DE2424974A1 - Elektrode mit kohlenstoff-beschichteten flaechen fuer dampfentladungslampe - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt
6 Frankfurt/Main 1

Niddastr. 52

21. Mai 1974 Dr.Sb./es.-ro.

2716-LD-6113

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Elektrode mit Kohlenstoff-beschichteten Flächen für Dampfentladungslampe

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrodenstrukturen für Dampfentladungslampen, wie Niederdruck-Quecksilberdampf■ entladungs-Fluoreszenzlampen und -Ultraviolettlampen.

Eine tvpische Niederdruck-Quecksilberdampfentladungslampe umfaßt einen langgestreckten Glaskolben mit je. einer in ,jedes Endstück des Kolbens dicht eingeschmolzenen Elektrodenstruktur. Jede Elektrodenstruktur umfaßt einen langgestreckten zylindrisch spiralförmigen oder doppelspiralförmigen Faden pus Wolfram, der an seinen Enden durch Zuleitungsdrähte aus Nickel oder aus einem anderen geeigneten Metall abgestützt ist, wobei die Zuleitungsdrähte auch die elektrischen Verbindungen zum Faden darstellen. Ein Teil des Fadens zwischen seinen Endstücken ist mit einer Elektronen-

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emittierenden Kathodenmischung aus Erdalkalioxyden, wie Bariumoxyd, Calciumoxyd und Strontiutnoxyd beschichtet. Die Lampe enthält eine geringe Menge Quecksilber, um im Betrieb einen Quecksilberdampf von etwa 6 mm Hg zu erzeugen, sowie Argon oder ein anderes Inertgas mit einem Druck von etwa 3 Torr, um die Zündung der Entladung zu unterstützen.

Die vorgenannte Emissionsmischung aus Erdalkalioxyden wird ursprünglich in Form der Erdalkaiicarbonate auf den Faden aufgebracht und bevor die Lampe fertiggestellt wird,"aktiviert" man die Mischung, indem man einen Strom durch den Faden leitet, um die Mischung auf etwa 1600°C zu erhitzen und die Carbonate in Oxyde umzuwandeln. Die Emissionsmischung wird nicht auf die Endbereiche des Fadens benachbart ihrer Befestigung an den Zuleitungsdrähten aufgebracht, da diese Bereiche während der Aktivierung nicht heiß genug werden, um die Carbonate vollständig in Oxyde umzuwandeln und die unumgewandelten Carbonate eine nachteilige Wirkung in der Lampe haben würden.

Die Elektrodenstruktur umfaßt zusätzlich zu einer Kathode in Form einer auf einen Faden aufgebrachten Elektroden-emittierenden Mischung (zum Emittieren von Elektronen während der abwechselnden Halbzyklen des Betriebsstromes, in denen die Elektrode eine negative Polarität hat) auch eine Anode, die Zuleitungsdrähte sowie die blossen Enden des Fadens sowie zusätzliche Drähte oder Metallplatten umfassen kann, wenn ein größerer Anodenbereich erwünscht ist. Die Anode empfängt die Elektronen während der abwechselnden Halbzyklen des Betriebsstromes, in denen die Elektrode eine positive Polarität hat. Der Teil des Fadens, der mit Emissionsmischung beschichtet ist. kann ebenfalls als Anode wirken wegen des Spannungsabfalles durch das Emissionsmischungs-Material, jedoch mit einer geringeren elektrischen Wirksamkeit.

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Zu den vielen Problemstellungen, hinsichtlich denen Verbesserungen in Dampfentladungslampen, wie Niederdruck-Quecksilberdampf-Fluoreszenzlampen, versucht wurden, gehören eine erhöhte elektrische Betriebswirksamkeit und eine Verminderung von Oxydringen, (die manchmal als Endbänder bezeichnet werden) von üblicherweise dunkelbrauner, schwarzer oder anderer Färbung, die dazu neigen, sich innerhalb des Kolbens (oder auf der inneren Oberfläche der Leuchtstoff beschichtung in einer Fluoreszenzlampe) an Stellen im Innern der Elektroden nahe dem Beginn des Bereiches der positiven Säule der Dampfentladung zu bilden. Es ist vorgeschlagen worden, die Bildung der Oxydringe dadurch zu verringern, daß man eine Beschichtung aus hitzebeständigem isolierendem Oxydmaterial (wie Aluminiumoxyd, Zirkonoxyd, Magnesiumoxyd usw.) auf Metallflächen der Elektrodenstruktur, die nicht mit der Emissionsmischung bedeckt waren, Pufgebracht hat. Solche Beschichtungen sind z.B. in den US-Patentschriften 2 769 112, 2 966 606 und 3 069 für die Zwecke der Verminderung der Oxydringbildung und/oder der Verlängerung der Lampenlebensdauer beschrieben. In der US-Patentschrift 3 706 895 ist eine Elektrode beschrieben, die eine Beschichtung aus einem isolierenden hochtemperaturbeständigen Kunststoff auf unbedeckten Metallbereichen aufweist, welche die Bildung von Oxydringen vermindert.

Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind die Schaffung von verbesserten Elektroden für Dampfentladungslampen, die die Bildung von Oxydringen in der Lampe verringern, und die auch den elektrischen Wirkungsgrad während des Betriebes der Lampe erhöhen.

Die Erfindung umfaßt, kurz gesagt, in einer bevorzugten Ausführungsform eine Elektrodenstruktur für eine Dampfentladungslampe, die einen Faden aufweist, der mit Zuleitungsdrähten verbunden und mit einer Emissionsmischungs-Beschichtung auf einem zentralen Teil versehen ist, wobei der Faden und die Zuleitungsdrähte mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff auf mindestens einem Teil der freien

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Metallflachen bedeckt sind. Vorzugsweise ist der Kohlenstoff auf die Endbereiche des Fadens bis zur Kathodenbeschichtung aus Elektronen-emittierendem Material und auch auf die benachbarten Bereiche der Zuleitungsdrähte aufgebracht.

Nachfolgendwird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine weggebrochene perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und

Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer Elektrodenstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In der Figur 1 ist eine Fluoreszenzlampe 11 gezeigt, die einen langgestreckten Glaskolben 12 umfaßt, der eine Beschichtung aus einem Leuchtstoffmaterial 13 auf der Innenseite trägt und eine Elektrodenstruktur 14 an jedem Ende aufweist, die auf Zuleitungsdrähten 16 und 17 abgestützt ist, die sich durch einen Montagefuß 18 zu den Kontakten einer Basis 19 erstrecken, die an dem Ende der Lampe angebracht ist. Die Lampe ist mit einem Inertgas, wie Argon, oder einer Mischung von Argon und anderen Gasen mit einem geringen Druck gefüllt. z.B. etwa 3 Torr, sowie einer geringen Menge Quecksilber, um einen geringen Dampfdruck von etwa 6 mm Hg während des Betriebes der Lampe zu erzeugen.

In Figur 2 ist die Elektrodenstruktur 14 gezeigt, die einen langgestreckten Faden 21 in Form eines zylindrisch spiralförmig oder doppelspiralförmig gewundenen Wolframdrahtes umfaßt, der benachbart seinen Endstücken an den Zuleitungsdrähten 16 und 17 befestigt ist, z.B. durch Klemmen der Endbereiche der Zuleitungsdrähte um den Faden, wie bei den Bezugszahlen 22 und 23 gezeigt. Der zentrale Bereich des Fadens 21 ist mit einer Beschichtung aus einem

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üblichen Elektronen-emittierenden Material 24 versehen, das in ,jeder geeigneten Weise, wie durch Eintauchen oder Aufsprühen einer Mischung von Erdalkal!carbonaten, aufgebracht werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die verbleibenden unbedeckten Teile des Fadens 21 an dessen Endbereichen sowie die Zuleitungsdraht-Klammern 22 und 23 mit einer Kohlenstoffbeschichtung 26 bedeckt. Die Kohlenstoffbeschichtung kann nach einem geeigneten Verfahren aufgebracht werden, wie durch Besprühen oder Eintauchen, unter Verwendung eines geeigneten Materials, wie Aquadag E, was eine feinteilige Dispersion von Graphit in einer flüchtigen Flüssigkeit ist, die nach dem Verdampfen eine Beschichtung aus Kohlenstoff zurückläßt. Nachdem sowohl die Emissionsmischungs-Beschichtung 24 (in Form der Carbonate) und die Kohlenstoffbeschichtung 26 auf den Faden 21 aufgebracht sind, aktiviert man die Emissionsmischung durch Hindurchleiten eines Stromes durch den Faden, um die Carbonate bis zu einer Temperatur von etwa 1600°C zu erhitzen, um sie in Oxyde umzuwandeln. Dies kann entweder vor oder nach dem Abdichten der Montagestruktur in der Lampe erfolgen.

Die Kohlenstoffbeschichtung 26 sollte durchgehend die gesamten unbedeckten Metallteile des Fadens 21 und der Klammern 22, 23 bedecken und sollte sich bis mindestens 3 mm unterhalb der Punkte erstrecken, bei denen der Faden 21 festgeklemmt ist. Wenn es erwünscht ist. kann die Kohlenstoffbeschichtung jedoch die gesamte Fläche der Zuleitungsdrähte 16 und 17 bedecken. Die Kohlenstoffbeschichtung sollte auch die gesamten Endteile des F'dens, die sich über die Klemmstellen 22 und 23 hinaus erstrecken, bedecken, und sie sollte sich nach innen von den Klemmstellen 22 und 23 ohne irgendeine Überlappung von Kohlenstoff und Emissionsmischung bis genau zu den Enden der Emissionsmischungs-Beschichtung 24 erstrecken. In einer erfolgreichen Ausführungsform ist der Faden 21 mit Kohlenstoff 26 für eine Strecke von etwa 3 mm von den

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Klemmstellen 22 und 23 nach innen beschichtet. Diese Kohlenstoffbeschichteten Flächen wirken als Anodenflächen für die Elektrodenstruktur. Wenn die Endstücke der Zuleitungsdrähte 16 und 17 ausgedehnt sind oder wenn zusätzliche Drähte oder Metallplatten in der Ebene des Fadens oder vor dem Faden in dem Dampfentladungsbereich vorgesehen sind, um in bekannter Weise eine vergrös· serte Anodenfläche zu bilden, dann sollten diese auch mit Kohlenstoff beschichtet sein.

Lampen, die mit Elektroden hergestellt sind, die gemäß der vorliegenden Erfindung Kohlenstoff-beschichtete Flächen haben,wie sie oben beschrieben sind, arbeiten mit einem höheren elektrischen Wirkungsgrad und weisen weniger Qxydring-Bildung auf als die Lampen ohne Kohlenstoff-beschichtete Flächen. In einem Vergleichstest von 18 etwa 244 cm (entsprechend 96 Zoll) langen Slimline-Fluoreszenzlampen mit Kohlenstoff-beschichteten Elektrodenflächen gemäß der vorliegenden Erfindung, verglichen mit IR Lampen der gleichen Art ohne Kohlenstoff-beschichtete Flächen, erzeugten die Lampen mit Kohlenstoff-beschichteten Flächen im Durchschnitt 1,5 mehr Lumen/Watt nach 100 Stunden Betriebsdauer, was einer 1,9%-igen Verbesserung des Lampenwirkungsgrades entspricht. Ähnliche Tests mit etwa 122 cm (entsprechend 4R Zoll) langen Slimline-Lampen zeigten eine Verbesserung von 3,2 Lumen/ Watt, was einer 4,1%-igen Zunahme des Wirkungsgrades entspricht. In einem anderen Vergleichstest mit etwa 244 cm (entsprechend 96 Zoll) langen Slimline-Lampen wurden 36 Lampen mit Kohlenstoffbeschichteten Elektrodenflächen gemäß der vorliegenden Erfindung insgesamt 3000 Stunden in einem Zyklus von 3 Stunden Betriebsdauer, gefolgt von 20 Minuten außer Betrieb, betrieben und dann auf Ringbildung mit 36 in gleicher Weise betriebenen Lampen der gleichen Art, aber ohne Kohlenstoff-beschichtete Flächen verglichen. Vier der Lampen mit Kohlenstoff-beschichteten Flächen ent wickelten sichtbare Oxydringe, während 27 der Lampen ohne Kohlen-

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stoff-beschichtete Flächen sichtbare Oxydringe entwickelten, von denen viele mehr zu beanstanden (dunkler) waren, als die in den vorerwähnten 4 Lampen mit Kohlenstoff-beschichteten Flächen.

Es wird angenommen, daß die Kohlenstoffbeschxchtung der Elektrodenflächen gemäß der vorliegenden Erfindung die verbesserten Ergebnisse durch Beschichtung bereits oxydierter Metallteile, wie der Zuleitungsdrähte, erzielt oder es verhindert, daß solche Elektrodenflächen oxydiert werden, was sonst eintreten würde, wenn der Faden während der Aktivierung auf die hohe Temperatur erhitzt wird. Darüber hinaus wirken die Kohlenstoff-beschichteten Flächen wegen ihres geringen spezifischen Widerstandes und ihrer guten thermischen Leitfähigkeit sehr wirksam als Anoden. Durch diese gute thermische Leitung führt die Kohlenstoffbeschichtung die durch das Auftreffen der Elektronen auf der Kohlenstoffbeschichtung erzeugte Oberflächenhitze zu dem Metallsubstrat und zur umgebenden Atmosphäre in der Lampe, wenn die Elektrode als Anode wirkt, wodurch die Kohlenstoffbeschichtung kühler arbeitet und einen geringeren Widerstand gegenüber dem Stromdurchgang hat als eine oxydierte Oberfläche auf den Metallteilen haben würde. Die verringerte Oxydringbildung, die durch die Erfindung erzielt wird, wird der Tatsache zugeschrieben, daß die Kohlenstoff-beschichteten Flächen nicht oxydiert werden können. Wenn diese Elektrodenflächen, die während der abwechselnden Halbzvklen des Betriebsstromes als Anoden wirken, oxydiert wären, dann würde der Dampfentladungsstrom dazu neigen, die oxydierte Oberfläche unter Freisetzung von Sauerstoff oder Sauerstoff-haltigen Materialien in die Dampfentladung zu zerstören. In Gegenwart der Entladung kann Quecksilber mit diesen Materialien unter Bildung von Quecksilberoxyd reagieren, das sich auf dem Kolben (oder auf der Leuchtstoff oberfläche, wenn die Lampe eine Fluoreszenzlampe ist) am Beginn ,jedes Bereiches der positiven Kolonne der Entladung niederschlägt. Dies erlaubt nachfolgend die Niederschlagung des Queck-

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silbers dort und resultiert in der Bildung eines dunklen Ringes, der unansehnlich ist und auch die Lichtabgabe der Lampe beeinträchtigt.

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Claims (7)

A nsprüche

1.. ) Elektrodenstruktur für eine Dampfentladungslampe mit einem Paar Stützdrähte, einem langgestreckten Fnden, der an im Ab-. stand voneinander liegenden Punkten an den Stützdrähten befestigt ist und einem Elektronen-emittierenden Kathodenmaterial auf dem zentralen Bereich des Fadens zwischen den Stützdrähten, gekennzeichnet durch eine Beschichtung aus Kohlenstoff (26) auf mindestens einem Teil der freien Metalloberflächen, welche die Endbereiche des Fadens (21) und die Bereiche der Stützdrähte (16, 17) benachbart dem Faden umfassen.

2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kohlenstoffbeschichtung (26) im wesentlichen die gesamten freien Metalloberflächen bedeckt.

3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie Anodenflächen einschließt, welche die freien Metalloberflächen umfassen und bei der die Kohlenstoff beschichtung (26) im wesentlichen die gesamten Anodenflächen bedeckt.

4. Dampfentladungslampe mit einem langgestreckten Kolben und einem Paar von Elektrodenstrukturen, die an den jeweiligen Enden des Kolbens abgedichtet sind, wobei jede der Elektrodenstrukturen ein Paar Stützdrähte, einen langgestreckten Faden, der an im Abstand voneinander liegenden Punkten an den Stützdrähten befestigt ist_; und ein Elektronen emittierendes Kathodenmaterial auf dem zentralen Teil des Fadens zwischen den Stützdrähten umfasst, ge

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kennzeichnet durch eine Kohlenstoffbeschichtung (26), die auf mindestens einem Teil der freien Metalloberflächen getragen ist, welche die Endbereiche der Fäden (21) und die Bereiche der Stützdrähte (16, 17) benachbart den Fäden bei beiden Elektrodenstrukturen umfassen.

5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffbeschichtung (26) im wesentlichen die gesamten freien Metalloberflächen in beiden Elektrodenstrukturen bedeckt.

6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß jede der Elektrodenstrukturen Anodenflächen einschließt, welche die freien Metalloberflächen umfassen und in der die Kohlenstoffbeschichtung (26) im wesentlichen die Gesamtheit der Anodenflächen auf beiden Elektrodenstrukturen bedeckt.

7. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß sie eine Niederdruck-Quecksilberdampflampe ist.

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