DE3044121C2

DE3044121C2 - Natriumhochdrucklampe

Info

Publication number: DE3044121C2
Application number: DE3044121A
Authority: DE
Inventors: Takashi Takatsuki Osaka Ikeda; Yoshiro Iberaki Osaka Ogata; Haruo Moriyama Shiga Yamazaki
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-11-24
Filing date: 1980-11-24
Publication date: 1984-10-18
Also published as: JPS644305B2; GB2066558A; US4396856A; JPS5676156A; DE3044121A1; GB2066558B

Description

0,8 £ h/d < 5.4

wobei h die Länge (in mm) des Teils des Elektrodenkerns (7) ist, der über das innere Ende der Abschirmeinrichtung (8) oder die innerste Wicklung der Elektrodenwicklung (9) hinaus verlängert ist, und d der Durchmesser (in mm) des Elektrodenkerns (7) ist.

2. Natriumhochdrucklampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenemittierende Material caf einer inneren Wicklung aufgebracht ist. die in dem Raum zwischen dem Elektrodenkem (7) und derElekttodenwicklung (9) angeordnet ist.

3. Natriumhochdrucklampe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionsbeziehung Λ/irf zwischen 1,1 und 5,0 liegt.

4. Natriumhochdruckiampc nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Potentialgradient in der Entladungsröhre (2) höher als 2000 V/m ist.

Die Erfindung betrifft eine Natriumhochdrucklampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Metall, welches verdampft, um das Puffergas zu bilden, ist z. B. Quecksiler. Cadmium u. ä. Der Raum zwischen Elektrodenkem und Elektrodenwicklung ist vorzugsweise ringförmig.

Eine Natriumhochdrjcklam-^ der angegebenen Gattung ist aus der DE-OS 21 61 173 bekannt. Ähnliche Gestaltungen sind aus dei DE-AS 11 30 070 und der DE-OS 28 45 333 bekannt.

Im allgemeinen weisen die E.jktroden der Natriumhochdrucklampen einen Elektrodenkem und eine um diesen gewickelte Elektrodcnwicklung auf, wobei der Elckirodcnkern ein vorbestimmtes Stück über die innerste Elektrodenwicklung hinaus verlängert ist. Dies ist aus der DE-PS 16 39 110. der US-PS 41 05 908 und der DE-OS 28 15 014 bekannt. Ein Ende der Elektrodcnwicklung, ein Ende eines Teils aus elektronenemittierenden Materialien oder ein Ende einer die clektronenemittierenden Materialien tragenden inneren Wicklung (der Teil aus elektronenemiltierenden Materialien und die innere Wicklung werden in der nachstehender· 3ezeichnung als »das elekironenemittierende Material« bezeichnet) ist in dem Emladungsraum frei bzw. ungeschützt, in welchem ein Lichtbogen ausgebildet wird, so daß sich an jeder Elektrode die Lichtbogcnausgangsstelle, d. h. die Kontaktstelle zwischen dem Lichtbogen und der Elektrode, /wischen der Endfläche des Elektrodenkerns und dessen zylindrischer Oberfläche, einem Ende der Elektrodcnwicklung oder insbesondere einem Ende des elektronenemittierenden Materials ändert. Folglich wird ein Zerstäuben der Elektrodenwicklung und eine Verdampfung des elek'.ronenemittierenden Materials in einem erheblich höheren Ma3e beschleunigt, so daß das Schwarzwerden der Rohrinnenwand entsprechend beschleunigt wird. Selbst wenn über einen Konstanthalter oder eine Vorschalteinrichtung eine konstante Spannung angelegt ist, ändert sich die Lichtbogenlänge, was wiederum Veränderungen in der Lampenspannung und bei den elektrischer, Kenndaten der Lampe zur Folge

Ferner hat das Schwanken der Lichtbogenausgangsstelle Veränderungen in der Betriebstemperatur der Elektrode zur Folge, was wiederum Temperaturänderungen an der kältesten Stelle in der Entladungsröhre zur Folge hat. Daher kommt es in mit Sättigungsdruck arbeitenden Nariumhochdrucklampen zu Veränderungen im Dampfdruck in der Entladungsröhre, so daß es während der Lebensdauer der Lampe zu Spannungsschwankungen kommt. Folglich ändern sich die elektrischen sowie die optischen Kenndaten, so daß die Faktoren, welche die Lampenlebensdauer beeinflussen, nachteilig beeinflußt werden und folglich die Lampenlebensdauer erheblich verkürzt wird.

Die vorerwähnten Veränderungen in den Lampenkenndaten infolge von Lichtbogen-Entladungsstellen-Schwankungen sind besonders bei Natriumhochdrucklampen mit einer hohen Farbwiedergabe ausgeprägt, bei welchen der durchschnittliche Potentialgradient höher als 2000 V/m ist. Naciacilig bei der bekannten Natriumhochdrucklampe ist. daß ohne besondere Maßnahmen die Innenwandung der Lichtbogenentladungsröhre im Laufe der Zeil erheblich geschwärzt wird und folglich die Lichtstarke absinkt und die Lebensdauer der Lampe dadurch kurzer wird. Ferner ergeben sich große l.ampenspannungsänderungcn und die Lichtfarbe schwankt dadurch stark.

b5 Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine Natriumhochdruckiampc der angegebenen Gattung derart weiterzubilden, daß ihre Lebensdauer erhöht wird und die Lichtfarbc weitestgehend konstant bleibt. Diese Aufgabe wird crfindungsgcmüß durch die Weiterbildung nach dein Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgesiiltuiigen clc^r Erfindung ergeben sich aus den Untcransprüchi'n.

Gemäß der Erfindung können daher die Lichtbogen-Entladungsstellen immer an den Vorderen Flächen der Elektrodenkerne gehalten werden, so daß die Lichtbogenlänge, die Elektrodentemperatur und die Temperatur an der kältesten Stelle in der Entladungsröhre beinahe kosntant gehalten werden können und folgiich eine Veränderung der elektrischen oder optischen Kenndaten vermieden werden kann, wodurch eine lange Lampenlebensdauer sichergestellt ist

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Natriumhochdrucklampe,

F i g. 2 teii .»eise im Schnitt und in einem größeren Maßstab eine Seitenansicht der Elektrode und

F i g. 3 eine Kurvendarstellung, in welcher ein Vergleich der Lampenspannung über der Betriebszeit zwischen einer erfindungsgemäßen und einer herkömmlichen Natriumhochdrucklampe wiedergegeben ist

Irr F i g. 1 weist eine Natriumhochdrucklampe einen evakuierten Außenkolben 1 und eine Entladungsröhre 2 wie bei den herkömmlichen Ausführungsformen auf. Die Entladungsröhre 2 weist eine transparente, lichtdurchlässige Aluminiumoxidröhre mit einem Innendurchmesser von 8 mm und einem Außendurchmesser von 9,6 mm auf. Niobröhren 3 und 4 sind gasdicht über den Enden der Entladungsröhre 2 angebracht oder auf diese aufgesteckt, und Elektroden 5 und 6 stehen von den Innenenden der Niobröhren 3 bzw. 4 vor und sind in einem Abstand von mindestens 31 mm angeordnet.

Anhand von F i g. 2 wird der Aufbau der Elektrode 5 beschrieben, da die Elektroden 5 und 6 einander im Aufbau entsprechen. Die Elektrode 5 weist einen Kern 7 auf, welcher aus mit Thorium legiertem Wolfram hergestellt ist und einen Durchmesser d von 0,9 mm hat Bei einer dreifach gewendelten Ab^cr>iirmwieklung 8, deren Durchmesser 0,5 mm ist und die aus Wolfram hergesteiii ist, sind zwei Windungen ύτη den Kern 2 ausgehend von der Stelle gewunden, die in einem Abstand Λ von dem freien oder inneren Ende des Kerns 7 angeordnet ist; bei einer dreifach gewendelten Innenwicklung 9, deren Durchmesser 0,5 mm ist, die aus Wolfram hergestellt und mit elektronenemittierenden Verbindungen, wie BaCOj, CaCO₁, ThO₂ usw. beschichtet ist, sind sechs Windungen um den Kern 7 angrenzend an die AbschirmwicMung 8 gewunden.

Wenn eine einzige Wicklung als Abschirmwicklung 8 verwendet wird, wird ihr Gewicht groß und ihre Wärmekapazität wird höher, so daß, wenn die Lampe geschichtet ist, die Zeit, die zum Einleiten der Lichtbogenentladung nach der Glimmentladung erforderlich ist, langer wird. Während dieser Zeit kommt es zu einem übermäßigen Zerstäuben der Elektroden, so daß die Innenwandung der Röhre 2 erheblich geschwärzt wird und folglich die Lichtstärke absinkt und die Lebensdauer der Lampe kurzer wird. Unter den mehrfach gewendelten Wicklungen, die ein geringes Gewicht haben und deren Wärmekapazität niedrig ist, ist ein dreifach gewandelter Glühfaden gewählt worden, in gleicher Weise wie bei der dreifach gewendelten lnnenwickiung 9.

Der Kern 7 ist um Λ = 2,5 mm über das innere Ende derAbschirmwicklung 8 hinaus verlängert. Eine Elektrodenwicklung 10, deren Durchmesser 0,4 mm ist und die aus Wolfraum hergestellt ist, ist in zehn Windungen um die Abschirm- und inneren Wicklungen 8 und 9 gewunden.

In Fi g. 1 ist Natriumamalgam 11 aus 8 mg Natrium und 20 mg Quecksilber in die Entladungsröhre 2 gefüllt und die Gasmischung aus Neon und Argon ist bei etwa 2,66 kPa abgeschlossen. Metallfolien 12 und 13 aus Tantal sind um die Enden der Röhre 2 so gewickelt, daß sie die Elektroden 5 und 6 umgeben; sie dienen dazu, die W'irme und Licht, welche von der Entladungsröhre 2 und insbesondere von den Elektroden 5 und 6 abgestrahlt werden, zu der kältesten Stelle zurückzureflektieren, an welcher das Natriumamalgam verbleibt, so daß die Temperatur an der kältesten Stelle ansteigt. Folglich steigt auch der Dampfdruck in der Entladungsröhre 2 beträchtlich an. Da ferner der Innendurchmesser der Rohre 2 von 8 mm erheblich größer ist als der einer herkömmlichen Natriumhochdrucklampe (von 150 W). kommt es zu einer Selbstumkehr der Natrium-D-Linien und die Verbreiterung der Spektrallinien in dem sichtbaren Bereich wird größer. Folglich kann eine Lichtfarbe sowie eine Farbwiedergabe erhalten werden, die besser ist als die, die mit den herkömmlichen Natriumhochdrucklampen erhalten worden ist

Wenn die Axiallänge der Metallfolien 12 und 13 verlängert wird, kann die Temperatur an der kältesten Stelle angehoben werden, so daß auch der Dampfdruck in der Entladungsröhre 2 ansteigt. Folglich können dann durch Ändern der axialen Länge der Metallfolien 12 und 13 die elektrischen Kenndaten sowie die Lichtfarbe frei gewählt oder gesteuert werden.

Bei dieser Ausführungsform haben die Metallfolien 12 und 13 eine Dicke von 40 μΐη und eine axiale Länge von 13,0 mm, so daß unter der Voraussetzung, daß die Lampenleistung 150 W ist und der durchschnittliche Potentialgradient bei 2900 bis 3500 V/m gehalten wird, d.h. die ',ariijjenspannung auf 90 bis !1OV gehalten ist, die Farbtemperatu" bei etwa 2500 K und der durchschnittliche Farbwiedergabeindex Ra auf höher als 80 gehalten wird.

Die Entladungsröhre 2 ist in dem Außenkolben durch Zuleitungsdrähte 14 und 15, Tragplatten 16 und 17 sowie einen Haltestab 18 aus Isoliermaterial gehalten. Das eine Ende der unteren Tragplatte 16 ist an den Zuleitungsdraht 14 geschweißt, und das andere Ende ist fest mit dem unteren End·*; des Hallestabes 18 verbunden. Das obere Ende des Haltestabes 18 ist lose in das Niobrohr 3 eingesetzt. Ein Zuleitungsdraht 19 verbindet den bo Zuleitungsdraht 14 und das Niobrohr 3, um so zwischen diesen Teilen eine elektrische Verbindung herzustellen. Ein Ende der oberen Tragplatte 17 ist an den Zulcitungsdraht 15 geschweißt, während sein anderes Erde an das obere oder äußere Ende des oberen Niobrohres 4 geschweißt i?t. Die Zuleilungsdrähte 14 und 15 sind durch einen Glasfuß 20 hindurch verlängert und mit einem Mittelkoniakt 23 und mit dem Mantel 22 eines Sockels 21 verbunden.

In jeder der Elektroden 5 und 6 der Entladungsröhre 2 ist die Innenwicklung 9, die mit den lichtemittierenden Verbindungen beschichtet ist, vollständig eingeschlossen von dem Elektrodcnkern 3, der Abschirmwicklung 8 und der Elektrodenwicklung 10, so daß sie von dem Eniladungsraum isolier; bzw. getrennt ist. Außerdem wird

ein Teil der elektronenemittierenden Verbindungen in ausreichender Weise der inneren Endfläche des Kerns 7 zugeführt. Folglich ist während des Betriebs die Lichtbogensielle (bzw. der Lichtfleck) immer an der vorderen Fläche des Kerns 7 ausgebildet. Folglich können die Lichtbogenentladungslänge, die Elektrodentemperatur und die Temperatur an der kältesten Stelle in der Entladungsröhre 2 während des Betriebs beinahe konstant gehalten werden, so daß die vorstehend angeführten Lampcnkenndaten während der gesamten Lebensdauer der Lampe beibehalten werden können.

Eine Nairiumhochdrucklampe der vorbeschriebenen Ausführung wurde Versuchen unterzogen, bei welchen die Lampe in Reihe mit einem Konstanthalter oder einer Vorschaltcinrichtung geschaltet und mit einer konstanten Spannung versorgt wurde. Die sich ergebende Lampenmspannungsschwankung ist durch Kurve 3t in F i g. 3 dargestellt. Während des Versuchs blieb der an der vorderen Fläche des Kerns 7 ausgebildete Lichtbogen ortsfest, die Lampenspannungsschwankung lag innerhalb von 7 V, die Lichtfarbe blieb unverändert, und der Lichtstrom blieb auf seinem Anfangswert, da ein Schwarzwerden der Entladungsröhre 2 verhindert wurde.

In herkömmlichen Natriumhochdrucklampcn sind die Elektroden 4 und 5 nicht mit der Abschirmwicklung 8 versehen, und stattdessen ist die innere Wicklung 9 nach innen verlängert. Somit sind die inneren Enden oder die innerste Wicklung der Innenwicklung 9 bezüglich des Entladungsraumes frei und ungeschützt, so daß sich die Lichtbogenausgangsstelle von der Endfläche des Kerns 7 zu dessen zylindrischen Oberfläche oder zu dem freienEnde der Innenwicklung 9 verschiebt und dann zu der Endfläche zurückkehrt. Folglich schwanken während der Lebensdauer die Lichtbogcnausgangsstellen sehr häufig an und bei den inneren Enden der Elektroden 5 und 6, so daß sich die Lampenspannune sehr stark und schnell ändert. Folglich steigt die durchschnittliche Lampenspannung steil an. so daß sich die l.ichlfarbe über einem großen Bereich ändert und das Schwarzwerden der Entladungsröhre beschleunigt wird, wodurch sich dann ein starker Lichtstromabfall ergibt.

Tabelle 1
(150 W; Nennspannung von 100 V und Anschaltdauer von 9000 h)

Wie in Tabelle I dargestellt, ergibt sich, selbst wenn die Abschirmwicklung 8 vorgesehen ist, wenn das Verhältnis h/d kleiner als 0,8 oder größer als 5.4 ist, eine große Lampenspannungsänderung, und folglich schwankt die Lichtfarbe stark. Wenn entsprechend den von der Anmelderin durchgeführten Versuchen die maximale Lampenspannungsänderung Δ V bezüglich der Lampcnnennspannannung kleiner als 20 V ist, kann die Veränderung in der Lichtfarbe toleriert und zugelassen werden, und wenn die Lampenspannungsänderung Δ V kleiner als 15 V ist, kann die Veränderung in der Lichtfarbe auf ein Minimum herabgesetzt werden. Aus Tabelle 1 ist zu ersehen, daß die Lampenspannungsänderung bei einer Lampe ohne die Abschirmwicklung im Vergleich zu einer Lampe mit der Abschirmwicklung übermäßig hoch ist.

Der Grund, warum es zu einer großen Lampenspannungsänderung kommt, wenn das Verhältnis h/d kleiner als 0,8 oder größer als 5,4 ist, ist folgender. Wenn die Verlängerung h kurz ist. ist der Abstand zwischen der Endfläche des Kern 7 und der innersten Wicklung der Innenwicklung 9 entsprechend verkürzt, so daß sich die Lichtbogenausgangsstelle zu dem Teil der Abschirmwicklung 8 hin verschiebt, welche zu dem Entladungsraum hin ungeschützt ist. und kehrt dann zu dem Ausgangspunkt zurück, d. h. die Lichtbogenausgangsstelle schwankt Wenn andererseits die Verlängerung h lang ist. reicht die Zufuhr von elektronenemittierendcn Materialien von der Innenwicklung 9 zu der Endfläche des Kerns 7 über den Kern nicht aus. so daß die Lichtbogenausgangsstelle schwankt.

60

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Elektrode	Kernverlängerung	d/h	Abschirmwicklung	Max. Lampen
Kerndurchmesser	h/mm			spannungsänderung
d/mm	0.55	0,6	vorgesehen	Δ V/V
0.9	0,7	0,8	vorgesehen	31
	1.0	1.1	vorgesehen	20
	1,5	1.7	vorgesehen	15
	2.5	2.8	vorgesehen	11
	3,5	3.9	vorgesehen	7
	4,5	5.0	vorgesehen	9
	4.9	5.4	vorgesehen	15
	5.0	5.b	vorgesehen	ÄV
	5.5	6.1	vorgesehen	21
	2,5	2.8	nicht vorgesehen	28
			64

Tabelle 2

(Lampenspannung 100 V; angeschaltet für 9000 h)

Lampen-	hlcktrodc	Ver	h/d	Abschirm-	Max. Lampen-
leistung	Kern·	längerung		wicklung	spannungsänderung
	durchmesser	/i/nun			JV/ V
	(//mm	0,5	0,7	vorgesehen
70W	0.7	0.55	0,8	vorgesehen	27
		0.7	1.0	vorgesehen	20
		1.0	1,4	vorgesehen	17
		1.5	2.1	vorgesehen	13
		2.0	2,9	vorgesehen	10
		3,0	4,3	vorgesehen	8
		3,5	5,0	vorgesehen	11
		3.8	5,4	vorgesehen	15
		4,0	5,7	vui gcsctieii	20
		2,0	2.9	nicht vorgesehen
		0.5	0.4	vorgesehen	60
400W	1,2	1.0	0.8	vorgesehen	38
		2,0	1.7	vorgesehen	20
		3.0	2.5	vorgesehen	11
		4,0	3,3	vorgesehen	9
		5,0	4.2	vorgesehen	10
		b.O	5.0	vorgesehen	11
		6.5	5.4	vorgesehen	15
		7,0	5.8	vorgesehen	20
		3.0	2.5	nicht vorgesehen	26
				61

Wie in Tabelle 2 dargestellt, können auch ausgezeichnete Kenndaten bei Kerndurchmessern von 0,7 und 1,2 erhalten werden. Wenn die clektronenemittierendcn Materialien auf der Innenwicklung 9 vollständig von dem Kern 7, der Abschirmwicklung 8 und der Elektrodenwicklung 10 eingeschlossen sind und vollständig von dem 35 Entladungsraum isoliert sind, und wenn das Verhältnis h/d gleich oder größer als 0,8 und gleich oder kleiner als 5,4 ist. d.h.

0,8 < h/d < 5,4.

können ausgezeichnete Kenndaten nicht nur bei den sogenannten Natriumhochdrucklampen mit einer hohen Farbwiedergabe, bei welchen der durchschnittliche Potentialgradient höher als 2000 V/m gehalten ist. sondern auch bei den allgemeinen Natriumhoehdrueklampen garantiert werden.

Wie aus den Tabellen 1 und 2 zu ersehen ist, wird eine l.ampcnspannungsändcrung insbesondere dann erheblich unterdrückt, wenn für das Verhältnis /j/irfgilt: 45

1,1 S h/d £ 5.0,

wodurch dann ausgezeichnete Lampenkcnndatcn und eine ausgezeichnete Leistung sichergestellt werden können. 50

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Natriumhochdrucklampe, in welcher in einem Außenkolben eine transparente Entladungsröhre eingeschlossen ist, die an ihren Enden Elektroden aufweist und in welcher neben Natrium ein Metall als Puffergas eingeschlossen ist, und wobei jede der Elektroden folgende Teile aufweist: einen Elektrodenkern; eine um den Elektrodenkern gewickelte Elektrodenwicklung, wobei der Elektrodenkern entladungsseitig über die Elektrodenwicklung hinausragt; ein in den Raum zwischen dem Elektrodenkem und der Elektrodenwicklung eingebrachtes elektronenemittierendes Material, und eine Abschirmeinrichtung, die in dem Raum zwischen dem Elektrodenkem und der Elcktrodenwicklung in der Weise angeordnet ist, daß vermieden werden kann,

ίο daß das elektronenemittierende Material bezüglich des Entladungsraums in der Entladungsröhre frei daliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung (8) eine mehrfach gewendelte Wicklung aufweist und daß bezüglich der Abmessungen der folgenden Beziehung genügt ist: