DE1949946B2 - Hohlraumelektrode für eine Hochdruck-Metalldampflampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlraumelektrode für eine Hochdruck-Metalldampflampe, die eine innere Wendel aus Wolframdraht, die auf einem Metallschaft befestigt ist, sowie eine äußer« Wendel aus Wolframdraht, die zur inneren Wendel konzentrisch ist, umfaßt, Emittermaterial enthält und bei der die Tiefe des Hohlraumes der inneren Wendel größer ist als sein Durchmesser.

Gegenstand des älteren Patentes 1901574 ist eine selbstgeheizte Elektrode für Entladungslampen, bestehend aus einem Stromzuführungsdraht und einer eine emittertragende Innenwendel bzw. einen Emittersinterkörper umhüllende Schutzwendel, wobei der Stromzuführungsdraht galvanische Verbindung mit der emittertragenden Innenwendel bzw. dem Emittersinterkörper hat und von einer zylinderförmigen Schutzwendel umhüllt wird, die geringen Wärmekontakt mit der emittertragenden Innenwendel bzw. dem Emittersinterkörper besitzt und deren Enden tangential zum Stromzuführungsdraht eingebogen sind. Diesem Gegenstand lag die Aufgabe zugrunde, eine konstruktive Gestaltung von selbstgeheizten Elektroden für elektrische Entladungslampen, die besonders die Anwendung einer automatisierten Fertigung gestatten und den Verlust des eingebrachten Emitters auf ein Minimum beschränken, zu schaffen.

In der AT-PS 261745 ist eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe beschrieben, die ein Halogen als Zusatz enthält und deren Entladungsraum mindestens eine an einem Stromzuführungsdraht befestigte, von der Entladung selbst erhitzte Elektrode enthält.

Aufgabe der Erfindung nach der AT-PS 261745 ist es, das nachteilige Überziehen sowohl des nichtemittierenden als auch des emittierenden Teiles der Elektroden mit einer Halogenidschicht während der Abkühlungsperiode nach dem Ausschalten zu vermeiden (vgl. Seite 2, Zeilen 2 bis 7, der AT-PS 261745). Nach der genannten AT-PS wird diese Aufeabe dadurch gelöst, daß die Elektrode aus einem mit einem Stromzuführungsdraht verbundenen äußeren Metallteil und einem Emissionskörper besteht, wobei der Emissionskörper mit dem mit dem Stromzuführungsdraht verbundenen Ende des äußeren Metallteiles in schlecht wärmeleitender Verbindung steht. Wie auf Seite 2, Zeilen 12 bis 18, dieser AT-PS ausgeführt, kühlt der Emissionskörper durch diese Anordnung während der Abkühlungsperiode nicht so rasch ab wie der übrige Teil der Elektrode. Dadurch wird ein

ίο Überziehen des Emissionskörpers mit einer Halogenidschicht zumindest vermindert. Gemäß einer auf Seite 2, Zeilen 29 bis 34, der AT-PS beschriebenen Ausführungsform besteht der Emissionskörper vorzugsweise ebenfalls aus einer Wolframwendel, die zuvor mit Emissionsmaterial oder einem Material überzogen ist, aus dem Emissionsmaterial z. B. durch eine Wärmebehandlung entstehen kann. Dort ist auch darauf hingewiesen, daß sowohl die Außenwendel als auch die Innenwendel (die Bestandteil des Emissionskörpers ist) geschlossen oder offen sein können, wobei gemäß der AT-PS 261745 unter geschlossen oder offen verstanden werden soll, daß die Windungen jeder Wendel entweder aneinander anliegen oder mit Abstand voneinander angeordnet sind. Wie sich aus der AT-PS 261745, Seite 2, Zeilen 35 und 36, ergibt, ist der Raum innerhalb der Außenwendel praktisch völlig offen.

Demgegenüber lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hohlraumelektrode der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß sie in der Metalldampfatmosphäre mit relativ hohem Druck in der diffusen Hohlkathoden-Betriebsweise arbeitet, in der die Entladeströme im Bereich von 0,5 bis 10 Ampere liegen.

J5 Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwischen der inneren Wendel und der äußeren Wendel ein Wärmestrahlungsschirm vorhanden ist, die innere Wendel über die äußere Wendel hinausragt und das Emittermaterial sich am Boden des Hohlraumes befindet. Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen besteht der Wärmestrahlungsschirm entweder aus einem Wolframfolienblech oder einer Wolframdrahtwendel.

Die Elektronenemission in Lampen kann durch drei klar unterscheidbare Arbeitsweisen gekennzeichnet sein: die Betriebsweise nach Fowler-Nordheim, die Schottky-Fleckbetriebsweise und die diffuse Betriebsweise. Die Schottky-Fleckmethode ist diejenige, welche man am häufigsten bei Hochdrucklampen des Metalldampftyps antrifft, wobei der Bogen sich an einen Fleck an der Elektrode ansetzt, der sich auf einer viel höheren Temperatur befindet, als die übrige Struktur. In der Betriebsweise nach Fowler-Nordheim ist die Emission charakterisiert durch die Beweglichkeit des Bogenendpunktes und durch eine hohe Spannungsspitze beim Nulldurchgang des Stromes bei Wechselspannungslampen. In der diffusen Betriebsweise findet die Elektronenemission aus einem großen Bereich heraus statt und wird kaum durch

bo Ioneneinfall vermehrt. Die diffuse Betriebi weise wird selten bei hohem Druck beobachtet.

Die Vorteile der diffusen Betriebsweise, besonders wenn sie mit einer hohlen Elektrodengeometrie kombiniert ist, sind geringe Elektrodenverluste und das

b5 Einfangen von aus den Elektroden freigegebenem metallischem Material im Innern des Elektrodenhohlraums. Diese beiden Faktoren bedeuten einen höheren Wirkungsgrad und eine verringerte Schwärzung

des Kolbens.

Die Erfindung liefert eine Elektrodenstruktur, welche die diffuse Hohlkathoden-Betriebsweise bei dem relativ hohen Druck einer Metalldampffüllung von Quecksilber-Metallhalogenid-Hochleistungs-Iampen erreicht.

Es müssen vier Grundprinzipien eingehalten werden, wenn eine Elektrode in der diffusen Hohlkathoden-Betriebsweise bei den in diesen Lampen vorgefundenen Quecksilberdampfdrücken von etwa 1 - 10^s bis etwa 10 ■ 10^s Pa arbeiten soll. Es sind dies die folgenden Prinzipien:

(1) Wärmekonservierung

Bei Elektroden, wie sie gewöhnlich in Lampen verwendet werden, die nach der Schottky-Fleckbetriebsweise arbeiten, ist im allgemeinen nur ein kleiner Bruchteil ihrer Arbeitsoberfläche mit Emissionsmaterial bedeckt und die effektive AusTittsarbeit der Elektrode liegt nur geringfügig unter der von reinem Wolfram. Der Grund besteht darin, daß bei den für diese Betriebsweise erforderten hohen Stromdichten das Ionenbombardement und die Verdampfung schnell das Emissionsmaterial von der Elektrodenoberfläche entfernen. Wenn daher solche Lampen in der diffusen Betriebsweise arbeiten sollen, dann besteht eine wichtige Anforderung darin, daß die für die Elektrodenheizung verfügbare Leistung konserviert wird. Eine massive Elektrode würde sich viel zu wirksam abkühlen und würde dazu neigen, in der konzentrierten und zerstörenden TF oder Fowler-Nordheim-Betriebsweise zu arbeiten. Die Elektrode muß relativ klein und kompakt sein und muß so konstruiert sein, daß sie in einem relativ großen Bereich die Wärme konserviert, so daß dieser Bereich an der Elektronenemission teilnehmen kann.

(2) Niedrige Austrittsarbeit

Eine vorgegebene Emissions-Stromdichte ist bei niedrigeren Temperaturen mit einem Emittermaterial mit niedrigerer Austrittsarbeit erreichbar. Es folgt daraus, daß die Anforderungen an die Wärmekonservierung in dem Maße weniger scharf werden, wie die Austrittsarbeit durch Verwendung geeigneten Emittermaterials verringert werden kann.

(3) Ausreichender Durchgang von Elektronen

Wenn der Durchmesser des Hohlraums zu klein gemacht wird, dann wird die Elektronenbeweglichkeit nicht ausreichend sein, um den Strom durch den Hohlraum bei den verfügbaren Elektronendichten zu tragen. Daher muß das Erfordernis der Wärmekonservierung, das auf einen kleinen Hobkaumdurchmesser hindeutet, ins Gleichgewicht gebracht werden mit der Forderung für einen ausreichenden Durchgang von Elektronen.

(4) Minimalspannung zum Hohlraumbereich

Die Öffnung des Hohlr lums muß sich auf die andere Elektrode zu ohne Abschirmung durch teilweise zwischengefügte oder benachbarte andere Teile erstrecken. Solche hervorstehenden Bereiche können Elektronen oder Ionen während des Zündvorgangs an sich ziehen und eine genügend hohe Temperatur aufbauen, um beim anschließenden Betrieb den Endpunkt des Bogens von dem Hohlraum fernzuhalten.

Die Hohlraumelektroden gemäß der Erfindung erfüllen diese Forderungen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit Bogenentladung und ausgestattet mit Hohlraumelektroden,

Fig. 2a und Fig. 2b eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, und einen Schnitt einer Hohlraumelektrode, und

ίο Fig. 3 eine Vorderansicht im Schnitt einer anderen Hohlraumelektrode.

Fig. 1 zeigt eine Hochdruck-Quecksilber/Metallhalogeniddampflampe 1, die einen äußeren Glaskolben 2 mit birnenförmiger Gestalt und einen rohrförmigen Halsteil 3 zeigt. Ein konventioneller Schraubsockel 4 am Ende des Halsteils 3 ist mit Strornzuführungen 5 und 6 verbunden, die in einem eingestülpten Fuß 7 abgedichtet sind. Ein inneres Bogenentladungsrohr 8 aus Quarz ist in dem Außenkolben 2 durch Tragstäbe 9 und 10 und Bandklammern 11 und 12 gehalten. In die Enden des Bogenentladungsrohrs ist ein Paar Hohlraumelektroden 13, 13' eingesetzt. Die Elektroden sind mit den Stromzuführungen 5 und 6 über die Leitungen 14 und 15 verbunden.

Das Bogenentladungsrohr 8 enthält eine Menge Quecksilber, von der der größte Teil während des Betriebes der Lampe vollständig verdampft ist und dann einen Druck im Bereich von etwa 1 10⁵ bis etwa 15 · 10⁵ Pa ausübt. Es ist eine Menge Natriumjodid

jo vorhanden, die beträchtlich die Menge übersteigt, die bei der Betriebstemperatur, die an keiner Stelle geringer ist als 500° C, des Bogenentladungsrohrs verdampft ist. Es können auch zusätzlich zu dem Natriumjodid zur Verbesserung der Lichtfarbe oder des Wirkungsgrades Thalliumjodid und Indiumjodid vorhanden sein. Der kälteste Bereich des Bogenentladungsrohrs 8 während des Betriebes sind die Enden, und um zu gewährleisten, daß sie sich nicht unterhalb einer Temperatur von 500° C abkühlen, kann an den

ίο Enden und den benachbarten Teilen der Quetschdichtungen die durch Punktierung angedeutete wärmereflektierende Schicht aufgebracht werden. Ebenfalls kann bei der dargestellten Lampe mit der Leistung von 400 Watt als Maßnahme zur Wärmekonservierung der Raum zwischen dem Bogenentladungsrohr 8 und dem Außenkolben 2 evakuiert sein. Bei den größeren Lampen, beispielsweise mit einer Leistung von etwa 1000 Watt, ist eine solche Evakuierung nicht erforderlich.

DieFig. 2 a und 2 b zeigen eine Hohlraumelektrode 13α in einem viel größeren Maßstab. Jede Hohlraumelektrode umfaßt einen Wolframstab 17, auf dessen Ende die ersten (4) Windungen 18 einer äußeren Wendel 19 aus Wolframdraht gewickelt sind, die teilweise weggeschnitten gezeichnet sind. Die verbleibenden (4) Windungen der äußeren Wendel 19, die sich von dem Stab 17 aus erstrecken, sind auf einen größeren Durchmesser gewickelt. Innerhalb der größeren Windungen der äußeren Wendel 19 ist eine in-

bo nere Wendel 20 angebracht, die ebenfalls aus Wolframdraht besteht. Die innere Wendel 20 erstreckt sich über die äußere Wendel hinaus in Richtung der nicht dargestellten Gegenelektrode um mehr als einen halben Drahtdurchmesser. Zwischen der inneren Wendel

4,5 20 und der äußeren Wendel 19 ist in dem überlappten Teil ein Wärmestrahlungsschirm 21 aus Wolframblech angebracht. Der Schirm 21 ist vorzugsweise, wie am besten aus Fig. 2b ersichtlich, in Längsrichtung ge-

wellt, um die Berührungsfläche zwischen den Windungen der Wendeln und dem Schirm 21 zu verringern und dadurch die Wärmeleitung zwischen den Teilen auf ein Minimum zu bringen. Die innere Wendel 20 sollte um nicht mehr als einige Windungen über die äußere Wendel 19 hinausragen, um übermäßigen Strahlungsverlust zu vermeiden. In Fig. 2a ragt die innere Wendel 20 um etwa einen Drahtdurchmesser, wie bei 20a angedeutet, über die äußere Wendel 19 hinaus. Am Boden des Hohlraums ist eine Tablette 22 aus Thoriumdioxid eingepreßt und dient als Vorrat, um das während des Betriebs verlorene Thoriumdioxid zu ergänzen. Der Ionenaufprall auf die Tablette 22 während des Betriebes verdampft Thoriumdioxid und seine Spaltprodukte, welche sich an den Wänden des Hohlraums niederschlagen. Durch Anordnen der Tablette 22 bzw. des Reservoirs aus Emittermaterial am Boden des Hohlraums wird die niedrigste Austrittsarbeit tief im Innern des Hohlraums erreicht und dies begünstigt das Brennen des Bogens tief im Innern des Hohlraums. Die Thoriumdioxidtablette enthält vorzugsweise einen Aktivator, um die frühzeitige Verdampfung und Ablagerung der Spaltprodukte an den Wänden des Hohlraums zu fördern.

Ein zu großer Hohlraumdurchmesser wirkt der Forderung zur Wärmekonservierung entgegen, während ein zu kleiner Durchmesser einem ausreichenden Leitungsdurchgang entgegenwirkt. Im Falle einer bei einem Strom von 3 bis 4 Ampere arbeitenden 400-Watt-Lampe, die gewöhnlich bei 3,5 Ampere arbeitet, sollte der Hohlraumdurchmesser im Bereich von etwa 0,75 bis 1 mm liegen. In der bevorzugten, in den Fig. 2a und 2b abgebildeten Ausführungsform besteht die innere Wendel 20 aus etwa 0,3 mm dickem Wolframdraht, die äußere Wendel 19 besteht aus etwa 0,4 mm dickem Wolframdraht, der Wärmestrahlungsschirm 21 ist ein etwa 0,025 mm dickes Wolframblech und der Schaft 17 besteht aus etwa 0,9 mm dickem Wolframdraht, Der Hohlraumdurchmesser beträgt etwa 0,9 mm und alle anderen Abmessungen sind maßstabgerecht in der Zeichnung wiedergegeben.

Eine andere in der Hohlkathoden-Betriebsweise arbeitende Hohlraumelektrode 13b ist in Fig. 3 gezeigt. Bei dieser Elektrode besteht der Wärmestrahlungsschirm aus einer Wendel 27 und alle Windungen, mit Ausnahme derjenigen der inneren Wendel 29, sind kontinuierlich aneinandergefügt. Zur Schaffung eines Hohlraumes kann die Wicklung am Punkt χ an dem Stab 24 begonnen und eine erste kurze Wicklung 25 an dem Stab 24 links herum gewickelt werden. Darüber wird dann eine zweite kurze Spule 26 rechts herum gewickelt. Dann wird die lange Wendel 27 links herum gewickelt, und die äußere Wendel 28 wird rechts herum darübergewickelt und endet am Punkt v. Dann wird die innere Wendel 29 aus dickerem Wolframdraht hergestellt und sie sollte vorzugsweise links gewickelt sein, so daß die Lagen der Wendel 27 gleich liegen wie die der inneren Wendel 29. Durch diese Anordnung wird die Expansion der inneren Wendel 29 berücksichtigt. Der Innendurchmesser der Wendel 27 muß das Einführen der inneren Wendel 29 durch Hineinschieben ermöglichen. Es ist wünschenswert, daß die innere Wendel 29 bis zu einer Windung über die Wendel 27 und die äußere Wendel 28 hinausragt. Eine scharfe Kante sollte am vorderen Ende der inneren Wendel 29 vermieden werden. Eine bevorzugte,

ic in Fig. 3 dargestellte Konstruktion besteht in einem stumpf abgeschnittenen Ende 30, welches danr mit der vorhergehenden Windung verschweißt wird. Ebenso wird die Endwindung bei 31 abgeschrägt, um jegliche scharfe innere Kante oder Ecke zu entfernen.

In der gleichen Weise wie bei der Elektrode der F i g. 2 wird eine Tablette 32 aus Thoriumdioxid in den Boden des Hohlraums eingepreßt.

Ein bei Hohlkathoden auftretendes Problem ist die Bildung eines geschmolzenen kugelförmigen Tropfens an der Spitze der inneren Wendel, wenn der Druck in der Lampe ansteigt, wenn sie zum ersten Mal eingeschaltet wird. Dieser Tropfen, der manchmal als ein »g-Fleck« bezeichnet wird, ragt genügend weit in den Weg des Lichtbogens hinein, um die von der anderen Elektrode hereinkommenden Elektronen aufzusammeln, und verhindert dadurch die Aufheizung und die Emission des Hohlraums. Die Bildung der »g-Flecke« kann durch eine richtige Aktivierung des Hohlraumes, durch Entfernung von Kohlenwasserstoff durch wiederholte Bogenentladung bei hohem Strom und geringem Druck und durch Säuberung mit einem Brenner beseitigt werden. Bei der Säuberung mit einem Brenner wird die Erhitzung mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme verwendet, um Unebenheiten und scharfe Kanten zu entfernen, und gleichzeitig werden ebenfalls Kohlenstoff oder Karbide in der Nähe der Oberfläche entfernt.

Bei Dauerversuchen von mit den vorliegenden Hohlraumelektroden ausgestatteten Quecksilber-Metallhalogenidlampen von 400 Watt Leistung ist eine stabile diffuse Hohlkathoden-Betriebsweise erreicht worden und hat eine beträchtliche Verbesserung im Wirkungsgrad und eine Verringerung in der Schwärzung des Bogenentladungsrohres ergeben.

Beispielsweise sank bei Lampen, die mit den konventionellen, mit Thoriumdioxid aktivierten Heizelektroden ausgestattet waren und in der üblichen Schottky-Fleckbetriebsart betrieben wurden, die Leistung von einer Anfangsleistung von 73 Lumen/Watt nach 2000

so Stunden auf 51 Lumen/Watt. Die mit den vorliegenden Hohlraumelektroden ausgestatteten Lampen sanken dagegen in ihrer Leistungsfähigkeit nur von 87 Lumen/Watt auf 75 Lumen/Watt nach 2000 Stunden. Daher war nach 2000 Stunden die Leistungsfä-

higkeit der Lampen mit den vorliegenden Hohlraumelektroden um 45% besser als die der Lampen mit den bekannten Elektroden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hohlraumelektrode für eine Hochdruck-Metalldampflampe, die eine innere Wendel aus Wolframdraht, die auf einem Metallschaft befestigt ist, sowie eine äußere Wendel aus Wolframdraht, die zur inneren Wendel konzentrisch ist, umfaßt, Emittermaterial enthält und bei der die Tiefe des Hohlraumes der inneren Wendel größer ist als sein Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der inneren Wendel (20, 29) und der äußeren Wendel (19,28) ein Wärmestrahlungsschirm (21, 27) vorhanden ist, die innere Wendel (20,29) über die äußere Wendel (19, 28) hinausragt und das Emittermaterial (22) sich am Bodsn des Hohlraumes befindet.

2. Hohlraumelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsschirm ein Blech (21) aus Wolframfolie ist.

3. Hohlraumelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrahlungsschirm eine Wendel (27) aus Wolframdraht ist.