DE2746671A1

DE2746671A1 - Elektrische hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE2746671A1
Application number: DE19772746671
Authority: DE
Inventors: Sydney Alfred Richard Rigden
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-10-19
Filing date: 1977-10-18
Publication date: 1978-04-20
Also published as: US4232243A; JPS5353170A; FR2368798B1; NL7711134A; FR2368798A1

Description

Patentanwälte - 4 -

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THE GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED, London, England

Elektrische Hochdruckentladungslampe

Die Erfindung betrifft elektrische Hochdruckentladungslampen mit einem Entladungskolben, der eine Füllung aus Quecksilber, Edelgas und einem oder mehreren Metallhalogeniden besitzt, die bei der Betriebstemperatur der Lampe verdampfbar sind, und der ein paar Elektroden enthält, zwischen denen beim Betrieb der Lampe durch die Gas- und Dampffüllung eine elektrische Entladung stattfindet, wobei Jede Elektrode mit einem elektrischen Leiter verbunden ist, der sich aus dem Entladungskolben nach außen erstreckt und mit einem Anschluß verbunden ist, der von einem äußeren Kolben aus lichtdurchlässigem Glasmaterial getragen wird, indem der Entladungskolben eingeschlossen ist, und der dem Anschluß der Elektrode an eine elektrische Stromquelle für den Betrieb der Lampe dient. Unter dem Ausdruck "Hochdruck", wie er im vorliegenden Falle verwendet wird, ist zu verstehen, daß der gesamte Dampfdruck, der innerhalb des Entladungskolbens beim normalen Betrieb der Lampe entwickelt wird, von der Größenordnung von einer Atmosphäre oder darüber ist.

Die Elektroden einer Lampe dieser Art sind normalerweise aus Wolfram hergestellt und können, müssen Jedoch nicht

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mit einem geeigneten elektronenemittierendem Material aktiviert sein. Nichtaktivierte Wolframelektroden ergeben beim Betrieb der Lampe eine hohe Lichtausbeute, Jedoch ist die Zugabe eines Aktivators zu den Elektroden für die Erzielung einer guten Aufrechterhaltung der Leuchtfähigkeit zweckmäßig. Jedoch führen einige Materialien, die schon zur Verwendung als Aktivatoren bekannt sind, zu unzweckmäßigen Nebenwirkungen, die aus der Umsetzung des Aktivatormaterials mit dem in der Lampenfüllung vorhandenen Metallhalogeniden herrühren, wie beispielsweise zu einer Erhöhung der Lampenspannung und/oder Verminderung des Wirkungsgrades.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lampe der o.g. Art, die Wolframelektroden besitzt, in denen ein verbessertes Aktivatormaterial eingearbeitet ist, durch das die unerwünschten Wirkungen, die von einigen bekannten Aktivatormaterialien ausgehen, vermindert oder beseitigt werden können.

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungskolben, der eine Füllung aus Quecksilber, Edelgas und einem oder mehreren Metallhalogeniden enthält, die bei der Betriebstemperatur der Lampe verdampfbar sind, und in dem ein paar Wolframelektroden montiert ist, die ein Aktivatormaterial enthalten und zwischen denen beim Betrieb der Lampe eine elektrische Entladung erfolgt. Die Lampe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatormaterial zu 95 bis 100% aus Scandiumoxid und zu 0 bis 5 % aus einer oder mehreren weiteren Substanzen aus der Gruppe Yttriumoxid, Thoriumoxid, inerte Zusatzstoffe und Verunreinigungen besteht.

Vorzugsweise besteht das Aktivatormaterial vollständig aus hochreinem Scandiumoxid. Gewünschtenfalls kann jedoch ein

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geringer Anteil, der 5 Gew.Jo des Aktivatormaterials nicht übersteigt, aus Yttrium bestehen, um den Schmelzpunkt des Scandiumoxids zur Erleichterung des Einbringens des Scandiumoxids in die Elektrodenstruktur zu erniedrigen; und in einigen Fällen kann der Zusatz bis zu 5 Gew.% Thoriumoxid von Vorteil sein, indem dadurch das Starten und die Aufrechterhaltung der Entladung unterstützt wird; sowohl Yttriumoxid als auch Thoriumoxid tragen zu der Elektrodenemission des Aktivatormaterials bei. Unter dem Ausdruck "inerter Zusatzstoff" ist eine Substanz zu verstehen, die nichtelektronenemittierend ist und mit dem Scandiumoxid und den Metallhalogeniden der Lampenfüllung nicht reagiert. Ein derartiger Zusatzstoff kann als reines Verdünnungsmittel oder zur Erhöhung der Haftung des Scandiumoxids an der Elektrodenstruktur verwendet werden. Handelsübliches Scandiumoxid enthält gewöhnlich Spuren von Verunreinigungen wie beispielsweise Siliciumdioxid, seltene Erden und verschiedene Metalloxide. Die Gesamtmenge derartiger Verunreinigungen überschreitet gewöhnlich 1 Gew.% des Scandiumoxids nicht und ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung vorzugsweise beträchtlich niedriger.

Es wurde gefunden, daß die Verwendung von Scandiumoxid als Aktivator in Lampen der genannten Art von Vorteil ist, da es das rasche Starten der Entladung erleichtert, eine hohe Lichtausbeute gewährleistet, die derjenigen mit nichtaktivierten Wolframelektroden gleich ist, und außerdem die Leuchtwirkung gut unterhält. Die Aktivierung mit Scandiumoxid ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in die Füllung des Entladungskolbens ein Scandiumhalogenid eingebracht ist, jedoch kann sie auch in Lampen der o.g. Art von Vorteil sein, die Füllungen aus anderen Metallhalogeniden außer Scandiumhalogeniden aufweisen, vorausgesetzt, daß zwischen diesen anderen

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Metallhalogeniden und dem Scandiumoxid keine unerwünschten Reaktionen stattfinden.

Der Entladungskolben ist zweckmäßigerweise eine Röhre aus geschmolzenem Siliciumdioxid, die an beiden Enden durch QuetschverschlUsse (pinch seals) herkömmlicher Art verschlossen ist» in die die Elektroden eingeschmolzen sind, so daß sie sich in die entsprechenden Endabschnitt des Kolbens erstrecken. Jede Elektrode kann aus einer Wendel aus Wolframdraht bestehen, indem das Aktivatormaterial enthalten ist, wobei die Wendel einen linearen Anschluß besitzt, der in den Quetschverschluß eingeschmolzen ist, und vorzugsweise einen weiteren linearen Drahtabschnitt aufweist, der sich vom inneren Ende der Wendel in Richtung auf die Mitte des Kolbens erstreckt, um das Starten und die Stabilisierung dieser Entladung zu erleichtern. GewUnschtenfalls kann die Wendel von einer äußeren Wendel umgeben sein. In einigen Fällen können die Elektroden koaxial mit dem Kolben angeordnet sein, Jedoch sind die Elektroden in eine Lampe, die mit horizontal angeordneter Achse des Entladungskolbens betrieben werden und eine Entladung in Form eines eingeschnürten Bogens (discharge of the constricted arc form) erzeugen soll, vorzugsweise außermittig im Hinblick auf die Achse des Entladungskolbens angeordnet, so daß, wenn die Lampe montiert ist, die Elektrodenspitzen in der Arbeitsstellung und demgemäß der Entladungsweg unterhalb der Kolbenachse liegen: Diese Anordnung verringert die Differenz der Betriebstemperatur zwischen dem oberen und dem unteren Abschnitt der Kolbenwand.

In einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine erfindungsgemäße Lampe wird eine wässrige Aufschlämmung von Scandiumoxid und gegebenenfalls von erforderlichen Zusatzstoffen in eine Aushüllung der Elektrode, insbe-

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sondere in das Innere einer Wendel eingebracht und die Elektrode anschließend so hoch erhitzt, daß das Scandiumoxid schmilzt und an der Elektrodenstruktur anhaftet. Gewünschtenfalls kann das Scandiumoxid mit einer weiteren Scandiumverbindung, wie beispielsweise dem Nitrad, vermischt werden, wodurch das Anhaften des Scandiumoxids an der Elektrode bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Scandiumoxid gelingt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in der eine Längsschnitt des Entladungskolbens der erfindungsgemäßen Lampe dargestellt ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung wird im folgenden anhand eines Beispiels beschrieben. Eine derartige Lampe ist für den horizontalen Betrieb bestimmt und besteht aus einem röhrenförmigen Entladungskolben aus geschmolzenem Siliciumdioxid, der eine Füllung aus Quecksilber, Edelgas und einem oder mehreren Metallhalogeniden, beispielsweise einem Gemisch aus Natriumiodid und Scandiumtri-iodid, enthält. Der Kolben 1 ist an Jedem Ende mit einem Quetschverschluß 2 verschlossen, in dem eine Anordnung eingeschmolzen ist, die aus einem breiten Streifen 3 aus Molybdänfolie, einem Molybdän anschlußdraht U sowie einer Elektrode besteht, die zwischen der Längsachse und der Wand des Kolbens angeordnet ist und aus einer einzelnen Wendel aus Wolframdraht 5 mit linearen Fortsätzen des Drahtes an Jeder Seite der Wendel besteht, wobei der Fortsatz 6 am äußeren Ende der Wendel mit dem inneren Ende dor Molybd^;lnfolie verbunden und in den Ouotschverschluß eingeschmolzen ist· und sich der Fortsatz 7 am inneren Ende der Wende] praktisch parallel zur Kolbenach:;e in den Kolben hinein erstreckt; das Innere der Elektrodenwendeln iüt mit Scandium- oxid flofUllt. Der Kntl iidun^skolben ist in bekannter Weist?

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innerhalb eines röhrenförmigen äußeren Kolbens aus Borsilikatglas montiert, der an jedem Ende mit einer Doppelnadelkappe (bipin cap) ausgestattet ist. Im übrigen ist der äußere Kolben in seiner Form wohl bekannt und daher in der Zeichnung nicht dargestellt.

Zur Herstellung der oben beschriebenen Lampe wird Jede der Elektroden zunächst hergestellt, indem man eine dicke Paste aus gepulvertem Scandiumoxid, vorzugsweise vom höchsten verfügbaren Reinheitsgrad, in Wasser herstellt, das Innere der Wendel mit dieser Paste füllt, die Paste trocknen läßt und anschließend die Elektrode in einem Wolframzylinder aufhängt, der von einer Hochfrequenzglühspirale (eddy current heating coil) umgeben ist, durch die die Elektrode in eine Atmosphäre aus strömendem Argon auf eine Temperatur von 3200⁰C erhitzt wird, um das Scandiumoxid zu schmelzen und es in die Zwischenräume der Wendel eindringen zu lassen. Beim Kühlen der Elektrode erstarrt das Scandiumoxid unter Ausbildung einer an der Wendel anhaftenden festen Nasse.

Die Elektrodenfortsätze 6 und Anschlußdrähte 4 werden anschließend an den in der Zeichnung dargestellten Stellen mit der entsprechenden Molybdänfolie verschweißt, und der Ent ladungskolben wird auf herkömmliche Weise hergestellt, indem man die Enden einer Köhre aus geschmolzenem Siliciumdioxid von geeigneter Länrjs über die Anordnung von Folie/Elektrode/ Anschluß quetscht. D mich wird der· Kolben 7,^c> Stunden lang im Vakuum auf herkömmliche'Weise bei einer Temperatur von 1000 C gesintert und el ie gewünschte B¹Ul Lung in ihn Knt ladung:;-kolben über Sei t ?nr">hren eingebracht, die; cir.:»ch 1 i <>(»end unter Bildung der Hiickt-r d aiigt.'schraolzen werden. Iv; i .·; t erforderlich, s^: chcrzuntel lf-ri, Ί i[J während der» Sintern der KoIh ίι:ι oder danach oder wahrend u'.-ö Hinbringen:; der FüLLung κΊιη; Keik:htig-

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keit oder elementares Jod in den Entladungskolben eingebracht wird. Schließlich wird der Entladungskolben in dem äußeren Kolben montiert und der letztere in bekannter Weise verschlossen und mit Kappen versehen.

Gemäß einem AusfUhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lampe der oben mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschriebenen Form besitzt der Entladungskolben 1 einen Innendurchmesser von 12 mm, die Molybdänfolien 3 sind 5 mm breit, und die Fortsätze der Elektroden sind 3 bis 4 mm von der Innenoberfläche des benachbarten Abschnittes des Entladungskolbens entfernt angeordnet und befinden sich somit 2 bis 3 mm unterhalb der Kolbenachse, wenn die Lampe in der richtigen horizontalen Betriebsstellung ist. Bei jeder Elektrode besteht die Wendel 5 aus drei Windungen aus Wolframdraht von 0,5 mm Durchmesser, der Innendurchmesser der Wendel beträgt 0,6 mm,und der innere Fortsatz 7 ist 2 mm lang; die horizontale Länge des Entladungsweges zwischen den Spitzen der Fortsätze beträgt 21 mm. Die Füllung des Entladungskolbens besteht aus 20 mg Quecksilber, 20 mg Natriumiodid, 10 mg Scandiumtri-iodid und Xenon oder Argon von einem Druck von 35 Torr bei Raumtemperatur. Beim normalen Betrieb nimmt die Lampe 175 Watt bei einer Röhrenspannung von 120 V auf, besitzt eine anfängliche Lichtausbeute von über 100 Lumen je Watt und weist nach 100 Stunden Betriebsdauer eine 80%ige Leuch tkra f te rna 1 tung auf. Im Vergleich dazu weist eine analoge Lampe mit nichtaktivierten Woiframelektroden led ig I Ich eine LeuchtkrafterhaLtung von 5V* n:u:h K)OO Be tr ieb.->:> tiiMilen auf.

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THE GENERAL ELECTRIC COMPANY LIMITED, London, England

Patentansprüche:

Elektrische Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungskolben, der eine Füllung aus Quecksilber, Edelgas und einem oder mehreren Metallhalogeniden enthält, die bei der Betriebstemperatur der Lampe verdampfbar sind, und in dem ein Paar Wolframelektroden montiert sind, die ein Aktivatormaterial enthalten und zwischen denen eine elektrische Entladung beim Betrieb der Lampe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivatormaterial zu 95 bis 100 Gew.% aus Scandiumoxid und zu 0 bis 5 Gev.% aus einem oder mehreren Substanzen aus der Gruppe Yttriumoxid, Thoriumoxid, inerten Zusatzstoffen und Verunreinigungen besteht.
2. Lampe gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Aktivatormaterial vollständig aus hochreinem Scandiumoxid besteht.

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3. Lampe gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Füllung des Entladungskolbens ein Scandiumhalogenid enthält.
4. Lampe gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Entladungskolben eine Röhre aus geschmolzenem Siliciumdioxid ist, die an beiden Enden durch Quetschverschlüsse verschlossen ist, in denen die Elektroden derart eingeschmolzen sind, daß sie sich in die entsprechenden Endabschnitte des Kolbens erstrecken, und bei der jede Elektrode aus einer Wendel aus Wolframdraht besteht, in der das Aktivatormaterial enthalten ist,

dadurch gekennzeichnet, daß sich ein linearer Abschnitt (7) des Drahtes von dem inneren Ende jeder der Wendeln (5) in Richtung auf den Mittelpunkt des Entladungskolbens (1) erstreckt.
5. Lampe gemäß Anspruch 4, die zum Betrieb bei horizontaler Lage der Achse des Entladungskolbens und zur Erzeugung einer Entladung in Form eines eingeschnürten Bogens bestimmt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden außermittig im Hinblick auf die Achse des Entladungskolbens angeordnet sind, so daß, wenn die Lampe in die Betriebsstellung gebracht ist, die Spitzen der linearen Fortsätze (7) von den Innenenden der Elektrodenwendeln (5) unterhalb der Achse des Entladungskolbens (1) liegen.

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Verfahren zur Herstellung einer Elektrode für eine in einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichneten Lampe,

dadurch gekennzeichnet, daß man eine wässrige Aufschlämmung aus Scandiumoxidpulver und gegebenenfalls von erforderlichen Zusatzstoffen in eine Aushöhlung der Elektrode, insbesondere in das Innere der Wendel, einbringt und die Elektrode anschließend so hoch erhitzt, daß das Scandiumoxid schmilzt und an der Elektrodenstruktur haften bleibt.

Verfahren gemäß Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß man die die Aufschlämmung enthaltende Elektrode nach ihrem Trocknen in einem von einer Hochfrequenzglühspirale umgebenen Wolframzylinder aufhängt und die Elektrode mit Hilfe dieser Spirale in einer Atmosphäre

aus strömenden Argon auf 3200⁰C erhitzt.

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