EP1439567B1 - Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe - Google Patents

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EP1439567B1
EP1439567B1 EP03029105A EP03029105A EP1439567B1 EP 1439567 B1 EP1439567 B1 EP 1439567B1 EP 03029105 A EP03029105 A EP 03029105A EP 03029105 A EP03029105 A EP 03029105A EP 1439567 B1 EP1439567 B1 EP 1439567B1
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EP
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electrode
vessel
emitter
curvature
collar part
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Jörg Alexander Gilles
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
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    • H01J61/0732—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode
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    • 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

Definitions

  • the invention is based on an electrode for a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
  • electrodes for high-pressure discharge lamps which contain sodium, in particular high-pressure sodium lamps.
  • Another field of application are, for example, pure Hg high-pressure discharge lamps.
  • the US-A 2,887,603 shows a high-pressure discharge lamp with an electrode rod made of tungsten, which has at its discharge-side end a conical recess, at the top of which a hole filled with an emitter hole is provided.
  • the emitters used in discharge lamps show in operation a high mobility in the discharge vessel, in particular caused by sputtering.
  • the emitter substances therefore beat down over time on all walls of the discharge vessel. They also have a lasting effect on the chemical and physical processes during lamp operation, in particular they can change the filling. Overall, therefore, the useful life of the lamp is shortened.
  • the emitter and its reservoir is located in a safe place where it is not exposed to a sputtering process.
  • the emitter material that lowers the electron work function often an oxide or an oxidic material such as Ba, Ca, Y tungstate, is introduced into open, centric or acentric bores located at the arc end of the electrode, either in the core pin, in particular survives, or in the head of the electrode itself, are.
  • an oxide or an oxidic material such as Ba, Ca, Y tungstate
  • the emitter-filled body may be conventionally provided with an outer winding of refractory metal.
  • the winding can be single or multi-layered. This winding can serve as a bow approach and gives a higher heat capacity.
  • a refractory metal usually tungsten, tantalum, rhenium or an alloy or a carbide of these metals is used.
  • the electrode is held in the discharge vessel by a power supply and led out of a discharge vessel.
  • the electrode according to the invention can be used both in all cylindrically symmetrical ceramic and in glass-made discharge vessels for high-pressure discharge lamps.
  • the work function lowering emitter material is thereby introduced into an open hole which is located at the arc end of the electrode.
  • the emitter material can be a pellet, ie a solid. but also the use of a liquid or paste is possible, with a simple admission by immersion bath treatment is possible. A second step is then the formation, if necessary. This depends on whether the emitter is oxidic or not.
  • the borehole is surrounded by a collar, which preferably has a defined 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, which forms the borehole edge, must be made sufficiently free of burrs.
  • the surface of the emitter material is preferably concave in the borehole.
  • the diameter, the depth and the centricity of the emitter-filled inner volume, preferably embodied as a borehole, are preferably chosen such that both a violation of the core pin outer wall is excluded and the maximum amount of emitters that can be filled is of a similar order compared to a conventional pasting.
  • a corresponding solid head of the electrode can be selected, which is solid or designed as a sintered body.
  • FIG. 1 is a high-pressure sodium lamp 1 with a power of 70 W shown with a two-sided sealed discharge vessel 2 made of ceramic.
  • a two-sided sealed discharge vessel 2 made of ceramic.
  • two external power supply lines 5 are sealed by means of glass solder 4, which are connected to electrodes 6 in the interior of the discharge vessel.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the electrodes 6.
  • the electrodes 6 consist of core pins 7, on which a coil body 8 is pushed. This forms almost the headboard. Both components are made of tungsten.
  • the diameter of the core pin is 700 microns, that of the coil body 8 is a maximum of 1700 microns, with a wire diameter of 200 microns.
  • the helical body 8 consists of two layers 8a and 8b of windings.
  • the end of the core pin 7 is the discharge side against the coil body 8 via. It forms here the emitter vessel 9 with a central bore 16 which is almost completely filled with emitter material 10. This has a concave discharge-side surface 11 near the end of the bore 16th
  • Fig. 3 Fig. 2 shows in an enlarged scale that the vessel wall 12 forms a collar which can be divided into an inner collar part 13 which is convexly curved towards the bore and has the radius of curvature Ri, and an outer collar part 14 which convexly curves towards the outer side wall 15 of the vessel is with an equal radius of curvature Ra as Ri.
  • a concrete emitter material besides the tungstates is thorium oxide.
  • the concrete dimensions of the emitter vessel are as follows: outer diameter 700 ⁇ m Inner diameter 300 ⁇ m Depth of the borehole 4.5 mm Inner radius of curvature Ri 140 ⁇ m Outer radius of curvature Ra 140 ⁇ m
  • the difference in the light output compared to a conventional electrode is already 2.2% after 100 hours and increases monotonically with increasing burning time. Also, the formation of deposits on the insides of the ends of the discharge vessel is already significantly lower in visual comparison than in the conventional design.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an electrode 19 according to the invention, in which the emitter vessel is formed by the head 20 of the electrode, which is formed as a sintered body of tungsten. He 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 portions 24 and 25 are of different sizes. For example, the inner radius of curvature 140 microns and the outer radius of curvature 60 microns.
  • the overall dimensions of such solid electrodes are on the order of similar electrodes based on a core pin with outer winding.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which the emitter vessel 25 is formed as a head. It can also be formed by a core pin.
  • FIG. 5a shows an embodiment in which the inner collar portion 26 has a defined radius of curvature, and this with the outer collar portion 27 via a straight piece, as a tangent to it (radius of curvature infinity) is connected. The outer collar part is an edge with radius of curvature zero.
  • FIG. 5b shows an embodiment in which the inner and outer collar portion 26 and 27 has a defined radius of curvature, and between the inner and outer collar portion, a connecting tangent 28 is present.
  • FIG. 5c shows an embodiment similar FIG.
  • FIG. 5a shows an embodiment with peg-like collar, wherein inner and outer radius of curvature of the inner and outer collar portion 30 and 31 are different, and the collar parts not smooth, but with tip 32 abut each other.
  • the outer collar part that it is designed so that the bow as possible to him higher electric field strength finds than in the inner collar part.
  • This can also be realized by a suitable tip in the region of the outer collar.
  • the curvature in the region of the inner collar part should generate the lowest possible electric field strengths. Its surface must therefore be as smooth as possible and must have no burrs or peaks.
  • a suitable manufacturing method is spark or electrode erosion.
  • Another technique is laser ablation.
  • the electric field strength generated by the surface of the outer collar part should be greater than the electric field strength generated by the surface of the inner collar part. Decisive is therefore not the absolute value of the radii of curvature, but their relation to each other.
  • the width of the inner collar part amount to at least 20% and typically 40 to 60% of the wall thickness of the emitter vessel.

Landscapes

  • Discharge Lamp (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

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.
  • Die US-A 2 887 603 zeigt eine Hochdruckentlampe mit einem Elektrodenstab aus Wolfram, der an seinem entladungsseitigem Ende eine konische Vertiefung aufweist, an deren Spitze ein mit einem Emitter gefülltes Bohrloch vorgesehen ist.
    • 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.
  • Eine einfache Fertigung der Elektrode ist möglich, wenn die Bohrlochkante geeignet geformt ist. Dabei ist das Bohrloch von einem Kragen umgeben, der bevorzugt 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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen 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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen 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 erfindungsgemäßen 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 (7)

  1. Elektrode für eine Hochdruckentladungslampe, 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 ein Bohrloch angebracht ist, das mit Emittermaterial (10) gefüllt ist, wobei das Gefäß an seiner entladungsseitigen Stirnfläche einen Kragen bildet, mit einem inneren Kragenteil (13), das zum Bohrloch hin konvex gekrümmt ist und einem äußeren Kragenteil (14), das zur Seitenwand des Gefäßes hin konvex gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das innere Kragenteil einen definierten Krümmungsradius mit Ri>0 aufweist, während das äußere Kragenteil so gestalten ist, dass die von seiner Oberfläche erzeugte elektrische Feldstärke größer ist als die von der Oberfläche des inneren Kragenteils erzeugte elektrische Feldstärke.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch das äußere Kragenteil einen definierten Krümmungsradius aufweist, wobei der innere. Krümmungsradius Ri des inneren Kragenteils größer als der äußere Krümmungsradius Ra des äußeren Kragenteils ist, also Ri > Ra.
  3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die entladungsseitige Oberfläche (11) des Emittermaterials konkav gekrümmt ist.
  4. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß vom entladungsseitigen Ende des Schafts, der als Kernstift (7) ausgeführt ist, gebildet wird.
  5. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß von einem separaten Kopfteil (20) der Elektrode gebildet wird.
  6. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Emittergefäß aus Wolfram gefertigt ist.
  7. Lampe mit einer Elektrode nach Anspruch 1.
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