Hochdruck entladungslampe
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
I. Stand der Technik
In der europäischen Patentschrift EP 0 991 107 Bl ist auf Seite 4, in den Zeilen 12 bis 26 der Spalte 6 eine einseitig gesockelte Hochdruckentladungslampe für einen Kraft- fahrzeugscheinwerfer beschrieben, die ein von einem gläsernen Außenkolben umgebenes Entladungsgefäß besitzt, wobei der Außenkolben mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist, die sich über den gesamten Entladungsraum der Lampe erstreckt. Diese Schicht ist mit dem schaltungsinternen Massebezugspotential des Betriebsgerätes der Hochdruckentladungslampe verbunden, um die elektromagnetische Verträglichkeit der Lampe zu verbessern.
IL Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe, insbesondere eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe für Fahrzeugscheinwerfer mit verbesserter Zündwilligkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß, eine im Entladungsraum des Entladungsgefäßes eingeschlossene ionisierbare Füllung und sich in den Entladungsraum erstreckende Elektroden zum Erzeugen einer Gasentladung, wobei das Entladungsgefäß eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist, die als Zündhilfe ausgebildet ist und zumindest in dem Grenzbereich zwischen dem Entladungsraum und einem ersten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes angeordnet ist. Diese Beschichtung bildet mit der aus dem
ersten abgedichteten Ende herausragenden und in den Entladungsraum hineinragenden ersten Elektrode der Hochdruckentladungslampe einen Kondensator, wobei das dazwischen liegende Quarzglas des Entladungsgefäßes und das Füllgas im Entladungsraum das Dielektrikum dieses Kondensators bilden. Dadurch wird, insbesonde- re mittels der hochfrequenten Anteile des Zündimpulses, im Entladungsraum eine dielektrisch behinderte Entladung zwischen der ersten Elektrode und der Beschich- tung generiert. Diese dielektrisch behinderte Entladung erzeugt im Entladungsraum eine ausreichende Anzahl von freien Ladungsträgern, um den elektrischen Durchbruch zwischen den beiden Elektroden der Hochdruckentladungslampe zu ermögli- chen bzw. die dafür erforderliche Zündspannung deutlich zu reduzieren. Die Erfindung eignet sich daher besonders gut für quecksilberfreie Halogen-Metalldampf- Hochdruckentladungslampen, die aufgrund des fehlenden Quecksilbers eine erhöhte Zündspannung aufweisen.
Vorteilhafterweise ist die als Zündhilfe ausgebildete Beschichtung zusätzlich auch im Grenzbereich zwischen dem Entladungsraum und dem zweiten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes angeordnet. In der Figur 4 ist für mehrere Hochdruckentladungslampen ohne Zündhilfsbeschichtung und für Hochdruckentladungslampen mit Zündhilfsbeschichtung mit fünf unterschiedlichen Geometrien die mittlere Durchbruchsspannung der Entladungsstrecke in der Hochdruckentladungslampe dar- gestellt. Der Auswertung gemäß Figur 4 lagen für jede der fünf Beschichtungsgeo- metrien jeweils mehrere Hochdruckentladungslampen zugrunde, über die ein Mittelwert für die Durchbruchsspannung gebildet wurde. Die mittlere Durchbruchsspannung für Hochdruckentladungslampen ohne Zündhilfsbeschichtung (Balken 1 in Figur 4) beträgt ca. 28,1 kV, während bei Hochdruckentladungslampen mit einer Be- Schichtung (Balken 2 in Figur 4), die in dem Grenzbereich zwischen dem Entladungsraum und dem ersten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes und zusätzlich auch im Grenzbereich zwischen dem Entladungsraum und dem zweiten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes angeordnet ist, die mittlere Durchbruchsspannung auf ca. 23,4 kV reduziert ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die Beschichtung in dem Grenzbereich bzw. in den Grenzbereichen über den gesamten Umfang des Entladungsgefäßes. Der Grenzbereich zwischen dem Entladungsraum und dem abgedichteten ersten Ende des Entladungsgefäßes bzw. die Grenzbereiche zwischen dem Entladungsraum und den abge- dichteten Enden des Entladungsgefäßes werden vorzugsweise jeweils von einer ringförmig das Entladungsgefäß umlaufenden Nut gebildet. Dadurch ergibt sich ein besonders geringer Abstand zwischen der Zündhilfsbeschichtung und der jeweiligen Elektrode der Hochdruckentladungslampe und damit eine besonders gute kapazitive Kopplung zwischen der Beschichtung und der entsprechenden Elektrode.
Vorteilhafterweise ist die Beschichtung zusätzlich auf einem Oberflächenabschnitt des ersten abgedichteten Endes des Entladungsgefäßes angebracht. Dadurch lässt sich die erforderliche Hochspannung zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe weiter vermindern. Gemäß dem Balken 3 in Figur 4 beträgt die mittlere Durchbruchsspannung für Hochdruckentladungslampen mit einer Zünd- hilfsbeschichtung, die sich über einen Abschnitt der Oberfläche des ersten abgedichteten Endes und die beiden Grenzbereiche zwischen dem Entladungsraum und den abgedichteten Enden erstreckt nur ca. 20,6 kV.
Gemäß den beiden besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Zündhilfsbeschichtung auch auf einen Oberflächenabschnitt des den Entladungs- räum umschließenden Teils des Entladungsgefäßes ausgeweitet, so dass sich die Zündhilfsbeschichtung vorzugsweise auf einen Oberflächenabschnitt des ersten abgedichteten Endes und des den Entladungsraum umschließenden Teil des Entladungsgefäßes sowie auf die beiden Grenzbereiche zwischen dem Entladungsraum und den abgedichteten Enden des Entladungsgefäßes erstreckt. Die Zündhilfsbe- Schichtung bildet gemäß der beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele einen Streifen, der auf der Oberfläche des ersten abgedichteten Endes und des vorgenannten, den Entladungsraum umschließenden Teils des Entladungsgefäßes verläuft. Die Balken 4 und 5 in der Figur 4 zeigen, dass dadurch die mittlere Durchbruchsspannung der Hochdruckentladungslampen auf einen Wert von ca. 18,8 kV bzw. 19,3 kV redu-
ziert wird. Das zum Balken 4 der Figur 4 gehörende Ausführungsbeispiel mit der geringsten mittleren Durchbruchsspannung unterscheidet sich von dem zum Balken 5 der Figur 4 gehörenden Ausführungsbeispiel durch eine Beschichtung, die im Bereich des Entladungsraums als vergleichsweise schmaler Streifen auf der Entla- dungsgefäßoberfläche ausgebildet ist, während bei dem zum Balken 5 der Figur 4 gehörenden Ausführungsbeispiel die Beschichtung im Bereich des Entladungsgefäßes als breiter Streifen ausgebildet ist. Überraschenderweise besitzen Hochdruckentladungslampen mit einer Zündhilfsbeschichtung, die sich über beide abgedichtete Enden des Entladungsgefäßes erstreckt und spiegelsymmetrisch bezüglich der durch den Entladungsgefäßmittelpunkt und senkrecht zur Längsachse des Entladungsgefäßes angeordneten Ebene ausgebildet ist, eine geringfügig höhere mittlere Durchbruchsspannung als die beiden bevorzugten unsymmetrischen Zündhilfsbeschichtung, die nur auf das erste abgedichtete Ende, aber nicht auf das zweite abgedichtete Ende des Entladungsgefäßes erstreckt ist. Gemäß dem Balken 6 der Figur 4 beträgt die mittlere Durchbruchsspannung für Hochdruckentladungslampen mit der vorgenannten symmetrischen Zündhilfsbeschichtung, die auf den beiden vorgenannten Grenzbereichen, den Oberflächen von beiden abgedichteten Enden und einem Oberflächenabschnitt des den Entladungsraum umschließenden Teil des Entladungsgefäßes angeordnet ist, ca. 20 kV.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem vorgenannten ersten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes um dasjenige Ende, dessen Stromzuführung und Elektrode mit den zum Zünden der Gasentladung in Hochdruckentladungslampe erforderlichen Hochspannungsimpulsen beaufschlagt wird. Dadurch wird die oben erwähnte dielektrisch behinderte Entladung zwischen der aus dem ersten abgedichteten Ende her- ausragenden Elektrode bzw. Stromzuführung und der Zündhilfsbeschichtung erzeugt.
Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar bei Hochdruckentladungslampen, die zum Betrieb in horizontaler Lage, mit in einer horizontalen Ebene angeordneten Elektroden vorgesehen sind, wie zum Beispiel bei Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen für Fahrzeugscheinwerfer. In diesem Fall ist der mit der Zündhilfsbe-
schichtung versehene Oberflächenabschnitt des den Entladungsraum umschließenden Teils des Entladungsgefäßes unterhalb der Elektroden angeordnet. Die Beschichtung reflektiert dadurch einen Teil der von der Entladung generierten Infrarotstrahlung in den Entladungsraum zurück und sorgt somit für eine selektive Erwärmung der kälte - ren, unterhalb der Elektroden liegenden Bereiche des Entladungsgefäßes, in denen sich die für die Lichterzeugung verwendeten Metallhalogenide sammeln. Dadurch kann die Effizienz der Lampe gesteigert werden, ohne die heißen, oberhalb der E- lektroden liegenden Bereiche des Entladungsgefäßes ebenfalls zu erwärmen. Außerdem reduziert das Aufbringen der Beschichtung nur auf der kälteren Unterseite des Entladungsgefäßes die thermische Belastung der Beschichtung, so dass entsprechend geringere Anforderungen an die thermische Belastbarkeit der Beschichtungsmateria- lien gestellt werden können.
Die Zündhilfsbeschichtung der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen ist vorzugsweise lichtdurchlässig ausgebildet, um eine möglichst geringe Lichtabsorpti- on und hohe Lichtausbeute zu gewährleisten.
Vorzugsweise ist die aus dem ersten abgedichteten Ende des Entladungsgefäßes herausgeführte Stromzuführung mit mindestens einer in dem ersten abgedichteten Ende eingebetteten Molybdänfolie verbunden und die mindestens eine Molybdänfolie ist derart orientiert, dass eine ihrer beiden Seiten der auf dem Oberflächenabschnitt des ersten abgedichteten Endes angeordneten Beschichtung zugewandt ist. Dadurch wird eine kapazitive Kopplung zwischen der vorgenannten Molybdänfolie und der auf dem ersten abgedichteten Ende aufgebrachten Zündhilfsbeschichtung erreicht.
III. Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Eine Seitenansicht des Entladungsgefäßes der in Figur 3 abgebildeten Hochdruckentladungslampe gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
Figur 2 Eine Seitenansicht des Entladungsgefäßes der in Figur 3 abgebildeten
Hochdruckentladungslampe gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer gegenüber der Figur 1 um einen Winkel von 90 Grad um die
Längsachse des Entladungsgefäßes gedrehten Ansicht (Unterseite entspre- chend der Einbaulage)
Figur 3 Eine Seitenansicht der Hochdruckentladungslampe gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
Figur 4 Einen Vergleich der mittleren Durchbruchsspannung für Hochdruckentladungslampen ohne Zündhilfsbeschichtung und mit unterschiedlich ausge- bildeten Zündhilfsbeschichtungen
Bei dem in Figur 3 schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine quecksilberfreie Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampe mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von ungefähr 35 Watt. Diese Lampe ist für den Einsatz in einem Fahrzeugscheinwerfer vorgesehen. Sie besitzt ein zweiseitig abgedichtetes Entladungsgefäß 10 aus Quarzglas mit einem Volumen von 24 mm , in dem eine ionisierbare Füllung, bestehend aus Xenon und Halogeniden der Metalle Natrium, Scandium, Zink und Indium, gasdicht eingeschlossen ist. Im Bereich des Entladungsraumes 106 ist die Innenkontur des Entladungsgefäßes 10 kreiszylindrisch und seine Außenkontur ellipsoidförmig ausgebil- det. Der Innendurchmesser des Entladungsraumes 106 beträgt 2,6 mm und sein Außendurchmesser beträgt 6,3 mm. Die beiden Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 sind jeweils mittels einer Molybdänfolien-Einschmelzung 103, 104 abgedichtet. Im Innenraum des Entladungsgefäßes 10 befinden sich zwei Elektroden 11, 12, zwischen denen sich während des Lampenbetriebes der für die Lichtemission verant- wortliche Entladungsbogen ausbildet. Die Elektroden 11, 12 bestehen aus Wolfram. Ihre Dicke bzw. ihr Durchmesser beträgt 0,30 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden 11, 12 beträgt 4,2 mm. Die Elektroden 11, 12 sind jeweils über eine der Molybdänfolien-Einschmelzungen 103, 104 und über den sockelfernen Stromzuführungsdraht 13 und die Stromrückführung 17 bzw. über den sockelseitigen Stromzu-
führungsdraht 14 elektrisch leitend mit einem elektrischen Anschluss des im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Lampensockels 15 verbunden. Das Entladungsgefäß 10 wird von einem gläsernen Außenkolben 16 umhüllt. Der Außenkolben 16 besitzt einen im Sockel 15 verankerten Fortsatz 161. Das Entladungsgefäß 10 weist sockelseitig eine rohrartige Verlängerung 105 aus Quarzglas auf, in der die sockel- seitige Stromzuführung 14 verläuft.
Der der Stromrückführung 17 zugewandte Oberflächenbereich des Entladungsgefäßes 10 ist mit einer lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Beschichtung 107 versehen. Diese Beschichtung 107 erstreckt sich in Längsrichtung der Lampe über die gesamte Länge des Entladungsraumes 106 und über einen Teil, ca. 50 Prozent, der Länge des sockelseitigen, abgedichteten Endes 102 des Entladungsgefäßes 10. Die Beschichtung 107 ist auf der Außenseite des Entladungsgefäßes 10 angebracht und erstreckt sich beispielsweise über ca. 5 Prozent bis 50 Prozent des Umfangs des Entladungsgefäßes 10. Sie ist im Bereich des Entladungsraumes 106 und im Bereich des sockelseitigen abgedichteten Endes 102 als Streifen ausgebildet. Im Grenzbereich 109 zwischen dem sockelseitigen abgedichteten Ende 102 und dem Entladungsraum 106 sowie im Grenzbereich 108 zwischen dem sockelfernen abgedichteten Ende 101 und dem Entladungsraum 106 ist die Beschichtung 107 jeweils als Ring ausgebildet, der das Entladungsgefäß 10 umschließt. Die Grenzbereiche werden von einer ring- förmigen, das Entladungsgefäß 10 umlaufenden Nut 108, 109, einer so genannten Einrollung, gebildet, in der bzw. in denen das Entladungsgefäß 10 den geringsten Durchmesser aufweist und somit ein besonders geringer Abstand zwischen der Zündhilfsbeschichtung 107 und der entsprechenden Elektrode 11 bzw. 12 besteht. Die Beschichtung 107 besteht aus dotiertem Zinnoxid, beispielsweise aus mit Fluor oder Antimon dotiertem Zinnoxid. Die Schichtdicke der Zündhilfsbeschichtung 107 ist vorzugsweise so gewählt, dass der Widerstand der Zündhilfsbeschichtung 107 gemessen zwischen zwei beliebigen, in einem Abstand von 1 cm auf der Zündhilfsbeschichtung 107 angeordneten Punkten im Größenordnungsbereich von ca. 104 Ohm liegt. Die mittlere Durchbruchsspannung der Entladungsstrecke der Hoch-
druckentladungslampe mit der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Zündhilfsbe- schichtung 107 beträgt ca. 19,3 kV, entsprechend dem Balken 5 in Figur 4.
Der Zwischenraum zwischen dem Außenkolben 16 und dem Entladungsgefäß 10 ist vorzugsweise mit einem Inertgas mit einem Kaltfülldruck im Bereich von 5 kPa bis 150 kPa gefüllt, dem eine geringe Menge Sauerstoff beigemischt ist. Die Sauerstoffmenge ist so eingestellt, dass einerseits eine Diffusion von Sauerstoff aus der Zinnoxidschicht 107 verhindert wird und andererseits keine Oxidation der Dotierstoffe in der Zinnoxidbeschichtung 107 verursacht wird. Hierzu genügen bereits wenige ppm Sauerstoff gehalt, beispielsweise 100 ppm Sauerstoff gehalt (Gewichtsanteil) in dem Füllgas des Außenkolbens. Bei dem Inertgas handelt es sich vorzugsweise um Stickstoff oder um ein Edelgas oder ein Edelgasgemisch oder ein Stickstoff- Edelgasgemisch.
Diese Hochdruckentladungslampe wird in horizontaler Lage betrieben, das heißt, mit in einer horizontalen Ebene angeordneten Elektroden 11, 12, wobei die Lampe derart ausgerichtet ist, dass die Stromrückführung 17 unterhalb des Entladungsgefäßes 10 und des Außenkolbens 16 verläuft. Die zum Zünden der Gasentladung in der Hochdruckentladungslampe erforderlichen Hochspannungsimpulse werden der sockelsei- tigen Elektrode 12 über die Stromzuführung 14 zugeführt, da die sockelseitige Stromzuführung 14 vollständig von den Lampengefäßen 10, 16 und dem Sockel 15 umgeben ist und somit eine ausgezeichnete elektrische Isolation der Hochspannung führenden Teile der Hochdruckentladungslampe gewährleistet ist. Die vorgenannten Hochspannungsimpulse werden beispielsweise mittels einer Impulszündvorrichtung generiert, deren Komponenten im Lampensockel 15 angeordnet sein können.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben näher erläuterte Ausführungsbei- spiel. Beispielsweise kann bei der oben näher beschriebenen Zündhilfsbeschichtung 107 im Bereich des Entladungsraums 106 die Breite des streifenartigen Abschnitts der Beschichtung 107 reduziert werden, so dass die Beschichtung 107 im Bereich des Entladungsraums 106 eine deutlich geringere Breite als der auf dem sockelseitigen Ende 102 angeordnete Abschnitt der Beschichtung 107 aufweist. Dadurch kann die
Durchbruchsspannung der Entladungsstrecke der Hochdruckentladungslampe gemäß dem Balken 4 der Figur 4 auf ca. 18,8 kV gesenkt werden. Außerdem kann sich die Zündhilf sbeschichtung 107 im Bereich des sockelseitigen abgedichteten Endes 102 oder bzw. und im Bereich des Entladungsraums 106 über den gesamten Umfang des Entladungsgefäßes 10 erstrecken. Ferner kann aber auch das in den Figuren 1 und 2 abgebildete Entladungsgefäß 10 mit der Zündhilf sbeschichtung 107 derart in dem Lampensockel 15 montiert werden, dass das mit der Zündhilfsbeschichtung 107 versehene abgedichtete Ende 102 als sockelfernes Ende und das unbeschichtete abgedichtete Ende 101 des Entladungsgefäßes 10 als sockelseitiges Ende der Hochdruck- entladungslampe ausgebildet ist. Mit anderen Worten formuliert, die Zündhilfsbeschichtung 107 kann statt auf dem sockelseitigen Ende 102 auch auf dem sockelfernen Ende 101 des Entladungsgefäßes 10 der Hochdruckentladungslampe angeordnet sein. Die Zündhilfsbeschichtung 107 kann sich aber auch auf beide abgedichteten Enden 101, 102 des Entladungsgefäßes 10 erstrecken. Bei asymmetrischer Ausbil- düng der Beschichtung 107, das heißt, wenn die Beschichtung 107 nur auf eines der beiden Enden 101 bzw. 102 erstreckt ist, dann wird die Zündspannung vorzugsweise derart gepolt, dass die im beschichteten Ende 101 bzw. 102 steckende Elektrode 11 bzw. 12 an den positiven Pol der Zündspannung oder im Fall von unipolaren, negativen Zündspannungsimpulsen an Masse angeschlossen ist.
Statt des oben genannten Materials kann die Beschichtung 107 auch aus einem anderen lichtdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Material bestehen. Beispielsweise kann sie als so genannte ITO-Schicht, das heißt, eine Indium-Zinn-Oxid-Schicht, ausgebildet sein. Die ITO-Schicht kann beispielsweise 90 Gewichtsprozent Indiumoxid und 10 Gewichtsprozent Zinnoxid aufweisen. Außerdem kann die Beschichtung 107 beispielsweise mit geeigneten Mitteln elektrisch an eine Zündvorrichtung gekoppelt sein, um über die Beschichtung 107 die Hochdruckentladungslampe mit Spannungsimpulsen zum Zünden der Gasentladung in dem Entladungsraum 106 zu beaufschlagen. Die Erfindung kann ferner auch auf die konventionellen quecksilberhaltigen Halogen-Metalldampf-Hochdruckentladungslampen angewandt werden, um die oben beschriebenen Vorteile zu erzielen.
Zum Zünden der Gasentladung in der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe kann statt einer Impulszündvorrichtung auch eine Zündvorrichtung verwendet werden, welche die zum Zünden der Gasentladung erforderliche Hochspannung mittels der Methode der Resonanzüberhöhung erzeugt.