DE3041548C2

DE3041548C2 - Leuchtstofflampe mit beheizter Kathode

Info

Publication number: DE3041548C2
Application number: DE3041548A
Authority: DE
Inventors: Aake Dipl.-Ing. Karlskrona Björkman
Original assignee: Lumalampan AB
Current assignee: Auralight AB
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-04
Publication date: 1986-07-24
Also published as: FI68928C; FR2473785B1; NO812294L; GB2077033B; CH649653A5; CS250206B2; FI812128L; NO153946C; DK158177B; FI68928B; SE435332B; AU6570480A; BE886030A; FR2473785A1; SE7909213L; AU543221B2; YU283980A; HU181318B; ATA547480A; ES263202U

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtstofflampe mit beheizter Kathode, die auf einem Fuß befestigt und von einem Kathodenschirm umgeben ist, welcher eine elektrisch leitende von der Kathode elektrisch getrennte und mit Abstand vom nahen Ende der Leuchtstofflampe angeordnete zylindrische Wandung und eine elektrisch isolierende, auf der der Entladung zugewandten Seite an der Wandung befestigt und mit mittlerer öffnung versehene Scheibe aufweist.

Die Lebensdauer einer Leuchtstofflampe, gemessen in Brennstunden, wird in der Hauptsache durch die Lebensdauer ihrer Kathoden bestimmt. Sobald die Kathoden einen gewissen Peil ihres aus Erdalkalienoxiden bestehenden Emissionsoxids verloren haben, nimmt ihre Fähigkeit zur Elektronenemission in einem solchen Maße ab. daß sich die Leuchtstofflampe entweder nicht in Betrieb setzen läßt oder auch in eine »Blinkphase« gerät, bei der das restliche Emissionsoxid schnell zerstäubt wird.

Es ist bekannt, daß in den Mischkristallen des Emissionsoxids gelöstes überschüssiges Barium den Erdalkalienoxiden Halbleiter-Eigenschaften verleiht und die Austrittsarbeit der Elektronen vermindert. Dieses überschüssige Barium wird durch eine chemische Reaktion zwischen Bariumoxid und Wolfram nach folgender Formel gebildet:

6 BaO + W-Ba₃WO₆ + 3 Ba

Das entstandene Bariumwolframat bildet während

der Lebendauer der Kathoden eine Zwischenschicht zwischen dem Wolfrain und dem eigentlichen Emissionsoxid, während Barium kontinuierlich dampfförmig durch das Oxid hindurchgeht

Die Bariumwolframat-Schicht bewirkt eine Dämpfung der Reaktion nach obenstehender Formel, das heißt sie vermindert die Bildung von Barium. Pie Folge

ίο davon ist daß bei kontinuierlichem Brennen einer normalen Leuchtstofflampe erst nach etwa 30 000 Stunden das Barium restlos verdampft Die Beanspruchungen der Kathoden beim Einschalten sind jedoch so hoch, daß die Lebensdauer bei normler Anwendung der Leuchtstofflampe um den Faktor 2—3 reduziert wird, das heißt um eine durchschnittliche Einschaltdauer von jeweils 2 bis 3 Stunden.

Der Verlust des als Emissionsstoff dienenden Kathodenmaterials und die damit verbundene Verkürzung der Lebensdauer werden grundsätzlich durch drei verschiedene Vorgänge verursacht und zwar

1. Abtransport von Emissionsoxid infolge Beschüsses mit Ionen, besonders im Zusammenhang mit zu niedriger Kathodentemperatur;

2. Verdampfen des Emissionsoxids und

3. chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Leuchtstofflampe.

Bei der Konstruktion einer Leuchtstofflampe für außerordentlich lange Lebensdauer in Verbindung mit einer beachtlichen Anzahl von Zünd- und Löschvorgängen müssen diese drei Ursachen beachtet werden.

Abtransport von Emissionsstoff infolge Beschüsses mit Ionen setzt grundsätzlich voraus, daß kein Atom, das die Kathodenoberfläche verläßt, jemals zur Kathode zurückkehrt. Das ist jedoch nur im Vakuum der Fall. In Wirklichkeit ist die Kathode in einer normalen Leuchtstofflampe von einer Edelgasatmosphäre mit einem Druck von etwa 2,5 · 10² Pa umgeben. Aus diesem Grund ist die freie, mittlere Weglänge der von der Oberfläche losgelösten Atome und Moleküle bedeutend kürzer als die Entfernung zwischen der Kathode und der Röhrenwand. Daraus ergibt sich, daß viele von den losgelösten Atomen und Molekülen zurückgeworfen werden und wieder auf die Kathodenoberfläche fallen, was eine wesentliche Verminderung des Stoffverlustes bewirkt. Diese Verminderung ist jedoch unzulänglich,

ao wenn es sich um Kathoden für langlebige Leuchtstofflampen handelt.

Die Verdampfung des Emissionsoxids ist bei Dauerbetrieb relativ konstant, erfolgt aber mit gesteigerter Geschwindigkeit nach jeder Einschaltung und in den darauf folgenden Minuten, was auf die erhöhte Kathodentemperatur zurückzuführen ist.

In der deutschen Auslegeschrift 15 39 504 ist eine Leuchtstofflampe mit beheizter Kathode beschrieben. Dort ist die beheizte Kathode von einem Kathodenschirm umgeben, der aus Metallblech besteht, demzufolge elektrisch leitend ist, und der von der Kathode elektrisch getrennt mit Abstand vom nahen Ende der Leuchtstoffröhre angeordnet sowie mit einer elektrisch isolierenden, eine mittlere öffnung aufweisenden Schei-

b5 be abgedeckt ist.

Es handelt sich dabei um eine Niederdruck-Quecksilberdampf-Entiadungslampe, deren Kathodenschirm eine kegelstumpfförmige Gestalt hat und an dem dem

Lampenfuß abgewandten Ende mit einer Keramikscheibe verschlossen ist. Mit dieser Form des Kathodenschirms soll die Intensität der emittierten elektromagnetischen Strahlung zur Vermeidung der Funkstörung reduziert werden. Bei der bekannten Kathodenschirm-Form soll dies dadurch erreicht werden, daß der Emissionsstrom in einem ersten Teil durch die Öffnung der Keramikscheibe 25 und in tinem zweiten Teil rückwärts durch die große öffnung des Kegelstumpfes und um den Kathodenschirm herum gelenkt wird. Dieser Emissionsstrom konzentriert sich daher weniger, so daß auch die Emission der elektromagnetischen Strahlung zurückgeht

Die aus der US-Patentschrift 29 17 650 bekannte Entladungslampe ist mit einem von der Kathode elektrisch isolierten Kathodenschirm ausgerüstet, der an dem zum Lampenfuß weisenden Ende jedoch keinen Boden aufweist

Bei der Entladungslampe nach der britischen Patentschrift 4 32 442 ist eine beheizte Kathode von einem rein zylindrischen oder kegelstumpfförmigen elektrisch leitenden Kathodenschirm umgeben, der vor der Kathode isoliert ist Der elektrisch leitende Kathodenschirm ist nach oben und unten hin beiderseits offen.

Die US-Patentschrift 22 38 277 betrifft eine Neonröhre mit Kaltkathode in Form eines Eisenbechers. Zur Konzentrierung des Entladungsstromes ist die becherförmige Eisenkathode mit einer Manschette aus Kunststoffmaterial umgeben, die von der Kathode unmittelbar auf dem Fuß der Lampe gehalten wird. Derartige Lampen werden mit wesentlich höherer Spannung, nämlich mit rund 2—4 kV, betrieben als eine Leuchtstofflampe.

Gegenüber diesen bekannten Entladungslampen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der Lampe dadurch zu erhöhen, daß durch besondere Maßnahmen die Lebendauer der beheizten Kathode verlängert wird, wobei auch die Schwärzung der Lampeninnenwand wenigstens in der Nachbarschaft der Kathode vermindert werden soll.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs erwähnten Leuchtstofflampe erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die Öffnung der Scheibe eine Querschnittsfläche von weniger als 115 mm² aufweist und daß der Kathodenschirm auf der der Entladung abgewandten Seite einen Boden mit einer länglichen Offir ung besitzt, wobei diese längliche öffnung eine Fläche besitzt, die wenigstens so groß wie die Querschnittsfläche der Öffnung ir. der Scheibe ist.

Mit einer Anordnung .lieser Art wird eine stark gesteigerte Reflexion der von der Kathodenoberfläche sowohl durch Ionenbeschuß als auch durch Verdampfen losgelösten Atome und Molküle auf diese Oberfläche erzielt.

Vorteilhafterweise ist die öffnung der Scheibe rund.

Die Scheibe, die aus einem Werkstoff bestehen muß, der bei Ionenbeschuß nicht zu Staub zerfällt, wird vorzugsweise aus Glimmer mit einer Stärke von etwa 0,10 mm bis etwa 0,15 mm angefertigt.

Um die Schwärzung der Lampeninnenwand möglichst zu reduzieren, soll das Loch in der Scheibe einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen. Ein allzu kleiner Lochdurchmesser bewirkt jedoch, daß die Einschaltspannung der Leuchtstoffröhre in unerwünschter Weise ansteigt. Deshalb ist es besser, wenn das Loch in der Scheibe einen Durchmesser hat, der möglichst klein und unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung gewählt wird, daß die Einschaitspannung der Lampe nicht über einen festgelegten Wert ansteigen darf. Bei einer normalen Leuchtstofflampe von 38 mm Röhrendurchmesser hat sich ein Lochdurchmesser von t0—12 mm am besten bewährt.

Die Kathodenschirm besteht vorzugsweise aus Eisen oder Nickel.

Da unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Lampe die Lebensdauer der Lampe stark verkürzen können, ist es von größter Bedeutung, daß man bei der Herstellung der Lampe ein wirksames Pumpverfahren einsetzt, um alle Spuren von artfremden Gasen zu entfernen. Man weiß aus Erfahrung, daß der wirksamste Pumpvorgang in einem Pumpautomaten erzielt wird, in dem der Unterdruck bei hoher Hitze mit »internem Pumpen« kombiniert wird, das durch Eintropfen von Quecksilber in die heiße Leuchtstofflampe zustande gebracht wird. Beim Auftreffen der Quecksilbertropfen auf die Innenwand der Leuchtstofflampe werden sie wie bei einer Explosion verdampft und erzeugen eine Pumpwirkung durch Diffusion im Entluiungsraum. Dabei werden Verunreinigungen äußerst effektiv abtransportiert. Eine Voraussetzung für die Entwicklung dieses Vorgangs in ausreichendem Umfang ist jedoch, daß der Kathodenschirm diesen geschilderten Pumpvorgang nicht bc-.iindert. Aus diesem Grund soll die Öffnung am Boden des Kathodenschirms einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso groß wie der des Loches in der Scheibe ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

F i g. 1 ein Ende einer Leuchtstofflampe mit einer nach der Erfindung abgeschirmten Kathode;

Fig. 2a und 2b den dosenförmigen Kathodenschirm im Längsschnitt bzw. gegen den Boden gesehen;

F i g. 3 den Grundriß der Giimmerscheibe zum Abdecken des dosenförmigen Kathodenschirms;

F i g. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Einschaltspannung und des Schwärzungsgrades vom Lochdurchmesser der Giimmerscheibe darstellt.

In F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch das eine Ende einer länglichen Leuchstofflampe in vergrößertem Maßstab gezeigt. Die Glasv/and 1 der Lampe ist an ihrem Ende in herkömmlicher Weise mit einem Fuß 2 verschlossen, der zugleich als Träger der Kathodenstützen 4 für die gewendelte Kathode 3 der Lampe dient. Diese Stützen sind elektrisch leitend und mit den im Fuß 2 eingeschmolzenen Anschlußdrähten 5 verbunden, durch die Strom durch die Kathode 3 zu deren Erhitzung fließen kann. Die Kathode 3 umgibt ein Kathodenschirm 6. der vorzugsweise aus Eisen oder Nickel hergestellt wird. Der Schirm 6 wird von einer im Fuß 2 eingeschmolzenen Stütze 7 getragen und ist elektrisch von der Kathode 3 isoliert.

Wie F i g. 2a und 2b am deutlichsten erkenv/en lassen, hat der Kathodenschirm 6 die Form einer Dose, deren Boden mit einer länglichen Öffnung 8 zum Einsetzen der Kathodenwendel ? und gewisser Teile der Kathodenstützen 4 versehen ist. Die offene Seite der Dose wird mit Hilfe einer Glimmscheibe 9 verschlossen.

Wie Fig.3 erkennen läßt, ist die Glimmel'scneibe 9 mit einem Mittenloch 10, vorzugsweise von kreisrunder Form, versehen.

Für eine normale '.euchtstofflampe von 38 mm Rohrdurchmesser hat die Dose eine Höhe von 13 mm und einen Durchmesser von 21 mm. Die Glimmerscheibe ist 0,10 bis 0,15 mm dick, und ihr Loch 10 hat einen Durch-

messer von 10— 12 mm. Kleinere Lochdurchmeiser vermindern zwar die Schwärzung der Lampeninnenwand, steigern aber gleichzeitig die Einschaltspannung auf unzulässige Werte; größere Lochdurchmesser vermindern die Einschaltspannung nur noch unbedeutend, steigern aber die Schwärzung der Lampeninnenwand wesentlich. Das ist aus F i g. 4 ersichtlich, in der einerseits die Einschaltspannung U in Volt und andererseits der Schwärzungsgrad 5 in Abhängigkeit vom Durchmesser Dio des Loches 10 in mm angegeben ist.

Es ist wichtig, daß die Lochscheibe 9 aus Glimmer oder einem anderen elektrisch nicht leitenden, keine Gase entwickelnden Werkstoff besteht. Wenn die Scheibe beispielsweise aus Eisen wäre, würde nämlich der lonenbeschuß weiteres Zerstäubungsmaterial liefern und dadurch die Lampeninnenwand stärker schwärzen.

Die beschriebene Konstruktion bietet noch einen

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die Wendel 3 als Anode dient. Da die Entladung durch die mit einem Loch versehene Glimmerscheibe 9 hindurchgehen muß, entsteht eine starke Steigerung der Elektronendichte in der Nähe der als Anode dienenden Wendel 3, wobei der Anodenfall reduziert wird. Das bewirkt eine niedrigere Kathoden'.emperatur und dadurch auch eine verminderte Verdampfungsgeschwindigkeit.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es wünschenswert, daß die Lampe mit Hilfe eines Pumpvorgangs evakuiert wird, bei dem der Unterdruck mit »internem Pumpen« jo durch Aufprallen von Quecksilbertropfen auf die heiße Röhre kombiniert wird. Ein solcher Tropfen ist schematisch bei 11 in F i g. 1 dargestellt. Wenn der Tropfen Wand 1 und/oder Fuß 2 der erhitzter. Leuchtstofflampe trifft, wird er schlagartig verdampft, und der dabei entstehende Quecksilberdampf strömt schnell nach oben. Die Pfeile I2_; 13 deuten schematisch die in diesem Zusammenhang wesentlichsten Strömungsbahnen des Dampfes an. Damit das an der Emissionsschicht vorhandene Kohlendioxid — entstanden durch Umwandlung von Karbonaten in Oxide — wirksam mitgerissen wird, und damit das intere Pumpen eine starke Wirkung ausübt, darf der dem Pfeil 13 folgende Quecksilberdampf nicht durch die aus dem Kathodenschirm 6 und der Glimmerscheibe 9 bestehende Konstruktion gehindert werden. Aus diesem Grund soll der Lochdurchmesser der Glimmerscheibe 9 größer als 10 mm sein (gilt für Leuchtstofflampen mit dem Röhrendurchmesser 38 mm). Außerdem muß die Bodenöffnung 8 des Kathodenschirms 6 einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso groß wi_· der Lochquerschnitt der Glimmerscheibe 10 und vorzugsweise noch größer ist.

Die beschriebene Kaihodenkonstruktion ergibt bei unveränderter normaler Brennzeit von 3 Stunden je Einschaltung eine 3—4fach längere Lebendauer im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstofflampen, wie Vergleichsmessungen gezeigt haben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leuchtstofflampe mit beheizter Kathode, die auf einem Fuß befestigt und von einem Kathodenschirm umgeben ist, welcher eine elektrisch leitende von der Kathode elektrisch getrennte und mit Abstand vom nahen Ende der Leuchtstofflampe angeordnete zylindrische Wandung und eine elektrisch isolierende, auf der der Entladung zugewandten Seite an der Wandung befestigte und mit mittlerer öffnung versehene Scheibe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (10) der Scheibe (9) eine Querschnittsfläche von weniger als 115 mm² aufweist und daß der Kathodenschirm auf der der Entladung abgewandten Seite einen Boden mit einer länglichen öffnung (8) besitzt, wobei diese längliche Öffnung (S) eine Fläche besitzt, die wenigstens so groß wie die Querschnittsfläche der öffnung (10) in der Scheibe (9) ist

2. Leuchtstofflampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (10) in der Scheibe (9) rund ist.

3. Leuchtstofflampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Glimmer bestehende Scheibe (9) eine Stärke von etwa 0,10 mm bis etwa 0,15 mm besitzt

4. Leuchtstofflampe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Durchmesser der Öffnung (10) in der Scheibe (9) 10 bis 12 mm beträgt.

5. Leuchtstofflampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Boden und Wandung (6) des Kathodenschinnes aus Eisen oder Nickel gefertigt sind.