DE3133795C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdrucknatriumdampfentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß, dessen Füllung Natrium und ein Edelgas enthält und durch dessen Wand zumindest ein Stromzuführungsleiter zu einer im Entladungsgefäß angeordneten Elektrode aus hochschmelzendem Metall führt, an deren Spitze die Entladung angreift, wobei die Elektrode von Erdalkalimetallen frei ist. Solche Hochdrucknatriumdampfentladungslampen haben ein keramisches Entladungsgefäß, durch dessen Wand zumindest ein Stromzuführungsleiter zu einer im Entladungsgefäß angeordneten Elektrode aus hochschmelzendem Metall führt, an deren Spitze die Entladung angreift, wobei die Elektrode von Erdalkalimengen frei ist.

Hochdrucknatriumentladungslampen, die z. Z. in großem Umfang benutzt werden, bieten den Vorteil eines hohen spezifischen Lichtstroms. Das Entladungsgefäß besteht dabei aus einem natriumdampffesten kristallinen Oxid, wie beispielsweise monokristallinem Saphir oder poylkristallinem dichtgesintertem Aluminiumoxid. Die Füllung des Entladungsgefäßes kann neben Natrium und einem oder mehreren Edelgasen auch Quecksilber enthalten.

Ein bekanntes Problem bei Hochdrucknatriumdampfentladungslampen mit von Erdalkalimetallen versehenen Elektroden ist das Verschwinden von Natrium aus der Dampffüllung unter dem Einfluß des von Elektroden frei werdenden Werkstoffes; dies verursacht eine Lampenspannungserhöhung.

Aus der DE-PS 28 51 347 ist eine Maßnahme bekannt, dem Verschwinden von Natrium zu begegnen. Diese Maßnahme besteht darin, daß die Elektrode mit einem Elektronenemitter ausgerüstet ist, der aus Erdalkalioxiden und Wolframoxid in einem Molekularverhältnis zwischen 8 und 50 besteht. Es hat sich gezeigt, daß diese Form des Natriumverlustes bei diesen bekannten Lampen nur teilweise verhindert wird.

Das Verschwinden des Natriums in derartigen Lampen kann in folgender Weise erklärt werden. Die Erdalkalimetalle auf der Elektrode sind in Form von möglicherweise an Wolfram gebundenen Oxiden vorhanden. Von diesen Oxiden befindet sich ein Bruchteil in gasförmiger Phase im Entladungsgefäß. Die Größe des Bruchteils ist von der für die betreffenden Oxide geltenden Dampfspannung bei herrschender Temperatur abhängig. Es zeigt sich, daß unter dem Einfluß der im Entladungsgefäß auftretenden Entladung Sauerstoff aus den oxidischen Verbindungen frei wird, wobei angenommen wird, daß der Sauerstoff aus den in gasförmiger Phase vorhandenen Bestandteilen der oxidischen Verbindungen freikommt. Der befreite Sauerstoff bewirkt anschließend stabile Natriumverbindungen. Es hat sich gezeigt, daß die als Emitter geeigneten Erdalkalimetalloxide eine verhältnismäßig hohe Dampfspannung unter den Umständen besitzen, die im Betriebszustand im Entladungsgefäß herrschen. In einer Lampe eingangs erwähnter Art, wobei die Elektrode von Erdalkalimetallen frei ist, wird Natriumverlust unter dem Einfluß von Elektrodenwerkstoff nahezu vollständig vermieden. Werkstoffe wie Thoriumoxid und Yttriumoxid sind zwar als Emitter weniger wirksam als die Erdalkalimetalloxide, aber sie bieten den Vorteil einer sehr niedrigen Dampfspannung unter den entsprechenden Umständen und sind demzufolge als Emitter im Entladungsgefäß zulässig.

Eine derartige Lampe ist aus der US-PS 34 76 969 bekannt. Die Lampe besitzt zwei Elektroden in Form von Wolframstiften mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm. Diese Lampe, die eine Leistung von 175 bis 200 W aufnimmt, hat im Betriebszustand einen partiellen Quecksilberdruck von etwa 5 bar. Hieraus läßt sich herleiten, daß die Lampe eine hohe Bogenspannung (Größenordnung 500 V) und einen geringen Lampenstrom in der Größenordnung von 0,5 A im Betriebszustand hat. Es hat sich herausgestellt, daß unter diesen Umständen die Erscheinung auftreten kann, daß der Bogen nicht stabil an Elektrodenspitzen angreift. Hierdurch brennt die Lampe instabil, und es besteht das Risiko, daß die Lampe erlischt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdrucknatriumdampfentladungslampe zu schaffen, die stabil brennt.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Lampe eingangs erwähnter Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Betriebszustand der Lampe die Elektrodenspitze eine Temperatur zwischen 2400 und 2700 K besitzt und die Beziehung

erfüllt ist, worin
I der Lampenstrom in A und
d_eff der wirksame Durchmesser der Elektrode in mm ist.

Unter d_eff der Elektrode sei der Durchmesser eines massiven kreiszylindrischen Stabs gleicher Länge und gleichen Werkstoffs wie die der Elektrode verstanden, welcher Stab die gleichen Eigenschaften hinsichtlich Wärmeableitung von der Spitze hat wie die Elektrode. Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß zum Erreichen ausreichender Elektronenemission im Betriebszustand der Lampe ein ziemlich niedriger Wert der Temperatur der Elektrodenspitze genügt. Die Elektrodenspitzentemperatur muß jedoch in dem obenerwähnten Bereich liegen. Wenn diese Temperatur 2700 K überschreitet, dann weist der Elektrodenwerkstoff eine zu hohe Verdampfung auf. Der verdampfte Werkstoff würde sich anschließend auf der verhältnismäßig kühlen Wand des Entladungsgefäßes ablagern, wodurch eine Schwärzung dieser Wand verursacht würde. Wenn die Elektrodenspitzentemperaturen unter 2400 K bleibt, tritt die Erscheinung auf, daß der Bogen nicht stabil an der Elektrodenspitze angreift. Hierdurch brennt die Lampe instabil und es kann sogar ein Löschen der Lampe auftreten. Bei einer erfindungsgemäßen Lampe, bei der der Lampenstrom und der wirksame Durchmesser die oben­ genannen Beziehungen erfüllt, nimmt die Elektrodenspitze auf einfache Weise eine Temperatur an, die in dem erfindungsgemäß erforderlichen Bereich liegt, wobei von der Verwendung gesonderter Hilfsmittel abgesehen werden kann.

Vorzugsweise ist bei erfindungsgemäßen Lampen das Edelgas Xenon, das bei 300 K einen Druck von mindestens 6,7 kPa hat, und es besteht die Elektrode im wesentlichen aus Wolfram und ist emitterfrei. Es zeigt sich, daß Hochdruckxenon den Vorteil bietet, daß eine Schwärzung des Entladungsgefäßes durch in der Zündphase zerstäubten und verdampften Elektrodenwerkstoff unterdrückt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lampe nimmt die Lampe im Betriebszustand eine Leistung von höchstens 100 W auf und ist die Elektrode ein Stift.

Diese bevorzugte Ausführung bietet den Vorteil, daß eine geeignete Lampe für Innenbeleuchtung verwirktlicht ist, deren Herstellung verhältnismäßig einfach ist, da als Stromzuführungsleiter ein einfacher Stift benutzt werden kann, dessen Durchmesser nahezu gleich dem des Elektrodenstiftes gewählt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lampe wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Hochdrucknatriumdampf­ entladungslampe und

Fig. 2 das Entladungsgefäß dieser Lampe im Detail im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Lampe hat einen Außenkolben Fig. 1 mit einem Lampensockel 2. Der Außenkolben 1 umschießt ein Entladungsgefäß 3 mit zwei Elektroden 4 und 5. Die Elektrode 4 ist mittels eines Stromzuführungsleiters 8 mit einem Anschlußkontakt des Lampensockels 2 verbunden. Die Elektrode 5 ist mit Hilfe eines Stromzuführungsleiters 9 auf analoge Weise angeschlossen.

Das Entladungsgefäß 3 besteht gemäß Fig. 2 aus einem langgezogenen Wandteil 3a, welcher an seinen beiden Enden mit Endteilen 3b ausgerüstet ist. Der Wandteil 3a und die Endteile 3b bestehen aus dichtgesintertem Aluminiumoxyd und sind durch Sinterverbindungen 7 miteinander verbunden. Der Außendurchmesser des Wandteils 3a beträgt 2,5 mm. Das Entladungsgefäß 3 besitzt zwei als Wolframstifte ausgeführte Elektroden 4 und 5, die an stiftförmigen Stromzuführungs­ organen 40 und 50 aus Niob befestigt sind.

Der Elektronenabstand beträgt 11 mm. Die stiftförmigen Stromzuführungsorgane 40 und 50 sind durch eine Schmelzglasverbindung 6 gasdicht mit den Endteilen 3b verbunden. Die Füllung des Entladungsgefäßes 3 enthält Xenon mit einem Druck von 50 kPa bei 300 K und 10 mg Amalgam, das aus 27 Gew.-% Na und 73 Gew.-% Hg besteht. Die Lampe wird über ein induktives Vorschaltgerät von 1,4 H aus einer Speisequelle von 220 V, 50 Hz versorgt. Zum Zünden der Lampe ist sie mit einem Glimmstarter parallelgeschaltet. Die von der Lampe aufgenommene Leistung beträgt etwa 30 W, wobei der Lampenstrom I 0,40 A beträgt. Der spezifische Lichtstrom beträgt etwa 44 Lumen/W bei einer Farbtemperatur der ausgesandten Strahlung von 2450 K.

Die stiftförmigen Wolframelektroden und 4 und 5 der beschriebenen Lampen haben einen Durchmesser von 0,2 mm. Dies bedeutet, daß das Verhältnis einen Wert von etwa 4,4 hat, was innerhalb des angenommenen Bereiches von 2 bis 5 liegt. Im Betriebszustand der Lampe nehmen die Elektrodenspitzen der Elektroden 4 und 5 eine Temperatur von etwa 2600 K an. Die beschriebene Lampe eignet sich insbesondere für Innenbeleuchtungszwecke; es hat sich gezeigt, daß während der Lebendauer kein Natriumverlust auftritt.

Um den Einfluß des Durchmessers der Elektroden zu untersuchen, wurde eine Anzahl Lampen angefertigt, die sich zum Betrieb mit einer Leistungsaufnahmne von 100 W bei einem Lampenstrom von 1,2 A eignen. Bei der ersten Lampe beträgt der Durchmesser d der als Wolframstifte ausgebildeten Elektroden 0,5 mm. Die auf diese Weise aufgebaute Lampe brannte stabil, wobei keine Verdampfung von Elektrodenwerkstoff wahrgenommen wurde. Das Verhältnis beträgt dabei 3,4. In der zweiten Lampe ist der Druchmesser der stiftförmigen Wolframelektroden gleich 0,7 mm gewählt. Diese Lampe hatte eine geringe Neigung zum instabilen Brennen. Das Verhältnis beträgt in diesem Fall 2. In der dritten Lampe ist der Durchmesser d der stiftförmigen Wolframelektroden gleich 0,3 mm gewählt, wodurch das Verhältnis etwa 7 beträgt. Bei dieser Lampe weist das Entladungsgefäß Schwärzung durch an der Wand niedergeschlagenes Wolfram auf.

Bei einem folgenden Beispiel einer erfindungsgemäßen Lampe beträgt die von der Lampe aufgenommene Leistung 400 W. Der Lampenstrom I beträgt hier 3,2 A. Die Lampe ist mit zwei Elektroden versehen, die aus einem Wolframstift mit einem Durchmesser von 1,2 mm aufgebaut sind, der an der Spitze eine Wolframwendel hat. Diese Wendel besteht aus zwei Windungsreihen, bei denen die äußerste Reihe einen größten Durchmesser von 3,6 mm hat. Die Steigung der Windungen beträgt 0,6 mm und jede Reihe enthält etwa 10 Windungen. Die Windungen sind aus Draht mit einem Durchmesser von 0,6 mm gebildet. Der Stift, auf dem die Entladung im Betrieb angreift, ragt an der Spitze der Elektrode über einen Abstand von 1,5 mm aus der Wendel heraus, so daß die Wärmeableiteigenschaften an der Spitzenseite der Elektrode nur in geringem Maße von der Wendel beeinflußt werden. Hierdurch weicht der wirksame Durchmesser d_eff nur gering vom Durchmesser des Stiftes ab und beträgt etwa 1,3 mm. Für diese Lampe beträgt das Verhältnis

etwa 2,2. Die Elektrodenspitzen haben im Betriebszustand der Lampe eine Temperatur von etwa 1500 K.

Claims (3)

1. Hochdrucknatriumdampfentladungslampe mit einem Keramikentladungsgefäß (3), dessen Füllung Natrium und ein Edelgas enthält und durch dessen Wand zumindest ein Stromzuführungsleiter (40) zu einer im Entladungsgefäß angeordneten Elektrode (4) aus hochschmelzendem Metall führt, an deren Spitze die Entladung angreift, wobei die Elektrode (4) von Erdalkalimetallen frei ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Betriebszustand der Lampe die Elektrodenspitze eine Temperatur zwischen 2400 und 2700 K besitzt und die Beziehung erfüllt ist, worin
I der Lampenstrom in A und
d_eff der wirksame Durchmesser der Elektrode (4) in mm ist.

2. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Xenon ist, das bei 300 K einen Druck von mindestens 6,7 kPa besitzt, und daß die Elektrode (4) im wesentlichen aus Wolfram besteht und ermitterfrei ist.

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe im Betriebszustand eine Leistung von höchstens 100 W aufnimmt und die Elektrode (4) ein Stift ist.