DE1589100B1 - Alkalimetall-Niederdrucklampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Alkalimetall-Niederdruckentladungslampe, deren Elektrodenzuführungen in Isolierhülsen eingebettet sind und sich durch die Durchführungszonen im Lampenkolben hindurch in den Entladungsraum hinein erstrekken.

Beim Betrieb einer solchen Lampe wird durch die Entladung zwischen den Elektroden ein Plasma, die sogenannte positive Säule erzeugt, die infolge der in ihr frei beweglichen Elektronen und Ionen eine gute elektrische Leitfähigkeit und damit einen niedrigen Spannungsgradienten entlang der Säule aufweist. Die Anode ist in bezug auf das Plasma positiv geladen, wodurch sie Elektronen anzieht, jedoch Ionen abweist. Die elektrische Leitfähigkeit ist daher nahe der Anode gering, und es entsteht zwischen der Anode und dem am nächsten gelegenen Teil der» Plasmas der sogenannte Anodenfall. Der Anodenfall erhöht sich während der normalen Lebensdauer der Lampe nur geringfügig.

Auf ähnliche Weise entsteht an der Kathode, die in bezug auf das Plasma negativ geladen ist, der sogenannte Kathodenfall, der sich jedoch während der Lebensdauer der Lampe stärker als der Anodenfall infolge Verschlechterung der Elektronenemission von der Kathode vergrößern kann. Ein Rückgang in der Elektronenemission wird zu einem verstärkten Ionen-Beschuß der Kathode führen, wodurch sich deren Temperatur und damit auch wieder die Elektronenemission erhöht bzw. vergrößert. Dieser Selbstregelvorgang wird von einem Anwachsen des Kathodenfalls begleitet.

In einer mit Wechselstrom betriebenen Lampe wirken die Elektroden abwechselnd als Kathode und Anode, und die beiden Elektroden mit ihren zugehörigen Zuführungen weisen abhängig von der Beziehung zwischen Anoden- und Kathodenfall, die sich während der Lebensdauer der Lampe ändern kann, eine positive oder negative Durchschnittsspannung in bezug auf das Plasma auf. Ein während der Lebensdauer der Lampe anwachsender Kathodenfall erzeugt an jeder Elektrode in bezug auf das Plasma eine negative Durchschnittsspannung.

Ein als Ionenpumpen bekannter Vorgang der Entladung findet z. B. in Natrium-Niederdruck-Lampen sowie in anderen Lampen statt, welche eine Vielzahl von Gasen oder Dämpfen verwenden, deren Ionisationspotentiale stark voneinander abweichen. Eine zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades bei der Umwandlung elektrischer Eingangsleistung in Lichtausgangsleistung konstruierte Natrium-Niederdruck-Lampe erfordert derartige Metalldampf- und Gasteildrücke, daß die Leitungselektronen innerhalb des Plasmas eine mittlere Beschleunigungsenergie von annähernd 2,5 Elektronenvolt erreichen, wobei gemäß der MaxwelPschen Theorie über die Verteilung der Elektronenenergien die Beschleunigungsenergie einiger Elektronen zur Ionisation von Natriumatomen genügt.

Bei der Ionisation von Natriumdampf entstehen negative Elektronen und positive Natriumionen. Die im Vergleich mit den Ionen überaus beweglichen Elektronen finden ungeachtet ihrer Bewegungsrichtung schnell den Weg zur Wand des Lampenkolbens, wo sie einen negativ geladenen Wandmantel bilden. Der negativ geladene Mantel an der Wand der Entladungsröhre zieht Natriumionen aus dem Plasma an, die sich teils vor Erreichen der Wand mit einem Elektron vereinigen und zu normalen Natriumatomen zurückgebildet werden.

Manche Natriumionen werden jedoch die Wand des Lampenkolbens vor der Wiedervereinigung mit einem Elektron erreichen, wobei diese Ionen von besonderer Bedeutung sind, wenn sie die Isolierhülsen der Elektrodenzuführungen beschießen.

Die Elektrodenzuführungen sind aus zwei Gründen in Isolierhülsen eingebettet, um erstens diesen zusätzliehe Festigkeit zu geben und um zweitens jeglichen Kontakt zwischen der Elektrodenzuführung und metallischem Natrium zu vermeiden. Insbesondere dann, wenn die Spannung von der Kathode zum Plasma höher ist als jene von der Anode zum Plasma — was infolge der Kathodenverschlechterung während der Lampenlebensdauer vorkommen kann —, ist das Potentialgefälle in der Isolierhülse derart, daß die an deren Oberfläche ankommenden Natriumionen elektrolytisch durch die Isolierhülse zur Oberfläche der Elektrodenzuführung weiterbefördert werden, wo sie dann zu Natriumatomen zurückgebildet werden. An der Grenzfläche zwischen Elektrodenzuführung und Isolierhülse erscheinendes metallisches Natrium wird gegebenenfalls einen genügend hohen physikalischen Druck hervorrufen, wodurch die Isolierhülse von der Elektrodenzuführung abgesprengt wird und die Lampe eventuell versagt, wenn ein Sprung bis zur Außenseite des Lampenkolbens durchdringt.

Zur Reduzierung dieser elektrolytischen Wirkung ist es bekannt, die Isolierhülsen aus höchstmöglich widerstandsfähigem Glas herzustellen. Die eine Hitzquelle bildenden Elektroden werden so weit weg als möglich von den Enden der Isolierhülsen angeordnet und die Elektrodenzuführungen aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt, damit möglichst wenig Wärme zu den Enden der Isolierhülsen geleitet wird. Dies ist insbesondere von Wichtigkeit, da der Widerstand von Glas mit dessen Temperaturanstieg rasch abnimmt. Außerdem ist es bekannt, als Schutz für die Enden der Isolierhülsen diese zu kürzen und keramische Röhren an diesen Enden abgedichtet anzubringen.

Derartige Maßnahmen haben gewisse Erfolge bei der Vorbeuge eines vorzeitigen Versagens der Lampe während ihrer Lebensdauer gezeigt. Keine einzige dieser Maßnahmen kann jedoch als ganz erfolgreich angesehen werden, da ihre Anwendung z. B. folgende Probleme mit sich bringt. Hochwiderstandsfähiges Glas ist im allgemeinen kostspielig und erfordert gegebenenfalls einen Überzug aus natriumfestem Glas, um dieses gegen chemische Angriffe durch heißes Natriummetall zu schützen. Die Anordnung der Elektroden so weit weg als möglich von den Enden der Isolierhülse bedingt einen großen Rückbereich hinter den Elektroden innerhalb des Lampenkolbens, der kühler als der restliche Entladungsraum bleibt und in dem sich daher Natriummetalldestillat sammeln kann. Die gesamte Natriummenge der Lampe kann im ungünstigen Fall hinter die Elektroden wandern, so daß die Lampe nicht mehr ihrer Bestimmung gemäß zu arbeiten vermag.

Weiterhin ist es bei Hochdruck-Entladungslampen bekannt, unterhalb der Elektroden Schutzschirme vorzusehen, die den Boden des Lampenkolbens vor direktem Ionenbeschuß schützen sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alkalimetallniederdruck-Entladungslampe der ein-

gangs genannten Bauart zu schaffen, bei der die Isolierhülsen während der Entladung vor dem Beschüß durch die Ionen aus dem Entladungsraum geschützt sind, wodurch deren Zerstörung unterbunden und die Lebensdauer der Lampe erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Schirm- oder Schutzeinrichtungen gelöst, die an den elektrodenseitigen Enden der Isolierhülsen befestigt sind, um die Isolierhülsen innerhalb des Entladungsraumes während der Entladung vor dem Beschüß durch Ionen aus dem Plasma zu schützen.

Mittels der erfindungsgemäßen Schirm- bzw. Schutzeinrichtungen wird verhindert, daß Natriumionen die Isolierhülsen um die Elektrodenzuführungen erreichen. Die Ursache für das Absprengen der Isolierhülsen auf Grund der elektrolytischen Wirkung ist beseitigt, wodurch sich die effektive Lebensdauer der Lampe verlängert. Die Verwendung hochwiderstandsfähigen Spezialglases für die Isolierhülsen entfällt, was eine Verringerung der Herstellungskosten bedeutet.

. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach-' folgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das eine Ende einer Niederdruck-Entladungslampe im Querschnitt mit erfindungsgemäßen Schutzeinrichtungen,

F i g. 1A die Schutzeinrichtung und deren Anbringung an der Elektrodenzuführung im Querschnitt und im vergrößerten Maßstab,

F i g. 2 einen Querschnitt entsprechend dem der Fig. 1 mit einer abgeänderten Ausführungsform einer Schutzeinrichtung,

Fig. 2A die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung von F i g. 2 und deren Anbringung an der Elektrodenzuführung im Querschnitt und im vergrößerten Maßstab.

Fig. 1 zeigt eine Alkalimetall-Niederdruckentladungslampe mit einem Lampenkolben 1, an dessen Enden sich Elektrodenzuführungen 2 für Elektroden 3 durch die Durchführungszonen im Lampenkolben hindurch in den Entladungsraum hinein erstrecken. Die Elektrodenzuführungen 2 sind in Isolierhülsen 4 eingebettet, die seinerseits in einem Quetschfuß 5 mit guter Abdichtung gehalten sind.

Erfindungsgemäß sind Schirm- oder Schutzeinrichtungen 6 vorgesehen, die an den elektrodenseitigen Enden 7 der Isolierhülsen 4 befestigt sind, um die Isolierhülsen 4 innerhalb des Entladungsraumes während der Entladung vor dem Beschüß durch Ionen aus dem Plasma zu schützen.

Gemäß Fig. IA können die Schutzeinrichtungen in Form von Schalen 6 an jeder der Elektrodenzuführungen 2 vorgesehen sein, wobei die Wandung jeder Schale 6 die jeweilige Isolierhülse 4 in genügendem Abstand umgibt, um sicherzustellen, daß kein elektrischer Kontakt zwischen den Schalen 6 und in das Lampenende gewandertem und an den Isolierhülsen während der Lebensdauer der Lampe abgelagertem Natrium stattfindet. Das offene Ende jeder Schale 6 ist vom Mittelpunkt der Lampe abgewandt.

Zweckmäßig bestehen die Schalen 6 aus Metall, z. B. gestanztem Metallbleh, oder aus einem Drahtgeflecht. Das geschlossene Ende jeder Schale 6 ist mit der ihr zugeordneten Elektrodenzuführung 2 z. B. durch Schweißen bei 9 verbunden, so daß die Schalen 6 dieselbe Spannung wie die Elektrode 3 aufweisen, mit welcher die Elektrodenzuführungen 2 verbunden sind. Die Schalen 6 können somit während der entsprechenden Halbzyklen der angelegten Wechselspannung als Anoden wirken, jedoch nicht als Kathoden, da sie vorzugsweise aus einem Material, wie z. B. vernickeltem Stahl, hergestellt sind, das keine niedrige Arbeitsfunktion besitzt. Ist jedoch der Raum zwischen der Schale 6 und der am nächsten liegenden Oberfläche der Isolierhülse 4 genügend klein für einen Kontakt der Schale mit auf der Oberfläche der Isolierhülse kondensiertem Natrium, dann kann das eine niedrige Abreitsfunktion aufweisende Natrium als Kathode fungieren. In diesem Fall bildet das Natrium am Kontaktpunkt einen Elektrodenpunkt, und die an diesem Punkt durch die Elektrodenwirkung erzeugte Hitze kann so groß werden, daß die Isolierhülse springt.

Die Schalen 6 können wahlweise auch aus natriumfestem keramischem Material bestehen. In diesem Fall ist die abschirmende Wirkung der Schalen eher physikalisch als elektrostatisch, wie es bei den Metallschalen der Fall ist.

F i g. 2 zeigt einen Schnitt einer Entladungslampe, bei welcher die Schutzeinrichtungen in Form einer Platte 8 ausgebildet sind. Die Platte 8 ist im wesentlichen senkrecht zur Achse des Lampenkolbens 1 angeordnet. Diese Platte 8 kann aus Metallblech oder Metallgaze bestehen und ist nahe dem elektrodenseitigen Ende T der Isolierhülsen 4 mit einer der Elektrodenzuführungen 2 z. B. durch Schweißen bei 9 verbunden, während sie von der anderen Elektrodenzuführung 2 isoliert ist.

Die Platte 8 kann wie die Schalen 6 ebenfalls aus keramischem Material bestehen und an den Elektrodenzuführungen 2 abgedichtet angebracht sein.

Der optimale Durchmesser der Platte 8 ist etwas größer als die Hälfte des Innendurchmessers des Lampenkolbens im Bereich der Platte 8. Zur Wirkungsweise der Platte 8 ist es nicht erforderlich, daß diese kreisförmig ist, sondern sie kann auch oval sein, vorausgesetzt, daß der mittlere Sehnendurchmesser der Platte 8 etwa dem halben Durchmesser oder — falls es sich um einen Lampenkolben mit nichtkreisförmigem Querschnitt handelt — dem mittleren Sehnendurchmesser des Lampenkolbens im Bereich der Platte 8 entspricht.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Alkalimetall-Niederdruckentladungslampe, deren Elektrodenzuführungen in Isolierhülsen eingebettet sind und sich durch die Durchführungszonen im Lampenkolben hindurch in den Entladungsraum hinein erstrecken, gekennzeichnet durch Schirm- oder Schutzeinrichtungen (6, 8), die an den elektrodenseitigen Enden der Isolierhülsen (4) befestigt sind, um die Isolierhülsen (4) innerhalb des Entladungsraumes während der Entladung vor dem Beschüß durch Ionen aus dem Plasma zu schützen.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen in Form von Schalen (6) an jeder der Elektrodenzuführungen (2) vorgesehen sind, wobei die Wandung jeder Schale (6) die jeweilige Isolierhülse (4) umgibt und das offene Ende jeder Schale vom Mittelpunkt der Lampe abgewandt ist.

3. Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (6) aus Metall bestehen und das geschlossene Ende jeder Schale

mit der ihr zugeordneten Elektrodenzuführung (2) verbunden ist, so daß die Schalen (6) dieselbe Spannung wie die Elektrode (3) aufweisen, mit welcher die Elektrodenzuführungen (2) verbunden sind.

4. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalen (6) aus keramischem Material bestehen.

5. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrichtungen in Form einer Platte (8) ausgebildet sind, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Lampenkolbens (1) angeordnet ist.

6. Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, daß die Platte (8) aus Metall besteht und mit einer der Elektrodenzuführungen (2) verbunden und von der anderen Elektrodenzuführung (2) isoliert ist.

7. Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (8) aus keramischem Material besteht.

8. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser oder der mittlere Sehnendurchmesser der Platte (8) im wesentlichen dem halben Durchmesser oder dem halben mittleren Sehnendurchmesser des Lampenkolbens (1) im Bereich der Platte (8) entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen