DE2845283A1

DE2845283A1 - Hochintensitaetsentladungslampe

Info

Publication number: DE2845283A1
Application number: DE19782845283
Authority: DE
Inventors: Ranbir S Bhalla
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Philips North America LLC
Priority date: 1977-10-26
Filing date: 1978-10-18
Publication date: 1979-05-03
Also published as: NL186351B; JPS6226914Y2; JPS5943063U; US4152619A; GB1603341A; NL186351C; DE2845283C2; JPS5477480A; NL7809913A

Description

drying. Ernst Stratmann

PAT E N TAN WA LT
D-4000 DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9

Düsseldorf, 16. Okt. 1978

Westinghouse Electric Corporation
"Pittsburgh, Pa., V. St. A.

.Hochintensitätsentladungslampe

.Die Erfindung betrifft Hochintensitätsentladungslampen (HID-Lampen).

In der US-Patentschrift 37 08 710 wird eine hochintensive Natriumquecksilberdampf entladungslampe offenbart, die als elektronenemittierendes Material Dibariumcalciumwolframat verwendet. Derartiges Material wurde in sogenannten Vorratskathoden benutzt und die US-Patentschrift 34 34 812 offenbart die Verwendung von Dibariumcalciumwolframat oder Dibariumstrontiumwolframat als emittierendes Material bei einer Vorratskathode.

Dibariumcalciummolybdanat ist bezüglich seiner Verwendung als Getterschichtmaterial in Verbindung mit einer Glühlampe bekannt, wie in der US-Patentschrift 32 66 861 beschrieben. Außerdem wurde für Hochdruckquecksilberdampflampen und Natriumquecksilberdampflampen in der Vergangenheit als elektronenemittierendes Material eine Mischung von zahlreichen Oxidphasen benutzt, die Thoriumdioxid, Bariumthorat, Dibariumcalciumwolframat und Bariumoxid umfaßten. Diese Mischung von Oxidphasen ist ziemlich empfindlich gegenüber atmosphärischen Verunreinigungen, was dazu führt, daß selbst ein kurzer Kontakt mit der Luft zu einer verhältnis-

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mäßig großen Aufnahme von Wasser und Kohlendioxid durch die emittierende Mischung führen kann, welche Verunreinigungen dann recht schwierig wieder zu entfernen sind. Bei einer solchen Mischung dient das Thoriumdioxid als Matrix für die aktiveren Oxidemitter wie Bariumoxid, Dibariumcalciumwolframat und Bariumthorat.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Emissionsmischung, die leichter zu handhaben ist und nach längerer Brenndauer auch eine größere Lichtausbeute liefert, als es bei den gegenwärtig bekannten Emissionsmischungen der Fall ist, wobei nach Möglichkeit auch die Startspannung verringert werden soll.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst, also durch eine hochintensive Dampfentladungslampe, die ein strahlungsdurchlässiges Lichtbogenrohr mit nahe an den Enden angeschlossenen Elektroden, so daß eine langgestreckte Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden kann, und Einrichtungen aufweist, um die Elektroden mit einer erregenden Leistungsquelle zu verbinden, wobei jede der Elektroden aus einem länglichen hitzebeständigen Metallglied besteht, das mit seinem einen Endteil nahe einem Ende des Lichtbogenrohres gehalten wird, während das andere Endteil des Metallgliedes ein kurzes Stück in das Lichtbogenrohr hineinragt. Auf diesem in das Lichtbogenrohr hineinragenden Endteil des länglichen Metallgliedes ist eine Spirale aus wärmefestem Metall aufgesetzt. Diese Spiraleinrichtungen tragen auf den mittleren Windungen ein elektronenemittierendes Material, das im wesentlichen aus M₃M'2^M"°9 besteht, wobei M ein Alkalierdmetall ist und prinzipiell aus zumindest Barium besteht. M¹ ist Yttrium, ein Seltenerdmetall der Lanthanserie oder eine Mischung davon und M" Wolfram, Molybdän oder eine Mischung davon.

Für einige Lampenarten ist es günstig, ein Pulver aus wärmefestem Metall mit besonderem Emissionsmaterial zu mischen, wobei das Pulver 5 bis 80 Gew% des Emissionsmaterials ausmacht.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer typischen HID-Natriumquecksilber lampe;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer HID-Quecksilberdampflampe;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer Elektrodenspitze zur Darstellung der darauf gehaltenen wärmefesten Wendel;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Teils einer Spitze der Elektrode nach teilweiser Herstellung;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Überschubwendel, die auf die in Fig. 4 dargestellte innere Wendel geschraubt wird, um die Elektrode zu vervollständigen; und

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht eines Teils einer Elektrodenspitze, die im wesentlichen der Fig. 3 entspricht, bei dem jedoch dem Emissionsmaterial fein geteilte Partikel aus wärmefestem Metall hinzugefügt wurden.

In Fig. 1 ist eine Lampe 10 als typische HID-Natriumquecksilberlampe dargestellt, bestehend aus einem strahlungsdurchlässigen Lichtbogenrohr 12, in dem nahe seiner Enden Elektroden 14 wirksam derart gehalten werden, daß zwischen den Elektroden eine langgestreckte Lichtbogenentladung aufrechterhalten werden kann. Das Lichtbogenrohr ist aus einem wärmefesten Material hergestellt, wie beispielsweise aus einkristallinem oder polykristallinem Alumina, wobei Endkappen 16 aus Niobium die Enden des Lichtbogenrohrs abschließen. Das Lichtbogenrohr 12 ist innerhalb eines äußeren Schutzkolbens 18 mit Hilfe eines Stützrahmens

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in geeigneter Weise gehalten, wobei der Stützrahmen 20 an einem Zuführleiter 22 angebracht ist, der durch eine herkömmliche Stielpreßanordnung 24 dicht hindurchgeführt ist, um den Zuführleiter 22 mit einer herkömmlichen Lampenfassung 26 zu verbinden. Der andere Zuführleiter 28 ist mit der unteren Lampenelektrode verbunden. Eine elektrische Verbindung zur obersten Elektrode 14 wird über den Rahmen 20 und einen nachgiebigen geflochtenen Verbinder 30 hergestellt, um eine Expansion und Kontraktion des Lichtbogenrohrs 12 zu erleichtern, während der Rahmen 20 innerhalb des Kolbens durch geeignete metallische Federabstandsglieder 32 in Stellung gehalten wird, die die innere Oberfläche des Domteils des Schutzkolbens 18 berühren. Als eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung enthält das Lichtbogenrohr eine kleine zugemessene Charge Natriumquecksilberamalgams sowie ein inertes ionisierbares Startgas von niedrigem Druck, beispielsweise Xenon mit einem Druck von 26,7 mbar.

Die Hochdruckquecksilberdampflampe 34, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist ebenfalls im wesentlichen herkömmlich und umfaßt ein lichtdurchlässiges Lichtbogenrohr 36, das gewöhnlich aus Quarz hergestellt ist, wobei innerhalb des Lichtbogenrohres nahe seiner Enden Betrxebselektroden 38 derart angeordnet sind, daß zwischen den Elektroden eine längliche Lichtbogenentladung aufrechterhalten werden kann. Der herkömmliche Stützrahmen 40 dient als geeignete Stütze für das Lichtbogenrohr innerhalb eines äußeren Schutzkolbens 42 und liefert eine elektrische Verbindung zu einer der Elektroden. Die andere Elektrode ist direkt mit einem der Zuführleiter 44 verbunden und von dort mit der Fassung 46, so daß die Kombination Einrichtungen schafft, um die Lampenelektroden 38 mit einer erregenden Leistungsquelle zu verbinden. Die Lampe enthält in herkömmlicher Weise eine kleine Menge von Quecksilber 48, die zusammen mit einem inerten ionisierbaren Startgas eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung bildet. Bei dieser Lampenausführung sind an den Enden des Lichtbogenrohres 36 Banddichtungen 50 vorgesehen, die die Abdichtung zu Zuführleitungen durch das Lichtbogenrohr erleichtern, um die Elektroden anzuschließen.

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In Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht einer für eine HID-Lampe geeigneten Elektrode dargestellt. Die Elektrode umfaßt ein langgestrecktes Glied 52 aus wärmefestem Metall, dessen eines Endteil 54 so ausgeführt ist, daß es nahe dem einen Ende des Lichtbogenrohrs gehalten werden kann, während das andere Endteil 56 des Metallgliedes so konstruiert ist, daß es ein kurzes Stück in das Lichtbogenrohr hineinragt, eine darüber schiebbare Wendeleinrichtung 58 aus wärmefestem Material wird auf dem länglichen Metallglied 52 nahe dessen Ende 56 getragen. Als besonderes Beispiel ist das längliche Metallglied aus einem Wolframstab gebildet, der einen Durchmesser von ungefähr 0,8 mm aufweist, während die überschiebwendel 58, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, aus acht Windungen Wolframdraht besteht, der einen Durchmesser von 0,4 mm besitzt. Der äußere Durchmesser der Wendel 58 kann von 2,29 bis 2,8 mm variieren.

Die Elektrodenwendel in teilweise zusammengebautem Zustand ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt, wobei das längliche Glied aus wärmefestem Metall eine erste innere Wendel 60 besitzt, die direkt auf den Stab aufgewickelt ist und zwischen den einzelnen Windungen im Mittelbereich zwischen den Wendelenden eine solche Ganghöhe besitzt, daß sich ein vorbestimmter Abstand zwischen den zentral angeordneten Windungen 64 ergibt. Beispielsweise könnte der freie Abstand zwischen den mittig angeordneten einzelnen Windungen 64 ungefähr gleich dem Durchmesser des Drahtes sein, aus dem die innere Wendel gebildet ist. Dieser Abstand bildet eine Ablage für das meiste des Emissionsmaterials 66, welches von der Elektrodenstruktur getragen wird. Eine derartige Elektrodenkonstruktion ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 31 70 081 bekannt.

Das elektronenemittierende Material 66 besteht im wesentlichen aus MjM^M¹¹Oq, wobei M ein Alkalierdmetall darstellt und prinzipiell aus zumindest Barium besteht. M¹ ist Yttrium, ein Seltenerdmetall der Lanthanserie oder eine Mischung davon. M" ist Wolfram, Molybdän oder eine Mischung davon. Aus Gründen der Beschreibung sei das Beispiel Barium-Yttrium-Wolframat

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in größeren Einzelheiten betrachtet. Dieses Material und alle Materialien der vorgenannten Art besitzen sogenannte "perovskit"-artige Strukturen und liefern alle sehr ähnliche Röntgenstrahlenbeugungsmuster, die die Verbindungen eindeutig identifizieren. In dem Fall, daß Wolframate und Molybdate in irgendwelchen Proportionen miteinander vermischt werden, bilden die zwei Materialien feste Lösungen der zwei Endglieder und zeigen trotzdem die perovskitartige Struktur bei Beobachtung der Röntgenstrahlenbeugung. Als besonderes Beispiel zur Herstellung von Bariumyttriumwolframat wird fein zerteiltes Bariumcarbonat, Yttriumoxid und Wolframoxid (WO₃) in solchen relativen Gramm-Molproportionen miteinander vermischt, wie es für das Endmaterial gewünscht wird. Diese Rohmischungsbestandteile werden in einem Tiegel aus Alundum oder Alumina angeordnet und von Raumtemperatur auf 800° C in einer Luftatmosphäre erhitzt. Diese Temperatur wird zwei Stunden lang aufrechterhalten und dann die Erhitzungstemperatur auf 1100° C erhöht und diese Temperatur zwei Stunden lang aufrechterhalten. Danach wird das Material abgekühlt und gemahlen und dann bei ungefähr 1350° C in Luftatmosphäre vier Stunden lang gebrannt. Das Endmaterial ist extrem stabil und anwendungsbereit, es wird zu einem sehr fein zerteilten Zustand gemahlen, wobei eine repräsentative Teilchengröße etwa 11 χ 10 m beträgt. Das Pulvermaterial wird dann zu einer dicken Paste geformt, wobei als Träger Alkohol verwendet wird, und die Paste über die innerste Spule 60 aufgebracht, wie in Fig. 4 dargestellt. Nach dem Trocknen wird die in Fig. 5 dargestellte äußere Wendel über die innere Wendel festgeschraubt, wodurch sich ein gewisses Ausmaß an Schutz ergibt, um zu verhindern, daß das elektronenemittierende Material 66 sich löst. Die Lampenelektroden werden dann innerhalb des Lichtbogenrohrs in herkömmlicher Weise montiert und die Lampen fertiggestellt. Die tatsächliche Menge des Emissionsmaterials kann variieren. Für eine typische Elektrode, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ergaben ungefähr 60 bis 70 mg Emissionsmaterial für jede Elektrode bei einer 400 W-Lampe ausgezeichnete Wirkungsweise.

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Das Barium liefert den primären elektronenemittierenden Bestandteil des vorgenannten Emissionsmaterials und aus diesem Grunde sollte das Alkalierdmetall prinzipiell zumindest Barium umfassen. Alternativ können anstelle eines Teils des Bariums Calcium oder Strontium oder Mischungen davon benutzt werden, beispielsweise könnten 20 Mo1% des gesamten Bariums in der Rohmischung durch Calcium oder Strontium oder einer Mischung aus Calcium und Strontium ersetzt werden. Anstelle des Yttriums könnte irgendein Seltenerdmetall der Lanthanserie oder Mischungen davon verwendet werden, wobei es ζ. B. zur Rohmischung in Form des Oxids hinzugefügt werden könnte, wobei auch nur ein Teil des Yttriums durch das Seltenerdmetall ersetzt sein mag. Offensichtlich liegt die Funktion des Yttriums oder des Seltenerdmetalls der Lanthanserie darin, zusammen mit dem Wolframat oder Molybdat eine extrem stabile und hochtemperaturfeste Verbindung zu schaffen, die das primäre emittierende Material, nämlich das Barium, festhält. Wie bereits angedeutet bildet die Molybdatvariante des hier beschriebenen Emissionsmaterials feste Lösungen mit den Wolframat in allen Proportionen und das Molybdat kann demzufolge einen Teil oder auch das gesamte Wolframat ersetzen, wobei das Molybdat beispielsweise zur Rohmischung als Oxid hinzugefügt wird.

Bei Verwendung in Natriumquecksilber-HID-Lampen haben sich die vorgenannten Emitter als außerordentlich stabil unter der Entladungsumgebung erwiesen, außerdem ist ihre Wirkungsweise bei Quecksilberdampf-HID-Lampen hervorragend. Wenn diese Emissionsmaterialien für längere Zeitperioden der Luft ausgesetzt werden, ergibt sich wiederum keine merkliche Reaktion, wodurch die Herstellung der Lampenelektroden vereinfacht wird, da keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden müssen. Werden Materialien wie Bariumyttriumwolframat und Bariumyttriummolybdat Wasser ausgesetzt, können sie anfängliche Zersetzung in ihre Bestandteile nach größeren Zeitperioden wie 24stündigem Kontakt mit übermäßig viel Wasser zeigen, jedoch ist auch dies nicht schädlich, da sich die Verbindungen während der Lampenherstellungsverfahren reformieren, sobald sie erstmalig durch "feuern" getestet werden, wobei die Elektroden Temperaturen von ungefähr

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1500 C ausgesetzt werden.

Im Falle der Quecksilberdampf-HID-Lampen ist es wünschenswert, dem emittierenden Material fein zerteilte Teilchen aus wärmefestem Metall wie Wolfram, Molybdän, Tantal oder Niob oder Mischungen davon zuzumischen, wobei das Pulver aus wärmefestem Metall 5 bis 80 Gew% des emittierenden Materials ausmacht. Das Metallpulver befindet sich vorzugsweise in einem extrem feinen Teilungszustand, wobei die repräsentative Teilchengröße für das Pulver 0,06 bis 0,2 χ 10 m beträgt. Besonders günstig ist Wolframpulver mit einer spezifischen Teilchengröße von 0,11 χ 10 m. Das hinzugefügte Metallpulver wirkt als wärmefeste Matrix und erhöht die mechanische Stabilität des Emissionsmaterials und verringert auch das Zerstäuben von Oxidemissionsmaterial beim ersten Starten der Lampe. Das vorzugsweise fein verteilte Wolframpulver macht am günstigsten 15 bis 50 Gew% des Emissionsmaterials aus, das in seiner besonders günstigen Form aus Bariumyttriumwolframat besteht. Eine derartige modifizierte Mischung ist in Fig. 6 dargestellt, wobei dem Emissionsmaterial 66 fein zerteilte Wolframteilchen 70 in einer Menge von etwa 40 Gew% vom Emissionsmaterial zugemischt ist.

Die bisher durchgeführten Versuche mit Quecksilberdampf-HID-Lampen, die die erfindungsgemäße Emissionsmischung enthielten, sowie mit Kontrollampen, die ähnlich aufgebaut waren, aber die bisher bekannten gemischten Oxidphasen mit Thoriumdioxid, Bariumthorat, Dibariumcalciumwolframat und Bariumoxid verwendeten, ergaben, daß die erfindungsgemäßen Lampen mit einer Nennleistung von 400 W nach tausend Stunden Betriebsdauer ungefähr eine um 1700 bis 2170 Lumen höhere Ausgangslichtstarke zeigten, als die der Kontrollampen. Außerdem werden mit der verbesserten Emissionsmischung niedrigere Startspannungen als üblicherweise erhalten, wobei die Startspannungen zwischen 6 und 26 V unterhalb den Startspannungen liegen, die bei Kontrollampen sich ergaben, die die bisher benutzten gemischten Oxidphasen als Emi s s ionsmateria1 verwenden.

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Claims

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF I · SCHADOWPLATZ 9

47,157
'7856

Düsseldorf, 16. Okt. 1978

Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

•Patentansprüche :

Hochintensive Dampfentladungslampe, bestehend aus einem strahlungsdurchlässigen Lichtbogenrohr, in dem nahe der Enden Elektroden derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen eine langgestreckte Lichtbogenentladung aufrechterhalten werden kann, mit Einrichtungen, um die Elektroden an eine erregende Leistungsquelle anzuschließen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektroden (14, 38) ein langgestrecktes Glied (52) aus wärmefestem Metall umfaßt, dessen eines Endteil (54) an einem Ende des Lichtbogenrohrs (12) gehalten ist, während das andere Endteil (56) des Metallglieds (52) ein kurzes Stück nach innen in das Lichtbogenrohr (12) hineinragt, daß eine überschiebbare Wendeleinrichtung (58) aus wärmefestem Metall vorgesehen ist, die auf dem nach innen vorspringenden Teil (56) des länglichen Metallgliedes (52) getragen wird; und daß elektronenemittierendes Material (66) auf mittleren Windungen (64) der überschiebbaren Wendeleinrichtung (58) getragen wird, wobei das elektronenemittierende Material (66) im wesentlichen aus M₃M' M¹¹Og besteht, wobei M ein Alkalierdmetall darstellt und prinzipiell zumindest Barium umfaßt, M¹ Yttrium, ein Seltenerdmetall der Lanthanserie oder eine Mischung davon darstellt und M" Wolfram, Molybdän oder eine Mischung davon ist.

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2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sehr fein verteiltes Wolfram-, Molybdän-, Tantal- oder Niobpulver oder Mischungen dieser Metallpulver mit dem elektronenemittierenden Material (66) vermischt sind, und daß das Pulver 5 bis 80 Gew% des elektronenemittierenden Materials (66) ausmacht.
3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fein zerteilte Pulver Wolframpulver ist und 15 bis 50 Gew% des Emissionsmaterials (66) umfaßt.
4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die überschiebbare Wendeleinrichtung (58) aus einer ersten inneren Wendel (60), die direkt auf das langgestreckte Glied (52) aus wärmefestem Metall aufgewickelt ist, wobei zwischen den Endwindungen (62) mittlere einzelne Windungen (64) eine solche Ganghöhe aufweisen, daß sich ein vorbe-. stimmter Abstand zwischen den einzelnen Windungen (64) ergibt, und eine zweite Wendel (68) umfaßt, die über der ersten Wendel (60) passend angeordnet ist und einen engen Abstand zwischen ihren einzelnen Windungen besitzt, und daß das elektronene^ittierende Material (66) sowie das Wolframpulver zwischen den einzelnen Windungen (64) der ersten Wendel (66) , die im Mittelbereich zwischen deren Endwindungen (62) liegen, getragen wird.
5. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenemittierende Material (66) Ba₃Y₂WO₉ ist.
6. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochintensive Entladungslampe eine Hochdrucknatriumquecksilberdampf entladungslampe (10) ist.
7. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochintensive Entladungslampe eine hochintensive Quecksilberdampfentladungslampe (34) ist.

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