DE3641045A1 - Einseitig gequetschte hochdruckentladungslampe - Google Patents
Einseitig gequetschte hochdruckentladungslampeInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer einseitig gequetsch
ten Hochdruckentladungslampe nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Derartige Hochdruckentladungslampen sind aus den
DE-OS 32 32 207 und 32 42 840 bekannt. Sie zeichnen
sich durch relativ niedrige Leistungen (35 W-150 W)
aus, so daß sie auch für die Innenraumbeleuchtung
eingesetzt werden können.
Die Lebensdauer dieser Lampen ist dadurch einge
schränkt, daß die aggressive Füllung eine schnelle
Korrosion der Elektroden bewirkt. Besonders stark
tritt dieses Problem bei Füllungen auf, die einen
hohen Anteil an Zinnhalogeniden enthalten. Des
weiteren hat sich gezeigt, daß sich im Betrieb auf
grund der hohen Belastung der gewendelte Teil der
Elektroden verbiegt, wodurch sich der Elektrodenab
stand verändert. Es treten daher im Betrieb der Lampe
störende Leistungsschwankungen auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Lebensdauerverhalten
dieser Lampen zu verbessern und die störenden
Leistungsschwankungen zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal
des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausge
staltungen können den Unteransprüchen entnommen
werden.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin,
daß die Korrosion der Elektroden durch den Einbau
eines Kernstifts stark eingeschränkt wird. Der dafür
verantwortliche Mechanismus ist noch nicht aufgeklärt.
Vermutlich bedingt die durch den Kernstift hervorge
rufene Änderung des Temperaturprofils entlang der
Elektroden eine positive Veränderung im Halogenkreis
lauf, wodurch sich der Wolframabbau nicht mehr über
wiegend an den relativ kalten Stellen am Elektroden
schaft in der Nähe der Einquetschung vollzieht.
Der Einbau des Kernstifts führt außerdem vorteilhaft
zu einer erhöhten Wärmekapazität der Elektroden,
insbesondere im Bereich des Wendelteils. Gleichzeitig
ist die Wärmeableitung entlang des Elektrodenschafts
gering, da der Durchmesser des Elektrodendrahtes klein
gehalten werden kann. Insgesamt ergibt sich dadurch
zum einen eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im
Entladungsvolumen, wodurch die Abhängigkeit der Farb
temperatur von der Brennlage reduziert wird. Zum
anderen wird die Zeit vom elektrischen Durchschlag bis
zur Bogenübernahme verkürzt, so daß die Zündwilligkeit
der Lampe verbessert wird. Die erhöhte Wärmekapazität
vermindert zudem auch die Amplitude der mit der
Frequenz der Wechselspannung verknüpften periodischen
Temperaturschwankungen an den Elektroden und
erniedrigt damit die Wiederzündspitze.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
der Kernstift das Wendelteil mechanisch stabilisiert
und dessen Verbiegen verhindert. Die bisher auftre
tenden Leistungsschwankungen werden deshalb weitgehend
beseitigt.
Die Erfindung ermöglicht eine gezielte Beeinflussung
und Optimierung wichtiger Parameter bei einseitig
gequetschten Metallhalogenidentladungslampen. Ein
besonders vorteilhaftes Verhältnis zwischen hoher
Wärmekapazität an der Elektrodenspitze (d.i. im
Bereich des Wendelteils) und geringer Wärmeableitung
entlang des Elektrodenschaftes läßt sich erzielen,
wenn der Kernfaktor der Elektrode 100% ist. Der
Kernfaktor ist durch das Verhältnis zwischen dem
Durchmesser des Kernstifts und dem Durchmesser des
Elektrodendrahtes gegeben (vgl. z.B. US-PS 42 08 609).
Indem nur das Material des Kernstifts mit einer Sub
stanz mit geringer Elektronenaustrittsarbeit (im
allgemeinen ThO2) dotiert ist, während die Elek
troden selbst aus undotiertem Wolframdraht herge
stellt sind, wird ein Kompromiß zwischen zwei ein
ander widerstrebenden Forderungen möglich: einerseits
ist ein möglichst geringer Thoriumgehalt erwünscht, um
nicht das Farbspektrum der Lampen zu verfälschen;
andererseits verhindert beim Zünden der Lampe eine
ausreichend hohe Dotierung einen Fehlbetrieb, bei dem
der Entladungsbogen zwischen den Elektrodenschäften in
der Nähe der einseitigen Quetschung brennt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Kernstift
auf dem der Entladung zugewandten Ende des Wendel
teils übersteht. Da bei kleinwattigen Lampenversionen
(z.B. 35 W) der Kernstift einen relativ kleinen
Durchmesser aufweist, wird somit der Bogenansatz
erleichtert und stabilisiert. Dasselbe Ziel wird
bisher bei zweiseitig gequetschten Lampen dadurch
erreicht, daß auf einen geraden Elektrodenschaft eine
Wendel aufgeschoben wird. Das Einsetzen eines
Kernstifts ist jedoch herstellungstechnisch wesentlich
günstiger, da hier die Befestigung durch einfaches
Klemmen erfolgen kann.
Bei höherwattigen Lampenversionen (z.B. 150 W) mit
relativ großem Durchmesser des Kernstifts ist es
dagegen vorteilhaft, wenn der Kernstift entladungs
seitig mit der Spitze des Wendelteils abschließt. Die
Befestigung kann hier entweder durch einfaches Klemmen
erfolgen oder durch Verschmelzen von Kernstift und
Wendelteil am entladungsseitigen Ende. Dabei bildet
sich eine Kuppe, die wiederum einen stabilen
Bogenansatz ermöglicht.
Der Kernstift steht vorteilhaft auch an dem der
Entladung abgewandten Ende des Wendelteils über.
Dadurch läßt sich die Temperatur in diesem wandnahen
Bereich des Gefäßvolumens auf einfache Weise
- durch die Länge des überstehenden Teils des Kern
stifts - regeln. Insbesondere können dadurch uner
wünschte Kühlstellen vermieden werden.
Besonders vorteilhaft erweist sich die korrosions
hemmende Wirkung des Kernstifts bei Lampen mit
Füllungen, deren Zusätze eine sehr hohe chemische
Aggressivität gegenüber Einbauteilen aufweisen; dies
gilt insbesondere für Zinnhalogenide, die zum Erzielen
warmer Lichtfarben benötigt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungs
beispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Hochdruckentladungslampe mit einseitig
gequetschtem Entladungsgefäß
Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Elektrode für die
Hochdruckentladungslampe der Fig. 1
Fig. 3 eine um 90° gedrehte Ansicht der in Fig. 2
gezeigten Elektrode
Fig. 4 ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Elektrode
Fig. 5 einen Vergleich des Temperaturverlaufs entlang
von Elektroden gemäß Fig. 2, die entweder mit
oder ohne Kernstift ausgerüstet sind
Fig. 6 einen Vergleich der Abweichung von der
ursprünglichen Brennspannung als Funktion der
Betriebsdauer für dieselben Elektrodenformen
Fig. 7 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Elektrode
In Fig. 1 ist der Aufbau einer Hochdruckentladungs
lampe 1 mit einer Leistungsaufnahme von 150 W gezeigt.
Die Lampe 1 besteht aus einem einseitig gequetschten
Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas, das von einem
ebenfalls einseitig gequetschten Außenkolben 3,
ebenfalls aus Quarzglas, umschlossen ist. Die Elek
troden 4, 5 (in schematischer Darstellung) sind
mittels Folien 6, 7 gasdicht in das Entladungsgefäß 2
eingeschmolzen und über die Stromzuführungen 8, 9, die
Dichtungsfolie, 10, 11 des Außenkolbens 3 und über
weitere kurze Stromzuführungen 12, 13 mit den elek
trischen Anschlüssen eines Keramiksockels (nicht
gezeigt) verbunden. In die Quetschung des Entla
dungsgefäßes 2 ist zusätzlich - über ein Drahtstück -
ein auf einem Metallplättchen aufgebrachtes Getter
material 14 potentialfrei eingeschmolzen. Als Füllung
enthält das Entladungsgefäß 2 neben Quecksilber
(15 mg) und einem Edelgas auch Metalljodide und
-bromide von Natrium, Zinn, Thallium, Indium und
Lithium (insgesamt 2,3 mg Metallhalogenide und
zusätzlich 0,2 mg Zinn). Der Betriebsdruck beträgt
ca. 35 bar. Die Lampe 1 weist bei einem Nennstrom von
1,8 A eine Lichtausbeute von 83 lm/W auf.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrode 4, 5 für
die Hochdruckentladungslampe der Fig. 1. Sie weist
einen geraden Schaft 15 von 8,7 mm Länge und ein ange
formtes Wendelteil 16 mit 2 1/4 Windungen von 1,55 mm
Höhe auf, wobei der Schaft 15 und das Wendelteil 16
aus einem einzigen Drahtstück mit einem Drahtdurch
messer von 0,5 mm bestehen. Das Wendelteil 16 ist
gegenüber dem Schaft 15 um etwa 90° abgewinkelt,
wodurch die Entladung quer zu den beiden Schäften 15
verläuft. (Aus fertigungstechnischen Gründen ist das
Wendelteil um weniger als 90° abgewinkelt; der genaue
Wert hängt vom Durchmesser des Elektrodendrahtes und
der Wendelsteigung ab.) Die lichte Weite zwischen den
Windungen des Wendelteils 16 - mit einem inneren
Durchmesser von 0,55 mm - beträgt 0,05 mm. Die Elek
troden 4, 5 bestehen aus undotiertem Wolfram und ent
halten keinen Emitter. In den Windungen des Wendel
teils 16 ist ein Kernstift 17 aus Wolfram, das mit
0,7 Gew.-% Thoriumdioxid angereichert ist, eingesetzt.
Der Kernstift 17 ist somit ebenfalls nahezu im
90°-Winkel zum Schaft 15 angeordnet. Der Kernstift 17
hat eine Länge von 1,9 mm und einen Durchmesser von
0,50 mm, so daß der Kernfaktor 100% beträgt. Der
Kernstift 17 schließt dabei mit seinem der Entladung
zugewandten Ende mit der Spitze des Wendelteils 16 ab,
wobei der Elektrodenabstand 6,5 mm beträgt. An dem der
Entladung abgewandten Ende des Wendelteils steht der
Kernstift 17 0,2 mm über. Die Befestigung des Kern
stifts 17 im Wendelteil 16 erfolgt dabei in denkbar
einfacher Weise durch reines Klemmen.
Eine um 90° gedrehte Seitenansicht dieser Elektrode 4,
5 zeigt Fig. 3. Die Mittelachse des Wendelteils 16
einschließlich des Kernstifts 17 ist seitlich gegen
den Schaft 15 versetzt. Dies rührt daher, daß Wendel
teil 16 und Schaft 15 aus einem Stück gefertigt sind,
wobei der Schaft 15 beim Wendelvorgang tangential vom
Wendelteil 16 weggeführt ist. Infolgedessen werden die
beiden Elektroden 4, 5 in der Lampe so angeordnet, daß
die Mittelachsen der beiden Wendelteile zueinander
ausgerichtet sind.
Eine andere Möglichkeit der Befestigung ist in Fig. 4
gezeigt. Dabei ist der Kernstift 17 entladungsseitig
mit dem Wendelteil 16 verschmolzen. Diese Art der
Befestigung bietet den Vorteil, daß die Toleranzen in
den Abmessungen des Kernstiftes 17 und des Wendel
teils 16 wesentlich unkritischer sind. Außerdem ergibt
sich durch den Schmelzvorgang an der Elektrodenspitze
eine Kuppe 18, die einen stabilen Bogenansatz
gewährleistet.
Die früher verwendete Elektrodenform entspricht der in
Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform, jedoch ohne
Kernstift. Ein Vergleich des Betriebsverhaltens von
Lampen mit und ohne Kernstift liefert folgende
Ergebnisse:
Bei Verwendung von Elektroden mit Kernstift ist die
Elektrodenkorrosion in der Lampe deutlich herabge
setzt. Die mittlere Lebensdauer konnte um etwa 20%
gegenüber Lampen ohne Kernstift gesteigert werden.
Den Temperaturverlauf entlang der Elektroden zeigt
Fig. 5. Die entsprechenden Meßpunkte sind in Fig. 2
markiert. Bei Verwendung von Elektroden mit Kernstift
(Kurve I) ist entsprechend der größeren Wärmekapazität
im Bereich des Wendelteils 16 der Temperaturabfall vom
Bogenansatz (an der Kernstiftspitze, Meßpunkt a) bis
zum Ende der Wendel (Meßpunkte b, c) deutlich geringer
als bei der kernstiftlosen Elektrode (Kurve II).
Dagegen ist der Temperaturabfall im Bereich des
Schaftes (Meßpunkte d, e; der Meßpunkt e liegt in der
Nähe der Innenwand der Quetschung) bei der Elektrode
mit Kernstift (Kurve I) wesentlich stärker ausgeprägt,
was einer reduzierten Wärmeableitung entlang des
Schaftes 15 zur Quetschung hin entspricht. Der von der
Entladung abgewandte, überstehende Teil des Kernstifts
(Meßpunkt c′) zeigt ein anomales Temperaturverhalten,
da hier die Temperatur gegenüber dem Meßpunkt c wieder
etwas ansteigt. Die beobachtete reduzierte Elektroden
korrosion hängt wahrscheinlich mit diesem deutlich
veränderten Temperaturverlauf zusammen.
Einen Vergleich der Leistungsschwankungen der beiden
Lampentypen zeigt Fig. 6. Als Maß für die Leistungs
schwankungen dient die Variation Δ U B der Brenn
spannung U B (in Prozent); der absolute Wert der
Brennspannung beträgt dabei etwa 100 V. Typisch für
Elektroden ohne Kernstift (Kurve II) ist dabei der
starke Abfall der Brennspannung (max. 12%) während
der ersten tausend Stunden Betriebsdauer. Dieses
Verhalten wird durch eine Verringerung des Elektro
denabstands infolge des Verbiegens des Wendeldrahtes
hervorgerufen. Die verbesserte Stabilisierung bei
Elektroden mit Kernstift (Kurve I) zeigt sich in dem
wesentlich geringeren Abfall der Brennspannung (max.
2,5%).
Ein Maß für die Beurteilung der Zündwilligkeit ist das
Verhältnis (U W /U B ) von Wiederzündspannung (U W )
zu Brennspannung (U B ) einer Lampe. Je kleiner dieses
Verhältnis ist, umso besser ist die Bogenübernahme.
Bei den Lampen, deren Elektrode einen Kernstift
enthält, ist erwartungsgemäß die Zündwilligkeit besser
(U W /U B = 1,52) als bei Lampen mit kernstiftlosen
Elektroden (U W /U B = 1,56).
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Hoch
druckentladungslampe, die jedoch nur 35 W Leistungs
aufnahme besitzt, sind die Elektroden 4, 5 (Fig. 2)
aus einem undotierten Wolframdraht mit einem
Drahtdurchmesser von 0,25 mm hergestellt. Der gerade
Schaft 15 hat eine Länge von 5,7 mm und das angeformte
Wendelteil 16 mit 1 1/4 Windungen hat eine Höhe von
0,85 mm. Der Kernstift 17 (aus mit 0,7% ThO2
angereichertem Wolfram) hat eine Länge von 1,2 mm und
einen Durchmesser von 0,3 mm, so daß der Kernfaktor
120% beträgt; er steht mit seinem der Entladung
zugewandten Ende 0,3 mm über das Wendelteil 16 über,
wobei der Elektrodenabstand 4 mm beträgt. An dem der
Entladung abgewandten Ende steht der Kernstift 17 um
0,2 mm über. Die Füllung des Entladungsgefäßes ist
ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch ist das
Brom durch Jod ersetzt und ein zusätzlicher Überschuß
an Zinn eingebracht. Auch diese Lampe zeigt ähnlich
verbesserte Betriebseigenschaften wie die im ersten
Ausführungsbeispiel gezeigte Lampe.
Zur Erzielung anderer Farbtemperaturen und Lichtfarben
können auch Füllungen mit anderen Metallen und Halo
geniden verwendet werden, beispielsweise wird durch
eine Füllung mit Jodiden des Natrium und Thallium
sowie mehrerer Seltener Erden (Dy, Ho, Tm) eine höhere
Farbtemperatur erzielt.
Die genauen Abmessungen der Elektroden einschließlich
des jeweils zu verwendenden Kernstiftes hängen von der
Geometrie des Entladungsgefäßes und der Leistungs
aufnahme der Lampe ab. Es muß dabei ein Kompromiß
zwischen der Eindämmung der Elektrodenkorrosion und
guter Zündwilligkeit gefunden werden. Dabei hat auch
die Zusammensetzung der Lampenfüllung Einfluß auf die
Elektrodenabmessungen.
Claims (10)
1. Einseitig gequetschte Hochdruckentladungslampe
kleiner Leistung mit folgenden Merkmalen:
- - ein Entladungsgefäß (2) aus Quarzglas, das eventuell von einem Außenkolben (3) umgeben ist
- - einer Füllung aus Quecksilber und Edelgas mit Zusätzen an Metallen und/oder deren Halogeniden
- - zwei Elektroden (4, 5) mit geraden, zueinander parallelverlaufenden Schäften (15) und an den Schäften (15) angeformten Wendelteilen (16), die jeweils gegenüber dem Schaft (15) um etwa 90° ab gewinkelt sind und sich gegenüberstehen,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wendelteil (16) mit
einem Kernstift (17) ausgestattet ist.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß bei beiden Elektroden der Kern
faktor des Systems Wendelteil (16) - Kernstift (17)
100% ist.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektroden (4, 5) aus undo
tiertem Wolfram bestehen, während die Kernstifte (17)
aus Wolfram bestehen, das mit Substanzen, die eine
niedrige Elektronenaustrittsarbeit aufweisen, dotiert
ist.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kernstift (17) entladungs
seitig mit der Spitze des Wendelteils (16) abschließt.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kernstift (17) entladungs
seitig über das Wendelteil (16) übersteht.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kernstift (17) im
Wendelteil (16) eingeklemmt ist.
7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kernstift (17) entladungs
seitig mit dem Wendelteil (16) verschmolzen ist.
8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kernstift (17) an dem der
Entladung abgewandten Ende des Wendelteils (16)
übersteht.
9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Füllungszusätze als wesent
lichen Bestandteil Zinn enthalten.
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