Hochdruckentladungslampe und Verfahren zum Betrieb

Abstract

 Zur Verbesserung der Zündeigenschaften einer Metall­halogenidhochdruckentladungslampe (11) ist diese im Übergangsbereich vom Entladungsgefäß (12) zur Ein­schmelzung (13) mit einer Heizvorrichtungung (18) versehen, die mittels eines gut haftenden Isolators (20) an der Lampe (11) befestigt ist. Hierfür ist ein nicht ausdampfender Kitt oder Siliziumdioxid besonders geeignet. Die Heizvorrichtung (18) besteht aus einem Heizdraht, der in einer ersten Ausführungsform die Einschmelzung (13) mit drei bis sechs Windungen umgibt. In einer anderen Ausführungsform ist der Heizdraht in einer einer Lochkeramik aus Aluminiumoxid die an beiden Seiten der Einschmelzung mit thermisch gutem Kontakt anliegt, mehrmals hin- und hergeführt. Die Heizvorrichtung (18) weist eine elektrische Leistung von maximal 20 W auf, ist bei ausgeschalteter Lampe (11) aktiviert und wird mit einer von der Betriebsspannung der Lampe (11) abweichenden eigenen Spannungsquelle betrieben.

Beschreibung

[0001] In der GB-PS 573 141 ist eine Hochdruckentladungs­lampe mit zwei Einschmelzungen beschrieben, die für den Betrieb in einem optischen System vorgesehen ist. Um eine der zwei Einschmelzungen ist ein zehn Windun­gen aufweisender Heizdraht spiralformig gewickelt, der bei Stromdurchgang das Entladungsgefäß nahezu auf Betriebstemperatur hält, wodurch die Füllsubstanzen in einem gasförmigen Zustand gehalten werden. Nach dem Einschalten der Lampe erreicht diese nach ca. drei Sekunden ihren vollen Lichtstrom. Da der Heizdraht ohne zusätzliche Befestigungsmittel um die Einschmel­zung gewickelt ist, kann dieser leicht verrutschen, wodurch die Betriebssicherheit der Lampe gestört würde.

[0002] Aus der GB-PS 530 376 ist eine Hochdruckentladungs­lampe mit zwei Einschmelzungen bekannt, bei der um einen Teil des Entladungsgefäßes eine Heizwendel angeordnet ist, die in einer mit dem Entladungsgefäß verbundenen Kapillare aus Quarzglas geführt ist. Mit dieser separat heizbaren Heizwendel werden die im Entladungsgefäß befindlichen Füllsubstanzen verdampft, so daß die Anlaufzeit der Lampe bis zum Erreichen des vollen Lichtstromes reduziert wird.

[0003] Eine an beiden Enden beheizte Hochdruckentladungslampe für ein optisches System ist in der US-PS 2 820 164 offenbart. Hierbei sind mehrere Keramikstäbe, die jeweils mit einem Widerstandsdraht versehen sind, mit Abstand um die Enden des Entladungsgefäßes angeordnet, so daß deren Strahlungswärme das Entladungsgefäß erwärmt und die Füllsubstanzen verdampft gehalten werden, wodurch ein Sofortlicht der Lampe erzielt wird. Der mechanische Aufbau für diese Heizanordnung ist sehr aufwendig. Des weiteren ist die Wärmeüber­tragung zum Entladungsgefäß nachteilig.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Heizdraht an der Lampe direkt und in einer Weise anzuordnen, daß er einerseits ohne großen Aufwand montiert werden kann und andererseits unverrückbar an seiner ihm vorbestimmten Stelle im intimen Wärme­kontakt zur Lampe gehaltert wird.

[0005] Hochdruckentladungslampen, insbesondere solche mit Metallhalogenidfüllung, werden in letzter Zeit ver­mehrt zum Zweck der Allgemeinbeleuchtung verwendet. Des weiteren wurden solche Lampen auch schon für die Scheinwerfer von Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Für beide Anwendungszwecke werden kleine Leistungsstufen von weniger als 100 W, insbesondere auch unterhalb 50 W eingesetzt. Außerdem besteht für beide Anwen­dungszwecke ein gesteigertes Bedürfnis nach hohem Licktkomfort hinsichtlich der Farbeigenschaften sowie des schnellen Anlaufs solcher Lampen. Mit den spezifi­schen Füllsubstanzen sowie einer an sich bekannten Vorheizung des Entladungsgefäßes werden diese Forde­rungen weitgehend erfüllt. Mit der Gestaltung und Fixierung der Heizvorrichtung an der Lampe entspre­chend der Erfindung wird die zuvor beschriebene Aufgabe gelöst. Die Befestigung der Heizwendel unter Zuhilfenahme eines nicht ausdampfenden Kittes oder von Siliziumdioxid ist ein einfacher, wenig aufwendiger Arbeitsgang, wobei der Kitt bzw. das Siliziumdioxid gleichzeitig als elektrischer Isolator gegen einen sonst möglichen Windungsschluß oder gegen die die Hochspannung führende Stromzuführung der Lampe dient. Bei der kleinen Größe des Entladungsgefäßes - dieses weist nur ein Volumen von ca. 0,03 cm³ auf - ist es zur Verdampfung der Füllsubstanzen völlig ausreichend, wenn nur ca. 3 bis 6 Windungen auf jede Quetschung der Lampe aufgebracht werden.

[0006] In der anderen vorgeschlagenen Ausführungsform gewähr­leistet die Anordnung des Heizdrahtes innerhalb einer Mehrfachkapillare, die wiederum über den Kitt in ther­mischem Kontakt zur Lampe steht, eine hohe Wärmekon­zentration in dem Bereich, wo Wärme benötigt wird, während die in der Doppelkapillare geführten Zulei­tungen kalt bleiben. Des weiteren hat der in der Mehr­fachkapillare geführte Heizdraht die Möglichkeit, thermische Längenänderungen ungehindert ausführen zu können. Sowohl die Doppelkapillare als auch die Mehr­fachkapillare sind handelsübliche keramische Massen­artikel, die den Heizdraht auch zusätzlich vor Oxidation schützen. Hierbei ist es zur Verdampfung der Füllsubstanzen völlig ausreichend, wenn nur an zwei gegenüberliegenden Seiten der Lampenquetschung eine solche Mehrfachkapillare angebracht wird.

[0007] Die Erfindung wird nachstehend anhand von sieben schematischen Figuren und zwei Diagrammen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine einseitig gequetschte Metallhalo­ genidhochdruckentladungslampe mit der erfin­dungsgemäßen Befestigung des Heizdrahtes

Figur 2 zeigt die Unteransicht von Figur 1

Figur 3 zeigt eine zweiseitig gequetschte Metall­halogenidhochdruckentladungslampe mit der erfindungsgemäßen Befestigung des Heizdrahtes

Figur 4 zeigt den Anstieg des Lichtstromes in rela­tiven Einheiten einer kalten und einer vorge­heizten Metallhalogenidhochdruckentladungs­lampe

Figur 5 zeigt eine einzelne Heizvorrichtung in teil­weise aufgebrochener Ansicht

Figur 6 zeigt die Heizvorrichtung der Figur 5 in der Seitenansicht

Figur 7 zeigt eine Lampe mit Heizvorrichtung

Figur 8 zeigt die Lampe der Figur 7 in der Seiten­ansicht und teilweise im Schnitt

Figur 9 zeigt den Anstieg des Lichtstroms in relativen Einheiten einer kalten und einer vorgeheizten Metallhalogenidhochdruckentladungslampe

[0008] Die Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 1 in den Figuren 1 und 2 weist ein etwa ellipsoidförmiges Entladungsgefäß 2 aus Quarz auf, an dem sich eine Einschmelzung 3 in Form einer Quetschung befindet. Innerhalb der Einschmelzung 3 sind zwei Dichtungs­ folien 4 aus Molybdän angeordnet, die mit jeweils einer äußeren Stromzuführung 5 und einer inneren Stromzuführung 6 verbunden sind. Die inneren Strom­zuführungen 6 ragen in den Entladungsraum hinein und sind an ihren Enden als Hakenelektrode 7 ausgebildet. Im Übergangsbereich von der Einschmelzung 3 zum Ent­ladungsgefäß 2 ist eine fünf Windungen aufweisende Heizwicklung 8 angeordnet, deren Enden 9 an einer Seite der Einschmelzung 3 in Richtung der äußeren Stromzuführungen 5 geführt sind. Die Heizwicklung 8 ist mittels eines nicht ausdampfenden, anorganischen Kitts 10 (z.B. Cerastil®, auch als C3 bezeichnet) an der Lampe 1 fixiert. Der Kitt 10 wirkt auch gleich­zeitig als elektrischer Isolator gegen einen möglichen Windungsschluß der Heizwicklung 8. Die Heizwicklung 8 besteht aus einem Widerstandsdraht (z.B. Kantal®) und wird bei einer Spannung von 12 V mit einem Strom von ca. 1,5 A betrieben. Auf diese Weise kann am Entladungsgefäß 2 eine Temperatur von ca. 600 °C erreicht werden, die für einen schnellen Anlauf der Lampe 1 ausreicht.

[0009] Die Metallhalogenidhochdruckentladungslampe 11 in der Figur 3 weist ein längliches Entladungsgefäß 12 aus Quarz auf, auf dessen gegenüberliegenden Seiten sich die Einschmelzungen 13 in Form einer Quetschung erstrecken. In jeder Einschmelzung 13 ist eine Dich­tungsfolie 14 aus Molybdän angeordnet, die mit jeweils einer äußeren Stromzuführung 15 und einer inneren Stromzuführung 16 verbunden ist. Die inneren Strom­zuführungen 16 ragen in den Entladungsraum hinein und sind an ihren Enden mit jeweils einer Kugelelektrode 17 versehen. Auf dem dem Entladungsgefäß 12 benach­barten Teil jeder Einschmelzung 13 ist jeweils eine vier Windungen aufweisende Heizwicklung 18 aus einem Widerstandsdraht (z.B. Kanthal®) aufgebracht, die elektrisch miteinander über die Lampenfassung (nicht dargestellt) in Reihe geschaltet sind. Die jeweiligen Enden 19 befinden sich an dem dem Entladungsgefäß 12 abgewandten Teil der Einschmelzungen 13. Die Heiz­wicklung 18 ist mittels einer Überfangschicht aus Siliziumdioxid 20, die z.B. durch Plasmaspritzen auf­gebracht wird, an der Lampe 11 fixiert. Gleichzeitig wirkt das Siliziumdioxid 20 als elektrischer Isolator gegen einen möglichen Windungsschluß der Heizwick­lungen 18.

[0010] Die Hochdruckentladungslampe entsprechend der Figur 3 weist im eingebrannten Zustand eine elektrische Leistung von ca. 35 W auf und wird bei einer Brenn­spannung von ca. 100 V mit einem Strom von ca. 0,35 A betrieben. Neben Quecksilber enthält die Lampe die Halogenide von Natrium und Scandium. Die eingebrannte Lampe hat weiterhin einen Lichtstrom von mehr als 2700 lm und eine Farbtemperatur von ca. 3400 K.

[0011] Die Graphik der Figur 4 zeigt den Verlauf der Ein­brennkurven einer Metallhalogenidhochdruckentladungs­lampe entsprechend der Figur 3 einmal ohne Vorheizung (strichpunktierte Linie) und einmal mit Vorheizung entsprechend der Erfindung (durchgehende Linie) sowie den Verlauf einer konventionellen H4-Glühlampe für Autoscheinwerfer (gestrichelte Linie). Es ist hieraus zu entnehmen, daß die H4-Lampe nur ca. 30 % des Lichtstroms der hier verwendeten Metallhalogenidhoch­druckentladungslampe liefert. Des weiteren wird deutlich, daß der 30 %-Lichtstrom der vorgeheizten Metallhalogenidhochdruckentladungslampe bereits nach ca. 0,15 s (ca. 11 s), der 50 %-Lichtstrom nach ca. 0,25 s (ca. 20 s) und der 90 %-Lichtstrom nach ca. 5 s (ca. 30 s) vorliegt (in Klammern die Zeiten für eine nicht vorgeheizte Metallhalogenidhochdruckentladungs­lampe).

[0012] Die Heizvorrichtung 21 in den Figuren 5 und 6 setzt sich aus einer Doppelkapillare 22 und einer Mehrfach­kapillare 23 zusammen, wobei die Doppelkapillare 22 etwa in der Mitte und im rechten Winkel zur Mehrfach­kapillare 23 an dieser befestigt ist. Beide Kapillar­gefäße 22, 23 bestehen aus Aluminiumoxidkeramik und sind handelsüblich erhältlich. Innerhalb der Doppel­kapillare 22 sind die Zuleitungen 24 angeordnet, während innerhalb der Mehrfachkapillare 23 der eigent­liche Heizdraht 25 (z.B. Kanthal®) entsprechend der Anzahl der Einzelkapillaren mehrfach hin- und herge­führt ist. Je nach verwendeter Mehrfachkapillare kann so eine unterschiedliche Länge des Heizleiters unter­gebracht und damit die Heizleistung in bestimmten Grenzen bestimmt werden. Im vorliegenden Ausführungs­beispiel weist die Mehrfachkapillare 23 sechs Einzel­kapillaren auf, so daß der Heizdraht 25 sechsmal die Länge der Mehrfachkapillaren 23 durchläuft. Die Länge der Mehrfachkapillare 23 ist an die Breite der Lampen­quetschung angepaßt (s. Figur 7).

[0013] Die Figuren 7 und 8 zeigen eine Metallhalogenidhoch­druckentladungslampe 26, bei der im Übergangsbereich des Entladungsgefäßes 27 und der Einschmelzung 28, die hier als Quetschung ausgeführt ist, an jeder Seite eine Heizvorrichtung 21 entsprechend den Figuren 5 und 6 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt z.B. mittels eines Kittes (nicht sichtbar), so daß eine gute Wärmeübertragung zur Entladungsgefäß 27 erfolgen kann. Die Stromzuführungen 29 der Lampe 26 münden in einen Sockelkörper 30, der mit der für die Lampe 26 erforderlichen Versorgungsspannung verbunden wird. Die Zuleitungen 24 der Heizvorrichtung münden ebenfalls im Sockelkörper 30, wobei dort die entsprechende Beschal­tung - z.B. eine Reihenschaltung beider Heizvorrich­tungen - vorgenommen ist. Jede der beiden Heizvor­richtungen 21 wird mit ca. 10 W betrieben, wodurch das Entladungsgefäß 27 auf eine Temperatur bis. ca. 550 °C erwärmt wird, was für einen schnellen Anlauf der Lampe 26 ausreicht.

[0014] Die Graphik der Figur 9 zeigt der Verlauf der Ein­brennkurven einer Metallhalogenidhochdruckentladungs­lampe entsprechend der Figuren 7 und 8 einmal ohne Vorheizung (strichpunktierte Linie) und einmal mit Vorheizung entsprechend der Erfindung (durchgehende Linie) sowie den Verlauf einer konventionellen H4-Glühlampe für Autoscheinwerfer (gestrichelte Linie). Es ist hieraus zu entnehmen, daß die H4-Lampe nur ca. 40 % des Lichtstroms einer Metallhalogenid­hochdruckentladungslampe liefert. Des weiteren wird deutlich, daß der 40 %-Lichtstrom der vorgeheizten Metallhalogenidhochdruckentladungslampe bereits nach ca. 7 s (ca. 44 s), der 50 %-Lichtstrom nach ca. 9 s (ca. 54 s) und der 90%-Lichtstrom nach ca. 29 s (ca. 85 s) vorliegt (im Vergleich die Zeiten für eine nicht vorgeheizte Metallhalogenidhochdruckentladungs­lampe).

Ansprüche

1. Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsge­fäß (2, 12, 27), das eine die Entladung aufrechterhal­tende Füllung enthält, und das mit mindestens einer Einschmelzung (3, 13, 28) versehen ist, durch die mindestens eine Stromzuführung (5, 15, 29) gasdicht geführt ist, wobei an dem dem Entladungsgefäß (2, 12, 27) zugewandten Teil jeder Einschmelzung (3, 13, 28) zur Verbesserung der Zündeigenschaften der Hochdruck­entladungslampe (1, 11, 26) eine Heizvorrichtung (8, 18, 25) zum Aufheizen des Entladungsgefäßes (2, 12, 27) angeordnet ist, die aus einem Heizdraht besteht, der an der Einschmelzung (3, 13, 28) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht mittels eines gut haftenden Isolators (10, 20) an der Lampe befestigt ist.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gut haftende Isolator (10, 20) ein nicht aus­dampfender Kitt ist.

3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gut haftende Isolator (10, 20) Siliziumdioxid ist.

4. Lampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­net, daß die elektrische Leistung des Heizdrahtes maximal 20 W beträgt.

5. Lampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich­net, daß der Heizdraht aus einer ca. drei bis sechs Windungen aufweisenden, die Einschmelzung (3, 13) um­gebenden Wicklung (8, 18) besteht.

6. Lampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeich­net, daß der Heizdraht in einer Lochkeramik geführt ist, die an dem dem Entladungsgefäß (2, 12, 27) zuge­wandten Teil der Einschmelzung (3, 13, 28) eine Mehr­fachkapillare (23) und im Bereich der Zuleitungen (24) eine Doppelkapillare (22) aufweist, wobei die Mehr­fachkapillare (23) zur Erzielung eines guten Wärme­übergangs mit der Lampe (26) verkittet ist.

7. Verfahren zum Betrieb einer Lampe nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (8, 18, 25) mittels einer von der Betriebsspannung der Hochdruckentladungslampe (1, 11, 26) abweichenden eigenen Spannungsquelle betrieben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (8, 18, 25) bei ausgeschal­teter Lampe (1, 11, 26) aktiviert ist.

Zeichnung