DE2951967A1

DE2951967A1 - ELECTRODE FOR A HIGH PRESSURE METAL STEAM LAMP

Info

Publication number: DE2951967A1
Application number: DE19792951967
Authority: DE
Inventors: Antonin Josef Dvorak; Elmer George Fridrich
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-12-22
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2953964C2; FR2445614A1; DE2951967C2; GB2043331B; JPS5590048A; FR2445614B1; JPS647460B2; GB2043331A

Description

description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstheizende Elektrode für Hochdruck-Metalldampflampen. Diese Elektrode kann in Metallhalogenid-Lampen eingesetzt werden, in denen man die üblichen Erdalkalioxide nicht benutzen kann, doch kann die Elektrode auch Emissionsmaterialien tragen, wenn di^s erforderlich ist. DieThe invention relates to a self-heating electrode for high pressure metal vapor lamps. This electrode can be used in metal halide lamps can be used in which the usual alkaline earth oxides cannot be used, but the electrode can also Carry emission materials if this is necessary. the

für Elektrode eignet sich besonders gut Kathodenausführungen, die für Miniatur-Metallhalogenid-Lampen geeignet sind, in denen keine Oxidemitter benutzt werden und die mit Gleichstrom mit einem Entladungsstrom von 1 Ampere oder weniger betrieben werden.cathode designs that are suitable for miniature metal halide lamps in which no oxide emitters are used and those with direct current with be operated with a discharge current of 1 ampere or less.

Bis vor kurzem war es allgemeine Ansicht, daß die Wirksamkeit von Hochleistungs-Entladungslampen unvermeidbar rasch abnimmt, beginnend bei etwa 250 Watt und Metallhalogenidlampen in Größen unterhalb von 175 Watt wurden für allgemeine Beleuchtungszwecke als unpraktisch angesehen. In der deutschen Patentanmeldung P 28 26 733 sind jedoch kleine Lampen offenbart, die bisher nicht dagewesene hohe Wirksamkeiten aufweisen. In dieser Patentanmeldung sind neue Miniatur-Metallhalogenid-Entladungslampen offenbart, die Kolbenvolumina von weniger als 1 Kubikzentimeter haben, deren Leistungen bis zu weniger als 10 Watt hinabgehen und die mit Entladungsströmen von 1 Ampere oder weniger betrieben werden. Für eine gute Wirksamkeit ist ein hohes Verhältnis von Bogenwatt, die Licht erzeugen, zu Elektrodenwatt, die dies nicht tun, erforderlich. In diesen neuen Lampen erhält man ein derartiges hohes Verhältnis, daß sich dem in größeren Lampen annähert, dadurch, daß man den Quecksilberdampfdruck erhöht, während man gleichzeitig das Entladungsvolumen verkleinert. Es ist jedoch notwendig, die erforderliche Elektrodentemperatur für eine angemessene Elektronenemission selbst mit der reduzierten Energieaufnahme zu erreichen und dies macht man in erster Linie durch Verringern der Größe der Elektroden, Zuleitungen und Enddichtung, um den Wärmeverlust davon zu reduzieren. Wird die Größe verringert, dann muß in der Feinheit passender Draht benutzt werden und dies macht die Herstellung schwieriger.Until recently, it was widely believed that the effectiveness of high-intensity discharge lamps inevitably declines rapidly, Starting at around 250 watts and metal halide lamps in sizes below 175 watts were used for general lighting purposes considered impractical. In the German patent application P 28 26 733, however, small lamps are disclosed that so far have unprecedented high efficacy. In this patent application are new miniature metal halide discharge lamps discloses having flask volumes of less than 1 cubic centimeter whose powers go down to less than 10 watts and which are operated with discharge currents of 1 ampere or less. A high ratio is essential for good effectiveness from arc watts that produce light to electrode watts that do not. In these new lamps you get a such a high ratio that approximates that in larger lamps by increasing the mercury vapor pressure, while at the same time reducing the discharge volume. However, it is necessary to have the required electrode temperature to achieve adequate electron emission even with the reduced energy intake and this is what one does in the first place by reducing the size of the electrodes, leads and end seals to reduce heat loss therefrom. Will the size reduced, then a wire of the correct gauge must be used and this makes the production more difficult.

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In Lampen, in denen die Elektroden kein Elektronen emittierendes Material im üblichen Sinne der Erdalkalimetalle oder-oxide tragen, sind die Kriterien für die Elektrodenform und den zulässigen Wärmeverlust davon viel strenger als in Lampen mit Emissionsmaterial. So sollte z. B. in einer Quecksilberdampflampe mit Bariumoxid als Emissionsmaterial, das eine Arbeitsfunktion von 1,5 bis 2 Volt hat, die Elektrodentemperatur 1500 Kelvin nicht übersteigen. Im Gegensatz dazu ist in Lampen ohne Emissionsmaterial oder solchen die von der Anwesenheit von Thorium oder Thoriumjodid in der Füllung zur Elektrodenaktivierung abhängen, mit einer Arbeitsfunktion von 3,5 bis 4,5 Elektronenvolt_/ eine Temperatur von 2500 bis 30OO ° Kelvin für eine angemessene Elektronenemission erforderlich. Andererseits verdampft Wolfram bei Temperaturen oberhalb von 3300 Kelvin mit einer solchen Geschwindigkeit, daß die kleinen Kolben der Miniaturlampen rasch schwarz werden und dies bringt eine weitere Beschränkung mit sich.In lamps in which the electrodes do not carry an electron-emitting material in the usual sense of alkaline earth metals or oxides , the criteria for the electrode shape and the permissible heat loss thereof are much more stringent than in lamps with emission material. So should z. B. in a mercury vapor lamp with barium oxide as emission material, which has a work function of 1.5 to 2 volts, the electrode temperature do not exceed 1500 Kelvin. In contrast to this, in lamps without emission material or those that depend on the presence of thorium or thorium iodide in the filling for electrode activation, with a work function of 3.5 to 4.5 electron volts _/ a temperature of 2500 to 30000 ° Kelvin is adequate Electron emission required. On the other hand, at temperatures above 3300 Kelvin, tungsten evaporates at such a rate that the small bulbs of the miniature lamps quickly turn black, and this introduces another limitation.

Wird eine Lampe mit Wechselstrom betrieben, dann dient jede Elektrode alternierend als Kathode und Anode und das Erhitzen des Kathodenhalbzyklus wird durch das des Anodenhalbzyklus ergänzt und dies führt zu einer Betriebstemperatur, die von der Kathodenfunktion weniger abhängig ist. Wenn daher eine Elektrode, die in einer Wechselstromschaltung bei einem gegebenen effektiven Strom ausreichend Wärme für ihre Kathodenfunktion erhielt, als Kathode in einer Gleichstromschaltung benutzt wurde, dann mag sie nicht länger ausreichend Wärme bei dem gleichen Strom erhalten. Es ist daher wirtschaftlich vorteilhaft, Miniatur-Metalldampf lampen mit Gleichstrom unter Verwendung von Transistoren oder Festköijprsteuerelementen in der Zünd- und Vorschaltgerätschaltung zu betreiben. Die Kathode muß daher so beschaffen sein, daß sie den Energieausgleich richtig handhabt, um sicherzustellen, daß der heiße Fleck der Kathode rasch seine Betriebstemoeratur während des Zündens erreicht und sie während des Laufens nicht übersteigt. Ist dies der Fall, dann sind Beschädigung der Kathode und Kolbenschwärzung minimal. Diese Anforderungen, zusätzlich zu den, die von der geringen Größe und dem kleinen Betriebsstrom stammen, müssen alle erfüllt werden,If a lamp is operated with alternating current, each electrode serves alternately as a cathode and anode and for heating of the cathode half cycle is supplemented by that of the anode half cycle and this leads to an operating temperature which is different from the Cathode function is less dependent. Therefore, if an electrode used in an AC circuit at a given effective Electricity received sufficient heat for its cathode function when the cathode was used in a DC circuit, then may it no longer receive sufficient heat from the same current. It is therefore economically advantageous to use miniature metal vapor lamps with direct current using transistors or Festköijprsteuerelemente in the ignition and ballast circuit to operate. The cathode must therefore be designed in such a way that it handles the energy balance correctly, to ensure that the hot spot of the cathode quickly reaches its operating temperature during ignition and it during of running does not exceed. If this is the case, then damage to the cathode and bulb blackening are minimal. These Requirements, in addition to those arising from the small size and small operating current, must all be met,

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wenn eine.Miniatur-Metallhalogenidlampe befriedigend mit Gleichstrom betrieben werden soll.when a miniature metal halide lamp works satisfactorily with direct current should be operated.

Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung neuer selbstheizender Elektroden allgemeiner Brauchbarkeit, die mit oder ohne Erdalkali-Emissionsmaterial betrieben werden können und die anpassbar sind an einen weiten Bereich von Betriebsströmen. Mehr im besonderen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kathode zu schaffen, die besonders geeignet ist für Miniatur-Metallhalogenid-Bogenlampen, die mit Gleichstrom als Entladungsstrom von 1 Ampere oder weniger betrieben werden. Die Elektrode soll eine maximale Elektrodenoberfläche haben, einen minimalen Wärmeverlust von der Elektrode durch Leitung in den Dichtungsbereich und sie soll stabil sein und leicht herstellbar.The general object of the present invention is to provide new self-heating electrodes of general utility, which can be operated with or without alkaline earth emission material and which are adaptable to a wide range of operating currents. More particularly, the object of the present invention is to provide a cathode that is particularly is suitable for miniature metal halide arc lamps that use Direct current operated as a discharge current of 1 ampere or less will. The electrode should have a maximum electrode surface area, a minimum heat loss from the electrode by line in the sealing area and it should be stable and easy to manufacture.

Eine Elektrode gemäß der Erfindung umfaßt eine hohle Wendel aus hochschmelzendem Draht, der mit einer Uberwicklung versehen ist, der die Windungen der Wendel voneinander getrennt hält, so daß die leitende Wärmeströmung gezwungen ist, einem langen wendelartigen Pfad zu folgen. Die Überwicklung gestattet eine Zunahme der totalen Elektrodenoberfläche und gleichzeitig stellt die Anordnung einen geringen Leitungsverlust in dem Dichtungsbereich sicher. An electrode according to the invention comprises a hollow helix high-melting wire, which is provided with an overwinding that keeps the turns of the helix separated from each other, so that the conductive heat flow is forced to follow a long helical path. Overwinding allows one Increase in the total electrode surface and at the same time the arrangement ensures a low conduction loss in the sealing area.

In einer bevorzugten Ausführungsform, die geeignet ist für Miniatur-Metallhalogenidlampen, schafft die Uberwicklung auf der Wendel eine optimale Zahl von quasi Punktkontaktabstandshaltern zwischen den Wicklungen der Wendel, um die strukturelle Starrheit zu ergeben, ohne die axiale Wärmeströmung merklich zu erhöhen. Die Elektrode umfaßt eine Wendel wie beschrieben, die auf einen Schaft geklemmt ist und die in einer festen Kappe enden kann, die man durch Zurückschmelzen einiger Wicklungen des distalen Endes erhalten hat. Der Draht der Wendel kann torsionsmäßig belastet sein, damit die Windungen gegen die Abstandshalter gepreßt werden und besondere Starrheit erhalten wird.In a preferred embodiment, which is suitable for miniature metal halide lamps, the overwinding on the helix creates an optimal number of quasi point contact spacers between the turns of the coil to provide structural rigidity without appreciably increasing the axial heat flow. The electrode comprises a coil as described, which is clamped onto a shaft and which is in a fixed cap obtained by melting back some windings of the distal end. The wire of the helix can be torsion-wise be loaded so that the turns are pressed against the spacers and particular rigidity is obtained.

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Eine/bptimalisierte Elektrode muß in der Lage sein, während der verschiedenen Betriebsmodi , die während des Lampenbetriebes vorkommen, ihren Dienst zu tun, wie beim Durchbruch, beim übergang von der Glimm- zur Bogenentladung, während des normalen Betriebes, der Wechselstrom-oder Gleichstrombetrieb sein kann und während des heißen Wiederstartens nach einem temporären Energieausfall. Eine gegebene Elektrode hat eine spezifische Struktur und einen spezifischen Oberflächenzustand einschließlich der Emissionsmischung, eine spezifische Gestalt, einschließlich der Oberflächenkrümmung, die das elektrische Feld beeinflussen kann, eine spezifische Massenverteilung und einen besonderen thermischen Ausgleich zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeverlust in der Struktur. Die vorliegende Erfindung schafft eine Elektrodenart, die einen weiten Bereich unabhängiger Parameter bietet, die variiert werden können, um die erwünschte Optimalisierung zu erhalten. Zu diesen Parametern gehören das hochschmelzende Metall, z. B. Wolfram, das für die Struktur ausgewählt wird, das Emissionsmaterial wie ein überzug, wenn ein solcher benutzt wird und insbesondere die physikalischen Abmessungen in der Struktur, die im folgenden als Dorndurchmesser, Durchmesser des Überwicklungsdrahtes, Abstand bzw. Steigung der Überwicklung auf dem Dorn, Festigkeit der Überwicklung auf dem Dorn, Schaftoder Zuleitungsdurchmesser und -einführungslänge, Gesamtlänge der Elektrode und Spitzen- oder Endkappengröße bezeichnet sind. All diese Abmessungen können variiert werden, um die erwünschte Optimalisierung zu erhalten.An optimalized electrode must be able to perform during the different operating modes that occur during lamp operation to do their job, as with breakthrough, with transition from glow to arc discharge, during normal operation, can be alternating current or direct current operation and during hot restart after a temporary power failure. A given electrode has a specific one Structure and a specific surface condition including the emission mixture, a specific shape including the surface curvature that affects the electric field can, a specific mass distribution and a special thermal balance between heat generation and heat loss in the structure. The present invention provides a type of electrode which offers a wide range of independent parameters, which can be varied to obtain the desired optimization. These parameters include the high melting point Metal, e.g. B. Tungsten, which is selected for the structure, the emissive material such as a coating if one is used and in particular the physical dimensions in the structure, hereinafter referred to as the mandrel diameter, diameter of the Overwinding wire, distance or pitch of the overwinding on the mandrel, strength of the overwinding on the mandrel, shaft or Lead diameter and lead-in length, total length of the electrode and tip or end cap size are. All of these dimensions can be varied in order to obtain the desired optimization.

Wenn eine Elektrode als Kathode mit Gleichstrom arbeitet, dann sind die Kräfte, die den Punkt des Bogenangriffes gegen die Spitze treiben, sehr viel geringer, als wenn die gleiche Elektrode abwechselnd als Kathode und Anode mit Wechselstrom arbeitet. Wenn eine Elektrode als Anode arbeitet, dann sammeln sich die Elektronen an dem Punkt der geringsten Trennung vonIf an electrode works as a cathode with direct current, then these are the forces that act against the point of the arc The point drift is much less than when the same electrode works alternately as a cathode and anode with alternating current. When an electrode works as an anode, the electrons collect at the point of least separation from

der der gegenüberliegenden Elektrode, nämlich an Spitze und die Spitze wird dadurch aufgeheizt. Beim Wechselstrombetrieb baut sich die Spitzentemperatur bei den aufeinanderfolgenden Anodenhalbzyklen auf. Dieser Temperaturaufbau verstärkt die Emission an der Spitze und erleichtert den übergang des heißen Fleckesthat of the opposite electrode, namely at the tip and the tip is heated up as a result. Builds in AC operation the peak temperature occurs in the successive anode half-cycles. This temperature build-up increases the emission at the top and facilitates the transition of the hot spot

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dorthin während des Kathodenhalbzyklus. Beim Gleichstrombetrieb gibt es keine solche Kraft, die den heißen Fleck gegen die Spitze treibt. Die erfindungsgemäße Elektrode liefert jedoch noch eine andere Antriebskraft, die sie besonders geeignet für Gleichstrombetrieb mächt. Die Antriebskraft wächst durch den Widerstandsverlust in dem langen Spiralpfad, dem der Strom folgen muß, verbunden mit der thermischen Isolation zwischen der Elektrodenspitze und der Wärmefalle an der Dichtung. Die übergangscharakteristika bei der raschen und für die Elektrode schadensfreien Bewegung des Bogenendes zur Spitze sind denen üblicher Elektroden, die eine Wicklung um den Schaft benutzen, wobei die Schaftspitze durch die Wicklung hervorsteht, sehr viel überlegen.there during the cathode half cycle. With DC operation, there is no such force as the hot spot against the tip drives. However, the electrode according to the invention also provides another driving force which makes it particularly suitable for direct current operation might. The driving force increases due to the drag loss associated with the long spiral path that the current must follow with the thermal insulation between the electrode tip and the heat trap on the seal. The transition characteristics in the rapid and damage-free movement of the end of the arc to the tip are those of common electrodes, that use a wrap around the shaft with the shaft tip protruding through the wrap, far superior.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:The invention is described below with reference to the drawing explained in more detail. Show in detail:

Figur 1 eine Miniatur-Entladungslampe für Gleichstrombetrieb und eine erfindungsgemäße Kathode mit einem Maßstab darüber,FIG. 1 shows a miniature discharge lamp for direct current operation and a cathode according to the invention with a scale above it,

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht einer Kathode gemäß der Erfindung, Figure 2 is an enlarged view of a cathode according to the invention,

Figur 3 eine vergrößerte Ansicht des primären Uberwicklungsdrahtes, der offen auf den Primärdorn gewickelt ist,Figure 3 is an enlarged view of the primary winding wire, which is wound openly on the primary mandrel,

Figur 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Kathode, die stärker vergrößert ist, als die nach Figur 2 undFigure 4 is a partially sectioned side view of the invention Cathode, which is enlarged more than that of Figure 2 and

Figur 5 eine Endansicht der Kathode der Figur 4.Figure 5 is an end view of the cathode of Figure 4.

Während die erfindungsgemäße Elektrode in jeder Lampengröße einschließlich solcher mit einem hohen Strom brauchbar ist, ist sie besonders wertvoll für Miniatur-Metallhalogenidlampen, wie sie in der oben genannten deutschen Patentanmeldung beschrieben sind.While the electrode according to the invention in every lamp size including such is useful with a high current, it is particularly valuable for miniature metal halide lamps such as they are described in the above-mentioned German patent application.

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Ein Beispiel einer Miniatur-Metallhalogenidlampe ist in Figur dargestellt und diese Lampe weist ein kleines Bogenrohr 1 auf, dessen Größe unter Zuhilfenahme des darüber liegenden Maßstabes beurteilt werden kann. In einem spezifischen Beispiel beträgt in einer 35 Watt-Lampe der dargestellten Art der Innendurchmesser der Bogenkammer 6 bis 7 mm. Der Kolben besteht aus Quarz oder geschmolzenem Siliziumdioxid und umfaßt einen zentralen Kolbenteil 2, der durch Ausdehnung des Quarzrohres gebildet werden kann, sowie Halsteile 3, 3¹, die durch Zusammenfallenlassen oder Vakuumdichten des Rohres um Molybdänfolien teile 4, 4¹ von Elektroden-Zuleitungsbaueinheiten gebildet werden. Die Zuleitungen 5, 5', die an den Folien angeschweißt sind, stehen nach außen aus den Hälsen hervor, während die Elektrodenschäfte 6, 6', die an die gegenüberliegenden Seiten der Folien geschweißt sind, sich durch die Hälse in den Kolbenteil erstrecken. Der Kathodenschaft kann Wolfram oder Molybdän sein, was die Neigung zum Rückzünden verringert.An example of a miniature metal halide lamp is shown in the figure and this lamp has a small arc tube 1, the size of which can be assessed with the aid of the scale above. In a specific example, in a 35 watt lamp of the type shown, the inside diameter of the arc chamber is 6 to 7 mm. The piston is made of quartz or fused silicon dioxide and comprises a central piston part 2, which can be formed by expanding the quartz tube, and neck ^{parts 3, 3 1} , which are formed by collapsing or vacuum sealing the tube around molybdenum foils 4, 4 ¹ of electrode lead assemblies will. The leads 5, 5 ', which are welded to the foils, protrude outwards from the necks, while the electrode shafts 6, 6', which are welded to the opposite sides of the foils, extend through the necks into the piston part. The cathode shaft can be tungsten or molybdenum, which reduces the tendency to re-ignite.

Eine geeignete Füllung für den Kolben umfaßt Argon oder ein anderes Inertgas mit einem Druck von mehreren 10 Torr als Zündgas und eine Ladung aus Quecksilber und einem oder mehreren Metallhalogeniden. Eine bevorzugte Füllung umfaßt NaJ, ScJ₃ und ThJ₄. Die Ladung kann durch einen der Hälse in die Bogenkammer eingeführt werden, bevor man die zweite Elektrode eindichtet in welchem Falle die Bogenkammer während der Abdichtung des Halses gekühlt wird, um eine Verdampfung der Ladung zu verhindern. Diese Ladung kann aber auch durch ein Entlüftungsrohr eingeführt werden, daß sich von der Seite des Kolbens aus erstreckt, das dann durch Abschmelzen beseitigt wird. Das Bogenrohr wird üblicherweise innerhalb eines äußeren Schutzkolbens oder einer Umhüllung (nicht dargestellt) montiert mit einem Sockel, mit dessen Kontaktenden die Zuleitungen 5, 5* des Bogenrohres verbunden sind.A suitable filling for the flask comprises argon or another inert gas at a pressure of several tens of Torr as an ignition gas and a charge of mercury and one or more metal halides. A preferred filling comprises NaI, ScI ₃ and ThI ₄ . The charge can be introduced into the arc chamber through one of the necks before sealing the second electrode in which case the arc chamber is cooled while the neck is being sealed to prevent evaporation of the charge. This charge can also be introduced through a vent tube that extends from the side of the piston, which is then removed by melting. The curved tube is usually mounted inside an outer protective bulb or a sheath (not shown) with a base, with the contact ends of which the leads 5, 5 * of the curved tube are connected.

In einer Gleichstromlampe ist die Anode einfach ein Elektronenkollektor und ein Leiter, wie die Zuleitung 6¹, der sich in den Kolben erstreckt, reicht aus, vorausgesetzt, er hat eineIn a DC lamp, the anode is simply an electron collector and a conductor such as lead 6 ¹ extending into the bulb is sufficient provided it has one

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ausreichende Hitzeabstrahlungskapazität. Die Anode wird aus einem hochschmelzenden Metall, geeigneterweise Wolfram hergestellt und ihre Spitze kann während des Betriebes langsam erodieren. Um eine solche Erosion zu vermindern und den Betrieb zu stabilisieren, kann auf der Spitze der Zuleitung 6* ein vergrößerter Kopf oder eine Kugel 7 geschaffen werden, indem man einen Plasmabrenner auf das obere Ende des Drahtes hält, während man ihn aufrechthält. Beispielsweise besteht bei der dargestellten Lampe die Anode aus Wolfram und der Schafc^nen Durchmesser von etwa 0,175 mm und die Kugel 7 einen Durchmesser von etwa 0,5 mm haben.sufficient heat dissipation capacity. The anode is made of a refractory metal, suitably tungsten and their tip can slowly erode during operation. To reduce such erosion and keep the operation To stabilize, an enlarged head or a ball 7 can be created on the tip of the supply line 6 * by adding hold a plasma torch on top of the wire while holding it upright. For example, the The lamp shown has the anode made of tungsten and the sheep Diameter of about 0.175 mm and the ball 7 have a diameter of about 0.5 mm.

Die Erfindung bezieht sich im besonderen auf die Kathodenstruktur 10, die auf dem Ende der Zuleitung 6 gebildet oder befestigt ist. Wie am besten in Figur 2 oder in den Figuren 4 und 5 ersichtlich, umfaßt die Kathode eine hohle Wendel 11, die aus einem spulenförmigen primären Dorn 12 besteht, um dessen Wicklungen ein kleinerer primärer Draht gewickelt ist, der eine Überwicklung 13 bildet. Sowohl der primäre Dorn als auch der primäre Draht sind in der fertigen Kathode gehalten. Die Drähte bestehen aus Wolfram oder einem anderen hochschmelzenden Metall, das für Elektroden geeignet ist.The invention relates in particular to the cathode structure 10, which is formed on the end of the lead 6 or is attached. As can best be seen in Figure 2 or in Figures 4 and 5, the cathode comprises a hollow helix 11, which consists of a coil-shaped primary mandrel 12 to the Windings a smaller primary wire is wound, which forms an overwinding 13. Both the primary spine and the primary wires are held in the finished cathode. The wires are made of tungsten or some other high melting point Metal suitable for electrodes.

Wie in Figur 3 gezeigt, ist der Überwicklungsdraht 13' um den Dorn 12' gewickelt, so daß beim dichten Wickeln des Verbundkörpers 12' und 13' um einen sekundären Dorn zur Herstellung der Wendelstruktur 11 die Wicklungen der Überwicklung einen Abstand eines Drahtdurchmessers 13 zwischen den Wicklungen 12 des primären Domes schaffen, der die Hauptwendel 11 bildet.As shown in Figure 3, the wrap wire 13 'is wrapped around the mandrel 12' so that when the composite body is tightly wrapped 12 'and 13' around a secondary mandrel for producing the helical structure 11, the windings of the overwinding Create a distance of a wire diameter 13 between the windings 12 of the primary dome which forms the main helix 11.

Die erfindungsgemäße Wendelelektrode mit der Überwicklung erfüllt die oben genannten Kriterien für eine gute Bauart, nämlich maximale Oberfläche für einen rascheren Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung und gesteuerten Wärmeleitungsverlust in die Dichtung. Die Oberfläche der Wendel ist groß im Vergleich mit der einer Schaftelektrode, selbst einer mit Überwicklung. Der lange Wendelpfad, dem die Leitungswärme von derThe spiral electrode according to the invention with the overwinding fulfills the criteria mentioned above for a good design, namely maximum surface area for a faster transition from glow to arc discharge and controlled heat conduction loss in the seal. The surface of the filament is large compared to that of a shaft electrode, even one with an overwinding. The long spiral path that the conduction heat from the

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Elektrodenspitze folgen muß, verringert den Wärmeverlust im Vergleich zu dem bei einer Schaftelektrode stark. Die Uberwicklung stellt durch Stützpunkte zwischen den Stützpunkten der Wendel die strukturelle Starrheit bzw. Festigkeit der Elektrode sicher, die bei einer kleinen Elektrode besonders schwer zu erreichen ist.Must follow the electrode tip greatly reduces the heat loss compared to that of a shaft electrode. The overdraft provides the structural rigidity or strength of the electrode through support points between the support points of the helix safe, which is particularly difficult to reach with a small electrode.

Die Dichte der Windungen 13' der Uberwicklung auf dem Dorndraht 12', d. h. das Abstandsverhältnis, ist durch Faktoren bestimmt, wie Elektrodenoberfläche, thermische Leitfähigkeit und strukturelle Festigkeit mit den erforderlichen Kompromissen dazwischen. Es ist für die Stabilität erwünscht, mindestens drei gleichmäßig verteilte Abstandshalter pro Windung des primären Dornes zu haben, was bedeutet, daß der Winkelintervall zwischen den Stützpunkten nicht viel weniger als 120 betragen kann. Weniger als 3 Stützpunkte verringern die Starrheit und nur zwei Stützpunkte pro Windung, entsprechend 180 Winkelgraden zwischen den Stützpunkten, sind natürlich nicht ausreichend. Eine Dichte bzw. ein Abstandsverhältnis von 1 1/2 Wicklungen des Uberwicklungsdrahtes 13' pro Wicklung des primären Dornes 12 erzeugt drei Stützpunkte pro Wicklung in der Elektrodenstruktur. Diese Verteilung ist jedoch unsicher und wenn die Stützpunkte nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wenn die Überwicklungswindungen ineinandergreifen, dann kann die Festigkeit bzw. Starrheit vermindert werden. Aus diesem Grunde ist ein Minimum von drei Überwicklungswindungen 13' pro Wicklung des Primärdornes 12' bevorzugt, wie in der Zeichnung dargestellt. Dies führt zu 6 Ruhe- bzw. Stützpunkten, die selbst unter der schlimmsten Bedingung des Paarens von Restpunkten, was diese von 6 auf 3 reduzieren würde, die Starrheit sicherstellen.The density of the turns 13 'of the overwinding on the mandrel wire 12 ', d. H. the distance ratio is determined by factors such as electrode surface area, thermal conductivity and structural strength with the necessary tradeoffs in between. It is desirable for stability, at least to have three evenly spaced spacers per turn of the primary mandrel, which means that the angular interval between the bases cannot be much less than 120. Less than 3 support points reduce the rigidity and only two support points per turn, corresponding to 180 degrees of angle between the support points, are of course not sufficient. A density or a spacing ratio of 1 1/2 turns of the winding wire 13 'per turn of the primary mandrel 12 creates three support points per winding in the electrode structure. However, this distribution is uncertain and if the Support points are not evenly distributed over the circumference, if the winding turns interlock, then can the strength or rigidity can be reduced. For this reason, a minimum of three winding turns 13 ' per winding of the primary mandrel 12 'is preferred, as in the drawing shown. This leads to 6 rest or support points, which even under the worst condition of pairing residual points, which would reduce this from 6 to 3, ensure rigidity.

und
Die Trennung die resultierende thermische Isolation zwischen den primären Dornwindungen, die die Uberwicklung sicherstellt, ist im späteren Leben der Kathode noch wichtiger, wenn das Sintern bei Abwesenheit von Abstandshaltern die Neigung zu einem thermischen Kontakt zwischen den Dornwicklungen erhöhenand
The separation, the resulting thermal insulation between the primary mandrel windings, which ensures the overwinding, is even more important in the later life of the cathode, when sintering in the absence of spacers increases the tendency for thermal contact between the mandrel windings

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würde. Mit der durch die vorliegende Erfindung gegebenen Struktur macht das Sintern die Wendel nur zu einer mechanisch festeren Struktur_/ohne die Wärmeströmungseigenschaften merklich zu verändern. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber anderen Strukturen, wie Schlaufenelektroden, die die Gestalt während des Betriebes der Lampe ändern, insbesondere wenn die Schlaufen aus feinem Draht gemacht sind, wie dies für Miniaturlampen erforderlich ist.would. With the structure given by the present invention, the sintering only makes the helix a mechanically stronger structure _/ without noticeably changing the heat flow properties. This is a great advantage over other structures, such as loop electrodes, which change shape during operation of the lamp, especially when the loops are made of fine wire, as is required for miniature lamps.

Die Wendel 11 wird in einer Weise an der Zuleitung 6 befestigt, daß sie distal in dem Kolben hervorsteht. Ein bequemer Weg dies zu tun_ybesteht im Aufklemmen der Wendel auf das Ende der Drahtzuleitung oder des Schaftes 6. Für eine solche Befestigung wird der Durchmesser des Axialhohlraumes der Wendel etwas kleiner gemacht als der Durchmesser des Zuleitungsdrahtes. Dies führt zu einer leichten Ausdehnung der Wendel über die Strecke 15, wenn sie über die Zuleitung geschraubt wird und sichert einen festen Griff. Trägt die Wendel eine Uberwicklung, dann verhindert sie einen direkten Kontakt zwischen dem Draht 12 der Wendel und dem Schaft 6 und stellt so eine geringe Wärmeleitung in dem Schaft sicher. Eine andere bequeme Festigungsart besteht im Schweißen, die angewendet werden kann, wenn eine größere thermische Leitung in den Schaft erwünscht ist.The helix 11 is attached to the lead 6 in such a way that it protrudes distally in the piston. A convenient way to do this is to _y knifes of the helix to the end of the wire lead or the shaft 6. For such an attachment is made somewhat smaller than the diameter of the axial cavity of the helix than the diameter of the lead wire. This leads to a slight expansion of the helix over the section 15 when it is screwed over the supply line and ensures a firm grip. If the coil has an overwinding, then it prevents direct contact between the wire 12 of the coil and the shaft 6 and thus ensures low heat conduction in the shaft. Another convenient type of tightening is welding, which can be used when greater thermal conduction into the shaft is desired.

In Figur 4 ist die Wendel kürzer und es sind weniger Windungen auf den Schaft bzw. Zuleitungsdraht geklemmt als in Figur 2. Die erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration erleichtert solche Ausführungsvariationen, um den erwünschten Wärmeausgleich zu erzielen. Der Teil 15 der Elektrode, der den Schaft 6 umgreift, kann in dem Siliziumdioxid des Lampenkolbens eingebettet sein, wie in Figur 1 gezeigt, was ein Zentrieren der Elektrode im Kolben bei der Dichtungsstufe der Lampenherstellung erleichtert.In FIG. 4, the helix is shorter and fewer turns are clamped onto the shaft or lead wire than in FIG. 2. The electrode configuration according to the invention facilitates such design variations in order to achieve the desired heat balance achieve. The part 15 of the electrode that engages around the shaft 6 can be embedded in the silicon dioxide of the lamp bulb, as shown in Figure 1, which facilitates centering the electrode in the envelope at the sealing stage of lamp manufacture.

In den Figuren 1 und 2 endet die Elektrode 10 in einer Kappe 14. Ein solches Ende schafft eine Stelle, an dem sich ein heißer Fleck entwickeln kann, an dem der Bogen während des normalen Betriebes haftet und die Erosionsgeschwindigkeit der ElektrodeIn Figures 1 and 2, the electrode 10 ends in a cap 14. Such an end creates a point at which a hot May develop spot to which the arc will adhere during normal operation and the rate of erosion of the electrode

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reduziert. Eine Endkappe kann einfach durch Erhitzen des Endes der Elektrode gebildet werden, geeigneterweise mit einem Plasmabrenner und Zurückschmelzen der letzten Wicklungen der Wendel. Es kann aber auch eine kleine Masse eines geeigneten hochschmelzenden Metalles auf das distale Ende der Wendel 11 geschweißt oder gesintert werden.reduced. An end cap can be formed simply by heating the end of the electrode, suitably with a plasma torch and melting back the last turns of the coil. However, a small mass of a suitable refractory metal can also be welded onto the distal end of the helix 11 or be sintered.

In Figur 4 ist die Wendel nicht durch eine feste Endkappe abgeschlossen und Figur 5 zeigt lediglich die Elektrode in Endansicht. Während des Betriebes findet ein leichtes Zusammensintern des Wendeldrahtes 12 und des Uberwicklungsdrahtes 13 statt, insbesondere am distalen Ende, wo der heiße Fleck während des Betriebes haftet. In einer Metallhalogenidlampe, in der Thoriumjodid vorhanden ist, kann eine bloße Elektrode, wie sie dargestellt ist, benutzt werden. In anderen Metalldampflampen mag ein überzug aus elektronenemittierendem Material erwünscht sein und in einem solchen Falle sind die Wendelstruktur und die Uberwicklung brauchbar,den überzug festzuhalten.In Figure 4, the coil is not closed by a fixed end cap and Figure 5 shows only the electrode in end view. They easily sinter together during operation of the helical wire 12 and the winding wire 13 instead, especially at the distal end, where the hot spot during of the company is liable. In a metal halide lamp in which thorium iodide is present, a bare electrode such as it is shown can be used. In other metal halide lamps, a coating of electron-emitting material may be used may be desirable and in such a case the helical structure and wrap are useful to hold the coating in place.

Gemäß einem wahlweisen Merkmal der vorliegenden Erfindung kann eine noch größere strukturelle Starrheit erzielt werden, indem man die Windungen der Wendel durch überdrehen vorbelastet. Eine solche größere Starrheit kann relativ bedeutender werden, wenn Lampe und Elektrode miniaturisiert werden. Wird der Draht zu einer Spule gewickelt, dann fügt man eine Verdrehung um 360 pro Schleife ein. Dies ist leicht ersichtlich, wenn man einen Faden seitwärts von einer Spule abzieht, anstatt sie abzurollen. Eine Verdrehung um 360 erscheint in dem Faden für jede von der Spule abgezogene Schlaufe. Legt man in den Faden bzw. den Draht eine Verdrehung von mehr als 360 pro Schlaufe, dann kann man sie als überdreht oder vorbelastet bezeichnen und das Ergebnis ist eine eingebaute Torsionsspannung, die im Falle einer enggewickelten Wendel aus elastischem Draht die Windungen seitlich gegeneinander vorbelastet und sie in engem Seite-an-Seite Kontakt hält. Dies kann man in vorbelasteten Federn beobachten, wie sie häufig zum Schließen von Sicherheitstüren in Häusern benutzt werden. Die Feder dehntAccording to an optional feature of the present invention, even greater structural rigidity can be achieved, by preloading the turns of the helix by overwinding. Such greater rigidity can be relatively significant when the lamp and electrode are miniaturized. If the wire is wound into a spool, then one is added Rotation of 360 per loop. This can easily be seen when pulling a thread sideways from a bobbin, instead of unrolling them. A 360 twist appears in the thread for each loop withdrawn from the bobbin. If you lay in the thread or the wire a twist of more than 360 per loop, then it can be considered over-twisted or biased denote and the result is a built-in torsional stress, which in the case of a tightly wound coil made of elastic Wire biases the turns laterally against each other and keeps them in close side-by-side contact. This can be seen in preloaded Observe springs as they are often used to close security doors in homes. The spring stretches

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sich nicht und die Windungen öffnen sich nicht, bevor nicht eine gewisse Minimalkraft überschritten wird und danach ist die Dehnung proportional der Überschußkraft über die Minimalkraft. Diese Minimalkraft entspricht der eingebauten Torsionsspannung oder Vorlast, die die Wicklungen zusammenspannt.do not and the coils do not open until a certain minimum force is not exceeded and after that is the elongation proportional to the excess force over the minimum force. This minimum force corresponds to the built-in torsional stress or Preload that clamps the windings together.

Ein überdrehter oder vorbeladener Zustand kann erhalten werden, indem man eine Verdrehung in der richtigen Richtung in den Verbundkörper 12', 13* hineinlegt, vor oder während man ihn um den sekundären Dorn spult. Es gibt zwei Spulen, die in der Elektrodenstruktur auftreten. Die der Überwicklung 13* um den Dorn 12' (Figur 3) und die des Verbundkörpers 12, 13 (Figur 2) um einen Dorn, der nicht gezeigt ist _f aber allgemein dem Schaft 6 entspricht. Sind beide Spulen in der gleichen Richtung gewickelt, beide links und rechts, dann hat die Endstruktur die Überwicklung 13 fest auf dem Dorndraht 12. Sind die Spulen jedoch in entgegengesetzten Richtungen gewickelt, dann wird das abschließende Wickeln dazu führen, das sich der Überwicklungsdraht 13 auf seinem Dorn 12 löst. Dies erzeugt einen Abstand zwischen den beiden und legt mehr Elektrodenoberfläche fiei und erzeugt Spalte für die Emissionsmischung. Der Spalt kann auch als Konzentrator für ein elektrisches Feld dienen. Diese Wirkung kann über einen weiten Bereich benutzt werden, um diese distalen Eigenschaften der Elektrode zu variieren.An over-tightened or pre-loaded condition can be obtained by applying a twist in the correct direction in the composite body 12 ', 13 * before or while winding it around the secondary mandrel. There are two coils that appear in the electrode structure. Which the overwrap 13 * around the mandrel 12 '(Figure 3) and that of the composite body 12, 13 (Figure 2) around a mandrel, which is not shown, but corresponding generally to _f the shaft. 6 If both coils are wound in the same direction, both left and right, then the end structure has the overwinding 13 firmly on the mandrel wire 12. However, if the coils are wound in opposite directions, then the final winding will result in the overwinding wire 13 being wound up his mandrel 12 solves. This creates a gap between the two and adds more electrode surface area and creates gaps for the emission mixture. The gap can also serve as a concentrator for an electric field. This effect can be used over a wide range in order to vary these distal properties of the electrode.

Das folgende ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kathode für eine 35 Watt-Metallhalogenidlampe, die mit einem Gleichstrom im Bereich von 200 bis 500 Milliampere arbeitet. Der Primärdraht 13* besteht aus Wolfram mit einem Durchmesser von 0,067 Millimetern und der Primärdorn 12' besteht aus Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,175 mm. Die primäre Spule ist relativ offen und sie hat geeigneterweise einen Fortschritt von etwa dem einfachen bis zum doppelten des Dorndurchmessers, d. h. 0,35 mm pro Wicklung wobei es das Ziel ist.etwa 3 Wicklungen des Wicklungsdrahtes um den primären Dorn pro Wicklung des primären Domes um den sekundären Dorn zu haben. Vor dem Spulen um den sekundären Dorn wird der Verbunddraht, der vomThe following is an example of a cathode according to the invention for a 35 watt metal halide lamp running on a direct current operates in the range of 200 to 500 milliamperes. The primary wire 13 * consists of tungsten with a diameter of 0.067 millimeters and the primary mandrel 12 'consists of tungsten wire with a diameter of 0.175 mm. The primary coil is relatively open and suitably has an advance of about one to two times the mandrel diameter, d. H. 0.35mm per turn where the goal is about 3 turns of winding wire around the primary mandrel per turn of the primary mandrel around the secondary mandrel. Before the Coils around the secondary mandrel is the composite wire that is dated

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primärenSpulen erhalten wird, mit etwa einer Umdrehung pro Zoll vorgedreht. War die primäre Spule eine übliche rechtshändige Spule, dann erfolgt auch das Vorverdrehen rechts herum, was dazu führt, daß sich die Überwicklung leicht löst. Schließlich wird der Verbundkörper mit einer linksgeführten Spule um einen etwa 0,175 mm dicken sekundären Dorn gewickelt. In diesem Beispiel führt die Wicklungsreihenfolge zu einem leichten Lösen der Uberwicklung. Der sekundäre Dorn ist Molybdän und er wird mit Salpeter und Schwefelsäure herausgelöst, die die Wolframdrähte nicht angreifen und dann klemmt man die Wendel auf einen Zuleitungsdraht mit einem Durchmesser von mehr als 0,225 mm, um einen guten Griff sicherzustellen-primary coils is obtained at about one revolution per inch pre-turned. If the primary spool was a normal right-handed spool, the pre-twisting also takes place clockwise, which causes the overwinding to come off easily. Finally, the composite body is fitted with a left-handed coil around one wrapped about 0.175 mm thick secondary mandrel. In this example, the winding order results in an easy loosening the overdraft. The secondary mandrel is molybdenum and it is leached out with nitric and sulfuric acid, which the tungsten wires do not attack and then you clamp the coil on a lead wire with a diameter of more than 0.225 mm, around a ensure a good grip

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Claims

Expectations

1 / Electrode for a high pressure metal vapor lamp, characterized by a hollow filament from a high-melting metal wire and an openly wound overwinding on the turns of the helix, the Gives spacers between the turns mentioned and so gives the helix rigidity.

2. Electrode according to claim 1, characterized in that the overwinding is considerable Increase in emitting surface area results in no significant increase in axial heat flow, to achieve heat balance.

3. Electrode according to claim 1, characterized that the diameter of the winding wire is smaller than that of the wire forming the helix.

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4. An electrode according to claim 1, characterized in that the number of the spacers formed per turn of the helix at least three approaches ■ to obtain the desired structural rigidity.

5. Electrode according to claim 1, characterized in that a length of the hollow coil on one Lead made of refractory metal is attached and protrudes distally therefrom.

6. Electrode according to claim 5, characterized in that the length of the hollow coil on the The end of the lead wire made of refractory metal is clamped.

7. Electrode according to claim 1, characterized in that the distal end of a metal cap is completed.

8. An electrode according to claim 7, characterized in that the cap is the result of melting back of some distal end turns of the coil.

9. Electrode according to claim 1, characterized that the wire of the helix was torsionally biased around the windings against the spacers to press.

10. Metal halide arc lamp with a light transmitting bulb, which contains an ionizable filling and electrodes that are connected to supply lines that are sealed in the flask are, with at least one electrode serving as a cathode, characterized in that that the cathode comprises a hollow coil of refractory metal extending from the lead and an openly wound overwind on the turns of the helix, creating spacers between the windings

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and add rigidity to the coil without causing a significant increase in heat loss by dissipation to the supply line result.

11. arc tube according to claim 10, characterized g e characteristic This means that the length of the hollow coil corresponds to the end of the refractory metal lead is clamped.

12. Arch tube according to claim 11, characterized in that the piston consists of molten silicon dioxide and at least part of the clamped end of the helix is embedded together with the supply line in the molten silicon dioxide of the piston wall.

13. Arch pipe according to claim 10, characterized that the distal end of one electrode ends in a metal cap.

14. Arch pipe according to claim 13, characterized that the cap is the result of some distal end turns melting back the helix is.

15. Arch tube according to claim 10, characterized in that the wire of the helix tor sion-wise was biased to bias the helical windings against the spacers.

16. Arch pipe according to claim 10, characterized in that the other for direct current operation Electrode is a solid conductor made of refractory metal.

17. Arch pipe according to claim 10 for AC operation, characterized in that both

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Electrodes alternately serve as cathodes and are constructed like the said one electrode.

18. Arch tube according to claim 10, characterized in that the wires of the helix and the overwinding consist of tungsten.

19. Arch tube according to claim 18, characterized that the ionizable filling mercury and metal halides, including thorium iodide includes.

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