DE3028405C2 - Lampe mit einem Entladungsgefäß in einem äußeren Glaskolben und Verwendung dieser Lampe - Google Patents

Lampe mit einem Entladungsgefäß in einem äußeren Glaskolben und Verwendung dieser Lampe

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DE3028405C2
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    • H01J61/96—Lamps with light-emitting discharge path and separately-heated incandescent body within a common envelope, e.g. for simulating daylight

Description

Die Erfindung betrifft eine Lampe mit einem Entladungsgefäß in einem äußeren Glaskolben, in den Zuleitungen eingeschmolzen sind, wobei das Entladungsgefäß aus einem Glasmaterial besteht das für ultraviolette Strahlung durchlässig ist, eine Füllung aus Quecksilber und Metallhalogenid einschließlich Natriumiodid enthält und als Hauptlichtquelle in der Lampe dient, und wobei der äußere Kolben Metalltragteile enthält, die von den Zuleitungen ausgehen und das Entladungsgefäß abstützen. '
Lampen der vorgenannten Art sind allgemein bekannt.
Es gibt auch Lampen der vorstehend genannten Art, bei denen das Entladungsgefäß nicht aus Glas, sondern aus Keramik besteht. Eine solche Lampe ist in der DE-OS 23 46 132 beschrieben. Bei der Weiterentwicklung dieser Lampun mit einem Entladungsgefäß aus Keramik zur Erzielung von Leistungen von 1000 W traten wesentlich mehr Fehler aufgrund von Leckstellen auf, die sich in der Rohrwandung in einem Muster von sich auf der Innenseite des Keramikrohres ausbildenden baumartigen Verzweigungen entwickelten. Bei der DE-OS 23 46 132 wurde davon ausgegangen, daß die durch die dentritischen Brüche in dem Keramikrohr verursachten Fehler auf dem negativen Gleichspannungspotential beruhen, das sich auf der Wand des Entladungsgefäßes aus Keramik ergibt und das als treibende Kraft für die Umsetzung des Natriums der Lampenfüllung mit dem Aluminiumoxid, Kalziumoxid, is Siliziumdioxid und dergleichen in Anwesenheit von Sauerstoff wirkt wobei sich die Kristalle auf der Innenfläche des Keramikrohres, insbesondere an den Korngrenzen bilden. Diese Kristalle aus Natriumaluminat Natriumsilikat und dergleichen haben andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als das Aluminiumoxid des Keramikrohres. Dadurch kommt es während der Ein-ZAusschaltperiode der Lampe zu thermischen Brüchen an Stellen nahe den Oberflächenfehlern oder an den Korngrenzen, die sich schließlich durch die Rohrwand hindurch ausbreiten und Natrium austreten lassen. Dies soll nach der DF-OS 23 46 132 dadurch verhindert v/erden, daß man den Rahmen, der das Entladungsgefäß aus Keramik in dem äußeren Glaskolben trägt aus einem elektrisch leitfähigen, aber keine Elektronen emittierenden Material herstellt. Eine bevorzugte Ausführungsform für den Rahmen besteht aus nichtrostendem Stahl mit einem Überzug aus Chromoxid.
Es ist auch bekannt daß die Bewegung von
Na"-Ionen durch das heiße Quarz der Wände solcher Natrium enthaltenden Lampen, wie sie eingangs definiert sind, zu einem Verlust an Natriumatomen führt. Der Verlust von Natriumatomen aus NaJ setzt Jod frei, das sich dann mit dem Quecksilber ':-. dem Entladungs gefäß vereinigen kann, um Hgh zu bilden, was zu vielen Schwierigkeiten führt, wie schwierigem Zünden und Änderung in der Farbe der emittierten Strahlung.
Eine ausführliche Beschreibung des Natriumverlustprozesses in Metalljodid-Entladungslampen findet sich in »Electric Discharge Lamps« von J. Waymouth, M.I.T. Press. 1971. Massachusetts. Kapitel 10.
Die Lösung des Problems, die von den meisten Lampenherstellern in den Vereinigten Staaten angewandt wird, besteht in dem sogenannten »rahmenlosen«
Bügel, wie er aus der US- PS 34 24 935 bekannt ist.
Es deutet nämlich viel darauf hin, daß der größte Teil des Natriumverlustes auf eine negative Ladung auf den Er.tladungsgefäßwänden zurückzuführen ist. die durch photoelektrische Emission vcn den Rahmenseitenstä ben herrührt, welche zum Abstützen des Entladungsge fäßes innerhalb des äußeren Kolbens bei dem bekannten Aufbau benutzt werden. In dem »rahmenlosen« Aufbau gibt es keine Seitenstäbe, die längs des Entladungigefäßes verlaufen, und der Stromrückleit draht für die äußere Endelektrode ist ein feines Stück Wolframdraht, welches manchmal auch als fliegende Leitung bezeichnet wird und das soweit als möglich von dem Entladungsgefäß entfernt ist und sich eng an die Krümmung oder Ausbauchung des äußeren Kolbens anschmiegt.
In einer kompakten Lampe oder Beleuchtungseinheit, die ein Miniaturentladungsgefäß innerhalb eines äußeren Kolbens enthält, bringt die Vermeidung des
Natriumverlustes mit dem »rahmenlosen« Bügel Probleme mit sich.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Lampe der eingangs genannten Art das Problem des Natriumverlustes in einer Weise zu lösen, die auch in einer kompakten Lampe mit einem MiniaturentladungsgefäQ brauchbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Hülle aus lichtdurchlässigem Glasmaterial, die für ultraviolette Strahlung im wesentlichen undurchlässig ist das Entladungsgefäß umgibt und zur Atmosphäre des äußeren Kolbens hin offen ist.
Die Hülle verhindert die negative Aufladung des Entladungsgefäßes aus Glas und damit weitgehend das Durchdringen von Natriumionen durch das Glas des Entladungsgefäßes. Weiter schützt die Hülle das Auge vor der UV-Strahlung des Entladungsgefäßes. Und schließlich Ist die Hülle auch ein Mittel zum Schützen des äußeren Kolbens vor fliegenden Bruchstücken im Fall eines Bruches des Entladungsgefäßes. Der kombinierte Druck des verdampften Quecksilbers und der Metalljodide innerhalb des Entladungsgefäßes knnn bi'_ etwa 30 bar betragen, je nach der Auslegung unci der gewünschten Farbtemperatur des Lichtes. Trotz großer Sorgfalt bei der Herstellung kann es gelegentlich passieren, daß ein Entladungsgefäß, das einen verborgenen Defekt aufweist, hergestellt wird, welches mit der Zeit bei Betriebsdruck reißt. In einem solchen Fall dient die Glashülle zum Aufhalten der Bruchstücke des Entladungsrohres und verhindert Bruch des äußeren Kolbens.
Die Wirksamkeit einer einfachen Glashülle bei der Verhinderung oder Verringerung des Natriumnverlustes ist überraschend, und es wird angenommen, daß sie auf zwei zusammenwirkende Faktoren zurückzuführen ist. Die allgemein akzeptierte Ansicht ist. daß der Natriumverlust aus einem Entladungsgefäß auftritt, wenn es Elektronen gestattet wird, die Oberfläche des Quarzentladungsgefäßes negativ aufzuladen. Waymouth hat die Erzeugung von Elektronen der ultravioletten Strahlung aus dem Entladungsgefäß zugeschrieben, die auf Metallteile, wie die Seitenstäbe oder Leiter, innerhalb des äußeren Kolbens auftrifft und die Emission von Photoelektronen verursacht. Wenn diese Ansicht akzeptiert wird, würde die Glashülle erstens durch Aufhalten und Einfanger der ultravioletten Strahlung wirksam sein, da Borsilicatglas für ultraviolett im wesentlichen undurchlässig ist. und zweitens durch Aufbauen eines positiv geladenen elektrischen Feldes, welches jedwede Photoelektronen anzieht und diese am Erreichen der Oberfläche des Entladungsgefäßes hindett. Wegen des erstgenannten Effekts erscheint es vernünftig, daß ein gewisser Vorteil erzielt wird, wenn die Hülle lediglich durch eine isolierte Leitung abgestützt ist. Die Verbindung der Hülle mit der Anodenseite des Entladungsgefäßes, ist jedoch für den zweitgenannten Effekt wichtig, damit der volle Vorteil der Erfindung erzielt wird. In einer Anordnung, in der das Entladungsgefäß mit Wechselstrom bet-ieben wird, kann die Hülle auf einem Potential gehalten werden, das im zeitlichen Mittel gegenüber dem des Entladungsgefäßes positiv ist, indem einfach eine richtig gepolte Diode in der Verbindung zwischen der Hülle und einer der Elektroden angeordnet wird.
Die Glashülle ist vorteilhaft ein Hartglaszylinder, der den ausgebuchteten Teil des Entladungsgefäßes umschließt und überlappt. Vorzugsweise ist die Glashülle durch metallische Träger abgestützt, die mit einem Potentialpunkt verbunden sind, der gegenüber dem Entladungsgefäß positiv ist '
Von besonderem Wert ist die Verwendung der Lampe in einer Beleuchtungseinheit die durch eine Reserveglühwendel ergänzt ist
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Lampe mit einem Entladungsgefäß und einer Haupt- und einer Hilfsglühwendel innerhalb eines
ίο äußeren Kolbens und mit einer Glashülle, die das Entladungsgefäß umgibt und durch Leiter abgestützt ist die mit der Anode elektrisch verbunden sind, und
Fig.2 eine Schnittansicht derselben Lampe in größerem Maßstab.
In F i g. 1 ist eine Lampe 1 dargestellt die einen äußeren Glaskolben 2 aufweist in welchem ein Entladungsgefäß 3, eine Hauptglühwendel 4 und eine Hilfsglühwendel 5, beide aus Wolfram, angeordnet sind. Der äußere Kolben ist an seinem unteren Ende mit einem scheibenförmigen Glasverschluß 6 versehen, durch den Zuleitungen luftdicht hindwcvhgeführt sind. Eine Zuleitung 7, die einen mit ihr verbundenen Querträger 8 hat ist mit der unteren Elektrode 26 des Entladungsgefäßes 3 verbunden. Ein Tragdraht 9. der mit einer Zuleitung 10 verbunden ist ist an die obere Elektrode 25 des Entladungsgefäßes angeschlossen, und zusammen stützt sie das Entladungsgefäß 3 in vertikaler oder axialer Lage ungefähr in der Mitte des äußeren Kolbens 2 ab. Die Hauptglühwerdel 4 ist an Tragdrähten II, 12 abgestützt die an Zuleitungen 13 bzw. 14 befestigt sind und die Glühwendel von der Mitte des äußeren Kolbens aus zur Seite versetzt halten. Die Glühwendel 4 ist darüber hinaus in der Nähe ihres Mittelpunktes durch eine an einer Zuleitung 16 befestigte Stütze 15 abgestützt, deren Ende zu einer Schleife geformt ist die die Glühwendel umschließt. Die Hilfsglühwendel 5 ist an den Enden von Zuleitungen 17, 18 befestigt, die als Klemmen ausgebildet sind. Der Raum innerhalb des äußeren Kolbens 2 ist mit emem inerten Gas, wie Stickstoff, gefüllt, um eine Oxidation der Glühwendeln oder der feinen Entladungsgefäßzuleitungen 21, 22 die an den Punkten, wo sie aus dem Quarz austreten, sehr heiß sind, zu verhindern.
Das Entladungsgefäß 3 ist aus Quarz oder Quarzglas hergestellt. Beispielsweise besteht eine geeignete Füllung für eine Lampe der dargestellten Größe, die eine Nennleistung von 30 bis 35 W hat. aus Argon mit einem Druck von 133.3 bis 160mbar. 4.3 mg Hg und 22 mg Halogenidsalz. das aus 85 Gew-% NaJ. 5 Gew. % ScJ1 und 10 Gew.-°/o ThJ4 besteht. Eine solche Menge an Quecksilber ergibt, wenn sie unter Betriebsbedingungen völlig verdampft ist, eine Dichte von etwa 39 mg/cm!. die einem Druck von etwa 22.5 bar bei der Betrebi.emperatur der Lampe entspricht.
Eine Eigenschaft von Miniatur-HochdruckmetaM darr.pflampen ist die sehr schnelle Deionbierung. weither sie ausgesetzt sind. Bei einem Betrieb mit Wechselstrom von 60 Hz ist die Deionisierung zwischen Halbzyklen fast vollständig, so daC das Vorschaltgerät eine sehr hohe Wiederzündspannung liefern muß. Um dies zu vermeiden, ist es vorzuziehen, Miniaturmelallha= logenlampen mit Hochfrequenz-Vorschaltgeräten uder, statt dessen, mit Gleichstrom zu betreiben, der durch Gleichrichten von Wechselstrom erzielt wird.
Für Gleichstrombetrieb weist das Entladungsge'äß 3 eine Katode 25 und eine Anode 26 auf, und es ist so angeordnet, daß sich die Katode in den F i g. 1 und 2 am weitesten oben befindet. Die Katode kann eine Wendel
aus Wolframdraht sein, die in einer abgerundeten Spitze endigt. Die Anode kann einfach ein Wolframdraht mit einem zur Kugel geformten Ende sein.
In einer Lampe der dargestellten Art schafft die Erfindung eine neue Lösung für das übliche Problem des s Natriumverlustes aus einem Quarzglas-Entladungsgefäß, das Natriumiodid enthält. Eine Glashülle 27, die zur Stickstoffatmosphäre des äußeren Kolbens 2 hin offen ist, ist um das Entladungsgefäß 3 herum vorgesehen und ist durch Leiter 28 abgestützt, die sich auf einem Potential befinden, das, gemittelt über der Zeit, gegenüber dem des Entladungsgefäßes positiv ist. Die Glashülle ist, wie dargestellt, eine kurze Hülse 27 aus Hartglas, die den ausgebauchten Teil des Entladungsgefäßes umgibt und an beiden Enden überlappt. Ein bevorzugtes Glas ist Borsilicatglas, das, ohne zu erweichen, auch Temperaturen aushalten kann, die deutlich über dem Bereich von 200°C bis 400°C liegen, dem die Hülse im Betrieb ausgesetzt ist. Der spezifische Widerstand des Glases fällt mit steigender Temperatur schnell ab, wie es die folgende Tabelle zeigt.
Tabelle
OC ICXTC 200- C 250- C .150= C
spezifischer Widerstund
3.Ox ΙΟ19 Ohm cm 5.2 χ 10" Ohm cm
2.4 χ 1010 Ohm cm 1.6 χ 108 Ohm cm
2.5 χ 107 Ohm cm
25
30
35
Wie zu erkennen, ist im Betriebstemperaturbereich von etwa 200°C bis 4000C der spezifische Widerstand kleiner als 2,4 χ IO10 Ohm cm, und das ist niedrig genug, um ein ausreichend konstantes Oberflächenpotential in Gegenwart des kleinen piiotoelektrischen Stroms, der in einer Lampe auftritt, zu gewährleisten. Das elektrische Leiten in dem Glas erfolgt durch Alkaliionensprünge und, wenn ein Photoelektron auf die Hülse auftrifft, vereinigt es sich mit einem Oberflächenalkaliion. um ein freies Metallatom (Na oder K) zu bilden. In dem Betriebstemperaturbereich der Hülse ist die Wahrscheinlichkeit, da3 ein Atom das Glas verläßt, relativ gering. Wahrscheinlicher ist eine Wanderung des Elektrons von Alkaliion zu Alkaliion durch das Glas, bis es auf die metallischen Leitungen 28 trifft und von diesen weggeleitet w;rd.
Die Leitungen 28, durch die die Hülse 27 abgestützt
ist, sind in das Glas eingebettet. Sie bestehen vorzugsweise aus einer Legierung, die im Wärmeausdehnungskoeffizienten dem des Glases angepaßt ist. beispielsweise aus einer Legierung aus Eisen. Nickel und Kobalt. Die Leitungsdrähte 28 sind an dem vertikalen Tragdraht 29 befestigt, der seinerseits an der Zuleitung 7 befestigt ist, wobei die Befestigungen durch Schweißen oder auf irgendeine andere geeignete Weise hergestellt worden sind. Die Zuleitung 7 ist mit der unteren Elektrode 26 verbunden, bei welcher es sich um die Anode des Entladungsgefäßes 3 handelt. Wenn als das Potential des Entladungsgefäßes das Mitte: der Anoden- und Katodenspannungen genommen wird, ist zu erkennen, daß die Tragleiter der Hülse 27 effektiv auf einem positiven Potential oberhalb des Mittelwerts des Entladungsgefäßes sind, der gleich der Hälfte des Entladungsgefäßspannungsabfalls ist. Bei der üblichen Betriebstemperatur der Hülse 27 in dem Bereich von 300 bis 400°C hat das Borsilicatglas eine auxreirhenrlp Leitfähigkeit, so daß das Potential der Hülse im wesentlichen gleich mit der Zuleitung 7 und der Anode des Entladungsgefäßes wird, mit denen es verbunden ist. Die dargestellte Verbindung der Glashülse mit der Anode ist wichtig. Wenn die Verbindung vertauscht werden sollte, d. h. wenn die Hülse statt dessen mit der Zuleitung 10 oder dem Tragdraht 9 verbunden werden sollte, die mit der Kathode verbunden sind, würde die Hülse ar( ein negatives Potential unterhalb des Mittelwertes des Entladungsgefäßes, der gleich der Hälfte des Entladungsgefäßspannungsabfalls ist, gebracht werden. In einem solchen Fall erfolgte ein schneller Verlust an Natrium aus dem Entladungsgefäß, was sich durch den Spannungsanstieg und die Ausbildung einer rübenroten Farbe an einem Ende des Entladungsgefäßes nach wenigen hundert Betriebsstunden ausdrückte. Diese Farbe zeigt das Vorhandensein von Quecksilberjodid HgJ2 an, das durch die Reaktion von Quecksilber mit Jod gebildet wird, welches aus dem NaJ durch den Verlust an Natriumatomen aus dem Entladungsgefäß freigesetzt wird. Wenn weiter Natrium verlorengeht, führt dies zu Zündschwierigkeiten und zu einer Änderung der Farbe der emittierten Strahlung zu Blau hin. Wenn dagegen die Glashülse an dem Anodenleiter abgestützt ist, wie es in den Zeichnungen dargestellt ist, gibt es einen sehr kleinen Spannungsanstieg, und es ist keine Bildung von HgJ2 beobachtet worden. Wenn die Glashülse an einem isolierten Leiter abgestützt wird, sind die Ergebnisse nicht so gut wie bei der Abstützung an dem Anodenleiter. Die folgende Tabelle 2 vergleicht die Entladungsgefäßspannung bei 10 und bei 500 h für Katoden- und Anodenverbindut.^ien und bestätigt die vorstehenden Darlegungen.
Tabelle 2 Volt bei Volt bei AVoIt HgJ2 im Entladungs
Entladunes- 10 h 500 h gefäß sichtbar
gefaß mit Katode
Hüise verbunden 75,5 89,3 + 13,8 Ja
Nr. 1956 84.0 88,2 + 4,2 Ja
Nr. 1957 79,9 90,1 + 10,2 Ja
Nr. 1960 74,9 80,4 + 5,5 Ja
Nr. 1962 Mittelwert + 8.4
Fortsetzung Voll bei 30 28 405 Λ Voll 8
7 bntliidungs- 10 h
feRiß mit Anode HgJ2 im linthidungs-
Hülse verbunden 77,0 Voll bei + 13 gefäß sichtbar
Nr. 1964 79.2 500 h + 2.1
Nr. 1966 80.8 -3.6
Nr. 1967 78.6 79.3 + 7.7
Nr. 1969 80.8 81.3 -4.n
Nr. 1970 78.8 77,2 0
Nr. 1971 86,3 + 0.75
76.8
78.8
Mittelwert
In einer Lampe, die in zwei Helligkeitsstufen 15 Farbe nach Blau hin verursacht. Mit einer Glashülse um
betrieben wird, ist die Glashülse 27 auch zum das Entladungsgefäß ist der Temperaturabfall von der
Verbessern der Farbe des Entladungsgefäßes während Betriebsart »große Helligkeit« zur Betriebsart »geringe
der Betriebsart »geringe Helligkeit« von Nutzen. In Helligkeit« geringer und dadurch wird das Ausmaß der
kälter zu arbeiten, so daß von dem MetallhaloRenid 20 gert. weniger verdampft wird, was eine Verschiebung
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    1. Lampe mit einem Entladungsgefäß in einem äußeren G'askolben, in den Zuleitungen eingeschmolzen sind, wobei das Entladungsgefäß aus einem Glasmaterial besteht, das für ultraviolette Strahlung durchlässig ist, eine Füllung aus Quecksilber und Metallhalogenid einschließlich Natriumiodid enthält und als Hauptlichtquelle in der Lampe dient, und wobei der äußere Kolben Metalltragteile enthält, die von den Zuleitungen ausgehen und das Entladungsgefäß abstützen, gekennzeichnet durch eine Hülle (27) aus lichtdurchlässigem Glasmaterial, die für ultraviolette Strahlung im wesentlichen undurchlässig ist, das Entladungsgefäß (3) umgibt und zur Atmosphäre des äußeren Kolbens
    (2) hin offen ist
    Z. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dt Hülle (27) aus Glas besteht, das eine beträchtliche elektrische leitfähigkeit bei der Betriebstemperatur der Lampe (1) hat und auf einem Potential gehalten wird, welches im Mittel gegenüber dem Entladungsgefäß (3) positiv ist
    3. Lampe mit einem Entladungsgefäß, das eine Anode und eine Kathode enthält, und mit Gleichstrom betrieben wird, nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet daß die Hülle (27) eine beträchtliche elektrische Leitfähigkeit in dem Temperaturbereich von 200° C bis 4000C hat in welchem sie sich während des Lampenbetriebes befindet und daß sie mit der Anode elektrisch verbunden isL
    4. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch metallische Träger (28,29) für die Hülle, die mit dem Potentialpunkt verbunden sind, der im Mittel gegenüber dem Entladungsgefäß
    (3) während des Betriebs positiv ist.
    5. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (27) den kugeligen Teil des Entladungsgefäßes (3) an beiden Enden überlappt.
    6. Verwendung der Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5 zusammen mit wenigstens einer Glühwendel, die als Reservelichtquelle dient und zusammen mit dem Metalltragteilen für das Entladungsgefäß und die Glühwendel, die von den Zuleitungen ausgehen, in dem äußeren Kolben enthalten sind.
DE3028405A 1979-08-01 1980-07-26 Lampe mit einem Entladungsgefäß in einem äußeren Glaskolben und Verwendung dieser Lampe Expired DE3028405C2 (de)

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