DE2845333A1

DE2845333A1 - Hochintensive entladungslampen

Info

Publication number: DE2845333A1
Application number: DE19782845333
Authority: DE
Inventors: Ranbir S Bhalla
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-10-21
Filing date: 1978-10-18
Publication date: 1979-04-26
Also published as: JPS5470668A; US4123685A; NL7809914A; GB1577095A

Description

DR.-ING. Ernst Stratmann

PATENTANWALT D-4OOO DÜSSELDORF 1 · SCHADOWPLATZ 9 28A5333

-3-

Düsseldorf, 16. Okt. 1978

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

•Hochintensive Entladungslampen

■Die Erfindung betrifft hochintensive Entladungslampen, sogenannte HID-Lampen.

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

Dibariumcalciummolybdat ist bezüglich seiner Anwendung als Getterschichtmaterial in Verbindung mit Glühlampen bekannt, siehe die US-Patentschrift 32 66 861. Außerdem haben in der Vergangenheit Hochdrucknatriumquecksilberdampflampen eine Mischung von zahlreichen Oxidphasen, die Thoriumdioxid, Bariumthorat, Dibariumcalciumwolframat und Bariumoxid umfassen, als elektronenemittierendes Material verwendet. Diese Mischung aus Oxidphasen ist ziemlich empfindlich gegenüber atmosphärischen Verunreinigungen, mit dem Ergebnis, daß selbst ein kurzer Kontakt mit der Luft zu einer verhältnismäßig starken Aufnahme von Wasser

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POSTSCHECK=BERLIKWESt(BLZ 10010010) 132736-109 · deutsche bank (BLZ 30070010) 6160253

und Kohlendioxid durch das Emissionsmaterial führen kann, welche Verunreinigungen ziemlich schwierig 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 eines elektronenemittierenden Materials, das nicht nur stabiler bezüglich Feuchtigkeit und Gas der Umgebungsatmosphäre ist, sondern nach Möglichkeit auch eine verbesserte Emissionsfähigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Hauptanspruch gelöst, also durch eine hochintensive Dampfentladungslampe, die ein strahlungsdurchlässiges Lichtbogenrohr besitzt, in dem nahe der Enden Elektroden derart angeordnet sind, daß eine langgestreckte Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden kann. Außerdem weist die Lampe Einrichtungen auf, um die Elektroden mit einer erregenden Energiequelle zu verbinden. Jede der Elektroden besteht aus einem langgestreckten Glied aus wärmefestem Metall, dessen eines Endteil nahe einem Ende des Lichtbogenrohres gehalten wird, während das andere Endteil des Metallgliedes ein kurzes Stück in das Lichtbogenrohr hineinragt. Erfindungsgemäß wird auf dem nach innen ragenden Teil des langgestreckten Metallgliedes eine überschiebbare Wendeleinrichtung aus wärmefestem Metall getragen, wobei ein elektronenemittierendes Material zwischen den Windungen der übergeschobenen Wendeleinrichtung gehalten wird und das elektronenemittierende Material im wesentlichen aus einer festen Lösung von Dibariumcalciumwolframat (Ba₂CaWOg) und Dibariumcalciummolybdat (Ba-CaMoO,.) besteht, wobei das Molverhältnis des Wolframats zu dem Molybdat in den Bereich von 9:1 bis 1:9 fällt.

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

Es zeigt:

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Fig. 1 eine Seitenansicht einer typischen HID-Natriumquecksilberlampe;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer HID-Quecksilberdampflampe;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht des Elektrodenspitzenteils mit darauf getragener wärmefester Wendel;

Fig. 4 eine Seitenansicht des Spitzenteils der teilweise hergestellten Elektrode; und

Fig. 5 eine Seitenansicht der überschiebbaren Wendel, die auf die innere Spule gemäß Fig. 4 aufgeschraubt wird, um die Elektrode fertigzustellen.

In Fig. 1 ist Lampe 10 eine HID-Natriumquecksüberlampe, bestehend aus einem strahlungsdurchlässigen Lichtbogenrohr 12, innerhalb dem nahe der Enden des Rohres Elektroden 14 derart gehalten werden, daß eine langgestreckte Lichtbogenentladung zwischen den Elektroden aufrechterhalten werden kann. Das Lichtbogenrohr ist aus einem wärmefesten Material hergestellt, wie beispielsweise aus einkristallinem oder polykristallinem Alumina, wobei die Enden des Lichtbogenrohrs durch Endkappen 16 aus Niob abgedichtet sind. Das Lichtbogenrohr 12 ist in geeigneter Weise innerhalb eines äußeren Schutzkolbens 18 mit Hilfe eines Stützrahmens 20 gehalten, der mit einem Zuführleiter 22 verbunden ist, der durch eine herkömmliche Stielpreßanordnung 24 abdichtend hindurchgeführt ist, um ihn mit einer herkömmlichen Lampenfassung 26 zu verbinden. Der andere Zuführleiter 28 verbindet die andere Lampenelektrode 14. Eine elektrische Verbindung mit der obersten Elektrode 14 wird über den Rahmen 20 sowie einen nachgiebigen geflochtenen Verbinder 30 hergestellt, um eine Expansion und Kontraktion des Lichtbogenrohrs 12 zu erleichtern. Der Rahmen wird innerhalb des Kolbens durch geeignete metallische Federabstandsglieder 32 in Stellung gehalten, die die innere Oberfläche des Domteils des Schutzkolbens 18 berühren. Als eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung enthält das Lichtbogen-

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rohr eine kleine gesteuerte Menge von Natriumquecksilberamalgam sowie ein intertes ionisierbares Startgas von niedrigem Druck, wie beispielsweise Xenon mit-einem Teildruck von 26,7 mbar.

Eine in Fig. 2 dargestellte Hochdruckquecksilberdampflampe 34 umfaßt ein lichtdurchlässiges Lichtbogenrohr 36, das gewöhnlich aus Quarz hergestellt ist, wobei Betriebselektroden 38 innerhalb des Rohres nahe deren Enden derart angeordnet und ausgestaltet sind, daß zwischen ihnen eine langgestreckte Lichtbogenentladung aufrechterhalten werden kann. Der herkömmliche Stützrahmen 40 dient als geeignete Stütze für das Lichtbogenrohr innerhalb des äußeren Schutzkolbens 42 und stellt eine elektrische Verbindung mit einem der Elektroden her. Die andere Elektrode ist direkt mit einem der Zuführleiter 44 verbunden und von dort mit der Fassung 46, so daß die Kombination Einrichtungen liefert, um die Lampenelektroden 38 mit einer erregenden Leistungsquelle zu verbinden. In üblicher Weise enthält die Lampe eine kleine Menge von Quecksilber 48, die zusammen mit einem inerten ionisierbaren Startgas eine die Entladung aufrechterhaltende Füllung umfaßt. Bei dieser Lampenausführungsform sind Banddichtungen an den Enden des Lichtbogenrohres 36 vorgesehen, die eine Abdichtung der Zuführleiter durch die Enden hindurch erleichtern, um die Elektroden anzuschließen.

In Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht einer Elektrode 14, wiedergegeben, die für die Anwendung bei einer HID-Lampe geeignet ist. Die Elektrode 14, 38 umfaßt ein langgestrecktes Glied 52 aus wärmefestem Metall mit einem derart gestalteten Endteil 54, daß es nahe dem einen Ende des Lampenentladungsrohres gehalten werden kann, während das andere Endteil 56 des Metallgliedes so ausgeführt ist, daß es ein kurzes Stück in das Lichtbogenrohr hineinragt. Eine darüber passende Wendeleinrichtung 58 aus wärmefestem Metall wird von dem länglichen Metallglied 52 nahe dessen Ende 56 getragen. Als besonderes Beispiel ist das längliche Metallglied aus einem Wolframstab gebildet, der einen Durchmesser von etwa 0,8 mm aufweist, während die übergeschobene Wendel 58, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, aus acht Windungen

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Wolframdraht besteht, der einen Durchmesser von 0,4 mm besitzt. Der äußere Durchmesser der Wendel 58 kann zwischen 2,29 und 2,8 mm variieren.

Die Elektrodenwendel ist in den Fig. 4 und 5 in halbzusammengebautem Zustand gezeigt, wobei das langgestreckte Metallglied aus wärmefestem Metall eine erste innere Wendel 60 aufweist, die direkt auf das Metallglied aufgewickelt ist und eine solche Ganghöhe zwischen den einzelnen Windungen zwischen den Wendelenden 62 besitzt, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den zentral angeordneten Windungen 64 entsteht. Als besonderes Beispiel ist der freie Abstand zwischen den zentral angeordneten einzelnen Windungen 64 ungefähr gleich dem Durchmesser des Drahtes, aus dem die innere Wendel gebildet ist. Dieser Abstand bildet eine geschützte Ablage für den größten Teil des Emissionsmaterials 66, das von der Elektrodenstruktur getragen wird. Eine Elektrodenkonstruktion, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist an sich bekannt, siehe die US-Patentschrift 31 70 081.

Das elektronenemittierende Material 66 ist eine feste Lösung aus Dibariumcalciumwölframat (Ba₂CaWo₆) und Dibariumcalciummolybdat (Ba-CaMoOg) und diese beiden Materialien besitzen ähnliche "perovskit"-artige Strukturen. Eine Reihe von festen Lösungen, die zwischen den zwei Endgliedern vorgesehen wurde, zeigt in allen Fällen die gleiche Perovskit-Struktur. Erfindungsgemäß liegt das Gramm-Molverhältnis von Wolframat zu Molybdat im Bereich von 9:1 bis 1:9, vorzugsweise liegt jedoch das Molverhältnis von WoIframat zu Molybdat in dem Bereich, der von 1:1 bis 1:4 reicht. Bei der Herstellung der festen Lösung können die Endglieder in fein verteiltem Zustand in den gewünschten relativen Molverhältnissen gemischt und dann in einem dreistufigen Brennverfahren gebrannt werden. Ein geeignetes Verfahren besteht z. B. darin, zunächst zwei Stunden bei 800° C zu feuern, dann zwei Stunden lang bei 1200° C und schließlich zwei Stunden lang bei 1350° C, wobei alle drei Brennstufen in Luftatmosphäre durchgeführt werden und zwischen jedem Brennschritt eine gründliche Mischung stattfindet. Das sich schließlich ergebende Material

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wird zu sehr fein verteilter Form reduziert, wobei die repräsentative Teilchengröße etwa 11 χ 10 m beträgt. Das Material wird dann unter Verwendung eines Alkoholträgers in eine dicke Paste umgeformt und diese Paste dann über die innerste Wendel 60, siehe Fig. 4, aufgebracht. Nach dem Trocknen wird die äußere Wendel 68, siehe Fig. 5, über die innere Wendel geschraubt und liefert dadurch einen erheblichen Schutz und verhindert, daß elektronenemittierendes Material 66 gelockert wird. Die Lampenelektroden werden dann innerhalb des Lichtbogenrohres in herkömmlicher Weise montiert und die Lampe fertiggestellt. Die tatsächliche Menge an Emissionsmaterial kann variieren. Bei einer typischen Elektrode, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ergaben ungefähr 60 bis 70 mg Emissionsmaterial, das in jeder Elektrode einer 400 W-Lampe angeordnet wurde, ausgezeichnete Betriebseigenschaften.

Die festen Lösungsmaterialien besitzen bestimmte Vorteile gegenüber anderen Arten von Elektroden, einschließlich solchen Elektroden, die als Emissionsmaterial die Endglieder der vorgenannten festen Lösungen enthalten. Beispielsweise sind für eine bestimmte Temperatur im allgemeinen die Dampfdrücke von festen Lösungen niedriger als die Dampfdrücke von deren Endgliedern. Verglichen mit einer Elektrode, die Dibariumcalciumwolframat umfaßt, arbeitete die Spitze der Elektrode, die ein Atomverhältnis von Wolframat zu Molybdat von 3:1 aufwies, unter gesteuerten Bedingungen mit einem Betriebsstrom von 3 A bei einer Temperatur von 1540° C, während bei der Kontrollelektrode aus Dibariumcalciumwolframat eine Spitzentemperatur von 1555° C sich ergab. Außerdem war der Spannungsabfall der vorgenannten Elektrode aus fester Lösung 0,1 V geringer als die der Kontrollelektrode, was eine verbesserte Emissionsfähigkeit anzeigt. Bei einem zweiten Versuch, bei dem das Verhältnis von Wolframat zu Molybdat 1:3 betrug, war die Elektrodenspitzentemperatur 1510° C und der Elektrodenspannungsabfall 10,7 V, gegenüber 11,8 V für die Kontrollelektrode, die Dibariumcalciumwolframat enthielt. Diese verbesserte Emissionsfähigkeit ist wahrscheinlich durch das vermehrte Barium erklärbar, das in der Dibariumcalciummolybdat-

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Elektrode vorhanden ist, verglichen mit dem Wolframat.

Die vorgenannten Elektrodenmaterialien aus fester Lösung sind bezüglich der Absorption von Feuchtigkeit und Gas ziemlich
stabil und daher während der Lampenherstellung leicht zu handhaben. Zwar ist Dibariumcalciumwolframat bereits ein verhältnismäßig stabiles Material, jedoch wurde gefunden, daß feste Lösungen von Wolframat und Molybdat noch stabiler sind. Zwar sind alle festen Lösungen innerhalb des angegebenen Molarbereiches von 9:1 bis 1:9 ziemlich zufriedenstellend, jedoch sollte vorzugsweise ein verhältnismäßig hoher Molybdatgehalt verwendet werden, um Vorteile aus der erhöhten Emissionsfähigkeit, der erniedrigten mittleren Elektrodenspitzentemperatur und der minimalen Gasabsorption während der Lampenherstellung zu ziehen. Infolgedessen sollte das vorzugsweise Molverhältnis von Wolframat zu Molybdat zwischen 1:1 und 1:4 liegen.

ES/jn 3

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Claims

drying. Ernst Stratmann

PATENTANWALT
D-4OOO DÜSSELDORF 1 - SCHADOWPLATZ 9

Püsseldorf, 16. Okt. 1977 46,614
7854

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

Patentansprüche

Hochintensive Dampfentladungslampe, bestehend aus einem strahlungsdurchlässigen Lichtbogenrohr, in dem nahe seiner Enden Elektroden derart ausgebildet und gehalten werden, 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 aufweist, dessen eines Endteil (54) nahe einem Ende des Lichtbogenrohrs (12) gehalten wird, während das andere Endteil

(54) des Metallgliedes (52) ein kurzes Stück in das Lichtbogenrohr (12) hineinragt, durch eine darüber schiebbare Wendeleinrichtung (58) aus wärmefestem Metall, das auf dem nach innen ragenden Teil (56) des langgestreckten Metallgliedes (52) getragen wird, und durch elektronenemittierendes Material (66), das von Zwischenwindungen (64) der überschiebbaren Wendeleinrichtung (58) getragen wird, wobei das elektronenemittierende Material (66) im wesentlichen aus einer festen Lösung von Dibariumcalciumwolframat (Ba₂CaWo₆) und Dibariumcalciummolybdat (Ba^CaMoOg) besteht, wobei das Molverhältnis von Wolframat zu Molybdat in einen Bereich fällt, der von 9:1 bis 1:9 reicht.

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POSTSCHECK₁BERLINWESt(BLZ 10010010) 132736-109 - deutsche bank (BLZ 30070010) 616Ο253
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochintensive Entladungslampe eine Hochdrucknatriumquecksilberdampflampe (10) ist.
3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochintensive Entladungslampe eine hochintensive Quecksilberdampf entladungs lampe (34) ist.
4. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die überschiebbare Wendeleinrichtung (58) aus einer ersten inneren Wendel (60) besteht, die direkt auf das langgestreckte Glied (50) aus wärmefestem Metall aufgewickelt ist und zwischen einzelnen Windungen (64) zwischen den Wendelenden (62) eine derartige Gangsteigung aufweist, daß sich vorbestimmte Abstände zwischen den einzelnen Windungen (64) ergeben, und daß eine zweite Wendel (68) über der ersten Wendel (60) geschoben ist und diese zweite Wendel dichte Abstände zwischen den einzelnen Windungen besitzt, und daß ein elektronenemittierendes Material (66) zwischen den zueinander einen Abstand aufweisenden einzelnen Windungen (64) der ersten Wendel (60) zwischen deren Enden

(62) trägt.
5. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis von Wolframat zu Molybdat in einen Bereich von 1:1 bis 1:4 fällt.

Beschreibung:

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