EP0592915B1 - Niederdruckentladungslampe und Herstellungsverfahren für eine Niederdruckentladungslampe - Google Patents

Niederdruckentladungslampe und Herstellungsverfahren für eine Niederdruckentladungslampe Download PDF

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EP0592915B1
EP0592915B1 EP93116008A EP93116008A EP0592915B1 EP 0592915 B1 EP0592915 B1 EP 0592915B1 EP 93116008 A EP93116008 A EP 93116008A EP 93116008 A EP93116008 A EP 93116008A EP 0592915 B1 EP0592915 B1 EP 0592915B1
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strontium
barium
oxide
carbonate
low
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Roland Hoffmann
Erolf Weinhardt
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
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    • H01J61/0675—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/04—Manufacture of electrodes or electrode systems of thermionic cathodes
    • H01J9/042—Manufacture, activation of the emissive part

Definitions

  • the invention relates to a low-pressure discharge lamp according to the preamble of patent claim 1 and a manufacturing method for a low-pressure discharge lamp.
  • the invention relates to an electron emitter for a cold-startable low-pressure discharge lamp with rod-shaped electrode filaments.
  • a lamp corresponding to the preamble of claim 1 is described, for example, in the book "Die Oxidkathode", volume 2, by G. Hermann and S. Wagener, Johann Ambrosius Verlag, Leipzig, 2nd edition (1950) (pages 137-139). It is a fluorescent lamp whose electrode filaments are activated using a mixture of barium and strontium carbonate. According to the authors of this book (pages 25 - 33), a mixture of equal proportions of barium and strontium carbonate provides optimal emission values after activation of the electrode filaments pasted with it. They also state that with an equimolar mixture of barium and strontium carbonate, to which approximately 10% calcium carbonate is added, good emission values are also achieved after activation of the electrodes.
  • the emitter compositions mentioned in the cited book are also suitable for so-called cold-startable low-pressure discharge lamps. These are Low-pressure discharge lamps that are ignited without preheating their electrode filaments.
  • the exemplary embodiment is a rod-shaped fluorescent lamp.
  • This lamp has a circular cylindrical discharge vessel with a diameter of approx. 26 mm and a length between 0.6 m and 1.5 m.
  • At the ends of the lamp are two double coiled, rod-shaped electrode filaments made of tungsten, sealed in a gas-tight manner.
  • the rod-shaped electrode filaments are arranged transversely to the discharge path.
  • the discharge vessel has a fluorescent coating on its inner wall.
  • the ionizable filling of the fluorescent lamp consists of mercury vapor and a noble gas mixture.
  • the electrode coils are provided with an electron emitter consisting of a mixed oxide, the mixed oxide consisting of barium oxide with up to 5 mol% of strontium oxide, and an excess of metallic barium and strontium being generated in the forming process.
  • the discharge tube of the fluorescent lamp is made from a glass tube that has been coated with fluorescent material on its inner wall.
  • the electrode frames are inserted into the ends of the discharge vessel and fused with it.
  • the electrodes are activated at the same time.
  • the lamp is then provided with the ionizable filling, consisting of krypton, argon and mercury, and the pump stem is sealed gas-tight.
  • the two electrode frames each consist of a double-coiled, rod-shaped electrode coil made of tungsten, the power supply lines of which are melted into a glass base.
  • the electrode coils carry an emitter paste made of a mixed carbonate, which consists of barium carbonate with up to 20, in particular up to 5 mol%, strontium carbonate, which is activated the electrodes are converted into barium oxide and strontium oxide, which contains small amounts of metallic barium and strontium, respectively.
  • a mixed carbonate consisting of barium carbonate and up to 20, in particular up to 5 mol%, strontium carbonate is obtained in a precipitation system from the starting materials barium nitrate, strontium nitrate and a tartrate, preferably potassium sodium tartrate.
  • the mixed carbonate is dried and then ground with butyl acetate and nitrocellulose, so that the average grain size of the carbonate powder in the suspension after the grinding process is approximately 5 ⁇ m.
  • About 80% by weight of the suspension consists of the mixed carbonate, 18% by weight of butyl acetate and 2% by weight of nitrocellulose.
  • the electrode filaments are coated with the latter by immersing them in the emitter paste or suspension.
  • the electrode filaments are heated to a temperature above 800 ° C. for a time of about 10-40 seconds by means of an electrical current flow.
  • the binder burns and the mixed carbonate is converted into the mixed oxide, the ratio of barium to strontium oxide in the mixed oxide being exactly the same as the ratio of barium to strontium carbonate in the emitter paste.
  • a small part of the barium oxide or strontium oxide is reduced to metallic barium or strontium in the activation process.
  • the metallic barium or strontium increases the electrical conductivity of the semiconducting mixed oxide and has a great influence on the electron emission of the emitter.
  • the electron emitter then exists after activation of the electrode filaments from a mixed oxide containing barium oxide and strontium oxide and a small part, approx. 0.05 mol%, of metallic barium and metallic strontium.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described above.
  • the use of this emitter is not limited to the fluorescent lamp of the exemplary embodiment, but rather can be used in many commercially available low-pressure discharge lamps. It is also possible to use this emitter in high pressure sodium discharge lamps.
  • Other solvent / binder systems for example aqueous suspensions, can also be used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für eine Niederdruckentladungslampe.
    Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Elektronenemitter für eine kaltstartfähige Niederdruckentladungslampe mit stabförmigen Elektrodenwendeln.
  • Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Lampe ist beispielsweise in dem Buch "Die Oxidkathode", Band 2, von G. Hermann und S. Wagener, Johann Ambrosius Verlag, Leipzig, 2. Auflage (1950) (Seite 137 - 139) beschrieben. Es handelt sich hierbei um eine Leuchtstofflampe, deren Elektrodenwendeln unter Verwendung einer Mischung von Barium- und Strontiumkarbonat aktiviert werden. Laut Aussage der Autoren dieses Buches (Seiten 25 - 33) liefert eine Mischung aus gleichen Anteilen von Barium- und Strontiumkarbonat optimale Emissionswerte nach Aktivierung der damit bepasteten Elektrodenwendeln. Außerdem führen sie aus, daß mit einer äquimolaren Mischung von Barium- und Strontiumkarbonat, der ungefähr 10 % Kalziumkarbonat beigefügt wird, nach Aktivierung der Elektroden ebenfalls gute Emissionswerte erreicht werden. Beim Aktivieren der Elektroden werden die Karbonate in die entsprechenden Metalloxide umgewandelt. Die im zitierten Buch genannten Emitterzusammensetzungen eignen sich auch für sogenannte kaltstartfähige Niederdruckentladungslampen. Das sind Niederdruckentladungslampen, die ohne vorherige Vorheizung ihrer Elektrodenwendeln gezündet werden.
  • Beim Kaltstart von Niederdruckentladungslampen tritt während des Zündvorganges eine extrem hohe Belastung der Elektrodenwendeln auf. In der Glimmphase sind die Elektrodenwendeln einem heftigen Ionenbeschuß ausgesetzt, der zur Aufheizung der Elektroden und zur Ausbildung eines Brennflecks auf den Elektrodenwendeln führt, an dem schließlich der Übergang in die Bogenentladung erfolgt. Der Ionenbeschuß bewirkt allerdings auch eine Schädigung der Elektrodenwendeln durch Absputtern von Elektroden- und Emittermaterial, das sich auf der Innenwand des Entladungsgefäßes niederschlägt und eine unerwünschte Schwärzung der Entladungsgefäßenden verursacht. Lang anhaltende Glimmphasen können so zum vorzeitigen Bruch der Elektrodenwendeln führen und die Lebensdauer der Niederdruckentladungslampe verkürzen.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Niederdruckentladungslampe mit verbesserter Kaltstartfähigkeit sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Lampe bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. des Verfahrensanspruchs 3 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Versuche mit reinem Bariumkarbonat als Emitterpaste für die stabförmigen Elektrodenwendeln von Leuchtstofflampen ergeben überraschenderweise, daß derartige Leuchtstofflampen nach Aktivierung ihrer Elektroden eine gegenüber den mit dem Standardemitter, gemäß des oben zitierten Buchs "Die Oxidkathode", versehenen Leuchtstofflampen eine deutlich verbesserte Kaltstartfestigkeit besitzen. Der reine Bariumoxid-Emitter (mit metallischem Barium dotiert) scheint den Ergebnissen dieser Versuche zufolge besser auf den Elektrodenwendeln aus Wolfram zu haften als der Standardemitter und liefert bereits eine zum Lampenbetrieb ausreichende Elektronenemission, so daß diese Niederdruckentladungslampen weit mehr als 10 000 Schaltungen erlauben, ohne daß eine Schädigung der Elektrodenwendeln und eine nennenswerte Schwärzung des Entladungsgefäßes beobachtet werden konnte. Außerdem zeigten die Experimente, daß bei diesen Niederdruckentladungslampen die Elektronenemission durch Zugabe von Strontiumkarbonat zur Emitterpaste erhöht werden konnte. Allerdings nahm dadurch die Schaltfestigkeit der Lampe wieder ab und die Schwärzung des Entladungsgefäßes durch absputterndes Emittermaterial zu. Bei einem Anteil von etwa 20 Mol-% Strontiumkarbonat in der Emitterpaste aus Bariumkarbonat liegt die Grenze für eine ausreichend gute Kaltstartfestigkeit. Besonders günstige Resultate wurden mit einem Anteil von bis zu 5 Mol-% Strontiumkarbonat in der Emitterpaste aus Bariumkarbonat als Ausgangsmaterial für die Emitterpaste erzielt, das beim Herstellungsprozeß auf eine mittlere Korngröße zwischen 3 und 8 »m eingestellt wurde.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine stabförmige Leuchtstofflampe. Diese Lampe besitzt ein kreiszylindrisches Entladungsgefäß mit einem Durchmesser von ca. 26 mm und einer Länge zwischen 0,6 m und 1,5 m. An den Enden der Lampe sind zwei doppelt gewendelte, stabförmige Elektrodenwendeln aus Wolfram, gasdicht eingeschmolzen. Die stabförmigen Elektrodenwendeln sind quer zur Entladungsstrecke angeordnet. Das Entladungsgefäß trägt auf seiner Innenwand eine Leuchtstoffbeschichtung. Die ionisierbare Füllung der Leuchtstofflampe besteht aus Quecksilberdampf und einem Edelgasgemisch. Die Elektrodenwendeln sind mit einem aus einem Mischoxid bestehenden Elektronenemitter versehen, wobei das Mischoxid aus Bariumoxid mit bis zu 5 Mol-% Strontiumoxid besteht, und wobei beim Formierprozeß ein Überschuß an metallischem Barium und Strontium erzeugt wird.
  • Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Niederdruckentladungslampe und insbesondere die Präparation des Elektronenemitters wird nun anhand des Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Das Entladungsgefäß der Leuchtstofflampe wird aus einem Glasrohr hergestellt, das auf seiner Innenwand mit Leuchtstoff beschlämmt wurde. Nach dem Ausheizen der Bindemittel werden die Elektrodengestelle in die Enden des Entladungsgefäßes eingesetzt und mit diesem verschmolzen. Während des folgenden Pumpprozesses, bei dem Verunreinigungen aus dem Entladungsgefäß entfernt werden, werden gleichzeitig die Elektroden aktiviert. Anschließend wird die Lampe mit der ionisierbaren Füllung, bestehend aus Krypton, Argon und Quecksilber, versehen und der Pumpstengel gasdicht verschlossen. Die beiden Elektrodengestelle bestehen jeweils aus einer doppelt gewendelten, stabförmigen Elektrodenwendel aus Wolfram, deren Stromzuführungen in einem Glasfuß eingeschmolzen sind. Die Elektrodenwendeln tragen eine Emitterpaste aus einem Mischkarbonat, das aus Bariumkarbonat mit bis zu 20, insbesondere bis zu 5 Mol-% Strontiumkarbonat besteht, das beim Aktivieren der Elektroden in Bariumoxid und Strontiumoxid, welches geringe Mengen an metallischem Barium bzw. Strontium enthält, umgewandelt wird.
  • Zur Herstellung des Elektronenemitters wird in einer Fällungsanlage aus den Ausgangsmaterialien Bariumnitrat, Strontiumnitrat und einem Tartrat, vorzugsweise Kalium-Natrium-Tartrat, nach Verglühung ein Mischkarbonat, bestehend aus Bariumkarbonat und bis zu 20, insbesondere bis zu 5 Mol-% Strontiumkarbonat, gewonnen. Das Mischkarbonat wird getrocknet und anschließend mit Butylacetat und Nitrocellulose vermahlen, so daß die mittlere Korngröße des Karbonatpulvers in der Suspension nach dem Mahlprozeß ungefähr 5 »m beträgt. Die Suspension besteht zu ca. 80 Gew.-% aus dem Mischkarbonat, 18 Gew.-% Butylacetat und 2 Gew.-% Nitrocellulose. Vor dem Einschmelzen der Elektrodengestelle in das Entladungsgefäß werden die Elektrodenwendeln durch Eintauchen in die Emitterpaste bzw. Suspension mit dieser beschichtet.
  • Zum Aktivieren der mit der Emitterpaste versehenen Elektrodenwendeln werden die Elektrodenwendeln mittels elektrischem Stromfluß für eine Zeit von etwa 10-40 Sekunden auf eine Temperatur oberhalb von 800 °C erhitzt. Dabei verbrennt der Binder und das Mischkarbonat wird in das Mischoxid umgewandelt, wobei das Verhältnis von Barium- zu Strontiumoxid im Mischoxid genau so groß ist wie das Verhältnis von Barium- zu Strontiumkarbonat in der Emitterpaste. Außerdem wird beim Aktivierungsprozeß ein geringer Teil des Bariumoxids bzw. Strontiumoxids zu metallischem Barium bzw. Strontium reduziert. Das metallische Barium bzw. Strontium erhöht die elektrische Leitfähigkeit des halbleitenden Mischoxids und hat großen Einfluß auf die Elektronenemission des Emitters. Der Elektronenemitter besteht dann, nach Aktivierung der Elektrodenwendeln, aus einem Mischoxid, das Bariumoxid und Strontiumoxid enthält und einem geringen Teil, ca. 0,05 Mol-%, von metallischem Barium sowie metallischem Strontium.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel. Beispielsweise ist die Anwendung dieses Emitters nicht auf die Leuchtstofflampe des Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern kann vielmehr in vielen handelsüblichen Niederdruckentladungslampen benutzt werden. Es ist auch möglich, diesen Emitter in Natriumhochdruckentladungslampen zu verwenden. Ebenso können auch andere Lösungsmittel/ Bindersysteme, beispielsweise wässrige Suspensionen, verwendet werden.

Claims (3)

  1. Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß, das zwei darin angeordnete Elektroden sowie eine gasdicht darin eingeschlossene ionisierbare Füllung enthält, wobei die Elektroden als doppelt gewendelte,
    stabförmige, quer zur Entladungsstrecke angeordnete und mit einem Elektronenemitter versehene Wolframwendeln ausgeführt sind, und wobei der Elektronenemitter Bariumoxid und Strontiumoxid sowie metallisches Barium und metallisches Strontium enthält,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenemitter aus Bariumoxid und aus maximal 20 Mol-% Strontiumoxid besteht, wobei die Oxide einen geringen Anteil metallisches Barium und/oder Strontium aufweisen.
  2. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenemitter aus Bariumoxid und aus maximal 5 Mol-% Strontiumoxid besteht, wobei die Oxide einen geringen Anteil metallisches Barium und/oder Strontium aufweisen.
  3. Verfahren zur Herstellung einer Niederdruckentladungslampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Herstellung der mit dem Elektronenemitter versehenen Elektrodenwendeln folgende Fertigungsschritte enthält:
    - Herstellen eines Mischkarbonats bestehend aus Bariumkarbonat und maximal 20 Mol-% Strontiumkarbonat, in einer Fällungsanlage aus den Ausgangsprodukten Bariumnitrat, Strontiumnitrat und einem Tartrat,
    - Trocknen des Mischkarbonats und anschließende Mahlung,
    - Ansetzen einer Emitterpaste bestehend aus ca. 80 Teilen Mischkarbonat und 18 Teilen Butylacetat sowie 2 Teilen Nitrocellulose,
    - Bepasten der Elektrodenwendeln mit der Emitterpaste,
    - Anschmelzen der Elektrodengestelle an das Entladungsgefäß,
    - Abpumpen des Entladungsgefäßes und Aktivieren der Elektrodenwendeln, wobei der Aktivierungeprozeß folgende Schritte umfaßt :
    - Ausbrennen des Binders,
    - Umwandlung des Karbonats in das Oxid,
    - Anreicherung des Oxides mit dem metallischen Bestandteil durch Sauerstoffentzug,
    - Einbringen der ionisierbaren Füllung und gasdichtes Verschließen des Entladungsgefäßes.
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