DE2753039C2

DE2753039C2 - Elektrode für eine Entladungslampe

Info

Publication number: DE2753039C2
Application number: DE2753039A
Authority: DE
Inventors: Keizi Kamakura Kanagawa Fukuyama; Masato Saito; Keizi Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-28
Publication date: 1983-07-07
Also published as: GB1592502A; NL182679C; JPS5367972A; NL7712948A; US4136227A; DE2753039A1; JPS559777B2; NL182679B

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist bekannt, daß ein Gemisch aus Bariumoxid (BaO), Calciumoxid (CaO) und Yttriumoxid (Y₂Oj) oder ein Gemisch aus Yttriumoxid und Bariumwolframat (BajWOe) oder Barium-Strontium-Calcium-Wolframat (Ba₂-^TjZaWO₆) (jc-= 0 bis 0,5) als Elektronenemissionsmaterial zur Beschichtung der Elektrode einer Entladungslampe wie z. B. einer Hochdruck-Metalldampflampe, etwa einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe, verwendet wird.

Ein Elektronenemissionsmaterial, das Yttriumoxid als hitzebeständiges Oxid enthalt, hat jedoch im allgemeinen den Nachteil, düß es an dem Träger der Elektrode schlecht haftet Während c * Betriebes löst sich ein Teil des Elektronenemissionsmaterials ab und verursacht dadurch eine plötzliche Verminderung des Lichtstroms und einen Anstieg der Zündspannung, was die Entladungslampe betriebsunfähig macht

Es ist vorgeschlagen worden, zur Überwindung dieses Nachteils die Haftung des Elektronenemissionsmaterials am Träger der Elektrode durch Zugabe einer kleinen Menge von Siliciumoxid (S1O2), Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Aluminiumoxid (AI2O3) zu verbessern. Zwar kann die Haftung durch diese Zusätze geringfügig verbessert werden, jedoch konnte die Ursache für die kurze Lebensdauer der Entladungslampe nicht in einem wesentlichen Ausmaß beseitigt werden.

Aus der DE-AS 21 61173 ist eine Elektrode für elektrische Hochleistungs-Gasentladungslampen bekannt, die als Elektronenemissionsmaterial auf einem Träger eine spezielle Zusammensetzung des BaO-CaO-WOj-Systems aufweist. Die aus der DE-AS 21 61173 bekannte Elektrode hat den Nachteil, daß ihre Haltbarkeit aufgrund einer nicht besonders guten Haftung des EUktronenemissionsmaterials an dem Träger unbefriedigend ist.

Aus der DE-OS 25 Ol 432 ist eine Elektrode für Entladungslampen auf Basis eines keramischen Materials aus mindestens einem Metalloxid, ggf. Aluminium- eo oxid, mit mindestens einem Elektrodenmaterial, ggf. Wolfram, bekannt Als Elektrodenmetalle werden neben Wolfram Niob, Molybdän, Rhenium und Tantal erwähnt, und als Metalloxide werden neben Aluminiumoxid Beryllium-, Zirkonium- und Titanoxid erwähnt. Falls Berylliumoxid eingesetzt wird, wird es in hohen Gewichtsprozentsätzen verwendet, wie etwa dem BeisDiel 3 der DE-OS 25 01 432 zu entnehmen ist.

Aus der DE-OS 24 22 576 sind Elektroden für eine Entladungslampe bekannt, wobei auf die Elektroden wenigstens ein Seltenerdmetalloxid aufgetragen ist und das Entladungsrohr eine Substanz enthält, die während der Brennzeit mit dem Seltenerdmetalioxid reagiert und dabei ein Halogenid des Seltenerdmetalls bildet. Als Seltenerdmetalioxid wird unter anderem Yttriumoxid erwähnt Die mit dem Seltenerdroetalloxid reagierende Substanz besteht aus einer Thorum-, Aluminium- und/oder Siliciumverbindung. Die aus der DE-OS 24 22 576 bekannten Elektroden weisen den Nachteil auf, daß ihre Haltbarkeit unbefriedigend ist

In der DE-OS 26 26 700 ist eine Elektrode für Hochdruck-Gasentladungslampen vorgeschlagen worden, die auf einem Träger als Elektronenemissionsmaterial mindestens ein Erdalkalimetalloxid mit mindestens 25% BaO, mindestens eines der Oxide von Wolfram und Molybdän und mindestens ein Seltenerdmetalioxid enthält Als Seltenerdmetalloxide werden u. a. Yttrium-, Cer- und Lanthanoxid erwähnt, während auf der Seite 5 der DE-OS 26 26 700 als Erdalkalimetalloxidc; neben Bariumoxid Calcium- und Strontiumoxid genannt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Elektrode für Entladungslampen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zur Verfugung zu stellen, die im Vergleich mit den bekannten Elektroden dieser Art eine verbesserte Haftung des Elektronenemissionsmaterials an dem Träger zeigt und eine erheblich verlängerte Haltbarkeit hat

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch gekennzeichnete Elektrode gelöst

Die erfindungsgemäße Elektrode ist für eine Entladungslampe wie z. B. eine Hochdruck-Metalldampfiampe, etwa eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe, die Quecksilber und Edelgas enthält, oder eine Hochdruck-Natriumdampflampe, die Quecksilber, Edelgas und Natrium enthält, geeignet.

Wenn sowohl Berylliumoxid als auch Yttriumoxid als hitzebeständige Oxide beigemischt sind, wird die Haftung des Elektronenemissionsmaterials an dem Träger der Elektrode merklich verbessert, wodurch die Lebensdauer der Entladungslampe in beachtlichem Maße verlängert wird, wobei die weiteren Vorteile erzielt werden, daß die Zündspannung vor der Prüfung der Lebensdauer der Entladungslampe herabgesetzt wird und daß der Anstieg der Zündspannung im Laufe der Betriebszeit klein ist.

Ausführungsfoimen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Entladungslampe mit einer erfindungsgemäßen Elektrode,

F i g. 2 bzw. 3 vergrößerte Schnitte der Elektrode der Entladungslampe.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 wird der Aufbau einer Quarz-Lichtbogenröhre einer Hochdruck-Metalldampflampe wie z. B. einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe näher erläutert.

Eine Liehtbogenröhfe (1) enthält Quecksilber und Argon für die Zündung. An den beiden Enden der Liehtbogenröhre befinden sich die Hauptelektroden (la) bzw. (Ib), die einander gegenüberliegen, und die Hauptelektroden sind jeweils durch Molybdänbleche (4a) bzw. (46) hindurch, die in den beiden Enden der Liehtbogenröhre (1) verschmolzen sind, mit elektrischen Zuführungsleitungen (6a) bzw. (6b) verbunden.

Eine Hilfselektrode (3) an dem einen Ende der Lichtbogenröhre (1) ist durch ein Molybdänblech (5) hindurch mit einer elektrischen Zuführungsleitung (7) verbunden, damit die Entladungslampe leicht gezündet werden kann. Wie in F i g. 2 gezeigt wird, bestehen die Hauptelektroden Ha) bzw. (26) aus einem Trägerstab (8), der aus einem hitzebeständigen MetaJI wie z. B, Wolfram hergestellt wird, sus einer inneren Spule (9) und einer äußeren Spule (10), die um den Trägerstab (8) herumgewickelt sind, und aus einem Elektronenemissionsmaterial (11), mit dem die innere Spule (9) und die äußere Spule (10) an der Oberfläche beschichtet sind und das durch Sintern (Erhitzen auf eine hohe Temperatur) fest anhaftet

Zum Vergleich mit der erfindungsgemä3en Ausführungsform wird eine bekannte Ausführungsform erläutert.

Bei der bekannten Ausführungsform wird ein Wolframstab mit einem Durchmesser von 1,2 mm als Trägerstab verwendet, und ein Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,6 mm wicd für die innere und für die äußere Spule (9) bzw. (10) verwendet, die den Träger der Hauptelektrode bilden.

Andererseits wird zur Herstellung einer Suspension ein Elektronenemissionsmateria], das 70 Gew.-% Bariumoxid, 10 Gew.-% Calciumoxid und 20 Gew.-% Yttriumoxid enthält, 24 h lang in einer Kugelmühle mit Nitrocellulose und Butylacetat vermischt. Der Träger der Hauptelektrode wird in die Suspension eingetaucht, um die innere Spule (9) und die äußere Spule (10) mit dem Elektronenemissionsmaterial zu beschichten, dann wird der beschichtete Träger getrocknet und 2 min lang in einer Argonatmosphäre auf 1700⁰C erhitzt, wodurch das Elektronenemissionsmaterial an dem Träger der Hauptelektrode anhaftet.

Die mit den Elektronenemissionsmaterialien beschichteten Hauptelektroden werden zur Herstellung einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe mit einer Leistung von 400 W verwendet, deren Lichtbogenröhre (1) einen inneren Durchmesser von 18 mm und eine Lichtbogenlänge von 70 mm hat und die eine geeignete Menge Quecksilber und Argon für die Zündung enthält.

Die Zündspannungen werden bei einer Umgebungstemperatur von -10⁰C vor der Prüfung der Lebensdauer der Entladungslampe und nach 6000 Betriebsstunden gemessen, und ebenfalls nach 6000 Betriebsstunden wird die Aufrechterhaltung des Lichtstroms gemessen.

Man erhielt folgende Ergebnisse:

Zündspannung bei - 10⁰C

vor der Prüfung der Lebensdauer 166 V

Zündspannung bei -10⁰C

nach 6000 Betriebsstunden 192 V

Aufrechterhaltung des Lichtstroms

nach 6000 Betriebsstunden 63 %

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Träger der Hauptelektroden in der gleichen Weise wie vorstehend für die bekannte Ausfuhrungsform beschrieben jeweils mit verschiedenen Elektronenemissionsmaterialien beschichtet, die verschiedene Mengen an Erdalkalimetalloxid (BaO.CaO), Yttriumoxid (Y2O3) und Berylliumoxid (BeO) enthalten, und die Hauptelektroden werden zur Herstellung von Hochdruck-Quecksilberdampflampen mit einerLeistung von 400 W verwendet. Die gleichen Versuche werden wiederholt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt.

In der gleichen Weise wie für die bekannte Ausführungsform beschrieben wird der Träger der Hauptelektroden jeweils mit verschiedenen Elektronenemissionsmaterialiep. beschichtet, die verschiedene Mengen an Yttriumoxid (Y2O3) und BerylJiumoxid (BeO) mit Ba- -, rium-Strontium-Calcium-Wolframat (Ba^Sro^CaWOe) enthalten, und die Hauptelektroden werden zur Herstellung von Hochdruck-Quecksilberdampflampen mit einer Leistung von 400 W verwendet. Die gleichen Versuche werden wiederholt Die Ergebnisse sind in

in Tabelle JJ dargestellt

Die Bewertung in den Tabellen I und II erfolgte unter Berücksichtigung der Zündspannung vor der Prüfung der Lebensdauer, der Zündspannung nach 6000 Betriebsstunden und der Aufrechterhaltung des Licht-Stroms nach 6000 Betriebsstunden (im allgemeinen werden mehr als 73% benötigt), wobei alsGrundlage_4er Bewertung die Ergebnisse der Vergleichsversuche 1 und 2 herangezogen wurden. Eine beachtliche Verbesserung derEffekte wird mit »ausgezeichnet« (A) bewertet,

2« eine leichte Verbesserung der Effekte wird mit »gut«

(G) bewertet, während die Bewertu^-g »nicht gut« (N) erteilt wird, wenn keine Verbesserung der Effekte erzielt wurde.

Aus den vorstehend beschriebenen Versuchen ergab

_>-i sich folgendes: Die Haftung des Elektronenemissionsmateria¹; an dem Träger der Elektrode wird verbessert, wenn man in dem Elektronenemissionsmaterial den Gehalt an Berylliumoxid erhöht. Yttriumoxid und Berylliumoxid bilden nämlich eine feste Lösung,

jo wodurch der Schmelzpunkt des Elektionenemissionsmaterials herabgesetzt wird, wenn man das Material erhitzt, damit es an dem Träger der Elektrode anhaftet. Dies führt zu dem Ergebnis, daß das Elektronenemissionsmaterial auf der Oberfläche des Trägers der

η Elektrode gleichmäßig ausgebreitet wird, wodurch eine außerordentlich gut haftende, fest an den Träger gebundene Schicht des Elektronenemissionsmaierials gebildet wird, die sich nicht ablöst. Durch die feste Lösung werden feine Kristalle von Erdalkalimetalioxidun be-

4i. deckt, wodurch die Bildung von freiem Barium während der Lebensdauer der Entladungslampe so reguliert wer Jen kann, daß sie in gemäßigter Weise erfolgt, und wodurch die Zufuhr von Barium zur Oberseite der Elektrode auf einer geeigneten Höhe gehalten werden kann.

Infolgedessen sind das Zündverhalten und die Aufrechterhaltung des Lichtstroms der Entladungslampe ausgezeichnet.

Wenn der Gehalt an Berylliumoxid zu hoch ist, steigt manchmal während des Betriebs die Verdampfung des Elektronenemissionsmaterials an. Es ist demnach notwendig, den Gehalt an Berylliumoxid zwischen 5 Gew.-% und 40 Gew.-% zu halten.

Wenn der Gehalt an Yttriumoxid zu niedrig ist, verdampft sehr viel Elektronenemissionsmaterial,

v, wodurch die Lichtstromabgabe mit einer hohen Geschwindigkeit sinki. Andererseits löst sich, wenn der Gehalt an Yttriumoxid zu hoch ist, das Elektronenemissionsmaterial leicht von der Elektrode, wodurch ein Anstieg der Zündspannung während des Betriebes

bo verursacht wird. Eb ist demnach notwendig, den Gehalt an Yttriumoxid zwischen 3 Gew,-% und 35 Gew.-% ZU halten.

Wenn der Gesamtgehalt an Berylliumoxid und.Yttriumoxid in dem Elektronenemissionsmaterial höher

_h5 liegt als 60 Gew.-%, ist die Zündspannung vor der Prüfung der Lebensdauer auffallend hoch, und es ist nicht möglich, die Entladungslampe praktisch zu verwenden.

Tabelle

Vorsuch Nr.	Vcr_Bleich
	versuch I
Zusammensetzung des
Elektronenemissionsmaterials
(Gew.Jto)
BaO	70
CuO	10
Y₂O₁	20
BeO	-
Zündspannung bei -IO⁰C
vor der Prüfung
der Lebensdauer (V)	166

lü 11 12 13 14 15 16

70	70	70	70	70	70	70	35	35	35	35	35	30	30	30	30	U)
IO	10	10	10	10	10	10	15	15	15	15	15	10	9	10	9
18	16	15	K)	6	3	2	36	35	12	IO	9	30	30	25	26
2	4	5	10	14	17	18	14	15	38	40	41	30	31	35	35

153 151 148 144 142 141 142 163 159 147 141 141 170 182 168 180

Zündspannung nach 6000 Betriebsstunden

bei-1O⁰C (V) 192 180 180 155 148 146 144 144 195 180 148 143 149 178 190 176 190 KJ

Aufrechterhaltung

des Lichtstroms ~j

nach 6000 Betriebs-

stunden (%) 63 71 72 88 89 74 74 67 66 76 86 75 64 75 67 75 63 O

Bewertung *N *N *G *A *G *G *N *N *G *G *G *N *N *N *G *N C£5

	Vergleichs versuch 2	17	18	19	20	21	22	3 24	25	26 :	28	29 3
Tabelle II
Versuch Nr.
	0 31 32

Zusammensetzung des Elektronenemissionsmaterials (Gew.-%)

Ba₁₈Sr₀₂CaWO₆ 70

Y₂O₃ ' 30

Zündspannung bet -1O⁰C vor der Prüfung

der Lebensdauer (V) 162

Zündspannung nach

6000 Betriebsstunden

bei-1O⁰C (V) 198

Aufrechterhaltung
des Lichtstroms
nach 6000 Betriebsstunden (%) 64

Bewertung

70	70	70	70	70	70	70	56	56	56	56	56	40	39	80	80
28	26	25	15	11	3	2	36	35	22	14	15	30	31	10	-7
2	4	5	15	19	27	28	8	9	32	40	41	30	30	10	13
59	150	146	138	135	134	132	160	152	146	137	137	170	180	135	130

188

72 *N

Anmerkungen zu den Tabellen I und II:

"A: ausgezeichnet

•G: gut

• N: nicht gut

154

81 *G

141

*A

137

90

*A

135

79 *G

134

68

*N

190

67

*N

175

76 *G

139

75
•G

150

60

*N

178

T5 *G

195

62

♦N

140

85
*G

135

87
*G

Wenn Barium-Strontium-Calcium-Wolframat
(Bai,8Sro.2CaW06) anstelle der Erdalkalioxide verwendet wird, kann der Elektrode außer den vorstehenden Eigenschaften auch die nachfolgend beschriebene Eigenschaft verliehen werden: Wenn der Bestandteil Bai,8Sr(uCaWO6 in der festen Lösung von Berylliumoxid und Yttriumoxid dispergiert wird, wird das freie Barium der Oberseite der Elektrode während des Betriebes de' entladungslampe allmählich zugeführt, und der Betrieb der Elektrode ist infolgedessen über eine lange Zeit stabiler.

In den Tabellen I und Il werden die Ausführungsformeii gezeigt, bei denen die Bestandteile YjOj und BeO zu den Bestandteilen BaO-CaO oder Bai.₈Srn.;CaWO₆ hinzugefügt wurden. Es können auch die Bestandteile Y₂Oi und BeO zu Bestandteilen wie BaO, BaO-SrO-CaO oder Ba2CaW0(, hinzugefügt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurden die für das Elektronenemissionsmaterial verwendeten Erda'lkaiiriietaiioxide durch Erhitzen der Erdalkalicarbonate in Luft auf eine hohe Temperatur hergestellt. Die Rohmaterialien sind jedoch nicht auf die Carbonate beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Verbindungen eingesetzt werden, die durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur in die entsprechenden Oxide umgewandelt werden, wie z. B. Oxalate und Hydroxide.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird das Elektronenemissionsmaterial, das das Lrdalkalimetalloxid, Yttriumoxid und Berylliumoxid enthält, unter Bildung von Suspensionen mit Nitrocellulose und Butylacetat vermischt. Der Träger der Elektrode wird mit der Suspension beschichtet, und die Elektroden werden hergestellt, indem man das Elektronenemissionsmaterial durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur an der Oberfläche des Trägers der Elektrode zum Anhaften bringt.

Man kann jedoch ein Verfahren, bei ckt> die Verbindung, die durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur in das Oxid umgewandelt werden kann, z. B. ein Erdalkalicarbonat, unter Bildung einer Susnension mit Yttriumoxid, Berylliumoxid, Nitrocellulose und Butylacetat vermischt wird, worauf dann der Träger der Elektrode mit der Suspension beschichtet und auf eine hohe Temper,- 'ur erhitzt wird, wodurch das F.rdalkalimetallcarbonat in das entsprechende Oxid umgewandelt und das Elektronenemissionsmaterial auf dem Träger der Elektrode gebildet wird, in einer ebenso zufriedenstellenden Weise durchführen wie das Verfahren der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Das Barium-Strontium-Calcium-Wolframat

Bai.gSrn.iCaWOö wird durch Vermischen geeigneter Mengen von Bariumcarbonat, Strontiumcarbonat, CaI-ciumcarbonat und Wolfamtrioxid und 30minüliges Sintern des Gemischs bei 140O⁰C hergestellt, und es kann beispielsweise auch hergestellt werden, indem man Bariumoxid. Strontiumoxid, Calciumoxid und Wolframpulver vermischt und das Gemisch bei einer hohen Temperatur sintert.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausfuhrun^sformen wird Bai.gSrn.jCaWOf, zuerst hergestellt, und dann werden Yttriumoxid und Bcryliiumoxid damit vermischt. Man kann jedoch auch die Carbonate oder Oxalate der Erdalkalimetalle (Ba, Sr und Ca) unter Bildung einer Suspension mit Wolframoxid, Yttriumoxid und Berylliumoxid vermischen und dann den Träger der Elektrode mit der Suspension beschichten und auf eine hohe Temperatur erhitzen, wodurch man die Umsetzung der Carbonate mit Wolframoxid unter Bildung eines Wolframats wie z. B. Bai.jSrojCaWOt, erreicht. Nach diesen Verfahren kann man ein Elektronenemissionsmaterial mit der gleichen Formel wie bei den vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsformen erhalten:

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen hat die Elektrode den in F i g. 2 dargestellten Aufbau. Die Elektrode ist jedoch in ihrem Aufbau nicht auf diese Form beschränkt, und sie kann auf verschiedene andere Arten aufgebaut sein, z. B. wie in F i g. 3 dargestellt, worin der Trägerstab (8) mit der Innenspule (9) und auch mit der Außenspule (10) umwickelt ist.

wobei jedoch die Innenspule (9) unregelmäßig gewickelte Stellen aufweist, und wobei das Elektronenemissionsmaterial (11) in die dadurch entstehenden Zwischenräume eingefüllt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Elektrode für eine Entladungslampe, die aus einem Träger besteht, der mit einem Elektronenemissionsmaterial beschichtet ist, das neben Yttriumoxid wenigstens einen Vertreter aus der Gruppe Bariumoxid, Calciumoxid, Strontiumoxid und Barium-Strontium-Calcium-Wolframat (Ba2-xSr^CaWO6, wobei je zwischen 0 und 0,5 liegt) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Yttriumoxid in einer Menge von 3 bis 35 Gew.-% enthalten ist und daß das Elektronenemissionsmaterial außerdem Berylliumoxid in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-% enthält, wobei der Anteil an Berylliumoxid und \5 Yttriumoxid insgesamt weniger als 60 Gew.-% beträgt.