DE3110872C2

DE3110872C2 - Alkalimetalldampflampe

Info

Publication number: DE3110872C2
Application number: DE3110872A
Authority: DE
Inventors: Jack Mack Garrettsville Ohio Strok
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1984-03-22
Also published as: JPS56152150A; GB2072939B; DE3110872A1; US4342938A; GB2072939A; NL8101524A; JPS60138256U; CA1165374A; BR8101914A; FR2479561A1; FR2479561B1

Abstract

Hochdruck-Alkalimetalldampflampe mit einem Metall aus Aluminiumoxid-Keramik und einem nach außen vorragenden Metallrohr, das als Zuleitung und als Reservoir für überschüssiges Natrium/Quecksilber-Amalgam dient. Das Vermögen der Lampe, starker Vibration ohne das Auftreten von Spannungsanstieg und Ausfall, verursacht durch Herausschleudern von Amalgamtröpfchen aus dem Reservoir, zu widerstehen, wird durch das Abplatten des Endteils des Metallrohres auf eine kleinste Abmessung entsprechend einer Zunahme der Kapillaranziehung auf einen Wert über dem Zweifachen der Schwerkraft gesteigert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Alkalimetalldampflampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches I.

Die Natriumdampflampen hoher Intensität, bei denen die Erfindung am brauchbarsten ist, weisen einen schlanken, rohrförmigen Keramik-Entladungskolben auf, der im allgemeinen in einem äußeren Glaskolben untergebracht ist. Der Entladungskolben besteht aus lichtdurchlässigem, refraktärem Oxidmaterial, das bei hohen Temperaturen gegenüber Natrium beständig ist: vorteilhafterweise aus polykristallinem Aluminiumoxid hohür Dichte oder synthetischem Saphir. Die Füllung umfaßt Natrium und Quecksilber zur Leistungsverbesserung, zusammen mit einem Edelgas zur Zünderleichterung. Die Rohrenden sind dicht verschlossen, wobei durch die Verschlußteile Verbindungen zu den thermionischen Elektroden verlaufen, die eine Wolframwendel umfassen können, die aktiviert ist durch Elektronen emittierendes Material. Der äußere Glaskolben, der den Keramik-Entladungskolben einschließt, ist im allgemeinen an einem Ende mit einem Schraubsockel versehen, mit dem die Elektroden des Entladungskolbens verbunden sind.

Die Hochdruck-Natriumdampflampe enthält eine Oberschußmenge an Natrium-Amalgam, d. h. sie enthält mehr Amalgam, als bei Erreichen stabiler Betriebsbedingungen der Lampe verdampft wird. Durch den Oberschuß wird der Dampfdruck durch die niedrigste Betriebstemperatur an jeder Stelle im Entladungsrohr bestimmt, und die vorgelegte Menge ist unkritisch. Ein Teil des überschüssigen Amalgams ist nötig, um einen AlterungEverlust während der Lebensdauer der Lampe zu ersetzen, z. B. durch Elektrolyse durch die Aluminiumoxid-Wände.

Die Stelle, an der sich das Amalgam in einer Lampe sammelt, hängt von dem Wärmegleichgewicht in Verbindung mit dem Einfluß der Schwerkraft ab. In Lampen von vorragendem Metall-Abpumprohr, das verschlossen ist, kann dieses Rohr ein Reservoir für überschüssiges Natrium-Amalgam außerhalb des eigentlichen Entladungskolbens sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß überschüssige Amalgam an eine Stelle zu bringen, die von der direkten Wärme der Bogenentladung und von der Elektrode entfernt liegt, so daß ein .Schwarzwerden des Entladungskolbens beim Altern der Lampe minimalen Einfluß auf den Natriumdampfdruck und auf die Lampenspannung hat. Auch ermöglicht die Verwendung eines äußeren Reservoirs eine enge Einstellung des Wärmegleichgewichts in der Lampe, z. B. durch Sandstrahlen eines Außenteils des Metallrohres zum Regulieren seines Wärmeverlustes.

Vorausgesetzt, das Wärmegleichgewicht in der Lampe macht das äußere Reservoir zum kältesten Punkt, kondensiert sich das überschüssige Amalgam dort. Kapillare Anziehung führt dazu, daß das Amalgam, wo es sich sammelt, verbleibt, und wenn die Lampe in einer solchen Stellung betrieben wird, daß das Reservoir an der untersten Stelle liegt, trägt auch die Schwerkraft dazu bei. Doch kann ein mechanischer Stoß oder eine heftige Vibration ein Amalgamtröpfchen vom Abpumprohr zum heißeren Entladungskolben hin fliegen lassen, insbesondere, wenn die Orientierung der Lampe das Reservoir an die höchste Stelk z^:.i liegen kommen läßt. Das Verdampfen des Tröpfchens verursacht dann einen plötzlichen Anstieg des Dampfdruckes, und die entsprechende Erhöhung der Lampenspannung kann stark genug sein, um die Lampe auszulöschen. Wenn die Lampe so ausgeht, gewöhnlich als Ausfallen bezeichnet, kann sie nicht wieder gezündet werden, bevor sie sich abgekühlt hat. und das kann in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur 1 bis 10 Minuten dauern. In Extremfällen kann das verhältnismäßig kalte Tröpfchen an der Stelle, an der es auftrifft, einen Riß des Entladungskolbens verursachen.

Es sind zahlreiche Konstruktionen für Alkalimetalldpmpflampen vorgeschlagen worden, um zu verhindern, daß Amalgamtröpfchen unter widrigen Umständen aus dem Reservoir herausfliegen.

Nach der US-PS 40 35 682 verhindert ein durch Reibung im Abpumprohr gehaltenes feinmaschiges Sieb einen Durchgang von Flüssigkeitströpfchen. Auf das Sieb auftreffende Tröpfchen werden langsam verdampft und erneut oberhalb kondensiert.

Nach der US-PS 40 65 691 läßt ein Abbiegen des Abpumprohres an einer Stelle dazwischen nur enge Kanäle übrig, die mit dem Reservoir in Verbindung stehen. Die Kanäle lassen das Amalgam in Dampfform hindurch, verhindern aber dessen Bewegung als Flüssigkeit. Entsprechende kommerziell erhältliche Lampen erfahren dennoch Spannungsanstieg und gelegentlichen Ausfall, wenn sie heftiger Vibration unterworfen sind. Die Situation ist besonders schlecht.

wenn die Lampe in der Befestigung horizontal gehaltert ist oder wenn das Reservoir an der höchsten Stelle liegt. Die Schwerkraft überwindet zusammen mit der Vibration sehr leicht die Oberflächenspannung, die das flüssige Amalgam am Platze hielt. Das Ergebnis ist ein Tröpfeln oder Spritzen von Amalgam auf Bereiche des Abpumprohres mit höherer Temperatur oder gar in den Entladungskolben, was zu rascher Verdampfung, steilem Spannungsanstieg und leichtem Ausfall führt.

Versuche, dieses Problem zu lösen, indem man das Gewicht des in das Entladungsrohr eingebrachten Amalgaras reduzierte, führten nur zur einer geringfügigen Verbesserung, Vibrationen zu ertragen. Ferner wurde die Lebensdauer dci Lampe stark verringert, da weniger Natrium zur Verfugung stand, um den Verlust '' während der Lebensdauer zu ersetzen, der sich aus verschiedenen »Reinigungsprozessen» und normaler Diffusion durch die Wandungen des Entladungskolbens aus Aluminiumoxid ergibt.

Die Maßnahmen der beiden vorgenannten US-PS waren somit zwar hinreichend erfolgreich, um die gewerbliche Herstellung universell brennendf ■ Natriumdampflampen mit Eignung für gewöhnliche Anwendungen zu erlauben. Sie eigneten sich jedoch nicht für Einrichtungen, die hoher Vibration unterliegen, wie auf Autobahnbrücken, Ladedocks oder in der Nähe schwerer Maschinen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer neuen verbesserten, universell brennenden Alkalimetalldampflampe der eingangs genannten Art, die starker ^J(l Vibration ohne das Auftreten von Spannungsanstieg und Ausfall, ausgelöst durch das Herausschleudern von Amalgamtröpfchen aus dem Reservoir in den Entladungskolben oder in Teile des Abpumprohres mit höherer Temperatur, zu widerstehen vermag. ^J5

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der äußerste Teil des Rohres so bemessen ist, daß die Kapillaranziehung zwjschen den Wänden des Rohres und dem Amalgam größer als das Zweifache der Schwerkraft \s'..

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lampe finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Hochdruck-Natriumdampflampe gemäß einer Ausfübrungsform der Erfindung, die sich für universelles Brennen unter starken Vibrationsbedingungen eignet:

Fig. 2 ein vergrößertes Detail des Endverschlusses mit dem äußeren Reservoir. '"

F i g. 3 einen Querschnitt durch das Reservoir entlang der Linie 3-3 '.n F i g. 2 und

F i g. 4 ein Diagramm, das den Einfluß der Quetschabplattung auf die Vibrationsempfindlichkeit der Lampe wiedergibt. "

Eine Hochdruck-Natriumdampflampe 1 mit einer Leistung von 400 Watt, umfaßt einen äußeren Glaskolben 2 mit einem Standard-Schraubsockel 3, der an dem zuunterst dargestellten Fußende befestigt ist. Ein eingestülpter Fußteil 4 weist ein Paar verhältnismäßig schwerer Zuleitungen 5, 6 auf. die durch den Teil 4 hindurchragen und deren äußere Enden mit der .Schraubhülse 7 und dem Bodenkontakt 8 des Sockels verbunden sind.

Der innere Entladungskolben 9, der innerhalb des ^b5 äußeren Glaskolbens 2 zentral angeordnet ist. weist ein lichtdurchlässiges Keramik-ohr auf. das in geeigneter Weise aus polykristalliner Aluminiumoxid-Keramik, die durchscheinend ist, ober einen Aliminiumoxid-Einkristall, der klar und transparent ist, besteht. Das untere Ende des Entladungskolbens ist durch einen Aluminiumoxid-Keramikstopfen 10 verschlossen, durch den ein Niobzuleitungsdraht 11, der die untere (nicht dargestellte) Elektrode trägt, hermetisch abgedichtet hindurchragt. Das obere Ende des Kolbens 9 weist auch einen Keramikstopfen 12 auf, durch den ein dünnwandiges Niobrohr 13 ragt. Es dient als Abpump- und Füllrohr während der Lampenherstellung und als Stromzuführung und äußeres Reservoir für überschüssiges Natrium-Amalgam bei der fertigen Lampe. Die Keramikstopfen sind an den Rohrenden dichtend befestigt und die Niobleiter 11 und 13 sind durch die Stopfen 10 und 19 mit Hilfe einer glasartigen Dichtungsmasse, die Aluminiumoxid und Kalziumoxid enthält und die an Ort und Stelle geschmolzen wird, abgedichtet hindurchgeführt.

Die Elektroden an beiden Enden des Entladungskolbens sind ähnlich der Elektrode 14 die in Fig.2 veranschaulicht ist. Die Elektrode weist ρ inen Wolframdraht 15 auf, der um einen Wolframschalt 16 in zwei übereinander gelagerten Schichten gewickelt ist. Der Schaft ist in dem nach innen vorragenden Ende des Niobrohres 13 entweder durch Festklemmen oder durch Schweißen bei 17 befestigt; eine öffnung 18 ermöglicht den Durchgang von Amalgam aus dem Absaugrohr in den Entladungskolben. Die Elektroden werden durch Metalloxid aktiviert, in geeigneter Weise durch Dibariumkalziumwolframat, das in den Zwischenräumen zwischen den Windungen der Wicklung liegt. Die dargestellte Lampe ist eine 400 Watt-Lampe und der Entladungskolben ist 112 mm lang und weist eine 7 mm-Bohrung auf. Die Füllung umfaßt 25 mg Amalgam mit 25Gew.-% Natrium und 75 Gew.-% Quecksilber, zusammen mit Xenon bei einem Druck von 26,7 mbar, das als Zündgas dient.

Doch können die Vorteile der beschriebenen Erfindung auch mit jeder anderen Hochdruck-Natriumdampflampe anderer Leistung mit ähnlicher Reservoir-Bauwise erzielt werden.

Der Entladungskolben ist innerhalb des äußeren Glaskolbens so angeordnet, daß eine Wärmeausdehnung möglich ist. Ein massiver, fester Trägerstab 19, der sich praktisch über die Länge des äußeren Kolbens erstreckt, ist unten an der Zuleitung 6 am Fußende angeschweißt und oben von einer Federklammer 20 gehalten, die den Nippel 21 im oberen Wölbungsende des äußeren Glaskolbens umgreift. Der Entladungskolben wird hauptsächlich durch ein Verbindungsstück 22 getragen, das vom Niobrohr 13 quer zum Trägerstab 19 angeschweißt ist. Am unteren Ende ragt der Zuleitungsdraht 11 axial durch eine Isolierhülse 23. die vom Stab 19 mit Hilfe eines Metallbügels 24 getragen wird. Die Öffnung durch die Hülse 23 hindurch ermöglicht eine freie axiale Bewegung des Zuieitungsdrahtes 11, und ein flexibler Leiter 25 stellt die elektrische Verbindung von dem Zuleitungsdraht 11 zur Zuleitung 5 her. Die Wärmeausdehnung vird durch axiale Bewegung des Zuleitungsdrahtes 11 durch die Hülse hindurch und durch Biegen des flexiblen Leiters 25 ausgeglichen.

Die Lösung des Problems besteht nur darin, die geringste Innenabmessung über den äußersten Teil des Absaugrohres hinweg, das das überschüssige Amalgam aufnimmt, genügend jerabzusetzen, um die erhöhte Kapillaranziehung mit dem erwarteten Vibrationswert konkurieren lassen zu können. Der bequemste Weg hierfür besteht darin, den Endteil des Absaugrohres

über eine genügende Länge abzuflachen, die ausreicht, das überschüssige Amalgam im abgeflachten Reservoirteil aufzunehmen. Bisher bestand die Praxis bei der Lampenherstellung darin, das Ende des Niobrohrcs 1.3 nach dem Einbringen der Amalgammenge durch Klemmbacken zu verschließen, die genügend Druck ausüben, um bei 26 eine Kaltschwcißung /u bewirken. Die einzige erforderliche Änderung besteht in einer Änderung der Form der Quetschbacken, um zusätzlich zum Kaltschweißen das gewünschte Abplatten des in Endteils 27 zu bewirken, wie im Querschnitt in F i g. 3 zu sehen.

Zur Messung des Einflusses der Vibration auf den Spannungsanstieg wurde ein Labortest ausgearbeitet. Die Lampe wurde in einer Hülse installiert, die sie i> horizontal ausrichtete. Man zündete die Lampe, und brachte sie auf die Betriebstemperatur. Leichte Schläge oder Impulse konstanter Größe zu etwa 2 Schlagen oder Stößer, pro Sekunde treffen der, Aüßcirkoiben der Lampe etwa mittig. Die Schläge oder Stöße kommen _>n vertikal und quer zur Lampenachse; beispielsweise können die Schläge oder Stöße dem äußeren Lampenkolben eine Spitzenbeschleunigung von 4 g erteilen, d. h. das Vierfache der Erdbeschleunigung. Vor dem Zünden der Lampe erfolgte eine Kalibrierung der Schläge oder r. Stöße mit Hilfe eines rückstellbaren Beschleunigungsmessers, der am äußeren Lampenkolben befestigt war. Die aufgezeichnete Spannungsänderung ist der Unterschied zwischen dem Ruhewert des Spannungsabfalls über den Entladungskolben hinweg, beobachtet vor der Anwendung der Schläge oder Stöße, und dem während der ständigen Anwendung der Schläge oder Stöße beobachteten Wert.

Bei der gegenwärtig handelsüblichen Lampe ist das äußere Reservoir ein Rohr aus Niob/1% Zirkon-Legie- s> rung, das durch eine Kaltverschweißung am äußeren Ende quetschverschlossen ist. Das Rohr hat einen Außendurchmesser von 3,1 mm und eine Wandstärke von 0,025 mm, so daß die kleinste innenabmessung mit Ausnahme des keilförmigen Endvolumens, das nicht den ganzen Überschuß der 25 mg Menge an Amalgam aufnehmen kann 2,6 mm beträgt. Durch Abplatten eines beträchtlichen Teils des Niobrohres über das kaltverschweißte Ende hinaus wird eine Kammer gebildet, innerhalb der die kleinste Querabmessung kleiner als 2,6 mm beträgt, die den ganzen Überschuß aufnehmen kann.

Fig.4 zeigt die Senkung der Spannungsänderung, verursacht durch die 4 g-lmpulse. bei mehr und mehr abgeplattetem Reservoir. Der Punkt A entspricht einem Handelsprodukt, die Punkte B. C. D. E und F entsprechen kleinsten Innenabmessungen von 2.23, 1.78, 1,14, 0,57 bzw. 0,48 mm. So zeigt die die Pimkte A bis F verbindende Kurve 31 die Spannungsänderung an. die für zunehmende Abplattungsgrade in dem Absaugrohr der Lampe zu erwarten ist, das einen kreisförmigen Querschnitt von 2.6 mm Durchmesser hat. Die darum herumliegenden gestrichelten Linien 32 und 33 geben den Bereich oder die Streuung in einer Charge getesteter Lampen an und zeigen, wo die kommerzielle Produktion vermutlich liegen kann. Eine Abplattung auf eine Innenabmessung von 1.52 auf 0.51 mm erhöht die kapillare Rückhaltekraft auf das Amalgam auf mehr als 2 g und verringert die Spannungsempfindlichkeit von etwa 30 V auf den Bereich von etwa 10 bis 3 V.

Man findet, daß eine Veränderung von 5 V unter diesen Testbedingungen einer Lampe entspricht, die für Anwendungen mit starker Vibration annehmbar ist. Daher wird die enisprectienuc uiiiiuiiate innenabmessung von etwa 1.0 mm bevorzugt. Eine weitere Reduzierung der Spannungsänderung würde eine Verlängerung des Niob-Absaugrohres erfordern, was die Kosten erhöhen würde.

Bei einer gegen Vibrationen unempfindlichen Lampe ist der äußerste Teil des Absaugrohrcs als eine Kammer mit ausreichendem Volumen ausgebildet sein, um die gesamte Menge an überschüssigem Amalgam aufzunehmen, wo'oci die Kapillaranziehung zwischen der Kammerwand und der Amalgammenge über 2 g liegt. Die Kapillaranziehung wird dadurch auf den gewünschten Wert erhöht, daß die kleinste Abmessung in der Kammer kleiner als ein bestimmter Wert gemacht wird, der durch die Zusammensetzung der Amalgammenge und die Kapillaranziehung fürdas Metall des Absaugrohres bestimmt wird. Da die Wahl des Metalls für das Absaugrohr durch die Forderung beschränkt ist, daß es zum Wärm£susdshnun^oEkofiiiiz!£nt£n dsr Aiununiunioxidkeramik vernünftig paßt, besteht wenig Variabilität im Grad der Kapillaranziehung durch die Wahl des Metalles. Daher muß die geringste Abmessung verändert werden. Der erforderliche Grad der Abplattung kann durch die Verwendung eines Rohres mit kleinerer Bohrung verringert werden. Auch ist, wenn ein Rohr mit einem Endteil mit einem Innendurchmesser von etwa 1,0 mm verwendet wird, keine Abplattung nötig. Anstatt einer Abplattung kann auch eine einwärts gerichtete Deformierung, wie ein Zahn, der die kleinste Innenabmessung über die Länge des Teils des Absaugrohres hinweg, der als Amalgam haltende Kammer dient, auf den gewünschten Wert reduziert, verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Alkalimetalldampflampe mit einem rohrförmigen Kolben aus lichtdurchlässigem Keramikmaterial, mit einem Paar Elektroden, die in gegenüberliegenden Enden dicht eingesetzt sind, wobei ein Ende des Kolbens ein Metallrohr aufweist, das eine Belüftungsöffnung in das Innere des Kolbens hat und an seinem äußeren Ende dicht verschlossen ist und mit einer Füllung aus ionisierbarem Material, das Alkaliamalgam in einer Menge enthält, die über die während des Lampenbetriebs verdampfte Menge hinausgeht, wobei der äußerste Teil des Metallrohres als Reservoir für überschüssiges Alkaliamalgam dient und über ein zur Aufnahme des gesamten Überschusses ausreichendes Volumen verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil (27) des Rohres (13) so bemessen ist, daß die Kapillaranziehung zwischen den Wänden des Rohres und dem Amalgam größer als das Zweifache der Schwerkraft ist.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil (27) des Rohres (13) so ausgebildet ist, daß die kleinste Innenabmessung im Bereich von 1,5 bis 0,5 mm üegt. ^2ί

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil (27) des Rohres (13) so ausgebildet ist, daß eine kleinste Innenabmessung so weit ist, daß ein 20 bis 30 mg Natrium-Amalgam mit 12 bis 30Gew.-% Natrium aufnehmendes Volumen geschaffen is'.

4. Lampe nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der anderste Teil (27) des Rohres (13) auf eine kleinste Querabmessung im Bereich von 1,5 bis 03 mm abgeplattet ist. ^J5

5. Lampe nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil (27) des Rohres (13) zu einer kleinsten Querabmessung von etwa 1,0 mm über eine zur Aufnahme von 20 bis 30 mg Natrium-Amalgam mit 12 bis 30Gew.-% ^w Natrium ausreichende Länge abgeplattet ist.