DE3242840C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenid- Hochdruckentladungslampe mit einer Leistung kleiner 100 W gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Hochdruckentladungslampen mit Metallhalogenidfüllungen geht die Entwicklung seit kurzem in verstärktem Maße zu kleinen Leistungen, insbesondere <100 W. Ein großes Problem stellt bei diesem Lampentyp das schnelle und einwandfreie Zünden der kalten und insbesondere das Wiederzünden der warmen Lampe sowie das Erreichen einer befriedigenden Lebensdauer dar. Eine langsame und schwere Zündung, die auf eine schlechte Bogenübernahme der Elektroden zurückzuführen ist, verursacht eine rasche Schwärzung des Entladungsgefäßes. Andererseits kommt es durch die Verwendung von Metallhalogeniden als Füllsubstanz zu einer Korrosion der Elektroden, insbesondere, da bei Lampen kleiner Leistung der Elektrodenschaft minimale Abmessungen besitzt. Sowohl die Schwärzung des Entladungsgefäßes als auch die Korrosion der Elektroden bewirken einen vorzeitigen Ausfall der Lampe.

Die schlechte Bogenübernahme ist insbesondere auf die langsame Aufheizzeit der Elektrode auf Betriebstemperatur zurückzuführen, wobei eine solche Elektrode meist einen großen Wärmeverlust aufweist.

Dieses Problem wird in der DE-OS 29 51 966 für eine zweiseitig gequetschte Miniatur-Metallhalogenid- Entladungslampe durch eine umwickelte Elektrode gelöst. Die Elektrode besteht aus einem geraden Schaft mit einer kugelförmigen Spitze. Auf den Schaft ist lose ein Wolframdraht gewickelt, wobei die einzelnen Windungen einen gewissen Abstand voneinander haben. Durch eine solche Umwicklung in Verbindung mit der kugelförmigen Elektrodenspitze soll eine niedrige Zündspannung erreicht und die Elektrodenerosion reduziert werden.

Die US-PS 33 49 276 behandelt eine Metallhalogenid- Hochdruckentladungslampe mit einem becherförmigen Elektrodenaufbau. Im Innern des Elektrodenkopfes ist ein Emitter angeordnet, der von einem wendelförmigen Teil der Elektrode umgeben ist. Durch eine solche Abschirmung des Emitters soll verhindert werden, daß sich Halogenide auf dem Emitter niederschlagen und so die Zündfähigkeit der Lampe verschlechtert.

In der japanischen Patentanmeldung 52-15 179 ist eine Anode für eine Hochdruckentladungslampe aufgeführt. Die Anode besteht aus einem Elektrodenschaft und mehreren auf den Schaft in dicht aneinanderliegenden Windungen gewickelten Wendelteilen, die den Elektrodenkopf bilden. Die Drähte der Wendelteile sind so gewickelt, daß ein Hohlraum zur Aubildung eines Glimmentladungspunktes gebildet wird, um die Zündfähigkeit der Lampe zu verbessern.

Die Korrosion der Elektroden, die insbesondere am Elektrodenschaft ansetzt, kann z. B. durch Umhüllung des Schaftes mit einem Keramikröhrchen unterbunden werden. Hierbei treten jedoch häufig Probleme beim Einschmelzen des Keramikmaterials in das Entladungsgefäß auf. In der GB-PS 12 42 173 hingegen wird eine zweiseitig gequetschte Metallhalogenid- Entladungslampe von 400 W beschrieben, bei der die Elektroden in Form einer dicht gewickelten Wendel ausgeführt und mit ihrer Achse senkrecht zur Achse des Entladungsgefäßes angebracht sind. Dadurch wird eine bessere Aufheizung der Entladungsgefäßenden erreicht und ein Kondensieren der Metallsalze in diesen Bereichen herabgesetzt. Eine Korrosion der Elektroden ist somit weitgehend ausgeschlossen. Ein Drehen der Elektroden um 90° in einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß - die Achsen der Elektrodenwendeln sind im wesentlichen senkrecht zum Entladungsbogen ausgerichtet - hat jedoch eine schnellere Abtragung der Elektrodenspitzen zur Folge und ist, wie auch später noch gezeigt wird, für eine Hochdruckentladungslampe kleiner Leistung ungünstig.

In der französischen Patentschrift 9 03 909 sind verschiedene Elektrodenformen für Hochdruckmetalldampflampen aufgeführt. Die als Glühkathoden arbeitenden Elektroden besitzen einen Elektrodenkopf, der aus Blechblättern, Blechzylindern oder dicht aneinanderliegenden Drahtwendeln besteht und in einem dem Entladungsbogen zugewandten Haken endet. Solche Haken sind bei Entladungslampen mit Halogenkreislauf ungeeignet, da der Haken im Betrieb der Lampe schnell abgetragen wird, so daß sich der Elektrodenabstand vergrößert und die Lampe nicht mehr zündet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogenidfüllung und einer Leistung kleiner 100 W zu schaffen, bei der durch eine spezielle Konstruktion der Elektroden ein schnelles Zünden - auch im warmen Zustand - gewährleistet ist und eine Korrosion der Elektroden weitgehend vermieden wird. Dabei sollte die Elektrode einen einfachen Aufbau besitzen und kostengünstig herzustellen sein.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein schnelles Zünden der Lampe hängt von der Bogenübernahme der Elektrode ab, die wiederum von der Aufheizzeit der Elektroden bis zur Glühemission bestimmt wird. Die Aufheizzeit t ist proportional zum Quadrat des Radius r des Elektrodenschaftes und umgekehrt proportional zur Länge l der Elektrode und zur Stromstärke I der Lampe

Geht man also von einem festen Radius der Elektrode und einer bestimmten festen Betriebsstromstärke der Lampe aus, so läßt sich eine Verkürzung der Aufheizzeit durch eine Vergrößerung der Elektrodenlänge erreichen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode wird eine Vergrößerung der Elektrodenlänge für den thermischen Wärmefluß erreicht, ohne daß dabei der Elektrodenabstand und damit die Bogenlänge verändert wird. Die Abmessungen des Entladungsgefäßes können somit beibehalten werden. Wichtig ist dabei, daß die einzelnen Windungen des Wendelteils sich nicht berühren, so daß ein thermischer Kurzschluß ausgeschlossen ist. Die Steigung des Wendelteils kann bei Miniaturlampen, z. B. mit Leistungen <50 W, entsprechend der sehr kleinen Elektrodendimensionen sehr geringe Werte annehmen.

Es wurden Brennspannungsuntersuchungen an erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampen in zweiseitig gequetschter Ausführung vorgenommen, bei denen die Achse des Wendelteils mit dem Schaftteil der Elektrode Winkel zwischen 0 und 90° bilden. Dabei zeigte sich, daß bei einem Winkel von 45° und größer die Elektrodenspitzen sehr schnell abgetragen werden und dadurch zu einem erheblichen Anstieg der Lampenbrennspannung sowie der Wiederzündspannung führen. Beste Werte bezüglich einer möglichst geringen Abtragung der Elektrodenspitze ergaben sich für Elektrodenformen, bei denen die Achse des Wendelteils mit dem Schaftteil im wesentlichen eine Gerade bildet. Hier war nach 3000 Betriebsstunden nur ein Brennspannungsanstieg von wenigen Volt festzustellen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Elektroden erfolgt der Übergang vom Schaft- zum Wendelteil mit nur einer Biegung, wobei sich zwischen der Achse des Wendelteils und dem Schaft ein Winkel von gleich oder kleiner 10° ergeben kann. Die Herstellung einer solchen Elektrode ist kostengünstig und zudem einfach. Es hat sich herausgestellt, daß ein kleiner Winkel von höchstens 10° zwischen dem Schaft und der Achse des Wendelteils gegenüber einem Winkel von 0° keine meßbare Verschlechterung ergibt.

Für eine einseitig gequetschte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe hat es sich als günstig erwiesen, die Elektrode abzuknicken, so daß die Achse des Wendelteils mit dem Schaftteil einen Winkel von 90° bildet. Die Achsen der Wendelteile der beiden Elektroden sind dann im wesentlichen parallel zum Entladungsbogen ausgerichtet. Hierbei erfolgt die geringste Abtragung der Elektrodenspitzen.

Die Temperatur des Schaftes liegt bei der erfindungsgemäßen Elektrodenausführung wegen der längeren Wegstrecke von der heißen Elektrodenspitze bis zum Schaft niedriger als bei einer reinen Stiftelektrode. Damit kann die durch die Metallhalogenide in der Lampe hervorgerufene, temperaturabhängige Elektrodenkorrosion, die insbesondere durch Zinnhalogenide erzeugt wird, verstärkt einwirken. Die Korrosion setzt besonders am Übergang zur Einschmelzung sowie an der ersten Biegung beim Übergang vom Schaft- zum Wendelteil ein.

Dickere Elektroden würden der Korrosion in bezug auf die Lebensdauer hinreichend lange widerstehen. Durch den größeren Drahtdurchmesser der Elektrode käme es jedoch zu einer wesentlich stärkeren Wärmeableitung, so daß wieder eine Verschlechterung der Bogenübernahme eintreten würde.

Um eine Korrosion zu verhindern, ist daher der Schaftteil der Elektrode bei der erfindungsgemäßen Lampe von einer Umhüllung aus hochschmelzendem Metall umgeben. Diese Umhüllung reicht mindestens bis in die erste Windung des Wendelteils der Elektrode und ist mit dem anderen Ende in das Entladungsgefäß mit eingeschmolzen. Auf diese Weise werden auch insbesondere der Übergang des Schaftes in den Wendelteil und die Einschmelzstelle des Schaftes in das Entladungsgefäß geschützt.

Für die Umhüllung hat sich als besonders günstig eine Wendel herausgestellt, bei der die einzelnen Windungen dicht aneinanderliegen. Die Wendel bietet einen guten Schutz gegen die Elektrodenkorrosion und gleichzeitig wird keine größere Wärmeableitung in die Quarzmasse bewirkt, wodurch die gute Bogenübernahme der Elektrode erhalten bleibt.

Die als Schutzumhüllung dienende Wendel ist leicht konisch ausgebildet, wobei das Ende mit dem größeren Wendeldurchmesser dem Wendelteil der Elektrode zugewandt ist. Das durch die konische Form sich ergebende weite Ende kann dabei leicht über die erste Biegung des Wendelteils geschoben werden, während das andere enge Ende der Schutzwendel einen festen Halt auf dem Schaftteil findet.

Die Erfindung ist an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit zweiseitig gequetschtem Entladungsgefäß.

Fig. 2 zeigt eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines einseitig gequetschten Entladungsgefäßes einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe.

Fig. 4 zeigt eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß Fig. 3.

Die in Fig. 1 dargestellte 70-W-Hochdruckentladungslampe 1 besteht aus einem zweiseitig gequetschten Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das von einem Außenkolben 3 umschlossen ist. Die Elektroden 4, 5 - schematisch dargestellt - sind mittels Folien 6, 7 gasdicht in das Entladungsgefäß 2 eingeschmolzen und über die Stromzuführungen 8, 9, die Dichtungsfolien 10, 11 des Außenkolbens 3 und über weitere kurze Stromzuführungen mit den elektrischen Anschlüssen der Keramiksockel (R7s) 12, 13 verbunden. In eine Quetschung des Entladungsgefäßes 2 ist zusätzlich - über ein Drahtstück - ein auf einem Metallplättchen aufgebrachtes Gettermaterial 14 potentialfrei eingeschmolzen. Die Enden 15, 16 des Entladungsgefäßes 2 sind mit einem wärmereflektierenden Belag versehen. Als Füllung enthält das Entladungsgefäß 2 neben Quecksilber und einem Edelgas Metalljodide und -bromide von Natrium, Zinn, Thallium, Indium und Lithium. Die Lampe 1 - mit einer Leistungsaufnahme von 70 W - weist bei einem Nennstrom von 0,9 A eine Lichtausbeute von 70 lm/W auf.

Fig. 2 zeigt eine Elektrode 4, 5 mit einer umhüllenden Schutzwendel 17, wie sie in der Hochdruckentladungslampe 1 gemäß Fig. 1 eingebaut ist. Die Elektrode 4, 5 selbst besteht aus einem einzigen Drahtstück mit einem Drahtdurchmesser von 0,4 mm. Sie setzt sich aus einem Schaftteil 18 von 4,9 mm Länge und einem Wendelteil 19 mit 3½ Windungen von 2,7 mm Höhe zusammen. Die lichte Weite zwischen den einzelnen Windungen des Wendelteils 19 - mit einem inneren Durchmesser von 1 mm - beträgt 0,15 bis 0,25 mm. Die Elektrode 4, 5 besteht aus Wolfram, das mit 0,7% Thoriumdioxid angereichert ist, und enthält keinen Emitter.

Die Schutzwendel 17 ist aus reinem Wolfram-Draht mit einem Drahtdurchmesser von 0,1 mm und weist mit ihren vierzehn dicht aneinanderliegenden Windungen eine Höhe von 1,4 mm auf. Die Schutzwendel 17 ist konisch geformt, wobei der Öffnungswinkel 2° beträgt. Das eine Ende 20 der Schutzwendel mit dem kleineren Innendurchmesser von 0,35 mm (vor der Montage) haftet fest auf dem Schaftteil 18 und ist mit einer Windung in das Entladungsgefäß 2 eingeschmolzen. Das andere Ende 21 der Schutzwendel 17 mit dem größeren Innendurchmesser ist über die erste Biegung des Wendelteils 19 der Elektrode 4, 5 gezogen.

In Fig. 3 ist der Aufbau eines einseitig gequetschten Entladungsgefäßes 22 aus Quarzglas einer erfindungsgemäßen Hochdruckentladungslampe mit einer Leistungsaufnahme von ca. 35 W dargestellt. Die Elektroden 23, 24 - schematisch dargestellt - sind in das Entladungsgefäß 22 eingeschmolzen und über Dichtungsfolien 25, 26 mit den Stromzuführungen 27, 28 verbunden. Die Füllungselemente des Entladungsgefäßes 22 entsprechen denen der oben aufgeführten 70-W-Hochdruckentladungslampe 1.

Fig. 4 zeigt eine Elektrode 23 des einseitig gequetschten Entladungsgefäßes 22 gemäß Fig. 3. Die Elektrode 23 mit einer Höhe von 8 mm besteht aus einem einzigen Drahtstück mit einem Drahtdurchmesser von 0,25 mm. Sie besitzt einen Schaftteil 29 und einen Wendelteil 30 mit 2¼ Windungen, wobei letzterer eine Höhe von 0,9 mm aufweist. Die lichte Weite zwischen den einzelnen Windungen des Wendelteils 30 - mit einem inneren Durchmesser von 0,3 mm - beträgt 0,1 mm. Der Wendelteil 30 ist gegenüber dem Schaftteil 29 um 90° abgewinkelt. Auch diese Elektrode 23 besteht aus mit 0,7% Thoriumdioxid angereichertem Wolfram und enthält keinen Emitter.

Claims (6)

1. Hochdruckentladungslampe mit einer Leistung kleiner als 100 W, deren Entladungsgefäß (2, 22), insbesondere aus Quarzglas, neben einer Füllung aus Quecksilber sowie Zusätzen von Metallhalogeniden und Edelgas, zwei dicht eingeschmolzene Elektroden (4, 5; 23, 24) aus hochschmelzendem Metall enthält, wobei jede Elektrode (4, 5; 23, 24) folgende Merkmale aufweist:

• - die Elektrode (4, 5; 25, 26) ist aus einem der Einschmelzung zugewandten, geraden Schaftteil (18, 29) und einem als Wendel ausgebildeten, der Entladung zugewandten zweiten Teil (19, 30) zusammengesetzt;
• - Schaft- (18, 29) und Wendelteil (19, 30) bestehen aus einem einzigen Drahtstück mit konstantem Drahtdurchmesser;
• - die Achse des Wendelteils (19, 30) verläuft in Richtung des Entladungsbogens;
• - das vom Wendelteil (19, 30) abgewandte Ende des Schaftteils (18, 29) ist direkt in das Entladungsgefäß (2, 22) eingeschmolzen;

dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Windungen des Wendelteils (19, 30) einander nicht berühren und der Schaftteil (18, 29) von einer Umhüllung aus hochschmelzendem Metall umgeben ist, die mit dem der Entladung abgewandten Ende in das Entladungsgefäß (2, 22) eingeschmolzen ist und mit dem der Entladung zugewandten Ende mindestens bis in die erste Windung des Wendelteils (19) der Elektrode (4, 5) reicht.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Wendelteils (19) mit dem Schaftteil (18) der Elektrode (4, 5) im wesentlichen eine Gerade bildet.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Wendelteils (30) und der Schaftteil (29) der Elektrode (23, 24) einen Winkel von etwa 90° bilden.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einer Wendel (17) besteht, deren einzelne Windungen dicht aneinanderliegen.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Umhüllung dienende Wendel (17) leicht konisch ausgebildet ist, wobei das Ende (21) mit dem größeren Wendeldurchmesser dem Wendelteil (19) der Elektrode (4, 5) zugewandt ist.