DE69507821T2 - Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Niederdruckentladungslampe

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  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Niederdruck-Entladungslampe, mit
  • einem vakuumdicht verschlossenen, röhrenförmigen Lampengefäß aus Glas, das Endabschnitte hat;
  • einer ionisierbaren Füllung mit einem Edelgas in dem Lampengefäß;
  • hohlzylindrischen Elektroden, die jeweils an einem jeweiligen Endabschnitt in das Lampengefäß treten und die jeweils ein Ende innerhalb und ein Ende außerhalb des Lampengefäßes aufweisen.
  • Eine derartige Niederdruck-Entladungslampe ist aus EP-A 0 562 679 (PHN 14.189) bekannt.
  • Die bekannte Lampe hat eine einfache Konstruktion, die leicht zu realisieren ist. Die hohlzylindrischen Elektroden darin haben eine mehrfache Funktion: sie wirken innerhalb des Lampengefäßes als Elektroden, innerhalb des Lampengefäßes und in der Lampengefäßwandung als Stromzuführleiter und Stromdurchführungen sowie auch als Röhren, durch die das Lampengefäß gereinigt und mit seiner Füllung versehen werden kann. Das Lampengefäß kann vakuumdicht verschlossen werden, indem eine Glasröhre an jede der Elektroden außerhalb des Lampengefäßes angeschmolzen wird und an ihrem freien Ende beispielsweise durch Verschmelzen verschlossen wird.
  • Die Konstruktion der bekannten Lampe macht es einfach, Lampen mit verhältnismäßig kleinem Innendurchmesser zu realisieren, beispielsweise 1,5 bis 7 mm, und mit verhältnismäßig großer Länge von beispielsweise 1 m oder mehr.
  • Die ionisierbare Füllung kann ein Edelgas oder eine Mischung aus Edelgasen enthalten oder zusätzlich eine verdampfbare Komponente; wie beispielsweise Quecksilber. Die Lampengefäßwandung kann mit einem fluoreszierenden Material versehen sein. Die Lampe kann für Beleuchtungszwecke verwendet werden oder als Signallampe, beispielsweise mit einer Neon-Füllung als Rücklicht- oder Bremslichtlampe in Fahrzeugen. Bei den letztgenannten Anwendungen hat die Lampe gegenüber einer Glühlampe den Vorteil, daß sie bereits nach 10 ms volles Licht liefert, statt nach 300 ms nach dem Erregen.
  • Es ist ein Nachteil der bekannten Lampe, daß ihr Lichtstrom verhältnismäßig niedrig ist.
  • Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Niederdruck-Entladungslampe der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, die einen erhöhten Lichtstrom liefern kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Röhre in der Verlängerung zumindest einer der Elektroden in einem Abstand zu einem Ende davon liegt, wobei die Röhre mit einem Elektronenemitter beschichtet ist und mit der Elektrode mittels elektrisch leitender Mittel verbunden ist, deren Material in Querschnitten quer zur Elektrode eine Oberfläche hat, die höchstens 25% der Oberfläche des Materials der Elektrode selbst in Querschnitten beträgt, und welche Röhre zumindest an einer der Elektrode zugewandten Seite offen ist.
  • Es zeigte sich, daß die erfindungsgemäße Lampe bei der gleichen Leistungsaufnahme einen erhöhten Lichtstrom liefert.
  • Es zeigte sich, daß sich der Entladungsbogen beim Starten der Lampe hauptsächlich auf das Innere der Elektrode richtet. Der Bogen trifft auch die Röhre und erhöht deren Temperatur. Nach einiger Zeit richtet sich der Bogen hauptsächlich auf die Röhre und bleibt dort.
  • Die Röhre nimmt während des Lampenbetriebs eine verhältnismäßig hohe Temperatur an. Dies ergibt eine gute Elektronenemission. Die elektrisch leitenden Mittel versehen die Röhre mit einer Wärmeisolierung, so daß die Elektrode selbst verhältnismäßig kalt bleibt, kälter als die Elektrode der bekannten Lampe. Dies äußert sich in der Temperatur der Elektrode dort, wo sie mit dem Lampengefäß in Kontakt steht, und außerhalb des Lampengefäßes. Das Lampengefäß und die Elektrode außerhalb des Lampengefäßes können demzufolge mit Materialien in Kontakt oder in Verbindung stehen, die im Betrieb eine verhältnismäßig niedrige Wärmebeständigkeit haben.
  • Im allgemeinen bilden die elektrisch leitenden Mittel einen Wärmewiderstand von 50-2000 K/W. Wenn der Wärmewiderstand erheblich größer ist als hier angegeben, kann die Röhre im allgemeinen eine Temperatur annehmen, bei der das Auftreten von Verdampfung beginnen kann. Bei einem niedrigeren Widerstand als angegeben ist die Auswirkung auf die Röhrentemperatur klein. Es ist günstig, wenn der Wärmewiderstand 100-2000 K/W beträgt.
  • Die Lampe, die nur eine mit einer Röhre versehene Elektrode hat, ist äußerst geeignet für Gleichstrombetrieb. Die Elektrode mit der Röhre ist dann die Kathode. Es ist jedoch günstig, beispielsweise bei Wechselstrombetrieb, wenn beide Elektroden mit einer solchen Röhre ausgerüstet sind.
  • Die elektrisch leitenden Mittel können aus einem Metalldraht gebildet werden, der an die Elektrode und an die Röhre geschweißt ist, beispielsweise mit Widerstandschweißungen oder Laserschweißungen. Alternativ können die genannten Mittel jedoch auch zwei oder mehr Drähte umfassen. Diese Ausführungsform kann bei Lampen vorzuziehen sein, die im Betrieb Beschleunigungen unterliegen, beispielsweise infolge von Stößen oder Vibrationen.
  • Bei einer günstigen Ausführungsform bildet die Röhre mit der Elektrode ein einziges Stück. In diesem Fall ist aus dem Mantel eines Zylinders, aus dem die Elektrode und die Röhre gebildet worden sind, über einen Längsabschnitt Material entfernt worden, beispielsweise mittels Sägen, Fräsen, Bohren, Abbrennen oder Ätzen. Eine oder mehrere Verbindungen zwischen der Röhre und der Elektrode können erhalten geblieben sein, um so als elektrisch leitende Mittel zu dienen. Drei solcher Verbindungen über den Umfang verteilt bilden eine mechanisch starke Konstruktion. Die Wandung der Röhre wird beispielsweise aus einem festen Material gebildet, beispielsweise dem gleichen Material wie die Elektrode, beispielsweise bildet die Röhre mit der Elektrode ein einziges Stück.
  • Bei einer günstigen Ausführungsform ist die Wandung der Röhre porös. Das Material, aus dem die Röhre hergestellt ist, ist ein feuerfestes Metall wie z. B. Ni, Mo oder Ta oder eine Legierung davon. Dies hat den Vorteil, daß sowohl die Adhäsionskraft als auch die Mange Emittermaterial, das an der Röhre haften kann, verbessert werden. Weiterhin ist die Wärmekapazität der Röhre relative niedrig, was zu einem schnellen Aufwärmen der Elektrode führt.
  • Vorteilhafterweise ist das poröse Material eine Gaze, da diese einfach zu handhaben ist und eine relativ hohe Stärke aufweist. Die Gaze ist beispielsweise aus einem Draht mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometer und mit einer Dichte aus einigen Drähten pro mm geflochten.
  • Es ist günstig, wenn die Röhre innen mit Emitter beschichtet ist. Alternativ kann die Röhre jedoch auch außen beschichtet sein oder sowohl innen als auch außen. Bei einer Innenbeschichtung richtet sich der Entladungsbogen vorzugsweise auf die Innenseite der Röhre. Aus der Röhre gelöstes Material bleibt dann im wesentlichen innerhalb der Röh re statt sich auf der Lampengefäßwandung abzuscheiden. Eine Röhre läßt sich sowohl innen als auch außen besonders einfach beschichten, wenn sie in eine Suspension aus Emittermaterial getaucht wird. Der äußere Emitter kann dann als Reservoir wirken, falls sich der innere Emittervorrat gegen Ende der Lampenlebensdauer erschöpfen sollte.
  • Die Wärmeisolierung der Röhre kann durch Wahl des Abstandes zwischen der Röhre und der Elektrode, der Anzahl Verbindungen zwischen der Röhre und der Elektrode und deren gemitteltem Querschnitt gewählt werden. Wenn die Röhre und die Elektrode eine montierte Einheit sind, ist die Isolierung ebenfalls durch die Wahl des Materials der genannten Mittel einstellbar, insbesondere deren Wärmeleitfähigkeit. Der Fachmann kann diese Wahl in einfacher Weise für jeden Lampentyp in einer kleinen Testserie treffen.
  • Der Emitter kann beispielsweise, aus Emittern gewählt werden, die aus Lampen bekannt sind, beispielsweise Niederdruck-Entladungslampen, oder aus Mischungen davon. Äußerst geeignet ist ein Emitter aus BaO, CaO, und SrO, der beispielsweise aus gleichen Molanteilen ihrer Karbonate erhalten worden ist. Alternativ kann beispielsweise BaXSr1-xY&sub2;O&sub4; verwendet werden, in dem x beispielsweise 0,75 ist.
  • Die Elektrode, und damit eventuell die Röhre, kann aus einem Metall hergestellt sein, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der dem des Glases des Lampengefäßes entspricht, beispielsweise einer CrNiFe-Legierung im Falle von Kalkglas, beispielsweise Cr 6 Gew.-%, Ni 42 Gew.-% und der Rest Fe. Für ein Lampengefäß aus Hartglas, beispielsweise aus Borsilicatglas, kann eine Elektrode verwendet werden, beispielsweise aus Ni/Fe oder NiCoFe, beispielsweise Ni 29 Gew.-%, Co 17 Gew.-%, der Rest Fe, beispielsweise mit einem Durchmesser von 1,5 mm und einer Wanddicke von 0,12 mm.
  • Die Röhre in einer montierten Einheit aus Elektrode und Röhre kann beispielsweise auch aus CrNiFe mit 18 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% Ni und dem Rest Fe bestehen oder aus Ni. Die elektrisch leitenden Mittel können dann beispielsweise NiCr, beispielsweise Ni80Cr20 (Gewicht/Gewicht) sein, beispielsweise in Form von Draht mit 0,125 oder 0,250 mm Durchmesser.
  • Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist die Röhre an beiden Seiten offen und innerhalb des Lampengefäßes positioniert. Praktisch alle von dem Entladungsbogen erzeugte Strahlung wird in dieser Ausführungsform verwendet, die besonders bei einem verhältnismäßig kurzen Lampengefäß interessant ist.
  • Zu der Erfindung führende Experimente haben gezeigt, daß der Entladungsbogen bei Verwendung eines Emitters in einer innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Röhre um die Röhre herum in die Elektrode eindringt, wobei die Röhre an einer Seite offen ist und die geschlossene Seite entweder der Elektrode zugewandt ist oder von der Elektrode abgewandt ist. Das Lampengefäß weist dann nahe der Röhre eine starke Schwärzung auf.
  • Das Lampengefäß kann dadurch verschlossen werden, daß eine Glasröhre an eine oder beide Elektroden außerhalb des Lampengefäßes geschweißt und verschlossen wird. Es ist jedoch auch möglich, daß außerhalb des Lampengefäßes eine Abdichtung in der Elektrodenröhre selbst hergestellt worden ist. Hierzu kann die Röhre durch Verschmelzung verschlossen worden sein, beispielsweise mit einem Laser, oder abgequetscht oder abgequetscht und verschmolzen sein.
  • In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe ist die Röhre außerhalb des Lampengefäßes vor der Elektrode positioniert. Dies hat den Vorteil, daß aus der Röhre gelöstes Material sich im Betrieb im wesentlichen außerhalb des Lampengefäßes wiederfinden wird, so daß das Lampengefäß selbst klar bleibt. Der Lichtstrom bleibt daher im Laufe der Lampenlebensdauer hoch. Diese Ausführungsform ist besonders wichtig bei Lampen, deren Füllung einen verdampfbaren Bestandteil umfaßt. Da der Entladungsbogen sich im Nennbetrieb hauptsächlich auf die Röhre richtet, nimmt der Raum außerhalb des Lampengefäßes, wo die Röhre untergebracht ist, eine verhältnismäßig hohe Temperatur an. Der Verdampfungsanteil kann somit einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck haben.
  • Die gegenüberliegende, der Elektrode abgewandte Seit kann offen sein, ebenso wie die der Elektrode zugewandte Seite, oder sie kann auch geschlossen sein, beispielsweise indem sie abgequetscht worden ist.
  • Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Niederdruck-Entladungslampe wird in Fig. 1 der Zeichnung in Seitenansicht gezeigt, teilweise im Aufriß.
  • Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, ebenfalls in Seitenansicht und teilweise im Aufriß.
  • Die Niederdruck-Entladungslampe in der Zeichnung hat ein vakuumdicht verschlossenes, röhrenförmiges Lampengefäß 1 aus Glas, das Endabschnitte 2 hat. Es hat eine ionisierbare Füllung mit einem Edelgas, in der Zeichnung eine Füllung aus Argon und Quecksilber. Eine Gemisch aus Phosphoren 8 bedeckt zum Großteil die Innenfläche des Lampengefäßes. Hohlzylindrische Elektroden 3 treten in das Lampengefäß jeweils an einem jeweiligen Endabschnitt 2 ein und haben Enden 4A, 4B innerhalb und außerhalb des Lampengefäßes.
  • Eine Röhre 5 liegt in der Verlängerung von zumindest einer der Elektroden 3, in einem Abstand vor einem der Enden 4 davon, d. h. 4A, wobei die Röhre 5 zumindest an einer der Elektrode zugewandten Seite offen ist, mit einem Elektronenemitter 6 beschichtet ist und mit der Elektrode 3 mit elektrisch leitenden Mitteln 7 verbunden ist, deren Material in Querschnitten quer zur Elektrode eine Oberfläche hat, die höchstens 25% der Oberfläche des Materials der Elektrode selbst in Querschnitten beträgt.
  • In der dargestellten Ausführungsform ist die Röhre 5 an zwei Seiten offen und vor der Elektrode 3, innerhalb des Lampengefäßes 1 positioniert.
  • Die Röhre ist innen und außen mit Emitter beschichtet. Die Elektrode und die Röhre bilden ein einziges Stück. In der Figur haben beide Elektroden eine solche emitterbeschichtete Röhre, und die Röhren sind mit den Elektroden mittels dreier über den Umfang verteilten Verbindungen verbunden, die in der Figur ungefähr 10% des Umfangs bedecken und die elektrisch leitenden Mittel bilden.
  • In einer gleichartigen Lampe mit einem Lampengefäß aus Kalkglas mit einem Innendurchmesser von 3,5 mm und einem Außendurchmesser von 5 mm wurden Elektroden aus Cr6Ni42Fe52 (Gewicht/Gewicht/ Gewicht) verwendet. Die Elektroden hatten einen Innendurchmesser von 1,5 mm und eine Wanddicke von 0,12 mm. Eine an zwei Enden offene Röhre mit einer festen Nickelwandung und einer Länge von 4 mm erstreckte sich vor jeder der Elektroden in einem Abstand von 3 mm. Die Röhren waren innen und außen mit BaCaSrO&sub3; beschichtet. Die Röhren wurden von einem Nickeldraht von 0,4 mm Durchmesser getragen, der im Querschnitt eine Oberfläche hatte, die ungefähr 6% der Materialoberfläche der Elektrode selbst im Querschnitt betrug, was einen Wärmewiderstand von 320 K/W ergab.
  • Die Lampe wurde mit einer Lampe (ref) verglichen, die keine Röhren an den Elektroden hatte, aber in jeder anderen Hinsicht identisch war. Die Bezugslampe wurde ebenso wie die erfindungsgemäße Lampe (inv 1) mit 10 mA Wechselstrom betrieben. Die erfindungsgemäße Lampe wurde auch mit 30 mA (inv 2) betrieben. Die Spannung an den Lampen V1a, die aufgenommene Leistung P1a, der Lichtstrom &Phi;, und die Lichtausbeute &eta; werden in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die mit dem gleichen Strom betriebene, aber weniger Leistung als die Bezugslampe aufnehmende erfindungsgemäße Lampe den gleichen Lichtstrom ergibt und daher eine erheblich höhere Lichtausbeute aufweist. Wenn die Lampe bei höherer Leistung betrieben wird (inv 2), ist die Lichtausbeute höher als die der Bezugslampe, ebenso wie der Lichtstrom.
  • Ein identisches Lampengefäß, aber nicht mit Phosphoren beschichtet und mit den gleichen Elektroden, Röhren mit Emitter und elektrisch leitenden Mitteln, wurde mit 25 mbar Neon gefüllt, dem 0,05 Vol.-% Argon hinzugefügt war. Die Lampe (inv 3) wurde mit 10 mA Gleichstrom betrieben und mit einer Bezugslampe (ref 2) verglichen, die Elektroden ohne die Röhren hatte, aber in jeder anderen Hinsicht identisch war.
  • Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2
  • Aus der Tabelle ist die höhere Lichtausbeute der erfindungsgemäßen Lampe ersichtlich, was zu einem höheren Lichtstrom führt als dem der Bezugslampe, wenn die gleiche Leistung aufgenommen wird wie in der Bezugslampe.
  • Die Temperatur der Lampe inv 3 wurde an den in der Figur mit a-g angedeuteten Stellen gemessen, wobei die Kathode an der Stelle g lag. Diese Temperaturen werden zum Vergleich mit den entsprechenden Temperaturen der Bezugslampe (ref 2) in Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 3
  • Aus Tabelle 3 wird deutlich, daß die höchste gemessene Temperatur (e) für die Lampe inv 3 mehr als 50ºC niedriger ist als in der Bezugslampe. Da die Lampe sicher am hervorstehenden Abschnitt der Elektrode festgehalten werden muß, um sie zu speisen, ist es bei der Wahl von Materialien, mit denen die Lampe im Betrieb in Verbindung steht, wichtiger, daß die Temperatur nahe der Kathode an der Stelle g am niedrigsten ist und viel niedriger (71ºC) als in der Bezugslampe. Aus den Temperaturen bei e-g ist ersichtlich, daß das Lampengefäß der Bezugslampe seine Temperaturen hauptsächlich durch Leitung von aus der Elektrode stammender Wärme durch die Lampengefäßwandung hindurch erhält. Das Lampengefäß der Lampe inv 3 erhält seine Temperaturen hauptsächlich durch aus der Röhre bei der Elektrode stammende Strahlung.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Wandung der Röhre aus einem porösen Material, beispielsweise einer Gaze aus einem Draht mit einem Durchmesser im Bereich 50-100 um und mit einer Dichte von 3-5 Drähten pro mm. Geeignete Materialien sind beispielsweise Ni, Mo und Ta. In einem Ausführungsbeispiel hat die Röhre eine Länge und einen Innendurchmesser von 3 mm bzw. 1,5 mm.
  • In Fig. 2 haben Teile, die denen von Fig. 1 entsprechen, um 10 höhere Bezugszeichen. Für Lampen der Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 2, im weiteren als inv 4 bzw. inv 5 bezeichnet, wurden Lampeneigenschaften nach einem Betrieb von 1 h und 2000 h gemessen. Der Abstand zwischen den Röhren in Lampe inv 4 beträgt 12 cm. Ihre Konstruktion ist mit der von Lampe inv 1 in jeder anderen Hinsicht identisch. Die Konstruktion der Lampe inv 5 unterscheidet sich von der von Lampe inv 4 nur darin, daß die Röhre außerhalb des Lampengefäßes plaziert ist. Der Abstand zwischen den Röhren in Lampe inv 5 beträgt 14 cm. Die Lampenkonstruktion ist in anderer Hinsicht gleich, d. h. Materialien und Abmessungen der Röhren, elektrisch leitende Mittel und Elektroden. Die Lampen inv 4 und inv 5 wurden mit 40 mbar Ar und 2 mg Hg gefüllt. Die folgenden Lampeneigenschaften wurden bei einem Lampenstrom von 40 mA nach einer Lampenlebensdauer T (h) von 1 h und 2000 h Betrieb gemessen:
  • Lampenspannung V1a in V, von der Lampe P1a aufgenommene Leistung in W, Lichtstrom &phi; der Lampe in Im, und Lichtausbeute &eta; in lm/W, wie unten in Tabelle 4 aufgelistet. Das Verhältnis der Lichtausbeute nach 2000 Betriebsstunden &eta;&sub2;&sub0;&sub0;&sub0; zur Lichtausbeute nach 1 Betriebsstunde &eta;&sub1; wird auch in der Tabelle gezeigt. Tabelle 4
  • Die Lichtausbeute der Lampe inv 5 nach 2000 Betriebsstunden erwies sich als höher als die einer Lampe inv 4, obwohl die von dem Entladungsbogen in Lampe inv 5 erzeugte Strahlung teilweise von der Elektrode abgefangen wird, weil der Entladungsbogen durch die hohle Elektrode tritt und sich auf die Röhre richtet.

Claims (9)

1. Niederdruck-Entladungslampe, mit
einem vakuumdicht verschlossenen, röhrenförmigen Lampengefäß aus Glas (1), das Endabschnitte (2) hat;
einer ionisierbaren Füllung mit einem Edelgas in dem Lampengefäß;
hohlzylindrischen Elektroden (3), die jeweils an einem jeweiligen Endabschnitt (2) in das Lampengefäß treten und die jeweils ein Ende (4A) innerhalb und ein Ende (4B) außerhalb des Lampengefäßes aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Röhre (5) in der Verlängerung zumindest einer der Elektroden (3) in einem Abstand zu einem Ende (4A) davon liegt, wobei die Röhre (5) mit einem Elektronenemitter (6) beschichtet ist und mit der Elektrode (3) mittels elektrisch leitender Mittel (7) verbunden ist, deren Material in Querschnitten quer zur Elektrode eine Oberfläche hat, die höchstens 25% der Oberfläche des Materials der Elektrode selbst in Querschnitten beträgt, und welche Röhre (5) zumindest an einer der Elektrode (3) zugewandten Seite offen ist.
2. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Röhre (1 S) aus porösem Material besteht.
3. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material eine Gaze ist.
4. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (5) an beiden Seiten offen ist und innerhalb des Lampengefäßes (1) vor der Elektrode (3) positioniert ist.
5. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (15) außerhalb des Lampengefäßes (11) vor der Elektrode (13) positioniert ist.
6. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (5) innen mit Emitter (6) beschichtet ist.
7. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (5) innen und außen mit Emitter (6) beschichtet ist.
8. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 oder 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) und die Röhre (5) aus einem einzigen Stück bestehen.
9. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (3) eine Röhre (5) haben.
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