EP2019416A1 - Niederdruckentladungslampe - Google Patents

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Publication number
EP2019416A1
EP2019416A1 EP08004910A EP08004910A EP2019416A1 EP 2019416 A1 EP2019416 A1 EP 2019416A1 EP 08004910 A EP08004910 A EP 08004910A EP 08004910 A EP08004910 A EP 08004910A EP 2019416 A1 EP2019416 A1 EP 2019416A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge lamp
pressure discharge
low
lamp according
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08004910A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Wammes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2019416A1 publication Critical patent/EP2019416A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/067—Main electrodes for low-pressure discharge lamps
    • H01J61/0672—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/52—Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/70—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr

Definitions

  • the invention relates to a low-pressure discharge lamp, comprising a glass tube with an ionizable filling of a noble gas-containing gas and two arranged inside the glass tube, facing hollow electrodes which are gas-tight inserted into the ends of the glass tube and provided with outwardly guided contact pins which are connected to an electrical AC voltage source can be connected.
  • Such low-pressure discharge lamps have, based on the injected current, a high light output and a long life.
  • the luminance increases with decreasing inner diameter and increasing current.
  • a filling pressure of 10 mbar and a rated current of 5mA With an inside diameter of 2.5 mm, a filling pressure of 10 mbar and a rated current of 5mA, a luminous density of 35000 cd / m2 can be achieved with a Ne / Ar / Hg gas filling.
  • a low-pressure discharge lamp of the type mentioned is from the US 2433218 A1 known.
  • the hollow electrodes are cylindrical, narrowed in the region of their mouth and inserted into metallic sleeve, which are melted into the ends of the glass tube.
  • the achievable light output is quite insufficient.
  • the invention is based on the object to develop such a low-pressure discharge lamp of the type mentioned that currents of more than 25 mA can be fed without it to the disturbing blackening (sputtering of the electrode and chemical reaction of the removed material with the atmospheric elements in the low-pressure discharge lamp with precipitation on) the inner wall of the glass tube comes with a correspondingly increased increase in luminance.
  • the low-pressure discharge lamp is thereby intended in particular to enable significantly better backlighting of displays which are used under daylight conditions and must be easy to read under such conditions.
  • this low-pressure discharge lamp should make an ecological contribution, since the production and operation of such a new Low-pressure discharge lamp brings significant savings in the release of CO2 and mercury.
  • the low-pressure discharge lamp according to the invention consequently comprises hollow electrodes which are cup-shaped and which have no constriction engaging the interior between their bottom and their mouth, that the hollow electrodes are thermally conductively connected to the contact pins and that the contact pins are designed as heat sinks for the hollow electrodes.
  • a current of more than 50 mA act without causing a blackening of the glass tube - a significantly low source impedance for the preferred operating frequency assuming (less than 100 ohms). The light emission is increased accordingly.
  • the operating frequency of this low-pressure discharge lamp is in the range of 30 KHz to 300 KHz, preferably 100 KHz to 120 KHz.
  • the ignition and operating voltages are in the range of a few hundred volts (with lamps up to about 300 mm in length, a length to diameter - ratio of about 100: 1 and low filling pressure of less than 10 mbar up to more than 10 kV in lamps with over 1500 mm in length and / or a length to diameter ratio of about 1000: 1 and / or a high filling pressure of more than 10 mbar.
  • the hollow electrodes preferably have a cylindrical electrode jacket.
  • An elliptical and / or hollow conical opening in the direction of the mouth is also possible.
  • the electrode jacket may consist of metal and / or metallized ceramic. He should have inside and outside parallel to each other extending surfaces.
  • the electrode sheath is preferably made of molybdenum or tungsten.
  • other refractory metals can be used, for example, niobium, tantalum, zirconium, rhenium, and / or mixtures thereof (formerly also nickel and / or iron).
  • the electrode sheath expediently has a wall thickness of 0.1 and up to 1 mm.
  • the electrode sheath is expediently fixed on the outer circumference of a flat electrode base.
  • This may consist of a material corresponding to the electrode sheath, wherein the mutual connection is advantageously effected by a mutual welding, suitably by a laser welding.
  • the thickness is suitably 0.1 to 0.50 mm.
  • a disc of the above-mentioned or a related material or titanium and / or aluminum alloys may be set, which is provided on the outwardly facing side with a coating of a mercury amalgam.
  • the purpose of the coating is to load the noble gas filling contained in the low-pressure discharge lamp in a particularly environmentally compatible manner with the mercury required for operation. This is released only when heating the amalgam filling to a temperature of more than 850 ° C and is thus during the manufacture and assembly of the individual parts of the low-pressure discharge lamp in harmless, bound form before.
  • the release is expedient at the same time with the heating of the glass tube, which is made to melt it to form the respective contact pin and diffusion-tight to connect - but can also be completely independent of the melting process, for example by means Selective inductive heating in a spatially concentrated, high-energy, alternating electric field.
  • the amount of mercury necessary to operate a low-pressure discharge lamp is about 0.1 to 2 mg per disc and is thus very low.
  • this disc serves as an absorber for unintentionally residual chemical substances from the production process and / or other contaminants, such as Hydrocarbons etc.
  • the electrode bottom is connected by a welding, expediently by a laser welding - with or without auxiliaries / solders -, also with the respective centrally arranged and vertically protruding contact pin.
  • a welding expediently by a laser welding - with or without auxiliaries / solders -, also with the respective centrally arranged and vertically protruding contact pin.
  • This may also consist of molybdenum or one of the above-indicated materials, an important criterion being that the material in addition to the weldability with the electrode bottom must have a coefficient of thermal expansion which is substantially identical to that of the glass of the glass tube to functionally impairing leaks of the low-pressure gas discharge lamp to avoid during operation. This is usually realized by doping these materials with suitable elements for appropriate modification of the crystal structures of these metals and / or alloys.
  • the hollow electrodes, the electrode bottom and the contact pins are made of separately manufactured parts and are all preferably interconnected by mutual welding.
  • the materials used for their production must therefore be weldable with each other by fusion welding - with or without auxiliaries / solders.
  • the contact pins may be on the outside of the glass tube with at least be provided a radially outwardly projecting, metallic collar to improve the cooling.
  • the collar has a contact pin closely enclosing, first cylinder portion and if it is glued by an electrically conductive thermal grease to the respective contact pin and / or crimped and / or soldered and / or welded.
  • the collar may consist of any cost electrically and thermally conductive material.
  • tinplate has been proven, because in addition to good formability has excellent corrosion resistance and toughness, so that not only improved heat dissipation succeeds, but also a mechanical stabilization of the contact pin against unintentional bending.
  • the use of e.g. Brass and other materials is also possible.
  • This first cylinder section may have a length of 0.1 to about 20 mm.
  • the thermal compound may be produced on the basis of silicone and have, inter alia, a content of carbon and / or thermally and electrically conductive metals and / or thermally and electrically conductive ceramics in order to achieve the desired electrical conductivity and the necessary thermal conductivity. It is crosslinking at room temperature. RTV mixtures and derivatives can be used particularly advantageously. In making these thermal pastes, it is vitally important to maintain the dielectric values and permeability of these pastes within very narrow tolerances. The unavoidable deviations from the prescribed values should be less than 10%.
  • Each contact pin can be provided with only one collar, which is deformed so that it rests without gaps on the outer contour of the glass tube. The cooling effect achieved is thereby further improved.
  • each collar may have a second cylinder portion, which concentrically encloses the respective hollow electrode on the outside at a constant distance.
  • a capacitor of predictable field strength which improves the performance of the low-pressure gas discharge lamp.
  • the second cylinder section should have a length that matches that of the hollow electrode to optimize the effect in the direction of the longitudinal axis of the glass tube. All possible free spaces between the glass tube on the one hand and the parts connected to the second cylinder section must be completely filled in such designs with a thermal paste suitable for the selected frequency dielectricity and permeability in order to obtain the low pressure gas discharge lamp as a whole electrically controlled. This is particularly important because the electrical impedance tolerances must be very tight and under continuous mass production must be below 10% to ensure the best possible performance and efficiency in the long term.
  • the glass tube is usually cylindrical in shape. Other cross-sections are possible, but reduce performance and efficiency depending on the geometry.
  • the glass tube may be meandering deformed depending on the particular requirements of the application, for example, to achieve a balanced illumination of larger areas - other shapes such as spirals or three-dimensional structures are also produced with appropriate performance and efficiency.
  • the low-pressure discharge lamp can have a rotationally symmetrical cross section in all subregions.
  • the glass tube consists of so-called soft or hard glasses such as soda-lime or borosilicate and has an inner diameter of at least 5 microns, an outer diameter of max. 10 cm and a length of up to 5 m. It is on the inside with one or more adhering layer (s) of oxides of the materials titanium and / or zirconium and / or magnesium and / or yttrium, as well as other suitable functional ceramic materials of oxidic, nitridic or silicate structure with suitable dopings of lattice-foreign elements Conversion of short-wave emissions (eg UV light) in long-wave emissions (eg visible light) with the best possible quantum yields (0.5 to greater 1) provided and filled with a gas mixture, in addition to a noble gas or a noble gas mixture of the gases neon and / or Krypton and / or argon and / or xenon and ionizable mercury vapor may also contain admixtures of hydrogen, oxygen, nitrogen, halogens and mercury Am
  • the metallic contact pins suitably have a heat-conducting cross section which is at least 0.2, advantageously 0.4 to 0.6 times as large as the inner diameter of the hollow electrodes.
  • the length / diameter ratio of the hollow electrodes, measured on the inside, should be 1 to 4.
  • the hollow electrodes and the contact pins may also be integrally formed in one another in order to improve the heat dissipation to the outside.
  • the above-mentioned materials can be used, which have the same coefficient of thermal expansion as the glass of the glass tube to prevent leaks in the operational heating and to achieve a particularly good heat conduction.
  • the drawing shows one end of a low-pressure discharge lamp in longitudinal section.
  • the low-pressure discharge lamp shown comprises a glass tube 1 with an ionizable filling 2 of a noble gas-containing gas and two arranged inside the glass tube 1, facing hollow electrodes 3, which are gas-tight inserted into the ends of the glass tube 1 and provided with outwardly guided contact pins 5, the can be connected to an electrical AC voltage source, the hollow electrodes 3 are cup-shaped and between their bottom and its mouth have no intrusion into the interior, wherein the hollow electrodes 3 are thermally conductively connected to the contact pins 5 and wherein the contact pins 5 as a heat sink for the hollow electrodes 3 are formed.
  • the hollow electrodes 3 have a hollow cylindrical electrode jacket 4. This consists of molybdenum and has a wall thickness of 0.2 mm.
  • the electrode jacket 4 is fixed on the outer circumference of a flat electrode base 5. This is designed rotationally symmetrical and has at the gas filling 2 end facing a circumferential, mating surface on which the respective hollow electrode 4 fits snugly fitted and permanently fixed by four evenly distributed in the circumferential direction welds 6.
  • the hollow electrodes 3 thereby form, together with the electrode bottom 5, a pot which does not have any constriction in the interior between the bottom and the mouth.
  • a ring 7 On the side facing away from the electrode jacket 4 side of the electrode bottom 5 is welded to the centrally mounted contact pin 6. This is enclosed in the region of the mutual contact surface by a ring 7, which is connected to the electrode bottom and which is provided on the outwardly facing side with a coating 7.1 made of a mercury amalgam.
  • the coating 7.1 has in the longitudinal and circumferential direction at a distance from the glass tube 1, which is melted in a diffusion-tight manner in the still further lying on the outer periphery of the contact pin 6.
  • the heating required for melting also causes a release of bound in the amalgam of the coating 7.1 mercury, which thereby passes into the gas filling of the glass tube 1 and allows the operation of the low-pressure gas discharge lamp.
  • the hollow electrodes 3, the electrode bottom 5, the ring 7 and the contact pins 5 are made of separately manufactured parts. These are all connected to each other by a laser welding.
  • the contact pins 6 are provided on the outside of the glass tube 1 with a radially outwardly projecting, metallic collar 8. This forms an integral part of the respective contact pin 6 closely enclosing, first cylinder section 8.1 and is glued by an electrically conductive thermal grease 9 with the respective contact pin 6.
  • each collar 8 has a second cylinder section 8.2, which surrounds the respective hollow electrode 4 on the outside concentrically.
  • the second cylinder section 8.2 has a length in the direction of the longitudinal axis of the glass tube 1, which coincides with that of the hollow electrode 4.
  • the brightnesses achievable with the low-pressure discharge lamp according to the invention exceed those of the low-pressure gas discharge lamps previously known and produced in mass production considerably. In addition, as far as possible constant electrical properties were achieved.
  • the glass tube is made of borosilicate. It has an inner diameter of 2.2 mm, an outer diameter of 3 mm and a length of 800 mm. It is coated on the inside with an adherent layer of oxides of the materials titanium, zirconium, magnesium and yttrium, and matched BAM phosphors and filled with a Ne / Kr / Ar gas mixture and with ionizable mercury vapor and admixtures of nitrogen and amalgam former of mercury (In / Bi / Au)
  • an alternating voltage of 1 to 5 kV and a frequency of about 100 kHz with a source impedance of well below 100 ohms is applied to the opposing contact pins 6.
  • a plasma forms in the hollow electrodes, which plasma rapidly grows in the interior of the glass tube 1, forms into one another and emits light.
  • a voltage of 1050 volts, a current of 32 mA and a surface luminance of 63570 cd / m 2 was measured at a light color of 6751 Kelvin.
  • the temperature on the outside of the contact pins 3 stabilized at a value of 60 ° C.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Eine Niederdruckentladungslampe, umfassend ein Glasrohr (1) mit einer ionisierbaren Füllung (2) aus einem edelgashaltigen Gas und zwei im Inneren des Glasrohrs (1) angeordnete, einander zugewandte Hohlelektroden, die gasdicht in die Enden des Glasrohrs (1) eingefügt und mit nach außen geführten Kontaktstiften (6) versehen sind, die an eine elektrische Wechselspannungsquelle anschließbar sind, wobei die Hohlelektroden (3) topfförmig gestaltet sind und zwischen ihrem Boden und ihrer Mündung keine in den Innenraum eingreifende Einengung haben, wobei die Hohlelektroden (3) wärmeleitend mit den Kontaktstiften (6) verbunden sind und wobei die Kontaktstifte (6) als Kühlkörper für die Hohlelektroden (3) ausgebildet sind.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Niederdruckentladungslampe, umfassend ein Glasrohr mit einer ionisierbaren Füllung aus einem edelgashaltigen Gas und zwei im inneren des Glasrohrs angeordnete, einander zugewandte Hohlelektroden, die gasdicht in die Enden des Glasrohrs eingefügt und mit nach außen geführten Kontaktstiften versehen sind, die an eine elektrische Wechselspannungsquelle anschließbar sind.
  • Derartige Niederdruckentladungslampen haben, bezogen auf den eingespeisten Strom, eine hohe Lichtausbeute und eine lange Lebensdauer. Die Leuchtdichte nimmt dabei mit abnehmendem Innendurchmesser und ansteigendem Strom zu. Bei einem Innendurchmesser von 2,5 mm, einem Fülldruck von 10 mbar und einem Nennstrom von 5mA kann mit einer Gasfüllung aus Ne/Ar/Hg eine Leuchtdichte von 35000 cd/m2 erreicht werden. Mit weiter ansteigendem Strom kann eine noch höhere Leuchtdichte erreicht werden. Dem Stromanstieg sind jedoch Grenzen bei ca. 10 mA gesetzt, die maßgeblich dadurch bestimmt sind, dass Sputterabtrag der Elektrode und chemische Reaktionen des abgetragenen Materials mit den Atmosphärenelementen in der Niederdruckentladungslampe einen Niederschlag an der Innenwandung des Glasrohrs absetzt und dieses schwärzt und durch die chemischen Reaktionen im Inneren der Lampe das chemische Gleichgewicht und die Druckverhältnisse verändert, was eine weiter zunehmende Lichtemission verhindert.
    • Stand der Technik
  • Eine Niederdruckentladungslampe der eingangs genannten Art ist aus der US 2433218 A1 bekannt. Die Hohlelektroden sind dabei zylindrisch ausgebildet, im Bereich ihrer Mündung verengt und in metallische Hülse eingesetzt, die in die Enden des Glasrohrs eingeschmolzen sind. Die damit erzielbare Lichtausbeute ist ganz unzureichend.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Niederdruckentladungslampe der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass Ströme von mehr als 25 mA einspeisbar sind, ohne das es zu der störenden Schwärzung (Sputterabtrag der Elektrode und chemische Reaktion des abgetragenen Materials mit den Atmosphärenelementen in der Niederdruckentladungslampe mit Niederschlag auf) der Innenwandung des Glasrohrs kommt, mit einer entsprechend erhöhten Steigerung der Leuchtdichte.
  • Die Niederdruckentladungslampe soll hierdurch insbesondere eine wesentlich bessere Hintergrundbeleuchtung von Displays ermöglichen, die unter Tageslichtbedingungen zur Anwendung gelangen und unter solchen Bedingungen gut ablesbar sein müssen.
  • Zusätzlich soll diese Niederdruckentladungslampe einen ökologischen Beitrag leisten, da die Herstellung und der Betrieb einer solchen neuen Niederdruckentladungslampe deutliche Einsparungen in der Freisetzung von CO2 und Quecksilber mit sich bringt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Niederdruckentladungslampe nach dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Weiterbildungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
  • Die erfindungsgemäße Niederdruckentladungslampe umfasst folglich Hohlelektroden, die topfförmig gestaltet sind und die zwischen ihrem Boden und ihrer Mündung keine in den Innenraum eingreifende Einengung haben, dass die Hohlelektroden wärmeleitend mit den Kontaktstiften verbunden sind und dass die Kontaktstifte als Kühlkörper für die Hohlelektroden ausgebildet sind. Überraschender Weise lässt sich in eine solche Niederdruckentladungslampe mit Strom einer Stromstärke von mehr als 50 mA beaufschlagen, ohne dass sich eine Schwärzung des Glasrohrs ergibt - eine signifikant geringe Quellimpedanz für die bevorzugte Betriebsfrequenz vorausgesetzt (kleiner 100 Ohm). Die Lichtemission ist entsprechend gesteigert.
  • Die Betriebsfrequenz dieser Niederdruckentladungslampe liegt im Bereich von 30 KHz bis 300 KHz, vorzugsweise bei 100 KHz bis 120 KHz. Die Zünd- und Betriebsspannungen liegen im Bereich von wenigen hundert Volt (bei Lampen bis ca. 300 mm Länge, einem Länge zu Durchmesser - Verhältnis von ca. 100: 1 und niedrigem Fülldruck von weniger als 10 mbar bis zu über 10 KV bei Lampen mit über 1500 mm Länge und/oder einem Länge zu DurchmesserVerhältnis von ca. 1000 : 1 und/oder einem hohem Fülldruck von mehr als 10 mbar.
  • Die Hohlelektroden haben bevorzugt einen zylindrischen Elektrodenmantel. Eine eine elliptische und/oder hohlkegelig in Richtung der Mündung geöffnete Ausbildung ist ebenfalls möglich.
  • Der Elektrodenmantel kann aus Metall und/oder metallisierter Keramik bestehen. Er soll innen- und außenseitig sich parallel zu einander erstreckende Oberflächen haben. Der Elektrodenmantel besteht bevorzugt aus Molybdän oder Wolfram. Daneben können auch andere Refraktärmetalle zur Anwendung gelangen, beispielsweise Niob, Tantal, Zirkon, Rhenium, und/oder deren Gemische (früher auch Nickel und/oder Eisen). Der Elektrodenmantel hat zweckmäßig eine Wandstärke von 0,1 und bis 1 mm.
  • Der Elektrodenmantel ist zweckmäßig am Außenumfang eines eben ausgebildeten Elektrodenbodens festgelegt. Dieser kann aus einem dem Elektrodenmantel entsprechenden Werkstoff bestehen, wobei die gegenseitige Verbindung zweckmäßig durch eine gegenseitige Verschweißung bewirkt ist, zweckmäßig durch eine Laserverschweißung. Die Dicke beträgt zweckmäßig 0,1 bis 0,50 mm.
  • Auf der von dem Elektrodenmantel abgewandten Seite des Elektrodenbodens kann eine Scheibe aus dem vorstehend angegebenen oder einem artverwandten Werkstoff oder auch Titan und/oder Aluminiumlegierungen festgelegt sein, die auf der nach außen weisenden Seite mit einer Beschichtung aus einem Quecksilberamalgam versehen ist. Die Beschichtung hat den Zweck, die in der Niederdruckentladungslampe enthaltene Edelgasfüllung besonders umweltverträglich mit dem betriebsnotwendigen Quecksilber zu beladen. Dieses wird erst bei einer Erwärmung der Amalgamfüllung auf eine Temperatur von mehr als 850°C freigesetzt und liegt somit während der Herstellung und Montage der Einzelteile der Niederdruckentladungslampe nur in ungefährlicher, gebundener Form vor. Die Freisetzung erfolgt zweckmäßig zugleich mit der Erwärmung des Glasrohrs, die vorgenommen wird, um es zu erschmelzen an den jeweiligen Kontaktstift anzuformen und diffusionsdicht damit zu verbinden - kann jedoch auch völlig unabhängig von dem Schmelzvorgang z.B. mittels selektiver induktiver Aufheizung in einem räumlich konzentrierten, energiereichen, elektrischen Wechselfeld. Die zum Betrieb einer Niederdruckentladungslampe nötige Menge an Quecksilber beträgt etwa 0,1 bis 2 mg pro Scheibe und ist somit sehr niedrig.
  • Diese Scheibe dient je nach Wahl des Scheiben- und/oder Amalgammaterials (siehe oben) als Absorber für ungewollt zurückgebliebene, chemische Substanzen aus dem Produktionsprozess und/oder sonstiger Kontaminationen wie z.B. Kohlenwasserstoffe etc..
  • Der Elektrodenboden ist durch eine Verschweißung, zweckmäßig durch eine Laserverschweißung - mit oder ohne Hilfsstoffe/Lote -, auch mit dem jeweils zentrisch angeordneten und senkrecht vorstehenden Kontaktstift verbunden. Dieser kann ebenfalls aus Molybdän oder einem der vorstehend angegebenen Werkstoffe bestehen, wobei ein wichtiges Kriterium darin besteht, dass der Werkstoff zusätzlich zur Verschweißbarkeit mit dem Elektrodenboden einen Temperaturausdehnungskoeffizienten haben muss, der mit demjenigen des Glases des Glasrohrs weitgehend identisch ist, um funktionsbeeinträchtigende Undichtigkeiten der Niederdruckgasentladungslampe während des Betriebs zu vermeiden. Dieses wird meist durch dotieren dieser Materialen mit geeigneten Elementen zur zweckmässigen Modifikation der Kristallstrukturen dieser Metalle und/oder Legierungen realisiert.
  • Die Hohlelektroden, der Elektrodenboden und die Kontaktstifte bestehen aus separat hergestellten Teilen und sind sämtlich bevorzugt durch eine gegenseitige Verschweißung miteinander verbunden. Die zur Ihrer Herstellung verwendeten Werkstoffe müssen daher mit einander durch Schmelzschweißen - mit oder ohne Hilfsstoffe/Lote - verschweißbar sein.
  • Die Kontaktstifte können auf der Außenseite des Glasrohrs mit wenigstens einem radial nach außen vorstehenden, metallischen Kragen versehen sein, um die Kühlung zu verbessern.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn der Kragen einen den Kontaktstift eng umschließenden, ersten Zylinderabschnitt hat und wenn er durch eine elektrisch leitfähige Wärmeleitpaste mit dem jeweiligen Kontaktstift verklebt ist und/oder verkrimpt und/oder verlötet und/oder verschweisst ist. Der Kragen kann dabei aus irgend einem kostengünstigen elektrisch und thermisch leitfähigen Werkstoff bestehen. Als zweckmäßig hat sich die Verwendung von Weißblech bewährt, weil diese neben einer guten Formbarkeit eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit hat, so dass nicht nur eine verbesserte Wärmeableitung gelingt, sondern zugleich eine mechanische Stabilisierung des Kontaktstiftes gegen unbeabsichtigtes Verbiegen. Die Verwendung von z.B. Messing und anderen Materialien ist ebenfalls möglich.
  • Dieser erste Zylinderabschnitt darf eine Länge von 0,1 bis ca. 20 mm aufweisen.
  • Die Wärmeleitpaste kann auf Siliconbasis erzeugt sein und u.a. einen Gehalt an Kohlenstoff und/oder thermisch und elektrisch leitfähigen Metallen und/oder thermisch und elektrisch leitfähigen Keramiken haben, um die erwünschte elektrische Leitfähigkeit zu erzielen sowie die nötige Wärmeleitfähigkeit. Sie ist bei Raumtemperatur vernetzend. RTV - Mischungen und Derivate sind besonders vorteilhaft einsetzbar. Bei der Herstellung dieser Wärmeleitpasten ist es elementar wichtig, die Dielektrizitätswerte und die Permeabilität dieser Pasten innerhalb sehr enger Toleranzgrenzen zu halten. Die unvermeidbaren Abweichungen von den vorgeschriebenen Werten sollen weniger als 10 % betragen.
  • Jeder Kontaktstift kann mit nur einem Kragen versehen sein, der so verformt ist, dass er lückenlos an der Außenkontur des Glasrohrs anliegt. Die erzielte Kühlwirkung wird dadurch weiter verbessert.
  • Bei einer Bauform, bei der die Hohlelektroden zylindrisch ausgebildet sind, kann jeder Kragen einen zweiten Zylinderabschnitt haben, der die jeweilige Hohlelektrode außenseitig in gleichbleibendem Abstand konzentrisch umschließt. Während des Betriebes bildet eine solche Bauform zwischen der Hohlelektrode und dem zweiten Zylinderabschnitt einen Kondensator von vorhersagbarer Feldstärke, was das Betriebsverhalten der Niederdruckgasentladungslampe verbessert.
  • Der zweite Zylinderabschnitt sollte zur Optimierung des diesbezüglichen Effektes in Richtung der Längsachse des Glasrohrs eine Länge haben, die mit derjenigen der Hohlelektrode übereinstimmt. Sämtliche eventuell vorhandenen Freiräume zwischen dem Glasrohr einerseits sowie den mit dem zweiten Zylinderabschnitt verbundenen Teilen müssen bei solchen Bauformen vollständig mit einer Wärmeleitpaste einer für die gewählte Frequenz geeigneten Dielektrizität und Permeabilität ausgefüllt sein, um die Niederdruckgasentladungslampe insgesamt elektrisch kontrollierbar zu erhalten. Dies ist besonders wichtig, weil die elektrischen Impedanztoleranzen sehr eng sein müssen und im Rahmen einer laufenden Massenproduktion unter 10% liegen müssen, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit und Effizienz dauerhaft zu gewährleisten.
  • Das Glasrohr ist von meist zylindrischer Gestalt. Andere Querschnitte sind möglich, reduzieren jedoch die Leistungsfähigkeit und Effizienz je nach Ausprägung der Geometrie.
  • Das Glassrohr kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen des Anwendungsfalles mäanderförmig verformt sein, um beispielsweise eine ausgeglichene Ausleuchtung größerer Flächenbereiche zu erzielen - andere Formen wie Spiralen oder auch dreidimensionale Gebilde sind ebenfalls mit entsprechender Leistungsfähigkeit und Effizienz herstellbar. Die Niederdruckentladungslampe kann in allen Teilbereichen einen rotationssymmetrischen Querschnitt haben.
  • Das Glasrohr besteht aus sogenannten Weich- oder Hartgläsern z.B. Kalk-Natron oder Borsilikat und hat einen Innendurchmesser von mindestens 5 µm, einen Außendurchmesser von max. 10 cm und eine Länge von bis zu 5 m. Es ist auf der Innenseite mit einer oder mehreren anhaftenden Schicht/-en aus Oxiden der Materialien Titan und/oder Zirkon und/oder Magnesium und/oder Yttrium, sowie weiteren geeigneten funktionalen keramischen Werkstoffen oxidischer, nitridischer oder silikatischer Struktur mit geeigneten Dotierungen gitterfremder Elemente zur Umwandlung von kurzwelligen Emissionen (z.B. UV Licht) in langwellige Emissionen (z.B. sichtbares Licht) mit möglichst günstigen Quantenausbeuten ( 0,5 bis grösser 1) versehen und mit einem Gasgemisch gefüllt, das neben einem Edelgas bzw. einem Edelgasgemisch der Gase Neon und/oder Krypton und/oder Argon und/oder Xenon und ionisierbarem Quecksilberdampf auch Beimischungen von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogenen sowie Amalgambildner des Quecksilbers je nach Kombination und Anwendungszweck in unterschiedlichen Mischungen enthalten darf. Als wesentlich für die jeweilige Auswahl sind zu berücksichtigen: Die bevorzugte Betriebstemperatur, die emmitierten Spektren (schmal- der breitbandig), die tatsächliche Glasgefäss - Geometrie, die Betriebsspannungen und die benötigte Lebensdauer des Leuchtmittels.
  • Nach dem Anlegen der Zündspannung an den Hohlelektroden wird darin ein Plasma mit sehr hoher Lichtausbeute gebildet, die sich zunehmend auf die in dem Glasrohr enthaltene Gasfüllung überträgt. Unter normalen Betriebsbedingungen lassen sich so beim Anlegen eines Stromes von 50 mA von mehr als 100.000 cd/m2 erzielen, ohne das es zu einer Schwärzung des Glasrohrs durch abgeschiedenes Quecksilber kommt. Dies dürfte maßgeblich darauf zurückzuführen sein, dass die Hohlelektroden durch die Kontaktstifte gekühlt sind und nicht die kritischen Temperaturen überschreiten, was es erlaubt, den Dampfdruck des Quecksilbers im Plasma besser kontrollieren zu können als bisher.
  • Die metallischen Kontaktstifte haben zweckmäßig einen wärmeleitenden Querschnitt, der wenigstens 0,2, zweckmäßig 0,4 bis 0,6 mal so groß ist wie der Innendurchmesser der Hohlelektroden. Das Längen - / Durchmesserverhältnis der Hohlelektroden, gemessen an der Innenseite, soll 1 bis 4 betragen.
  • Die Hohlelektroden und die Kontaktstifte können auch einstückig ineinanderübergehend ausgebildet sein, um die Wärmeableitung nach außen zu verbessern. Zu ihrer Herstellung können die oben genannten Werkstoffe verwendet werden, die denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben wie das Glas des Glasrohrs, um Undichtigkeiten bei der betriebsbedingten Erwärmung zu verhindern und eine besonders gute Wärmeleitung zu erzielen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Sie wird nachfolgend näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt ein Ende einer Niederdruckentladungslampe in längsgeschnittener Darstellung.
    • Ausführung der Erfindung
  • In der Zeichnung ist nur ein Ende einer Niederdruckentladungslampe in Längsgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Das andere Ende ist identisch gestaltet und wurde aus Gründen der besseren Anschaulichkeit der Details in der Zeichnung wegegelassen.
  • Die gezeigte Niederdruckentladungslampe umfasst ein Glasrohr 1 mit einer ionisierbaren Füllung 2 aus einem edelgashaltigen Gas und zwei im Inneren des Glasrohrs 1 angeordnete, einander zugewandte Hohlelektroden 3, die gasdicht in die Enden des Glasrohrs 1 eingefügt und mit nach außen geführten Kontaktstiften 5 versehen sind, die an eine elektrische Wechselspannungsquelle anschließbar sind, wobei die Hohlelektroden 3 topfförmig gestaltet sind und zwischen ihrem Boden und ihrer Mündung keine in den Innenraum eingreifende Einengung haben, wobei die Hohlelektroden 3 wärmeleitend mit den Kontaktstiften 5 verbunden sind und wobei die Kontaktstifte 5 als Kühlkörper für die Hohlelektroden 3 ausgebildet sind.
  • Die Hohlelektroden 3 haben einen hohlzylindrischen Elektrodenmantel 4. Dieser besteht aus Molybdän und hat eine Wandstärke von 0,2 mm.
  • Der Elektrodenmantel 4 ist am Außenumfang eines eben ausgebildeten Elektrodenbodens 5 festgelegt. Dieser ist rotationssymmetrisch gestaltet und weist an dem der Gasfüllung 2 zugewandten Ende eine umlaufende, Passfläche auf, auf die die jeweilige Hohlelektrode 4 lückenlos passend aufgesetzt und daran durch vier gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Schweißpunkte 6 dauerhaft fixiert ist.
  • Die Hohlelektroden 3 bilden dadurch zusammen mit dem Elektrodenboden 5 einen Topf, der zwischen dem Boden und der Mündung keine in den Innenraum eingreifende Einengung hat.
  • Auf der von dem Elektrodenmantel 4 abgewandten Seite ist der Elektrodenboden 5 mit dem zentrisch angebrachten Kontaktstift 6 verschweißt. Dieser ist im Bereich der gegenseitigen Berührungsfläche von einem Ring 7 umschlossen, der mit dem Elektrodenboden verbunden ist und der auf der nach außen weisenden Seite mit einer Beschichtung 7.1 aus einem Quecksilberamalgam versehen ist. Die Beschichtung 7.1 hat in Längs- und Umfangsrichtung einen Abstand von dem Glasrohr 1, das in dem noch weiter zurückliegenden Bereich an den Außenumfang des Kontaktstiftes 6 diffusionsdicht angeschmolzen ist.
  • Die zum Anschmelzen erforderliche Erwärmung bewirkt zugleich ein Freisetzen des in dem Amalgam der Beschichtung 7.1 gebundenen Quecksilbers, welches dadurch in die Gasfüllung des Glasrohrs 1 gelangt und den Betrieb der Niederdruckgasentladungslampe ermöglicht.
  • Die Hohlelektroden 3, der Elektrodenboden 5, der Ring 7 und die Kontaktstifte 5 bestehen aus separat hergestellten Teilen. Diese sind sämtlich durch eine Laserverschweißung miteinander verbunden.
  • Die Kontaktstifte 6 sind auf der Außenseite des Glasrohrs 1 mit einem radial nach außen vorstehenden, metallischen Kragen 8 versehen. Dieser bildet einen einstückigen Bestandteil eines den jeweiligen Kontaktstift 6 eng umschließenden, ersten Zylinderabschnittes 8.1 und ist durch eine elektrisch leitfähige Wärmeleitpaste 9 mit dem jeweiligen Kontaktstift 6 verklebt.
  • Bei der gezeigten Niederdruckentladungslampe sind die Hohlelektroden zylindrisch ausgebildet, wobei jeder Kragen 8 einen zweiten Zylinderabschnitt 8.2 hat, der die jeweilige Hohlelektrode 4 außenseitig konzentrisch umschließt. Der zweite Zylinderabschnitt 8.2 hat dabei in Richtung der Längsachse des Glasrohrs 1 eine Länge, die mit derjenigen der Hohlelektrode 4 übereinstimmt.
  • Sämtliche Freiräume zwischen dem Glasrohr 1, dem Kontaktstift sowie den erschiedenen Bestandteilen des Kragens 8, 8.1 und 8.2 sind vollständig mit einer elektrisch leitfähigen Wärmeleitpaste gefüllt.
  • Die mit der erfindungsgemäßen Niederdruckentladungslampe erzielbaren Helligkeiten übertreffen diejenigen der bisher bekannten und in der Massenproduktion hergestellten Niederdruckgasentladungslampen erheblich. Zudem wurden weitestgehend gleichbleibende elektrische Eigenschaften erzielt.
  • Das Glasrohr besteht aus Borsilikat. Es hat einen Innendurchmesser von 2,2 mm, einen Außendurchmesser von 3 mm und eine Länge von 800 mm. Es ist auf der Innenseite mit einer anhaftenden Schicht aus Oxiden der Materialien Titan, Zirkon, Magnesium und Yttrium, sowie angepassten BAM Leuchtstoffen beschichtet und mit einem Ne/Kr/Ar Gasgemisch gefüllt sowie mit ionisierbarem Quecksilberdampf und Beimischungen von Stickstoff und Amalgambildnern des Quecksilbers (In/Bi/Au)
  • Zum Zünden der Niederdruckentladungslampe wird an die einander Gegenüberliegenden Kontaktstifte 6 eine Wechselspannung von 1 bis 5 kV und einer Frequenz von ca. 100 kHz mit einer Quellimpedanz von deutlich unter 100 Ohm angelegt. In den Hohlelektroden bildet sich als Folge davon ein Plasma aus, das schnell im Innenraum des Glasrohrs 1 aufeinander zu wächst, sich ineinanderübergehend ausbildet und Licht emittiert. Nach einer Anlaufdauer von 10 Minuten wurde eine Spannung von 1050 Volt, ein Strom von 32 mA sowie eine Oberflächen-Leuchtdichte von 63570 cd/m2 bei einer Lichtfarbe von 6751 Kelvin gemessen.
  • Die Temperatur an der Außenseite der Kontaktstifte 3 stabilisierte sich auf einem Wert von 60 °C.
  • Diese Niederdruckentladungslampen erweitern den Einsatzbereich ganz erheblich, ohne dass eine Verminderung der Gebrauchsdauer eintritt. Neben einer Verwendung als Hintergrundbeleuchtung für Flüssigkristallanzeigen, die unter Tageslichtbedingungen zur Anwendung gelangen, kommen daher viele neue Anwendungen in Betracht, die bisher den Leuchtstoffröhren verschlossen gewesen sind.

Claims (13)

  1. Niederdruckentladungslampe, umfassend ein Glasrohr (1) mit einer ionisierbaren Füllung (2) aus einem edelgashaltigen Gas und zwei im Inneren des Glasrohrs (1) angeordnete, einander zugewandte Hohlelektroden, die gasdicht in die Enden des Glasrohrs (1) eingefügt und mit nach außen geführten Kontaktstiften (6) versehen sind, die an eine elektrische Wechselspannungsquelle anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektroden (3) topfförmig gestaltet sind und zwischen ihrem Boden und ihrer Mündung keine in den Innenraum eingreifende Einengung haben, dass die Hohlelektroden (3) wärmeleitend mit den Kontaktstiften (6) verbunden sind und dass die Kontaktstifte (6) als Kühlkörper für die Hohlelektroden (3) ausgebildet sind.
  2. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektroden (3) einen zylindrischen Elektrodenmantel (4) haben.
  3. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektroden (3) einen elliptischen Elektrodenmantel (4) haben.
  4. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektroden (3) einen hohlkegelig in Richtung der Mündung geöffneten Elektrodenmantel (4) haben.
  5. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenmantel (4) am Außenumfang eines eben ausgebildeten Elektrodenbodens (7) festgelegt ist.
  6. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlelektroden (3) eine Außenkontur (3.1) haben, die sich im wesentlichen parallel zur Innenkontur (3.2) erstreckt.
  7. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenboden (7) und die Kontaktstifte (5) aus separat hergestellten Teilen bestehen und miteinander verschweißt sind.
  8. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (5) auf der Außenseite des Glasrohrs (1) mit wenigstens einem radial nach außen vorstehenden, metallischen Kragen (8) versehen sind.
  9. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (8) einen den jeweiligen Kontaktstift (6) eng umschließenden, ersten Zylinderabschnitt (8.1) hat und durch eine elektrisch leitfähige Wärmeleitpaste (9) mit dem jeweiligen Kontaktstift (6) verklebt ist.
  10. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 9, bei der die Hohlelektroden (3) zylindrisch ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kragen (8) einen zweiten Zylinderabschnitt (8.2) hat, der die jeweilige Hohlelektrode (3) konzentrisch umschließt.
  11. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zylinderabschnitt (8) in Richtung der Längsachse des Glasrohrs (1) eine Länge hat, die mit derjenigen der Hohlelektrode (3) übereinstimmt.
  12. Niederdruckentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Scheibe (7) unter dem Elektrodenboden (5) aus einem Kontaminationen absorbierendem Material (Getter) angebracht ist.
  13. Niederdruckentladungslampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die am Elektrodenboden (5) angebrachte Scheibe (7) eine Beschichtung (7.1) aus Quecksilber-Amalgam umfasst.
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