DE1170542B - Gasentladungslampe, insbesondere hoch belastbare Hochdrucklampe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Deutsche Kl.: 2If-82/03

Nummer: 1170 542

Aktenzeichen: G 33153 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 19. September 1961

Auslegetag: 21. Mai 1964

Es ist bereits eine Gasentladungslampe mit in einem Quarzkolben angeordneten Elektroden aus Wolfram bekannt, bei welcher der Kolben eine Gasfüllung und/oder eine Metalldampffüllung mit einem Zusatz eines Halogens zum Zwecke einer Selbstreinigung der Lampe enthält.

Es ist ferner bereits eine Hochdruckentladungslampe bekannt, bei welcher der Quotient des Betriebsstromes und des Quadrates des Elektrodendurchmessers zwischen den Werten 5 und 15 liegen soll.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungslampe, insbesondere eine hoch belastbare Hochdrucklampe mit Wolframelektroden, bei der im Halogenkreisprozeß sich die Gefäßwand selbsttätig reinigt und das Wolfram zu den Elektroden zurückgeführt wird und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verhältnis von Betriebsstrom zu Elektrodenquerschnitt so gewählt wird, daß der vorderste Teil der Wolframelektroden sich im flüssigen Aggregatzustand befindet und seine runde Gestalt durch die Oberflächenspannung erhält.

Diese Betriebsart besitzt ganz bestimmte Vorzüge. Die Elektroden sind erstens leicht herzustellen und billig. Eine Schwärzung des Kolbens wird verhindert, der Bogen trifft auf die Elektrode in diffuser Weise auf und umgibt die geschmolzene Spitze vollständig, mit dem Ergebnis, daß die Kolbenwandung wirksamer gereinigt wird, insbesondere auch an der Rückseite der Elektrode. Auch ohne aktivierende Stoffe, deren Anwendung oft schwierig und kompliziert ist und die unter Verursachung von Kolbenschwärzungen verdampfen können, ist es möglich, eine hohe Elektronenemission zu erreichen. Es können viel kleinere Elektroden verwendet werden, so daß für die Bemessung der Lampe als Ganzes ein weiter Spielraum vorhanden ist, beispielsweise bei der Konstruktion von Kapillarlampen mit kleinem Durchmesser. Die Unveränderlichkeit der Elektroden führt zu einem stabilen Bogen, so daß eine Lichtquelle entsteht, die für Projektion oder andere optische Zwecke ideal geeignet ist. Zusätzlich wird von den geschmolzenen Elektroden nennenswert Licht abgestrahlt; dies ist in den meisten Fällen wünschenswert, natürlich kann man aber auch diese Strahlung abschirmen, wenn es wegen seiner Farbe oder aus anderen Gründen stören sollte.

Die geschmolzenen Elektroden gemäß der Erfindung eignen sich sowohl für einen Wechselstrom- als auch einen Gleichstrombetrieb von elektrischen Entladungslampen oder ähnlichen Einrichtungen. Beim Betrieb mit Gleichstrom ist mindestens die als Ka-Gasentladungslampe, insbesondere hoch
belastbare Hochdrucklampe

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N.Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Eimer George Fridrich, Cleveland Heights, Ohio

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 21. September 1960

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thode wirkende Elektrode geschmolzen, die Anode kann gewünschtenfalls anders betrieben werden. Wegen der sehr hohen spezifischen Elektronenemission der geschmolzenen Elektroden tritt kein Spratzen auf, wie es bei einer Emission durch hohe Felder häufig vorkommt, und es findet praktisch kein Transport von Wolfram durch die Bogensäule statt. Da die Fläche hoher Elektronenemissionsfähigkeit verhältnismäßig groß ist, tritt keine eigentliche Brennfleckbildung auf, und die Bogensäule trifft in diffuser Weise auf die Elektrode; dadurch ergibt sich ein Maximum an Lichtleistung für die Bogensäule bei einem gegebenen Elektrodenabstand. Mit anderen Worten gesagt, sind bei geschmolzenen Elektroden die Bereiche hohen Spannungsabfalles in der Nähe der Elektroden und die daraus folgende Einschnürung des Plasmas nicht vorhanden. Eines der Merkmale einer geschmolzenen Elektrode der hier beschriebenen Art, das zumindest teilweise für deren bemerkenswerte und vorteilhafte Eigenschaften verantwortlich ist, besteht darin, daß die Elektroden eine glatte Oberfläche von unveränderlicher Geometrie (etwa kugelförmig oder mindestens in der Form eines Teiles einer Kugelfläche) und gleichförmig hohe Temperatur für die Elektronenemission darbieten.

Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung der geschmolzenen Elektroden Werkstoffe mit einer geringeren Hitzebeständigkeit für einen gegebenen Lam-

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penstrom verwendet werden können, als bei anderen Elektrodenformen, dadurch ergeben sich von Natur aus kleinere Kosten. Die Kosten werden dadurch weiter verringert, daß die Form einfach ist und die Herstellung keine Schwierigkeiten bereitet, wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird.

Das Prinzip der geschmolzenen Elektrode kann auf praktisch jedes beliebige Medium oder jede beliebige Hochdruck-Bogenentladungslampe angewen-

mit die Bogenlänge durch das Schmelzen um einen vernachlässigbaren kleinen Betrag ändern. Im anderen Extremfall ist es möglich, eine Elektrode aus einem sehr dünnen Draht zu verwenden, der zurückschmilzt und einen kugelförmigen Kopf am Ende bildet, der im Vergleich zum Drahtdurchmesser verhältnismäßig dick ist. In diesem Falle ergibt sich dann die größtmöglichste Änderung der Elektroden- und Bogenlänge infolge des Schmelzvorganges. Im allgeworfen werden könnte, soll das Verhältnis des Kugeldurchmessers zum Schaftdurchmesser nicht größer als 3 :1 sein.

Es wurden die verschiedensten Größen von Lampen mit Elektroden gemäß der Erfindung hergestellt. Die Lampen, die vorzugsweise aus Quarz hergestellt werden, umfassen dickwandige Lampen extremer Helligkeit, die mit sehr hohen Drücken arbeiten, bei-

det werden, indem entweder Jod oder ein jodhaltiger io meinen ergibt sich der beste Wirkungsgrad bei AnStoff zugesetzt wird, der im Betrieb der Lampe freies näherung an den letztgenannten Extremfall, da der Jod entstehen läßt. In allen Fällen soll die Menge an dünne Schaft ein Minimum an Wärme von dem gefreiem Jod mindestens 0,01 Mikromol pro cm³ des schmolzenen Kugelkopf abführt. Der Kugeldurch-Kolbenvolumens betragen. Ein zu kleiner Jodgehalt messer sollte jedoch im allgemeinen nicht größer als ergibt keine optimale Arbeitsweise im Hinblick auf 15 etwa das lOfache des Durchmessers des Elektrodendie Elektrodenstabilität und eine Verhinderung der schaftes, wo dieser in die Kugel übergeht, betragen, Kolbenschwärzung. Andererseits muß man auch um die Möglichkeit eines Abfallens der Kugel zu verübermäßige Jodmengen vermeiden, da dann die Ge- meiden, was beispielsweise durch Abbrennen des fahr einer Erosion der Elektroden durch chemischen Elektrodenschaftes beim Zünden geschehen kann. Angriff besteht und andere Schwierigkeiten, beispiels- 20 Für eine praktisch verwendbare Lampe, die mäßigen weise infolge der Lichtabsorption, auftreten können. Erschütterungen und einer rauhen Behandlung unter-

Ein weiteres Erfordernis für einen einwandfreien
Betrieb besteht darin, daß die Temperatur der Kolbeninnenwand nicht geringer als etwa 250⁰C sein
darf. Dies ist nötig, damit gewährleistet ist, daß die 25
Reaktion des Wolframs mit dem Jod zu Wolframjodid an der Kolbenwand mit ausreichender Geschwindigkeit abläuft und daß das Wolframjodid
vollständig von der Wand abdampft. Das Wolframjodid wird an den Elektroden wieder zersetzt, und 30 spielsweise über 10 bis sogar 100 Atm. Andere erzwar in der Hauptsache an den geschmolzenen probte Hochdrucklampen arbeiteten in einem Druck-Spitzen. Dadurch wird von den geschmolzenen bereich zwischen 1 und 10 Atm. Es wurden auch Spitzen wieder Wolfram niedergeschlagen und das dünnwandige Lampen mit länglichen Kolben herge-Jod wieder freigesetzt, so daß der Zyklus erneut be- stellt, die bei mittleren Drücken im Bereich von etwa ginnen kann. Es existiert auch vermutlich eine obere 35 1 Atm und niedrigeren Drücken arbeiten. Im allge-Temperaturgrenze für die Kolbenwand, da verhin- meinen verwendet man Kolben, die die Entladung dert werden muß, daß das Wolframjodid dissoziiert oder das Plasma eng umschließen, um eine hohe und das Wolfram sofort erneut auf der Kolbenwand Kolbenwandtemperatur und damit ein schnelles und niedergeschlagen wird. Bei Glas- oder Quarzkolben wirksames Säubern der Kolbenwände von Wolframwird jedoch in der Praxis die obere Grenze für die 40 niederschlagen zu gewährleisten.
Kolbentemperatur durch den Erweichungs- oder Zer- Die geschmolzenen Elektroden gemäß der Erfin

dung besitzen eine für ihre Abmessungen erstaunliche Strombelastbarkeit. Dies macht sie besonders geeignet für Lampen mit kleiner Basis oder Kapillarlampen, die mit hohen Strömen betrieben werden sollen. Die größeren Abmessungen der üblichen aktivierten Elektroden, die für eine vergleichbare Strombelastbarkeit erforderlich sind, machen diese für die genannten Zwecke völlig ungeeignet.

Die Erfindung soll nun an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; es bedeutet

F i g. 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht einer Hochdrucklampe gemäß der Erfindung,

F i g. 1 a ein Querschnitt durch diese Lampe, Fig. 2a und 2b extreme Elektrodenformen, die durch Schmelzen im Lichtbogen erhalten werden können, und zwar einen zylindrischen Stab mit einem abgerundeten Ende bzw. einen feinen Draht mit

mes kann am Ende des Stabes oder Drahtes ein 60 einem verdickten kugelförmigen Ende,
kugelförmiger Kopf gebildet werden. Selbstverständ- Fig. 3a und 3b eine vorgefertigte Elektrode und

lieh muß man die gewünschte Bogenlänge, d. h. den ihr Aussehen nach der Inbetriebnahme,
Abstand zwischen den kugelförmigen Enden, vor- Fig. 4a und 4b eine größere Elektrode mit einem

geben und die Elektroden entsprechend bemessen. vorgeformten Ende für eine mit einem sehr hohen Im einen Extremfall ist es möglich, mit einer zylin- 65 Strom arbeitende Lampe bzw. das Aussehen dieser drischen Elektrode zu arbeiten, an der durch Schmel- Elektrode nach Inbetriebnahme,
zen ein annähernd halbkugelförmiges Ende gebildet F i g. 5 eine Elektrode, die aus einem Stab mit

worden ist, wobei sich die Elektrodenlänge und da- einem in eine Spitze auslaufenden Ende besteht, die

setzungspunkt des Kolbenwerkstoffes auf etwa 1500 bis 1600 ⁰C begrenzt. Bei Quarzkolben sind Entladungen, die eine Wandtemperatur von etwa 1000 ⁰C ergeben, besonders vorteilhaft.

Die Wärmeableitfähigkeit und Belastbarkeit der Elektroden wird auf die Leistung der Einrichtung so abgestimmt, daß im Betrieb zumindest der größere Teil der Vorderfläche geschmolzen ist. Läßt man durch eine Entladung genügend Strom fließen, so kann man erreichen, daß die Elektroden, zwischen denen die Entladung brennt, schmelzen. Von dieser Möglichkeit kann man Gebrauch machen, wenn man die Elektroden nicht mechanisch vorformen will. Man kann also Drähte oder Stäbe aus einem hitzebeständigen Metall, vorzugsweise Wolfram, in das Entladungsgefäß einschmelzen und die Enden durch die Entladung schmelzen und in eine gewünschte Form bringen. Durch Steuerung des Entladungsstro-

durch Zurückschmelzen im Bogen zu einer Kugel verformt wurde und

Fig. 6 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser des kugelförmigen Elektrodenendes und dem Bogenstrom für Elektroden gemäß der Erfindung zeigt, die in einem jodhaltigen, regenerierenden Bogen arbeiten. Auf der Abszisse ist der Kugeldurchmesser in Millimeter und auf der Ordinate der Strom in Ampere aufgetragen.

Die in F i g. 1 dargestellte Lampe 1 enthält einen etwa rohrförmigen Kolben 2, der aus einem dickwandigen, ursprünglich zylindrischen Quarzrohr besteht. Die Enden des Quarzrohres sind um Molybdäneinführungen 3 mit folienförmigen Innenteilen 3 α gequetscht und bilden eine vakuumdichte Einschmelzung. Mit den folienförmigen Teilen der Molybdäneinführungsdrähte sind kurze Wolframdrahtstücke 4 verschweißt, die in den Entladungsraum reichen. Die sich in den Entladungsraum erstreckenden Wolframdrähte umfassen einen verlaufenden Teil 5, der seinen geringsten Durchmesser unmittelbar bei dem kugelförmigen Ende 6 hat. Nach dem Evakuieren der Lampe ist durch einen seitlichen Füllstutzen 7, der anschließend abgeschmolzen worden ist, ein Entladungsmedium eingeführt worden. Die Lampe ist in Fig. 1 vergrößert dargestellt, sie ist in Wirklichkeit etwa 5 cm lang, der Entladungsraum besitzt eine Länge von etwa 12 mm und einen Durchmesser von 4 mm.

Die Lampe enthält als ionisierbares Medium eine Füllung, die Jod oder eine Substanz, die im Betrieb Jod entwickelt, enthält. Die Füllung kann beispielsweise aus einem inerten Gas, wie Argon oder Krypton, unter einem Druck von 40 Torr bestehen, der eine kleine Menge Jod zugesetzt ist, so daß die Jodkonzentration etwa 0,01 bis 1 Mikromol pro cm³ Kolbenvolumen beträgt.

Die Lampe kann beispielsweise eine stabförmige Wolfsramelektrode 10 enthalten, wie sie in F i g. 2 a dargestellt ist. Im Betrieb schmilzt das Ende 11 der Elektrode und wird, wie dargestellt, rund. Die Elektroden können andererseits auch aus verhältnismäßig dünnen Drähten bestehen und entsprechend der Elektrode 12 in Fig. 2b ausgebildet sein. Bei der ersten Inbetriebnahme schmilzt das Ende der Elektrode und bildet eine Kugel 13, deren Durchmesser wächst, während der Draht nach rückwärts abschmilzt. Es ist leicht einzusehen, daß die Bogenlänge, d. h. der Zwischenraum zwischen den Elektroden, in diesem Falle beträchtlich zunehmen kann.

In einer Lampe als Ausführungsbeispiel, mit einem mittleren Betriebsdruck von etwa 1 Atm beträgt der Bogenstrom 4,6 Ampere und die Bogenspannung etwa 10,4VoIt. Die Eingangsleistung beträgt damit etwa 40 Watt. Der Innendurchmesser des Kolbens beträgt etwa 6 mm und die Füllung besteht aus Argon unter einem Druck von 70 Torr mit einem Zusatz von Jod. Die Bogenlänge beträgt etwa 33 mm, der Durchmesser der Elektrodendrähte ungefähr 1,0 mm, Konizität etwa 10° bis zu einem Durchmesser von ungefähr 0,23 mm und der Durchmesser des kugelförmigen Kopfendes etwa 0,46 mm.

Es ist leicht einzusehen, daß die Bogenlänge, d. h. der Abstand der beiden Elektrodenenden voneinander bei der Bildung eines kugelförmigen Elektrodenendes einer gegebenen Größe durch Zurückschmelzen notwendigerweise vergrößert wird. Wenn Elektroden mit verhältnismäßig großen Kugelenden bei gleichzeitig einem verhältnismäßig kleinen Elektrodenabstand gefordert werden, kann es daher notwendig werden, Elektroden« zu verwenden, die mindestens teilweise vorgeformt sind. Eine derartige Elektrode ist in F i g. 3 a dargestellt und enthält einen Wolframstab 14 mit einem eingekerbten, im Durchmesser verringerten Abschnitt 15 vor dem Endabschnitt 16, der beispielsweise durch Schleifen gebildet ist. Im Betrieb schmilzt das Vorderende 16 und rundet sich ab, wie bei 17 in Fig. 3b gezeigt ist, diese Form bleibt dann später erhalten.

Für noch stärkere Elektrodenströme, wenn beispielsweise die Elektrodenströme bis zu 100 A führen sollen, kann man sich der in F i g. 4 a dargestellten Konstruktion bedienen. Diese Elektrode besteht aus einem Wolframstab 18 mit einer aufgeschobenen Wendel aus wenigen Windungen eines dicken Wolframdrahts 19, die das Ende des Stabes 18 fest umfaßt. Im Betrieb schmelzen die Endwindungen der aufgeschobenen Wendel und bilden einen abgerundeten Kopf 20 (Fi g. 4b).

Ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Elektroden besteht darin, von einem Wolframdraht

22 (F i g. 5) auszugehen, der ein zugespitztes Ende

23 besitzt, wie es zum Teil strichpunktiert dargestellt ist. Durch ihre entsprechende Steuerung des Stromes kann das verlaufende Ende von seiner ursprünglichen Form soweit wie nötig zurückgeschmolzen werden, bis sich ein kugelförmiger Kopf 24 mit dem gewünschten Durchmesser gebildet hat.

Die Kurve 26 in F i g. 6 zeigt die Abhängigkeit des Bogenstromes vom Durchmesser der kugelförmigen Elektrodenspitze beim Betrieb in einem regenerierenden Jodbogen mit einem Betriebsdruck von ungefähr 1 Atm in einem aus Argon und Jod bestehenden Medium. Die Kurve wurde mit Elektroden aus stab- oder drahtförmigem Wolfram bestimmt, der Schaftdurchmesser betrug 1,0 mm und verlief mit einem Winkel von 10° zu einem kugelförmigen Ende. Die Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der kugelförmigen Spitze und dem Strom, der erforderlich ist, um sie zu erhalten. Bei einem gegebenen Strom nimmt das geschmolzene kugelförmige Ende eine solche Größe an, daß die Eingangsleistung gleich der von der Elektrode abgegebenen Leistung ist. Die Kurve zeigt daher den Zusammenhang zwischen der Wärmeabgabekapazität der Elektrode und der Belastung der Lampe für einen Betrieb im geschmolzenen Zustand. Bei Erhöhung des Stromes wächst der Durchmesser des kugelförmigen Endes, wobei natürlich gleichzeitig die Bogenlänge größer wird. Bei höheren Drücken des Entladungsmediums bildet sich bei gleichem Strom ein größeres Kugelende. Der Vorgang ist irreversibel, d. h., die Kugelspitze kann durch Steigerung des Stromes erhöht werden, man kann sie aber natürlich nicht anschließend durch Verkleinern des Stromes wieder kleiner machen. Wenn der Strom nennenswert verringert wird, arbeiten die Elektroden nicht mehr im geschmolzenen Zustand, und die Vorzüge der Erfindung stellen sich nicht mehr ein. Um einen Betrieb der Elektrodenenden im geschmolzenen Zustand zu gewährleisten, wird das Zurückschmelzen des verlaufenden Elektrodenendes und das Vergrößern des Kugelkopfes bei dem Stromwert beendet, bei dem die Lampe oder Einrichtung später arbeiten soll.

Die dargestellten und beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele sollen nur zur Erläuterung der

Erfindung dienen und sind nicht einschränkend auszulegen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasentladungslampe, insbesondere hochbelastbare Hochdrucklampe, mit wenigstens einer Wolframelektrode, bei der im Halogenkreisprozeß sich die Gefäßwand selbsttätig reinigt und das Wolfram zu den Elektroden zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Betriebsstrom zu Elektrodenquerschnitt so gewählt wird, daß der vorderste Teil der Wolframelektroden sich im flüssigen Aggregatzustand befindet und seine runde Gestalt durch die Oberflächenspannung erhält.

2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des kugelförmigen, von der Oberflächenspannung gehaltenen Elektrodenendes (13) nicht größer ist als das lOfache des Durchmessers des stabförmigen Teiles (12) der Elektrode und vorzugsweise nicht größer als das 3fache dieses stabförmigea Teiles.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 754 219, 833 221;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 047 313;
österreichische Patentschrift Nr. 130 412;
französische Patentschrift Nr. 994 485;
britische Patentschriften Nr. 110 057, 401 509,
896.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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