DE2424294A1 - Natriumdampf-hochdruckentladungslampe und verfahren zur herstellung - Google Patents

Description

Deutsche ITT Industries GtfbH .N. Nguyen Dat et al

78 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19 6/8-5/7-6/7-16/19-3/4

Dr.Rl./kn
16. Mai 1974

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. BR.

Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe und Verfahren zur
Herstellung

Die Priorität der Erfindungen Nr. 73 19084 vom 25. Mai 1973
und Nr. 73 41377 vom 21. November 1973 in Frankreich wird beansprucht .

Die vorliegende Erfindung betrifft Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen und Verfahren zur Herstellung.

Unter den Entladungslampen mit hoher Intensität sind die Natriumdampf -Ho chdruckent ladn.ngslampen aufgrund ihrer Eigenschaften und insbesondere ihrer hohen Leuchtwirkung weit verbreitet. Bei jeder Entladungslampe ist die Entladungshülle dicht und in einer zweiten gleichermaßen dichten Umhüllung oder einem Kolben eingeschlossen. Die Entladungshülle ist gewöhnlich aus glasartigem, transparentem, schwer schmelzbarem Material hergestellt, das eine vollständige Eindichtung der Elektrode durch heißes Verarbeiten des
erweichten Materials gestattet. Aber dieser einfache Ilerstellungsprozeß kann nur in den Fällen angewendet werden, in denen die Entlad ungs atmosphäre sich mit dem glasartigen Material verträgt. Das

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ist bei Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen nicht der Fall. Bei hohen Temperaturen ist Natrium chemisch sehr aktiv und greift insbesondere die meisten der glasartigen Materialien wie Hartglas, Quarz etc. an. Deshalb werden bei der Herstellung von Entladungshüllen für Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen gewöhnlich Röhren aus Aluminiumoxyd verwendet. Aber Aluminiumoxyd ist bei den Erweichungstemperaturen von Glas oder Quarz nicht verarbeitbar. Das Eindichten der Elektrode ebenso wie das Verschließen der Röhre erfordert ein Verschmelzen unter Verwendung von Metallzwischenstücken. Deshalb erfordert die Herstellung von Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen eine Vielzahl von Metallen: Niob, Molybdän, Tantal, Vanadium, etc., die alle die Eigenschaft haben, sehr hoch zu schmelzen. Die technologische Erschwerung, die durch die Einführung derartiger verschiedener Materialien verursacht wird, ist verantwortlich dafür, daß man bislang den Einbau einer zusätzlichen Zündung in diese Lampen nicht ins Auge gefaßt hat. Bis jetzt wird die Zündung durch eine außerhalb der Lampe sitzende Vorrichtung bewirkt. Gewöhnlich ist es entweder ein Thermostarter, ein elektronischer Zünder oder dergleichen. Der Zusatz dieser außen angebrachten Einrichtungen bringt einen doppelten Nachteil: Zum einen erhöhte Herstellungskosten und zum anderen die Erzeugung von Störungen, die den Radio- und Fernsehempfang nachteilig beeinflussen können. In der Tat ist das Durchschlagspotential der Entladungshüllenatmosphäre bei niedriger Temperatur wesentlich höher als bei Betriebsablauf. Deshalb müssen zunächst zur Auslösung der Lampenzündung, die später bei einer Netzspannung von 220 V gehalten wird, hohe Spannungsstoße von mehreren tausend Volt angelegt-werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeiten bei der Zündung durch Vermeidung der Nachteile einer außenliegenden Zündvorrichtung zu beseitigen.

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Die Aufgabe wird durch eine Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe gelöst, bei der der Abstand zwischen den zwei gegenüberliegenden Hauptentladungselektroden die effektive Entladungsstrecke beim Betriebsablauf darstellt. Erfindungsgemäß legt eine innen in Verbindung mit den Hauptentladungselektroden angebrachte Hilfselektrode eine Entladungsstrecke fest, die kleiner ist als die Entladungsstrecke des Betriebsablaufs.

Der verkleinerte Zwischenraum ist so, daß er als Initialentladungsstrecke bei dem Lampenzündungsschritt benutzt werden kann. Die Zündung tritt dann ein, wenn die Aufheizung ausreicht, daß die Entladung sich über die Entladungsstrecke des Betriebsablaufs ausdehnt. Die Stromversorgung geschieht dabei aus dem Netz über ein einfaches kapazitives oder induktives Vorschaltgerät, ohne daß eine Zündvorrichtung außerhalb der Lampe erforderlich ist.

Der Zweck des Vorschaltgerätes ist lediglich die Stabilisierung der Stromzuführung beim Betriebsablauf.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die freien Enden der Haupt- und Hilfselektroden in einer ersten dichten Umhüllung eingeschlossen sind, die selbst wiederum in der Haupthülle eingeschlossen ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die erste Umhüllung, die sogenannte Entladungshülle, aus schwer schmelzbarem, isolierendem Material wie Aluminiumoxyd hergestellt, und die Elektroden bestehen aus einem schwer schmelzbaren leitenden Material wie z.B. Wolfram.

Die besagte Hilfselektrode besteht entweder aus einem elektrischen Leiter, der an eine der Hauptelektroden angeschlossen wird oder auch nicht und der die Form eines geraden oder spiralförmigen Drahtes besitzt, oder sie besteht aus zwei elektrischen Drähten.

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Wenn die Hilfselektrode ein Draht oder eine Schiene aus leitendem Material ist, wird der Durchmesser so gewählt, daß der Widerstand niedrig ist. Außerdem muß das verwendete leitende Material wegen der Position der Elektrode in dem Entladungsraum schwer schmelzbar sein.

Um die Herstellung von derartigen Entladungsröhren zu vereinfachen, wird gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung die Hilfselektrode aus einer leitenden Schicht, die auf der Wand der Entladungshülle abgelagert ist, gebildet.

Es liegt auf der Hand, daß derartige leitende Schichten von Interesse sind, da man heute Schichten mit elektrischen Eigenschaften herstellen kann, die leicht durch einfache Mittel reproduzierbar sind, und die Vielzahl der leitenden Materialien, die sich für solche Schichten eignen, wird weniger eingeschränkt, als es bei einem Leitermaterial in Form eines Drahtes oder einer Schiene der Fall ist. Außerdem werden die durch Schocks verursachten Ausfälle merklich verringert oder gänzlich vermieden.

Weitere Merkmale dieser Erfindung lassen- sich aus den folgenden Beschreibungen verschiedener Ausbildungsformen klarer erkennen. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine erste Ausbildungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine zweite Ausbildungsform nach der Erfindung,

Fig. 3a eine dritte Ausbildungsform nach der Erfindung,

Fig. 3b eine Alternative zu der Ausbildungsform nach Fig. 3a,

Fig. 4 eine vierte Ausbildungsform nach der Erfindung und

Fig. 5 eine fünfte Ausbildungsform nach der Erfindung.

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Wie man aus Fig. 1 erkennt, umfaßt der Aufbau der Lampe 1 die herkömmlichen Bestandteile, die in einer Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe enthalten sind, d.h. zwei Hauptentladungselektroden 2 und 3 mit einem Zwischenraum D zwischen dem Ende 5 der Elektrode 3 und dem Ende 6 der Elektrode 2. Die Elektroden 2 und sind jeweils mit den leitenden Enden 8¹ und 8 der hintereinandergeschalteten Anschlußschienen 9, 10 und 11 verbunden. Die Elektroden 2 und 3 sind in einer isolierenden Röhre 13 eingeschlossen, die die aus isolierendem schwer schmelzbarem Material wie Aluminiumoxyd hergestellte Entladungshülle bildet. Die Röhre 13 selbst ist in der aus Glas hergestellten Haupthülle 14 eingeschlossen. Die Röhre 13 hat zwei mit Abdichtungen wie die Abdichtung 15 versehene Enden. Jede dieser Abdichtungen zwischen dem Aluminiumoxyd und einem Leitungsanschluß, gewöhnlich aus Niob, wird durch metallene Zwischenstücke hergestellt, und zwar in der Reihenfolge: Aluminiumoxyd-Titan-Vanadium-Niob. Die elektrische Verbindung zwischen den Hauptelektroden und den Zuleitungsanschlüssen geht vom Sockel 16 aus, über die Glasstütze 18, die an die Anschlußschienen 9 und 10 angeschlossen ist, und über die Endabdichtungen wie 15 bis hin zu den Elektroden 3 und 2. Gemäß der Erfindung ist der gerade Teil' der Hilfselektrode an der Elektrode 3 so angeschlossen, daß das Ende 7 der Hilfselektrode 4 vom Ende 6 der Hauptelektrode 2 räumlich getrennt den Abstand d besitzt.

Soweit es die Herstellung betrifft, wird die Lampe nach dem üblichen Verfahren hergestellt. Die Röhre 13 aus Aluminiumoxyd, die über die bereits erwähnten Abdichtungen (wie z.B. 15) mit den Anschlüssen 8 und 8' ausgerüstet ist, wird evakuiert und dann mit Quecksilber, Natrium und einem Zündgas gefüllt, das entweder Argon, Xenon oder ein-Gemisch aus Edelgasen oder anderen Gasen sein kann. Der Druck des Gases oder des Gasgemischs erleichtert die Zündung. Die Röhre 13, Brenner genannt, wird durch Eindich-

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ten der Anschlüsse 8 und 8¹ verschlossen. Dann wird sie in den Kolben 14 eingebaut, der evakuiert wird. Je höher das Vakuum, desto höher der erzeugte Energienutzeffekt.

Beim Betrieb wird die Lampe aus dem Netz über ein einfaches induktives oder kapazitives Vorschaltgerät gespeist. Durch die Anordnung der Hilfselektrode reicht die Stromzufuhr aus dem Netz, um die Entladung in dem kurzen Abstand zwischen den Enden 6 und 7, die eng beeinander liegen, auszulösen. Es bildet sich ein Lichtbogen, der den ersten Schritt beim Betrieb darstellt. Wenn die Röhre heiß und die Entladungsatmosphäre hinreichend ionisiert ist, dehnt sich der Lichtbogen aus und nimmt über den Zwischenraum D hinweg zwischen den entfernten Enden 5 und 6 einen kontinuierlichen Verlauf. Der normale Betriebsablauf ist eingeleitet.

Fig· 2 zeigt eine Alternative zu der in Fig. 1 gezeigten Ausbildungsform. Bei dieser Ausbildungsform ist die gerade Hilfselektrode 4 in Fig. 1 durch die spiralförmige Hilfselektrode 4' (Fig. 2) ersetzt.

Beim Betrieb der Lampe hat die Hilfelektrode 4' den gleichen Zweck wie zuvor die Hilfselektrode 4, d.h. es soll die direkte Zündung mit dem Netzstrom erleichtert werden. Die Spiralform der Hilfselektrode 4 bringt jedoch den Vorteil, daß sie Schwingungen besser aushält.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausbildungsform dieser Erfindung, in der die Hilfselektrode 4'' weder an die eine noch an die andere Hauptentladungselektrode angeschlossen ist. Sie ist frei angebracht, und zwar so, daß jedes ihrer Enden 7 und 7' nahe an den Enden 5 und 6 der Hauptelektroden 2 und 3 liegen, wobei die Abstände d und d¹ betragen.

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Bei dieser Ausbildungsform wird die Hilfselektrode, deren Radius größer als der Radius der Röhre 13 ist, elastisch und durch Reibung an der zylindrischen Wand der Röhre 13 gehalten.

Zur Zündung dar Lampe wird an deren Pole über das stabilisierende Vorschaltgerät eine Spannung von 220 V angelegt. Es bilden sich sofort zwei Teillichtbögen über die verkleinerten Abstände d¹ und d zwischen den Enden 5 und 6 der Hauptelektroden und den Enden 7' und 7 der Hilfselektrode 4''. Nach kurzer Zeit (einigen Sekunden) beginnt der Betriebsablauf, und nur eine Entladung findet zwischen den Enden 5 und 6 der Hauptelektroden statt.

Der Vorgang läßt sich analog zu dem in Fig. 3b gezeigten äquivalenten Schaltkreis erklären. Die Anordnung der Hilfselektrode 4'¹ entspricht der Verbindung eines Leiters vom Widerstand 0, der den hohen Widerstand des kalten Gases zwischen den Punkten 7' und überbrückt, während an den verkleinerten Abständen d' und d in dem kalten Gas ein Teilwiderstand besteht, der durch die Spannung an dem Hauptelektrodenanschluß überwunden wird. Sobald an den verkleinerten Abständen d¹ und d der Übergang ausgelöst ist, dehnt sich die Gasionisation rasch über die ganze Atmosphäre der Entladungshülle aus. Das Gas wird dann rasch völlig ionisiert, der übergang im Entladungsmedium wird sehr schnell, und der Betrieb läuft mit einer Entladung über die Strecke D ab, die der Entladungsstrecke zwischen den Hauptelektroden entspricht.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildungsform, die zwei Hilfselektroden 4, und 4₂ enthält. Die Enden 7 und 7¹ der Hilfselektroden 4, und 4_ bilden wie in den vorhergehenden Ausbildungsformen zusammen mit den Enden 5 und 6 der Hauptelektroden zwei verkleinerte Abstände d und d¹. Eine derartige Anordnung erleichtert die Zündung durch Operatxonsstufen ähnlich den zuvor beschriebenen, wobei in einer ersten Stufe zwei Entladungen über verkleinerte

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Abstände d und d¹ stattfinden, bis hin zu einem zweiten Schritt, bei dem die Gesamtentladung über den Abstand D abläuft.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausbildungsform, bei der die Hilfselektrode 18 aus einer leitenden Schicht gebildet wird, die auf der Wand der Entladungshülle 13 abgelagert ist. Eine derartige Hilfselektrode 18 ist in dieser Ausbildungsform nicht an eine der Hauptelektroden angeschlossen.

Es hat sich gezeigt, daß die Zündung genauso einfach ist, wenn eine Hilfselektrode aus Metalldraht oder eine Metallschiene verwendet wird, als wenn eine leitende Schicht, die auf der Entladungshüllenwand abgelagert ist, verwendet wird. Es hat sich insbesondere gezeigt, daß die vorteilhaften selbstzündenden Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen mit einer Hilfselektrode hergestellt werden können, die entweder durch eine niederohmige dicke Schicht oder durch eine sehr hochohmige dünne leitende Schicht verkörpert wird. Insbesondere hat sich gezeigt, daß die Zündspannung der Lampe kaum wesentlich von der Tatsache berührt wird, daß der Gesamtwiderstand der Hilfselektrode von einigen hundert Ohm bis zu einigen Megaohm variieren kann bei unveränderten anderen Anordnungen innerhalb der Lampe.

Aus diesen Versuchen kann man schließen, daß der leitende Draht oder die Schiene sich durch eine dünne leitende Schicht ersetzen läßt, die als Hilfselektrode einen ziemlich hohen Widerstand haben kann.

Die Herstellung der Entladungslampe wird in der gleichen Weise durchgeführt, wie es bei herkömmlichen Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen geschieht, abgesehen davon daß hier eine nicht so dicke Schicht in Form eines Filmes von der Stärke einiger

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Mikron abgelagert wird. Die Schicht kann aus Titan, Vanadium, Wolfram etc. hergestellt werden. Sie kann auch aus einem Halbmetall wie Graphit hergestellt werden, das bei niedrigen Kosten leitende Schichten guter Qualität liefert. Die Ablagerung kann auch aus einem leitenden Material wie einer Legierung oder einem Material mit metallischen oder halbmetallischen elektrischen Leitungseigenschaften hergestellt werden wie z.B. einer Platin-Rhodium-Legierung, Rhodium-Wolfram-Legierung, Wolfram-Karbid, bestimmten leitenden Oxyden etc. Die einzige Voraussetzung ist, da3 eine zusammenhängende Schicht mit einem begrenzten Widerstand hergestellt wird, der vorzugsweise unter 100 Meg/ohm liegt. Jeder beliebige Ablagerunsprozess kann benutzt werden. Die Ablagerung kann entweder durch Verdampfen oder Kondensieren oder Kathodenzerstäubung oder durch jede beliebige andere Ablagerungsmethode erreicht werden. Da die Entladungshülle aus einem isolierenden, schwer schmelzbaren Material wie Aluminiumoxyd hergestellt ist, ist das Hauptanliegen, eine gute Adhäsion des Aluminiumoxyds und eine gute Koherenz zwischen den Teilchen zur Herstellung der Schicht mit guten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zur Herstellung einer Entladungslampe aus einer Reihe von verschiedenen Schritten. Zuerst wird eine Graphitschicht auf der Innenseite der Wand der Entladungshülle abgelagert. Diese Graphitschicht kann sehr dünn sein, z.B. 20 Mikron stark. Sie muß elektrisch zusammenhängend sein. Unter solchen Voraussetzungen ist sie leitend. In Fig. 5 ist die Schicht als langer gerader Streifen ausgebildet. Verglichen mit dem Durchmesser des Entladungshüllenzylinders ist der Streifen ziemlich schmal. Die Breite des Streifens kann 1 % bis 5 % des Umfangs der Hülle betragen, d.h. für eine Entladungshülle mit einem Durchmesser von 10 mm eine Streifenbreite von ca. 1 mm.

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Die Länge des geraden Streifens ist so bemessen, daß jedes Streifenende nahe an dem freien Ende der entsprechenden Hauptelektroden liegt, die diesem Ende gegenüberliegen. Die Herstellung ist einfacher, wenn die Schicht nicht mit der Hauptelektrode verbunden ist. Es hat sich gezeigt, daß die Ergebnisse hinsichtlich der Zündspannung günstiger sind, wenn keine Verbindung zwischen der Hilfselektrode und der einen oder der anderen Hauptelektrode besteht. Wenn die Hauptelektroden innerhalb der Entladungshülle befestigt sind, wird die Hülle evakuiert und dann mit einem Edelgas wie Argon, Xenon oder einem Gemisch von Edelgasen gefüllt und so die Entladungsatmosphäre gebildet. Schließlich wird die Entladungshülle unter Zuhilfenahme einer Reihe von herkömmlichen Verschweißungen, die bereits oben erwähnt wurden, abgedichtet.

Sobald diese Schritte durchgeführt sind, wird die Entladungshülle innerhalb des Glaskolbens angebracht, der evakuiert und verschlossen wird.

Eine Reihe von Anordnungen sind denkbar, die entweder eine einzelne Hilfselektrode oder mehrere Hilfselektroden aufweisen, die geeignet sind, die Schwierigkeiten beim Zünden wesentlich zu verringern. Jedenfalls besteht der Hauptvorteil aus der Anordnung nach der Erfindung darin, daß die Möglichkeit geschaffen wird, die herkömmliche Zündelektrode abzuschaffen, die bislang zwangsläufig zur Zündung von Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen benötigt wurde. Ein solcher Vorteil ist günstig im Hinblick auf die Kosten, die Einfachheit der Herstellung, die Verkleinerung der Maße, die Verringerung der Kosten der Anlagen, in denen Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen verwendet werden.

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Claims (10)

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   Patentansprüche

   Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe, bei der der Abstand zwischen den zwei gegenüberliegenden Hauptelektroden die effektive Entladungsstrecke beim Betriebsablauf darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß eine innen in Verbindung mit mindestens einer der zwei Hauptentladungselektroden angebrachte Hilfselektrode eine Entladungsstrecke festlegt, die kleiner ist als die Entladungsstrecke des Betriebsablaufs.
2. 2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Haupt- und der Hilfselektroden in einer ersten Hülle aus schwer schmelzbarem Material eingeschlossen sind.
3. 3. Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hülle, Entladungshülle genannt, aus schwer schmelzbarem Material wie polykristallinem Aluminiumoxyd besteht.
4. 4. Entladungslampe nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode an keine der Hauptelektroden angeschlossen ist.
5. 5. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,'daß die Hilfselektrode aus einem geraden Draht oder einer Schiene gebildet ist, die an eine Hauptelektrode angeschlossen sein kann oder auch nicht.
6. 6. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode aus einer Spirale gebildet wird, die entweder an eine der Hauptelektroden angeschlossen ist oder nicht.

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7. 7. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode aus einer auf der Wand der Entladungshülle abgelagerten Schicht besteht.
8. 8. Verfahren zur Herstellung einer Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Aufbringen einer elektrisch leitenden Schicht geringer Stärke und Breite auf der Innenseite der Wand der Entladungshülle, Evakuieren der Hülle und Füllen derselben mit Quecksilber, Natrium und einem Edelgas wir Argon, Xenon oder einem Gemisch derselben, Eindichten der zwei Hauptelektroden in der Entladungshülle, Befestigen der eingedichteten Entladungshülle in dem Glaskolben, Evakuieren des Glaskolbens und Abdichten desselben.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eindichten der Hauptelektrode in der Entladungshülle ein Kontakt von der Hauptelektrode zu dem einen Ende der Hilfselektrode hergestellt wird.
10. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Bildung der elektrisch leitenden Schicht abgelagerte Material entweder Titan, Vanadium, Wolfram oder ein Halbmetall wie Graphit, eine Metallegierung wie Wolfram-Rhodium, WoIfram-Karbid oder ein leitendes Oxyd ist.

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