijk van deze willekeurige keuze. Er is te zien dat het magnetische veld By in het midden van de boog verdwijnt, maar aan beide zijden van het centrum weer daalt. Voor de afbuiging is echter de integraal van het magnetische veld tussen de elektroden maat- 3 gevend. Daarom werd de spiraalhoogte H(Bavg = 0) zodanig geoptimaliseerd, dat de integraal van het magnetische veld By over de elektrodenafstand verdwijnt. Ter vergelijking zijn de omstandigheden bij een windingsdeel met twee windingen in figuur 7 geïllustreerd, waarbij de drie componenten Bx, By, Bz zijn aangegeven. In het midden 5 van het windingsdeel wordt het magneetveld met slechts 53% gereduceerd, de integraal van het magneetveld langs de elektrodenafstand wordt tot 24% verminderd, zie figuur 7 in tegenstelling tot figuur 2.

Het resultaat is in figuur 3 geïllustreerd. Hier is de optimale spiraalhoogte voor verschillende spiraalradii R weergegeven. De laatste zijn in hoofdzaak begrensd door 10 de gebruikte buitenballon. Verder werden de toleranties voor de spiraalhoogte aangegeven, waarbij het magneetveld van een rechte geleider niet tot nul, maar tot 10% respectievelijk 30% van een rechte geleider wordt gereduceerd. Er bleek dat bij een radius van 20 mm de spiraalhoogte H tussen 21 en 28 mm (10% Bw) respectievelijk tussen 15 mm en 35 mm kan liggen (30% Bw). Derhalve deze geometrie zeer tolerant ten opzich-15 te van afwijkingen in de fabricage. Kleinere radii dan 10 mm impliceren compacte branders met geringe vermogensopname, waarbij de lampstroom duidelijk kleiner is, bijvoorbeeld HCI-T 150 W met 1,8 A lampstroom en buitenballon-buitendiameter van 24,8 mm. Voor grote radii convergeert H(Bavg = 0) naar de asymptoot van 0,6256.

In figuur 4 is aanvullend de spiraalhoogte getoond, waarbij het magneetveld in 20 het midden tussen de elektroden verdwijnt: H(By=0). Aangezien de optimale spiraalhoogte bij benadering met de radius wordt geschaald, werd ook het quotiënt H/R berekend. In het beschouwde interval tussen R = 10 mm en 30 mm liggen de quotiënten H(By=0) / R tussen 1,07 en 0,92 en de quotiënten H(Bavg = 0) / R tussen 1,79 en 1,01. Het quotiënt kan zeer goed worden beschreven met de vergelijking H(Bavg = 0) / R = 25 5,64 * R "°’514, zie figuur 4. Voor de afwijking van 30% in het B-veld ligt H(Bavg = 0) / R tussen 2,5 en 0,58.

Bij het uitvoeringsvoorbeeld van een 400W-lamp met metaalhalogenide-vulling is de buitendiameter van de buitenballon 34 mm en de spiraalradius R gelijk aan 14,5 mm. Daarmee wordt H(Bavg = 0) 20,3 mm. De beide rechte deelstukken van de 30 stroomtoevoer zijn hier 47 mm en 28 mm lang. De lamp is in figuur 5 weergegeven. Terwijl bij de gebruikelijke geometrie op basis van de magnetische afstoting de licht-boog zichtbaar gekromd is, is hij bij de voorgestelde innovatie recht. Ook de positie van het metaalhalogenide-condensaat in de verticale brandpositie weerspiegelt deze 4 stand van zaken: terwijl het condensaat bij de gebruikelijke constructie sterk asymmetrisch op de zijde van de stroomtoevoer wordt geconcentreerd, is het bij de spiraalcon-structie nagenoeg perfect cilindersymmetrisch.

De fotometrische en elektrische data bij circa lOOh zijn in tabel 1 samengevoegd 5 en zijn vergeleken met de gebruikelijke constructie. Het lichtrendement is circa 1 lm/W hoger dan bij de standaard. De kleurlocatie-consistentie van de beide brandposities is duidelijk beter (A Tn = 8 K ten opzichte van 240 K en A dc = 1,3 ten opzichte van 2,8). Dit kan worden verklaard met de verminderde boogafbuiging in horizontale oriëntatie. Een verder uitvoeringsvoorbeeld is aangegeven in figuur 6. Hier heeft het win-10 dingsdeel slechts een halve winding, die bovendien in een vlak dwars ten opzichte van de lampas in het midden van het ontladingsvat is aangebracht. Hier compenseren de magneetvelden van de tegenoverliggende rechte aandelen van de stroomtoevoer elkaar. Het magneetveld van de “halve” winding staat steeds loodrecht op de stroomrichting en bewerkstelligt zo ook geen afbuiging. Dit ontwerp heeft verder het voordeel dat de hal-15 ve winding zich in het gebied van de naad tussen de beide helften van het ontladingsvat bevindt en de aanvullende optische afschaduwing door de draad reduceert.

De voorkeur verdient een inrichting waarbij de rechte einddelen ten minste in het ontladingsvolume tot aan de punten van de elektroden reiken.

Op voordelige wijze geldt voor de axiale lengte H van het windingsdeel en de 20 radius van het windingsdeel de verhouding: 0 < H/R < 2,5. Bijzonder bij voorkeur geldt: 0,35 < H/R <2,4.

25 Op voordelige wijze heeft de buitenballon een buitendiameter van ten hoogste 70 mm diameter. In het bijzonder is de bedrijfsstroom in de lamp ten minste 1,7 ampère.

Bijzondere hoge lichtrendementen kunnen worden bereikt met een vulling, die ten minste 2 gewichtsprocent CeJ3 als metaalhalogenide omvat.

De kleurverstrooiing en positieafhankelijkheid wordt bijzonder goed gereduceerd 30 wanneer het keramische ontladingsvat cilindrisch is, met afgeronde hoekstukken.

Korte beschrijving van de tekeningen 5

Hieronder wordt de uitvinding aan de hand van meerdere uitvoeringsvoorbeelden nader uiteengezet. De figuren tonen:

Figuur 1 een hogedruk-ontladingslamp met ontladingsvat;

Figuur 2 een weergave van het magneetveld als functie van de axiale positie; 5 Figuur 3 een weergave van de hoogte van de winding als functie van de radius van de winding,

Figuur 4 een weergave van de optimale windingshoogte als functie van de radius van de winding;

Figuur 5 een verder uitvoeringsvoorbeeld van een hogedruk-ontladingslamp; 10 Figuur 6 een verder uitvoeringsvoorbeeld van een hogedruk-ontladingslamp;

Figuur 7 een weergave van het magneetveld als functie van de axiale positie van een ontladingsvat met twee windingen van het windingsdeel.

Voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding 15

Figuur 1 toont schematisch een metaalhalogenide-lamp 1. Deze bestaat uit een ontladingsvat 2 uit keramiek, waarin twee elektroden 3 zijn ingebracht. Het ontladingsvat heeft een centraal cilindrisch deel 5 en twee afgeronde einden 4, die bij voorkeur als halve-bol-schalen zijn uitgevoerd. Aan de einden bevinden zich twee afdichtingen 6, 20 die hier als capillairen zijn uitgevoerd. Bij voorkeur zijn het ontladingsvat en de afdichtingen integraal uit twee helften uit een materiaal zoals PCA vervaardigd. De verbindende torus heeft het verwijzingscijfer 9. Het ontladingsvat 2 is omgeven door een buitenballon 7. Het ontladingsvat 2 is in de buitenballon door middel van een frame 8 vastgehouden. De buitenballon is afgesloten met een sokkeldeel 19.

25 Het frame omvat een korte stroomtoevoer 10 voor het naar de sokkel wijzende einde van het ontladingsvat en een lange stroomtoevoer, de terugvoer 11, voor het van de sokkel afgewende einde van het ontladingsvat. De terugvoer 11 omvat een beugel-deel 12, alsmede een op afstand gelegen recht deel 13, dat vanuit de beugel in de richting van de sokkel wijst, een windingsdeel 14, dat in het gebied van het centrale deel 30 van het ontladingsvat is aangebracht, en een grenzend aan de sokkel aangebracht recht deel 15. De rechte delen strekken zich vanaf de capillair uit tot in de zone die tussen het einde van het ontladingsvolume en de punt van de elektrode 3 ligt.

6

Het ontladingsvat is een halve-bol-schaal met de radius R van de halve schaal aan de einddelen 4, het rechte cilindrische segment 5 heeft de axiale lengte L tussen de halve schalen, de elektrode-afstand is EA.

Het in figuur 2 getoonde diagram toont het magneetveld B (in Tesla) in de y-5 component By (loodrecht ten opzichte van de verbindingslijn tussen de elektroden) van de rechte stroomtoevoer (By recht) en de drie veldcomponenten Bx, By, Bz van het optimale magneetveld B(opt) van een optimaal windingsdeel. Daarbij wijst Bz(opt) langs de verbindingslijn tussen de elektroden en bewerkstelligt geen boogafbuiging. Bx(opt) wisselt in het gebied van de plasmaboog het voorteken en leidt derhalve ook 10 niet tot een zich over een groot oppervlak uitstrekkende boogkromming. By(opt) verdwijnt nagenoeg in het boogmidden.

Figuur 3 toont de optimale hoogte H (axiale lengte in meters) van het windingsdeel (waarbij de integraal van By langs de elektrode-afstand verdwijnt) als functie van de radius R van het windingsdeel. Aanvullend zijn de hoogten H aangegeven, waarbij 15 het magneetveld van een rechte geleider tot 10% respectievelijk 30% wordt gereduceerd. Het gaat om een windingsdeel met een gehele winding. Curve 1 geldt voor een gemiddeld magneetveld B van B = 0. Curve 2 toont de verhoudingen voor een gemiddeld magneetveld van B = 0,3 Bw. Daarbij is BW het magneetveld dat in het geval van een recht terugvoerdeel zonder winding ontstaat, wanneer de stroomsterkte 1 A is bij de 20 aangegeven radius R. Curve 3 toont de verhoudingen voor een gemiddeld magneetveld van B = - 0,3 Bw. Curve 4 toont de verhoudingen voor een gemiddeld magneetveld van B = 0,1 Bw en curve 5 toont de verhoudingen voor een gemiddeld magneetveld van B = - 0,1 Bw.

Figuur 4 toont in de linker ordinaat de optimale hoogte H van de spiraal By(opt) 25 - dus waarbij de integraal van By langs de elektrode-afstand als geheel verdwijnt, cur ve 1 — en By0(opt) - waarbij is aangenomen dat het magneetveld in het midden tussen de elektroden verdwijnt, curve 2 — als functie van de radius R van het windingsdeel, zie daartoe figuur 3. Beide hoogten van het windingsdeel zijn ook op de radius genormaliseerd weergegeven als H/R, zie daartoe de rechter ordinaat. De normalisatie van de 30 curve 1 leidt tot curve 3, de normalisatie van de curve 2 leidt tot curve 4. Curve 5 is ter vergelijking de gesloten weergave van de machtscurve y = 5,64 x ^514 (R2 = 0,989).

Een concreet voorbeeld voor de relatie tussen windingshoogte H en elektrode-afstand EA is H = 20 mm en EA = 18 mm. Bij voorkeur is H = 1,0 tot 1,3 EA.

7

Figuur 5 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een metaalhalogenide-lamp 20, waarbij de terugvoer 21 haaks gebogen is. Het beugeldeel is slechts rudimentair uitgevoerd, omdat de op afstand gelegen stroomtoevoer 22, die uit het ontladingsvat naar buiten treedt, in een pompuiteinde 23 is vastgehouden. Van het aan het eind staande 5 rechte geleiderdeel 24, dat hier tot aan het midden van het ontladingsvat 25 reikt, is een halve cirkel 26 als windingsdeel naar de tegenoverliggende zijde van het ontladingsvat geslagen. Van daar is het aangrenzende rechte geleiderdeel 27 in de sokkel 28 geleid.

Figuur 6 toont een verder uitvoeringsvoorbeeld van een metaalhalogenide-lamp 20, waarbij het windingsdeel 30 eveneens slechts een halve winding volbrengt. Deze 10 halve winding is echter niet in een vlak dwars ten opzichte van de lampas voltrokken, maar in een vlak dat schuin, bijvoorbeeld onder een hoek van 30° tot 45°, ten opzichte van de lampas A is geheld. Hier eindigen de rechte geleiderdelen 24, 27 in het ontla-dingsvolume telkens bij benadering ter hoogte van de uiteinden van de elektroden.

Een typische vulling omvat de volgende bestanddelen: 15 Hg: 10 tot 40 mg;

Xe of Ar, telkens 120 tot 380 mbar;

NaJ 0 tot 10 gew.-%; TIJ 5 tot 20 gew.-%; SEJ3: SE = Dy + Ho + Tm, in totaal 20 tot 50 gew.-%; 20 CeJ3: 0 tot 10 gew.-%.

Het windingsdeel omvat maximaal 1,25 windingen rondom het ontladingsvat en minimaal 0,25 windingen. Bij voorkeur omvat het 0,5 tot 1,0 windingen.

Tabel 1 toont de gemiddelde waarden van de lichtelektrische data en standaardafwijkingen van spanning en kleurlocatie van verschillende patronen bij circa 100 h 25 bedrijfsduur. Hier betekenen: RF-draad: terugvoerdraad; positie: s: verticaal, w: horizontaal (stroomtoevoer onder); ui: lampspanning; uls: herontstekingspiek; pi: lampvermogen; ¢: lichtstroom; r\: licht-rendement; tn: kleurentemperatuur; dc: afstand tot de reeks Planck-curven; Ra: kleu-renweergave; R9: kleurenweergave dieprood; a(G): standaardafwijking van de grootte 30 G.

Het ontladingsvat is bij voorkeur keramisch, maar kan ook uit kwartsglas zijn vervaardigd.

8

Voor de axiale lengte H en de radius R van het windingsdeel geldt: 0 < H/R < 3,0 en bij voorkeur <2,5.

w . , IT) rr SO GO

O h* ^1" (N Tf "3- __ 3- c«^ oo^ ^ to n « i1"

^ ^ ^ oo N

_| S© SO SO NO

3 3 --h“ ^ r-T ^-T

95 o\ os *o as ^ CC OO r— Os t-— f3 so m r- •'cf PC Os Os Os Os - ___ 2 o C"^ «o 3 o ^ (3 o' co

^ .1 I I I

ro oo o Os

^ lo m os CN

3 i >—I ^ Ov (N

£5 M m TT

^ io so ~~, C O O 00 pr 3 -H -H Os ~ j- os^ «o >n o "> £ h n" o\ in O M tj- -rj- m ^ ^ (N CN to'

^ > O O O O

Oh !> ^ ^ -^r tt

's, rr\ as SD <N

— ^ OO 00 OS Os

0 ^ H—I -—I -H

h-h */"> t OO

3 .-I —I -H

0 r* >—1 -1 •—I

O

;o o

Oh <Z> ^ «3 ^ •o ca t — 2 3 3 .,_,

O Td g g J= JC

£) i .0.000 CS Uj Oh Oh 9 9 H PS w w öi 0¾

Claims (11)

1. Hogedruk-ontladingslamp met een lampas en met een twee einden omvattend ontladingsvat, dat een ontladingsvolume omgeeft, waarbij elektroden zich in het 5 door het ontladingsvat omhulde ontladingsvolume uitstrekken, en waarbij een vulling, die metaalhalogeniden omvat, in het ontladingsvolume is aangebracht, waarbij het ontladingsvat is omgeven door een aan één zijde gesokkelde buitenballon en het daarin wordt vastgehouden door een frame, met het kenmerk, dat het frame een korte stroomtoevoer en een lange stroomtoevoer omvat, waarbij 10 de lange stroomtoevoer twee rechte geleiders met een windingsdeel daartussen omvat, waarbij het windingsdeel maximaal 1,25 windingen rondom het ontladingsvat uitvoert, en dat de rechte geleiders vanaf het einde van het ontladingsvat zich tot aan ten minste het uiteinde van de aangrenzende elektrode uitstrekken. 15

2. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het windingsdeel één winding uitvoert.

3. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het 20 windingsdeel ten minste 0,25 windingen uitvoert.

4. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het windingsdeel in een vlak dwars ten opzichte van de lampas ligt.

5. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het windingsdeel in een vlak schuin ten opzichte van de lampas ligt.

6. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat voor de axiale lengte H en de radius R van het windingsdeel geldt: 0 < H/R < 3,0 en bij 30 voorkeur < 2,5.

7. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat voor de axiale lengte H en de radius R van het windingsdeel geldt: 0,35 < H/R < 2,4.

8. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de buitenballon een inwendige diameter van maximaal 70 mm heeft.

9. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bedrijfsstroom ten minste 1,7 A bedraagt.

10. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vulling als metaalhalogenide ten minste CeJ3 in een hoeveelheid van 2 gew.-% omvat. 10

11. Hogedruk-ontladingslamp volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ontladingsvat een centraal cilindrisch deel en twee afgeronde einden omvat.