DE2641880A1

DE2641880A1 - Elektrische entladungslampe

Info

Publication number: DE2641880A1
Application number: DE19762641880
Authority: DE
Inventors: Antonius Jozephus Ger Driessen; Hendricus Elise Michel Cor Vos
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1977-03-31
Also published as: US4160930A; NL174103C; DE2641880C2; BE846637A; JPS5242674A; IT1072424B; HU181520B; CA1060525A; FR2326034B1; NL174103B; JPS5722188B2; NL7511415A; FR2326034A1; GB1513700A

Description

PHN.8156 Va/FF/lTo( 3 4-8-1976

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"Elektrische Entladungslampe"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entladungslampe mit einem zylindrischen keramischen Lampenkolben, der mit im wesentliche^aus keramischem Material bestehenden Endabdichtungen versehen ist, wobei in jede der Abdichtungen ein zylindrisches Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode und in mindestens eine der Abdichtungen ein Stromdurchführungsglied für eine Hilfselektrode aufgenommen ist.

Bei Entladungslampen, die eine hohe Betriebstemperatur - z.B. 1000 C oder höher, wie dies bei Hochdrucknatrium- und Hochdruckquecksilberlampen der Fall ist, welche letzteren Lampen auch noch Metallhalogenide enthalten können - aufweisen, besteht der

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Lampenkolben aus keramischem Material, wobei unter keramischem Material hier sowohl polykristallines Material, wie durchscheinendes gasdichtes Al O„, MgAIpCK (Spinell) und Y O„, als auch einkristallines Material, wie Saphir, zu verstehen ist.

Da sich dieses Material nicht bei hohen Temperaturen verformen lässt, werden keramische Entladungskolben häufig mit keramischen Formstücken unter Verwendung von Schrumpf- und Sintertechniken und/oder unter Anwendung von Schmelzverbindungsmaterial verschlossen.

¥egen der grossen Temperaturunterschiede, die ein Lampenkolben aushalten können muss, muss der Art der Materialien, die für die Stromdurchführungsglieder der Elektroden verwendet werden, grosse Aufmerksamkeit gewidmet werden. Sie weise vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem des keramischen Materials entspricht. Daher kommen hauptsächlich Niob und Tantal für diesen Zweck in Betracht; diese Metalle sind nicht nur teuer, sondern sind auch bei hohen Temperaturen nicht gegen Halogenide und Sauerstoff beständig.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift

1.471.379 ist eine Entladungslampe der eingangs genannten Art bekannt. Dabei ist in eine Bohrung in einer keramischen Endabdichtung ein massiver Niobstab als Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode aufgenommen, während in eine kleinere exzentrisch

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liegende Bohrung in der Endabdichtung ein Tantaldraht als Stromdurchführungsglied für eine Hilfselektrode aufgenommen ist.

Es hat sich herausgestellt, dass - möglicherweise infolge der Tatsache, dass die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien einander nicht völlig gleich sind - bei einer derartigen Lampe an der Stelle des Stromdurchführungsgliedes für die Hilfselektrode Sprung auftreten kann. Dies leitet das Ende der Lebensdauer der Lampe infolge Gasleckage ein.

Auch wenn das Stromdurchführungsglied für eine Hilfselektrode in der zylindrischen Wand des Lampenkolbens angebracht wird, tritt an der betreffenden Stelle leicht Sprung auf.

In der britischen Patentschrift 1.095.712 ist eine Lampenkonstruktion beschrieben, bei der zwischen einem Ende des EntladungsK\olbens und der Endabdichtung ein Metallring angeordnet ist, der sowohl in den Lampenkolben hinein- als auch aus dem Lampenkolben herausragt,, Innerhalb des Lampenkolbens ist ein Wolframdraht auf dem Ring festgeschweisst, der sich bis in die Nähe der Hauptelektrode am anderen Ende des Lampenkolbens erstreckt und als Hilfselektrode wirkt.

Die Lampe weist einige Nachteile auf, wie die hohe Erhitzung der Hilfselektrode beim Betrieb, wodurch, die Elektrode verformt werden und weit von der Hauptelektrode weg geraten kann, sowie die Schatten-

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bildung, die die Hilfselektrode herbeiführt. Der wichtigste Nachteil ist jedoch die gering mechanische Festigkeit der Konstruktion und die Verwiekeltheit der Herstellung der Lampe.

Der Nachteil einer geringen mechanischen Festigkeit trifft auch für die Konstruktion nach der US-PS 3·^61.33^ zu, bei der zwischen einem Ende des Lampenkolbens und einer zylindrischen keramischen Fortsetzung desselben ein Niob- oder Tantalring als Hilfselektrode angeordnet ist.

Dieser Nachteil wird in der niederländischen Patentanmeldung 7·30^··86θ auch erkannt, in der als Alternative für eine durch einen auf der Innenseite metallisierten keramischen zylindrischen Teil gebildete Hilfselektrode und ein Stromdurchführungsglied für diese Elektrode in Form einer metallisierten Endfläche dieses zylindrischen Teiles^das Zwischenfügen eines massiven Metallringes zwischen Lampenkolben und Zylinderteil erwähnt wird.

Die geraäss dieser Patentanmeldung bevorzugte Lösung eines metallisierten Zylinderteiles aus keramischem Material weist jedoch ebenfalls den Nachteil einer geringen mechanischen Festigkeit auf, während weiter der Abstand zwischen der Haupt- und der Hilfselektrode völlig vom Durchmesser des Lampenkolbens bestimmt wird, dessen optimaler Wert aber durch andere : Grossen als einen gewünschten maximalen Abstand zwischen Haupt- und Hilfselektrode gegeben wird.

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D±e Erfindung bezweckt, eine Lampenbauart zu schaffen, die eine grosse mechanische Festigkeit aufweist, sich leicht verwirklichen lässt und bei der die Anwendung von Metallen geringer Widerstandsfähigkeit, obwohl sie brauchbar sind, vermieden werden kann, wobei die Lebensdauer der Lampe nicht durch das Auftreten von Sprung an den Stellen der Stromdurchführungsglieder verkürzt wird.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis

zugrunde, dass Spannungskonzentrationen im Lampenkolben vermieden werden können, indem für den Lampenkolben und dessen Endabdichtungen und Stromdurchführungsglieder eine drehsymmetrische Geometrie gewählt wird.

Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische Entladungslampe der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ein zylindrisches Rohr ist, welches das Stromdurchführungsglied für die Hauptelektrode konzentrisch umgibt und von diesem durch einen keramischen Ring getrennt ist.

Das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ragt sowohl aus der Endabdichtung des Lampenkolbens hervor- um den Anschluss eines äusseren Stromleiters zu ermöglichen - als auch in den Lampenkolben hinein zur Befestigung an einer z.B. drahtförmigen Hilfselektrode.

Einfacher ist eine Hilfselektrode in Form eines oder mehrerer Streifen, die mit dem Stromdurch-

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fülirungsglied ein Ganzes bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ragt das zylindrische Rohr des Stromdurchführungsgliedes mindestens 2 mm in den Lampenkolben hinein. Dies hat den Vorteil, dass der keramische Ring der Endabdichtung zwischen dem Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode und dem Stromdurchführungsglied für die Hauptelektrode auch beim Löschen der Lampe eine derartige Temperatur aufweist, dass dort keine Kondensation von Amalgam oder Halogenid stattfindet, die einen Kurzschluss zwischen Haupt- und Hilfselektrode herbeiführen könnte. Diese Massnahme gewährleistet denn auch eine schnelle Zündung der Lampe.

Es wird jedoch eine Konstruktion bevorzugt, bei der das zylindrische Rohr des Stromdurchführungsgliedes sich derart weit in die Lampe erstreckt, dass das Rohr selbst als Hilf selektrode "jwirkt. Diese Konstruktion weist den Vorteil auf, dass die durch Hilfselektrode und Stromdurchführungsglied gebildete Einheit leicht hergestellt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der rohrförmigen Hilfselektrode ist der, dass von der Hauptelektrode abgedampftes Material sich auf der Wand des Rohres ablagert, wodurch Schwärzung der Wand des Lampekolbens verhindert wird.

Die Hilfselektrode darf derart lang sein,

dass diese weiter als die Hauptelektrode in den Lampenkolben hineinragt. Dadurch kann die seitliche Licht-

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ausstrahlung jedoch gehemmt werden, so dass eine Hilfselektrode bevorzugt wird, die nicht über der Hauptelektrode hinausragt. Vorzugsweise ragt die Hauptelektrode um einen geringen Abstand (etwa 1 mm) über eine rohrförmige Hilfselektrode hinaus.

Vorzugsweise umschliesst die rohrförmige Hilfselektrode die Hauptelektrode so eng, wie es die Technologie des Herstellungsvorgangs der Lampe gestattet, während andererseits der Innendurchmesser des Rohres vorzugsweise nicht mehr als 4 mm grosser als der Grösstdurchmesser der Hauptelektrode ist.

Der Aussendurchmesser der rohrförmigen Hilfselektrode ist vorzugsweise derart klein, dass ein mehr als kapillarer Raum zwischen der Hilfselektrode und der Fand des Lampenkolbens vorhanden ist, im wesentlichen um zu verhindern, dass sich dieser Raum bei der Herstellung der Lampe mit Schmelzabdic^htungsmaterial füllen würde.

Die Stromdurchführungsglieder - und wenn

das Durchführungsglied für die Hilfselektrode mit dieser Elektrode ein Ganzes bildet, damit auch die Hilfselektrode selbst - können auc Niob oder Tantal bestehen.

Das Stromdurchführungsglied für die Hauptelektrode kann sowohl ein hohler als auch ein massiver Zylinder sein.

Nach der deutschen Patentanmeldung P 25 48 732 können in die Endabdichtungen eines keramischen Lampenkolbens auch rohrförmige Stromdurchführungsglieder auf-

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genommen werden, die aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen. In diesem Falle wird in dem Stromdurchführungsglied an der Stelle, an der dieses Glied von der Endabdichtung des Lampenkolbens umgeben wird, ein zylindrisches keramisches Formstück angebracht.

Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung kann in den erfindungsgemäs'sen Lampen das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ebenfalls aus ¥olfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen, weil sich ja innerhalb dieses Stromdurchführungsgiiedes an der Stelle der Endabdichtung des Lampenkolbens ein zylindrisches keramisches Formstück befindet.

Ebenso kann in der Lampe nach der Erfindung,

wenn als Stromdurchführungsglied für die Hauptelek-

trode ein hohler Zylinder benutzt w"ird, dieses Glied aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen, vorausgesetzt, dass darin ein zylindrisches keramisches Formstück angebracht ist.

Die Wanddicke des Stromdurchführungsgliedes für die Hilfselektrode beträgt bei Anwendung von Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle in der Regel 20 bis 25O /um und vorzugsweise 20 bis 150/um und bei Anwendung von Niob oder Tantal 100 bis 3OO/um.

Es sei noch bemerkt, dass die Anwendung der zuerst genannten Materialien für die Stromdurchführung·

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glieder die Vorteile eines niedrigeren Selbstkostenpreises und einer Beständigkeit gegen Sauerstoff und Halogenide bietet.

Bei der Herstellung der Endabdichtungen des Lampenkolbens können u.a. die bekannten g&gexi Füllungen von Entladungslampen beständigen Schmelzverbindungsmaterialien benutzt werden, wie sie z.B. in den USA-Patentschriften 3.281.309, 3.441.421 und 3.488.577 und in den vorgenannten Patentanmeldungen beschrieben sind.

Auch können zum Verbinden eines keramischen Endabdichtungsformstückes mit der zylindrischen Wand des Lampenkolbens Schrumpf/Sintertechniken verwendet werden, wie sie z.B. in der US-PS 3·564·328 beschrieben · sind.

Die keramischen Formstücke, die für die Herstellung der Endabdichtungen verwendet werden, werden derart bemessen, dass die Räume zwischen den Stromdurchführungsgliedern und den keramischen Formstücken und vorkommendenfalls zwischen dem Formstück und der zylindrischen Wand des Lampenkolbens durch Kapillarwirkung mit Schmelzverbindungsmaterial ausgefüllt werden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Ansicht einer fertigen Lampe,

Fig. 2 und Fig. 3 beide einen Längsschnitt ' durch ein Ende eines Lampenkolbens, und Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Lampen-

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kolben.

In Fig. 1 ist mit 1 der Lampenkolben einer 220\^r/250¥-Hochdruck-Natriumentladungslampe bezeichnet, der in einen Aussenkolben 2 aufgenommen ist, der mit einem Lampensockel 3 versehen ist. Ein Poldraht 4, der zugleich zur Abstützung des Lampenkolbens gegenüber dem Aussenkolben dient, führt einer der Hauptelektroden und ausserdem über einen Widerstand 5 der Hilfselektrode (13 in Fig. 2) Strom zu.

In Fig. 2 ist mit 10 ein Teil der zylindrischen Wand des Lampenkolbens 1 der Fig. 1 bezeichnet. Mit einem keramischen Ring 11, der, wie die anderen keramischen Teile des Lampenkolbens, aus durchscheinendem gasdichtem Aluminiumoxid besteht und durch eine Schrumpf/Sinterbearbeitung mit der Wand 10 verbunden ist, ist ein Teil der Endabdichtung des Lampenkolbens erhalten. Zwischen dem Ring 11 und"\einem keramischen Ring 12 ist ein Niobrohr I3 angeordnet, während durch den Ring 12 ein Niobrohr 14 geführt ist. Ueber den keramischen Ring 11 und die Wand 10 des Lampenkolbens ist ein keramischer Ring I5 angebracht. Die Kapillarräume zwischen keramischen Teilen und zwischen keramischen und metallenen Teilen sind mittels eines Schmelzabdichtungsmaterials verschlossen. An dem Niobrohr 14 ist eine Hauptelektrode 17 aus Wolfram mit Titan festgelötet.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung. Der zylindrischen keramischen Wand 20 eines Lampenkolbens schliesst

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sich, vakuumdicht durch ein Schmelzverbindungsmaterial 26 mit ihr verbunden, ein keramischer Ring 21 an, der teilweise in dem zylindrischen Lampenkolben liegt und teilweise an diesem Lampenkolben anliegt. Zwischen diesem Ring und einem zweiten keramischen Ring 22 befindet sich, vakuumdicht durch Schmelzverbindungsmaterial 26 mit den beiden keramischen Teilen verbunden, ein zylindrisches Rohr 23 aus Molybdän. In dem Ring 22 ist ein zylindrisches Rohr 25 aus Molybdän mit darin einem keramischen Zylinder 2h angeordnet. Die Kapillarkanäle zwischen 22 und 25 und zwischen 24 und 25 sind mit Schmelzverbindungsmaterial 26 ausgefüllt. Eine Wolframelektrode 27 ist auf dem Rohr 25 festgeschweisst.

Die Konstruktion nach Fig. h wurde in einer · 22C)V/250¥-Hochdruck-Natriumentladungslampe verwendet.

Ein zylindrisches Rohr 30 aus durchscheinendem gastsdi'chtem Aluminiumoxid mit e^inem Aussendurchmesser von 8,6 mm und einem Innendurchmesser von 6,8 mm ist an beiden Enden teilweise mit 3 ^mm dicken Ringen 31 aus durchscheinendem gasdichtem Aluminiumoxid mit einem Innendurchmesser von h,1 mm verschlossen. Die Verbindung zwischen dem Rohr 30 und den Ringen 3I wurde in einer Wasserstoffatmosphäre bei 185O⁰C hergestellt, wobei durch Schrumpfung eine feste Sinterverbindung zwischen den Teilen erhalten wurde. Die Ringe 31 waren vor dem Zusammenbau auf eine höhere Temperatur als das Rohr 30 vorerhitzt.

Am einen Ende wurde dann ein zylindrisches

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Niobrohr 32 mit einem Ausseudui-chmesser von 4 mm und einer Wanddicke von 200 /um zusammen mit einem keramischen Ring 33 mit einer Länge von 8 mm, einem Aussendurchmesser von 3»5 mm und einem Innendurchmesser von 1,0 mm und mit einem Niobstift 34 mit einer Dicke von 0,9 mm angebracht, an dem eine mit WoIframdrahtwicklungen versehene Wolframelektrode festgeschweisst war. Ausserdem wurde ein keramischer Ring 35» mit einer Dicke von 3 mm, einem Aussendurchmesser von etwa 9»2 nun und einem Innendurchmesser von 4,1 mm angebracht. Rings um die abzudichtenden Oeffnungen wurde Schmelzverbindungsmaterial angebracht: 44 Gew.^o AIpO 38 Gew.°/o CaO, 9 Gew.9ε BaO, 6 Gew.$ MgO, 2 Gew.$ ^₂ ⁰ 3 ^v>xiä* ¹ ^Gev·⁰/⁰ ^Si02' Dann wurde im Vakuum auf etwa 1450 C erhitzt.

Das nun einseitig verschlossene Rohr wurde mit Xenon gespült, mit 20 mg Natriumamalgam mit einem Natriumgehalt von 11 Gew.^o versehe^ und dann am anderen Ende mit einem einseitig verschlossenen Niobrohr 36 mit einem Aussendurchmesser von 4,0 mm und einem Innendurchmesser von 3»5 mm verschlossen, das mit einer Wolframelektrode und mit einem keramischen Ring 37 mit einer Dicke von 3 mm, einem Aussendurchmesser von etwa 9>2 mm und einem Innendurchmesser von 4,1 mm versehen war. Bei Erhitzung dieses Endes, um das Abdichtungsmaterial fliessend zu machen, wurde in einer Xenonatmosphäre von 4θ Torr gearbeitet und wurde das andere Ende, des Lampenkolbens gekühlt. Die Wolframhauptelektroden waren mit einem Emitter aus Barium-

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Kalzium-¥olframat/Thoriumoxid versehen und Aiiesen einen gegenseitigen Abstand von 52 mm auf. Die rohrförmige Hilfselektrode endete 1 mm unterhalb der Spitze der Hauptelektrode. Die · Innenlänge des Lampenkolbens betrug 65 mm.

Während der ganzen Lebensdauer der Lampe trat in dem Lampenkolbenkein Sprung auf und zündete die Lampe schnell und zuverlässig bei einer Netzspannung von 220 V.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE:

1 Elektrische Entladungslampe mit einem zylindrischen keramischen Lampenkolben, der mit im wesent- . liehen aus einem keramischen Material bestehenden Endabdichtungen versehen ist, wobei in jede der Abdichtungen ein zylindrisches Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode und in mindestens eine der Abdichtungen ein Stromdurchführungsglied' für eine Hilfselektrode aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromdurchführungsglied (13, 23, 32) für die Hilfselektrode ein zylindrisches Rohr ist, das das StromdLirchführungsglied (i4, 25, 34, 36) für die Hauptelektrode (17m 27) konzentrisch umgibt und von diesem durch einen keramischen Ring (12, 22, 33) getrennt ist.
2. Elektrische Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (13, 23, 32), das das Stromdurchfülirungsglied der Hilfselektrode bildet, mindestens 2 mm in den Lampenkolben (1O, 20, 30) hineinragt.

3· Elektrische Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (13> 23, 32) sich derart weit in dem Lampenkolben ("10, 20, 30) erstreckt, dass es selbst als Hilfselektrode wirkt.

h. Elektrische Entladungslampe nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (13, 23, 32) die Spitze der Hauptelektrode (17, 27) gerade nicht umgibt.

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5. Elektrische Entladungslampe nach, einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (13, 23, 32) aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle besteht.

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