EP1439567A2 - Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe - Google Patents

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EP1439567A2
EP1439567A2 EP03029105A EP03029105A EP1439567A2 EP 1439567 A2 EP1439567 A2 EP 1439567A2 EP 03029105 A EP03029105 A EP 03029105A EP 03029105 A EP03029105 A EP 03029105A EP 1439567 A2 EP1439567 A2 EP 1439567A2
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EP
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electrode
vessel
emitter
curvature
electrode according
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Jörg Alexander Gilles
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Osram GmbH
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Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • 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

Definitions

  • the invention is based on an electrode for a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1. It is in particular Electrodes for high pressure discharge lamps containing sodium, in particular around high pressure sodium lamps. Another area of application is, for example pure Hg high pressure discharge lamps.
  • the object of the present invention is an electrode according to the preamble of claim 1 to provide, counteracting premature aging of the lamp becomes.
  • the emitters used in discharge lamps show one in particular during operation High mobility in the discharge vessel caused by sputtering.
  • the emitter substances are therefore deposited on all walls of the discharge vessel over time. They also intervene sustainably in the chemical and physical processes during lamp operation, in particular they can change the filling. Overall, the useful life of the lamp is therefore shortened.
  • the emitter and also its reservoir located in a safe place where it is not exposed to a sputtering process is.
  • the emitter material that lowers the electron work function often it is an oxide or an oxidic material like Ba-, Ca-, Y-tungstate, is in open, centric or also introduced eccentric holes, which are on the arc side end of the electrode, either in the core pin, which protrudes in particular, or in the head the electrode itself.
  • eccentric holes With a suitable choice of the diameter of the borehole and its volume, as well as with the appropriate design of the borehole edge, can be on an additional cover or alternatively special depth of the borehole, to be dispensed with.
  • a lowering of the emitter level ie the level of the surface of the emitter, largely in the borehole to be dispensed with.
  • the emitter-filled body can be conventionally with an outer winding be made of high-melting metal.
  • the winding can have one or more layers his. This winding can serve as a bow approach and gives a higher one Heat capacity.
  • a high-melting metal is used as the base material for the production of the electrode, mostly tungsten, tantalum, rhenium or an alloy or a carbide of these Metals.
  • the electrode is in the discharge vessel through a power supply supported and led out of a discharge vessel.
  • the electrode according to the invention can be used in all cylindrical symmetrical ceramic as well as in glass-made discharge vessels for high-pressure discharge lamps be used.
  • the work function-lowering emitter material becomes placed in an open hole at the arc end of the electrode located.
  • the emitter material can be a pellet, ie a solid. but also the Application of a liquid or paste is possible, with a simple application is made possible by an immersion bath treatment. A second step is then the formation if necessary. This depends on whether the emitter is oxidic is or not.
  • the electrode can be easily manufactured if the edge of the borehole is suitable is shaped.
  • the borehole is surrounded by a collar that defines a defined one Has inner and outer radius. These are chosen so that the approach of the discharge arc preferably takes place on the outer part of the collar.
  • the inner part that forms the edge of the borehole must be sufficiently burr-free become.
  • the surface of the emitter material in the borehole is preferably concave designed.
  • the diameter, the depth and the centricity of the emitter-filled inner volume, preferably designed as a borehole, selected in such a way that both an injury to the outer wall of the core pin is excluded, as well the maximum amount of emitter that can be filled compared to conventional pasting is of a similar order of magnitude.
  • a correspondingly solid head of the electrode can be selected be made solid or as a sintered body.
  • Figure 1 is a high pressure sodium lamp 1 with a power of 70 W. shown with a ceramic discharge vessel 2 sealed on both sides. In the ends 3, two external power leads 5 are sealed by means of glass solder 4, which are connected to electrodes 6 inside the discharge vessel are.
  • FIG. 2 shows an enlarged representation of the electrodes 6.
  • the electrodes 6 consist of core pins 7, on which a helical body 8 is pushed. This forms the head part. Both components are made of tungsten.
  • the diameter of the core pin is 700 microns, which is the spiral body 8 maximum 1700 ⁇ m, with a wire diameter of 200 ⁇ m.
  • the spiral body 8 consists of two layers 8a and 8b of windings.
  • the end of the core pin 7 protrudes on the discharge side against the coil body 8. It forms the emitter vessel 9 with a central bore 16, which is almost completely is filled with emitter material 10. This has a concave discharge side Surface 11 near the end of bore 16.
  • Fig. 3 shows enlarged that the vessel wall 12 forms a collar that forms can be divided into an inner collar part 13, which is convex towards the bore and has the radius of curvature Ri, and an outer collar part 14, which is convexly curved toward the outer side wall 15 of the vessel with the same radius of curvature Ra as Ri.
  • a specific emitter material in addition to the tungstates is thorium oxide.
  • the concrete dimensions of the emitter vessel are as follows: outer diameter 700 ⁇ m Inner diameter 300 ⁇ m Hole depth 4.5 mm Inner radius of curvature Ri 140 ⁇ m Outer radius of curvature Ra 140 ⁇ m
  • Figure 4 shows another embodiment of an electrode 19 in which the emitter vessel through the head 20 of the electrode, which is formed as a sintered body made of tungsten is, is shaped. It sits on a separate shaft 21 made of solid tungsten.
  • the emitter material is a pellet 22 in the central borehole 23.
  • the radii of curvature of the inner and outer collar part 24 and 25 are of different sizes. For example the inner radius of curvature is 140 ⁇ m and the outer radius of curvature 60 ⁇ m.
  • the overall dimensions of such massive electrodes are in the order of magnitude of similar electrodes based on a core pin with an outer winding.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment in which the inner collar part 26 has a defined radius of curvature, and this with the outer collar part 27 over a straight piece, as a tangent to it (infinite radius of curvature), connected is.
  • the outer collar part is an edge with a radius of curvature Zero.
  • Figure 5b shows an embodiment in which the inner and outer collar part 26 and 27 has a defined radius of curvature, and between the inner and outer collar part a connecting tangent 28 is present.
  • figure 5c shows an embodiment similar to FIG.
  • Figure 5d shows an embodiment with a cone-like collar, inner and outer Radius of curvature of the inner and outer collar part 30 and 31 different and the collar parts are not smooth, but butt against each other with tip 32.
  • a suitable manufacturing process is spark or electrode erosion.
  • Another one Technology is laser ablation.
  • That of the surface of the outer The electrical field strength generated by the collar is greater than that from the surface of the inner collar part should be generated electric field strength. Is crucial not the absolute value of the radii of curvature, but their relation to each other.
  • the width of the inner collar part can advantageously be at least 20% and typical 40 to 60% of the wall thickness of the emitter vessel.

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Abstract

Die Elektrode besteht aus einem stiftförmigen Schaft (7) und einem Kopfteil (8), wobei die Elektrode im Bereich ihres entladungsseitigen Endes ein Gefäß (9) für einen Emitter bildet, in dem eine Bohrung (16) angebracht ist, die mit Emittermaterial (10) gefüllt ist. Das Gefäß bildet an seiner entladungsseitigen Stirnfläche einen Kragen, mit einem inneren Kragenteil (13) das zur Bohrung hin konvex gekrümmt ist und einem äußeren Kragenteil (14), das zur Seitenwand des Gefäßes hin konvex gekrümmt ist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Elektroden für Hochdruckentladungslampen, die Natrium enthalten, insbesondere um Natriumhochdrucklampen. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind beispielsweise reine Hg-Hochdruckentladungslampen.
Stand der Technik
Aus der US-A 3 916 241 ist bereits eine Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe bekannt, bei der ein Emitter in einen Hohlraum am Kopf der Elektrode eingefügt ist. Dabei wird das den Emitter enthaltende Pellet durch eine entsprechend Einführtiefe vor dem direkten Bogenansatz geschützt.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, bei der einer vorzeitigen Alterung der Lampe entgegengewirkt wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die in Entladungslampen verwendeten Emitter zeigen im Betrieb eine insbesondere durch Sputtern verursachte hohe Mobilität im Entladungsgefäß. Die Emittersubstanzen schlagen sich daher mit der Zeit auf allen Wänden des Entladungsgefäßes nieder. Sie greifen außerdem nachhaltig in die chemischen und physikalischen Prozesse während des Lampenbetriebs ein, insbesondere können sie die Füllung verändern. Insgesamt wird daher die nutzbare Lebensdauer der Lampe verkürzt.
Mittels der hier beschriebenen Hohlelektrode ist der Emitter und auch dessen Reservoir an einem sicheren Ort lokalisiert, an dem er keinem Sputterprozess ausgesetzt ist.
Das die Elektronenaustrittsarbeit senkende Emittermaterial, häufig ist es ein Oxid oder ein oxidischer Werkstoff wie Ba-, Ca-, Y-Wolframat, wird dabei in offene, zentrische oder auch azentrische Bohrungen eingebracht, die sich am bogenseitigen ende der Elektrode, entweder im Kernstift, der insbesondere übersteht, oder im Kopf der Elektrode selbst, befinden. Bei geeigneter Wahl des Durchmessers des Bohrlochs und seines Volumens, sowie bei entsprechender Gestaltung der Bohrlochkante, kann auf eine zusätzliche Abdeckung oder alternativ besondere Tiefe des Bohrlochs, verzichtet werden. Insbesondere kann auch auf eine Absenkung des Emitterspiegels, also des Niveaus der Oberfläche des Emitters, im Bohrloch weitgehend verzichtet werden.
Der emittergefüllte Körper kann in konventioneller Weise mit einer Außenwicklung aus hochschmelzendem Metall versehen sein. Die Wicklung kann ein- oder mehrlagig sein. diese Wicklung kann als Bogenansatz dienen und vermittelt eine höhere Wärmekapazität.
Als Basismaterial für die Herstellung der Elektrode wird ein hochschmelzendes Metall, meist Wolfram, Tantal, Rhenium oder eine Legierung oder ein Carbid dieser Metalle, verwendet. Die Elektrode wird im Entladungsgefäß durch eine Stromzuführung gehaltert und aus einem Entladungsgefäß herausgeführt.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann sowohl in allen zylindersymmetrischen keramischen als auch in glasgefertigten Entladungsgefäßen für Hochdruckentladungslampen verwendet werden. Das Austrittsarbeit senkende Emittermaterial wird dabei in eine offene Bohrung eingebracht die sich am bogenseitigen Ende der Elektrode befindet.
Das Emittermaterial kann dabei ein Pellet, also ein Festkörper, sein. aber auch die Anwendung einer Flüssigkeit oder Paste ist möglich, wobei eine einfache Beaufschlagung durch eine Tauchbadbehandlung möglich wird. Ein zweiter Schritt ist dann die Formierung, falls erforderlich. Dies hängt davon ab, ob der Emitter oxidisch ist oder nicht.
Ein einfache Fertigung der Elektrode ist möglich, wenn die Bohrlochkante geeignet geformt ist. Dabei ist das Bohrloch von einem Kragen umgeben, der einen definierten Innen- und Außenradius aufweist. Diese werden so gewählt, dass der Ansatz des Entladungsbogens vorzugsweise am Außenteil des Kragens stattfindet. Der Innenteil, der den Bohrlochrand bildet, muss dabei hinreichend gratfrei hergestellt werden.
Außerdem ist bevorzugt die Oberfläche des Emittermaterials im Bohrloch konkav gestaltet. Weiterhin ist bevorzugt der Durchmesser, die Tiefe und die Zentrizität des emittergefüllten Innenvolumens, bevorzugt als Bohrloch ausgeführt, derart gewählt, dass sowohl eine Verletzung der Kernstiftaußenwand ausgeschlossen ist, als auch die maximal einfüllbare Emittermenge im Vergleich zu einer konventionellen Bepastung in ähnlicher Größenordnung liegt.
Statt einer Außenwicklung kann ein entsprechen massiver Kopf der Elektrode gewählt werden, der massiv oder als Sinterkörper ausgeführt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1
eine Hochdruckentladungslampe, im Schnitt;
Figur 2
eine Elektrode für die Lampe der Figur 1, im Schnitt;
Figur 3
einen vergrößerten Ausschnitt der Elektrode aus Figur 2;
Figur 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode für die Lampe der Figur 1, im Schnitt;
Figur 5
weitere Ausführungsbeispiele von Elektrodengefäßen.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist eine Natriumhochdrucklampe 1 mit einer Leistung von 70 W gezeigt mit einem zweiseitig verschlossenen Entladungsgefäß 2 aus Keramik. In die Enden 3 sind mittels Glaslot 4 zwei äußere Stromzuführungen 5 abgedichtet, die mit Elektroden 6 im Innern des Entladungsgefäßes verbunden sind.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Elektroden 6. Die Elektroden 6 bestehen aus Kernstiften 7, auf die ein Wendelkörper 8 aufgeschoben ist. Dieser bildet quasi das Kopfteil. Beide Komponenten bestehen aus Wolfram. Der Durchmesser des Kernstifts beträgt 700 µm, der des Wendelkörpers 8 ist maximal 1700 µm, mit einem Drahtdurchmesser von 200 µm.
Der Wendelkörper 8 besteht aus zwei Lagen 8a und 8b von Wicklungen. Das Ende des Kernstifts 7 steht entladungsseitig gegen den Wendelkörper 8 über. Es bildet hier das Emittergefäß 9 mit zentraler Bohrung 16, das nahezu vollständig mit Emittermaterial 10 gefüllt ist. Dieses besitzt eine konkave entladungsseitige Oberfläche 11 nahe am Ende der Bohrung 16.
Fig. 3 zeigt vergrößert, dass die Gefäßwand 12 einen Kragen bildet, der sich einteilen lässt in ein inneres Kragenteil 13, das zur Bohrung hin konvex gekrümmt ist und den Krümmungsradius Ri besitzt, und ein äußeres Kragenteil 14, das zur äußeren Seitenwand 15 des Gefäßes hin konvex gekrümmt ist mit einem gleich großen Krümmungsradius Ra wie Ri.
Ein konkretes Emittermaterial neben den Wolframaten ist Thoriumoxid.
Die konkreten Abmessungen des Emittergefäßes sind wie folgt:
Außendurchmesser 700 µm
Innendurchmesser 300 µm
Tiefe des Bohrlochs 4,5 mm
Innerer Krümmungsradius Ri 140 µm
Äußerer Krümmungsradius Ra 140 µm
Die Differenz der Lichtausbeute gegenüber einer Lampe mit konventioneller Elektrode liegt nach 100 Stunden bereits bei 2,2 % und steigt mit zunehmender Brenndauer monoton an. Auch die Belagbildung an den Innenseiten der Enden des Entladungsgefäßes ist bereits im visuellen Vergleich deutlich geringer als bei konventioneller Bauform.
Figur 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektrode 19, bei der das Emittergefäß durch den Kopf 20 der Elektrode, der als Sinterkörper aus Wolfram ausgebildet ist, geformt ist. Er sitzt auf einem separaten Schaft 21 aus massivem Wolfram. Das Emittermaterial ist ein Pellet 22 im zentralen Bohrloch 23. Die Krümmungsradien des inneren und äußeren Kragenteils 24 und 25 sind verschieden groß. Beispielsweise ist der innere Krümmungsradius 140 µm und der äußere Krümmungsradius 60 µm. Die Gesamtabmessungen derartiger massiver Elektroden liegen in der Größenordnung ähnlicher Elektroden auf Basis eines Kernstifts mit Außenwicklung.
Weitere Ausführungsformen für die Elektroden sind in Figur 5 gezeigt. Dabei ist das Emittergefäß 25 als Kopf ausgebildet. Es kann aber auch von einem Kernstift gebildet sein. Figur 5a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das innere Kragenteil 26 einen definierten Krümmungsradius aufweist, und dieses mit dem äußeren Kragenteil 27 über ein gerades Stück, als eine Tangente dazu (Krümmungsradius unendlich), verbunden ist. Das äußere Kragenteil ist eine Kante mit Krümmungsradius Null. Figur 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der das innere und äußere Kragenteil 26 und 27 einen definierten Krümmungsradius aufweist, und zwischen dem inneren und äußeren Kragenteil eine verbindende Tangente 28 dazu vorhanden ist. Figur 5c zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich Figur 5a, wobei eine hohe Feldstärke am äußeren Kragenteil durch eine Spitze 29 erzeugt wird. Schließlich zeigt Figur 5d ein Ausführungsbeispiel mit zapfenartigem Kragen, wobei innerer und äußerer Krümmungsradius des inneren und äußeren Kragenteils 30 und 31 verschieden sind, und die Kragenteile nicht glatt, sondern mit Spitze 32 aneinander stoßen.
Anstatt einer konkreten Krümmung mit gegebenem Krümmungsradius ist für das äußere Kragenteil zumindest erforderlich, dass es so gestaltet ist, dass der Bogen möglichst an ihm höhere elektrische Feldstärke vorfindet als im inneren Kragenteil. Dies kann auch durch eine geeignete Spitze im Bereich des Außenkragens realisiert werden. Die Krümmung im Bereich des inneren Kragenteils soll dagegen möglichst geringe elektrische Feldstärken erzeugen. Dessen Oberfläche muss also möglichst glatt sein und darf keine Grate oder Spitzen aufweisen.
Ein geeignetes Herstellverfahren ist die Funken- oder Elektrodenerosion. Ein weitere Technik ist die Laserablation. Generell gilt, dass die von der Oberfläche des äuβeren Kragenteils erzeugte elektrische Feldstärke größer als die von der Oberfläche des inneren Kragenteils erzeugte elektrische Feldstärke sein soll. Entscheidend ist also nicht der absolute Wert der Krümmungsradien, sondern deren Relation zueinander.
Dabei kann vorteilhaft die Breite des inneren Kragenteils mindestens 20 % und typisch 40 bis 60 % der Wandstärke des Emittergefäßes betragen.

Claims (9)

  1. Elektrode aus hochschmelzendem, elektrisch leitendem Material, bestehend aus einem stiftförmigen Schaft (7) mit einem Kopfteil (8), wobei die Elektrode im Bereich ihres entladungsseitigen Endes ein Gefäß (9) für einen Emitter bildet, in dem eine Bohrung angebracht ist, die mit Emittermaterial (10) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß an seiner entladungsseitigen Stirnfläche einen Kragen bildet, mit einem inneren Kragenteil (13) das zur Bohrung hin konvex gekrümmt ist und einem äußeren Kragenteil (14), das zur Seitenwand des Gefäßes hin konvex gekrümmt ist.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der konvexen Krümmungen einen definierten Krümmungsradius aufweist.
  3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Krümmungen einen definierten Krümmungsradius besitzen.
  4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Krümmungsradius Ri des inneren Kragenteils größer oder gleich dem äußeren Krümmungsradius Ra des äußeren Kragenteils ist, also Ri ≥ Ra.
  5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entladungsseitige Oberfläche (11) des Emittermaterials konkav gekrümmt ist.
  6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß vom entladungsseitigen Ende des Schafts, der als Kernstift (7) ausgeführt ist, gebildet wird.
  7. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß von einem separaten Kopfteil (20) der Elektrode gebildet wird.
  8. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emittergefäß aus Wolfram gefertigt ist.
  9. Lampe mit einer Elektrode nach Anspruch 1.
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