CS229677B2 - Bulb of high pressure sodium discharge lamp - Google Patents

Description

Vynález se týká baňky vysokotlaké sodíkové výbojky, která je zhotovena z materiálu propouštějícího světlo, například kysličníku hliníku. Konce trubky jsou uzavřeny bez použití čerpací trubky dvěma uzávěry, které jsou s výhodou zhotoveny ve formě keramických ucpávek. Do trubky jsou hermeticky zavedeny přívody proudu a k těmto přívodům je elektroda připojena nejlépe pomocí kolíků. Uvnitř uzavřené trubky je náplň ze vzácných plynů s kovovými přísadami, nejvhodnější jsou sodík, rtuť a/ /nebo kadmium. Baňka výbojky podle vynálezu může být použita pro nejrůznější osvětlovací účely. Tato baňka je součástí vysokotlakých sodíkových výbojek s vysokou účinností. Vynálezem je zajištěna vysoká životnost vysokotlakých sodíkových výbojek i v případě ne zcela precizní přípravy a výrobní technologie, přičemž je zaručena rovnoměrnost a stabilita parametrů výbojky.

Při výrobě baněk vysokotlakých sodíkových výbojek jsou oba konce trubky uzavřeny průhlednými nebo průsvitnými uzávěry ve formě ucpávek. V ucpávkách jsou uloženy plynotěsně přívody proudu, které jsou připojeny k elektrodě uvnitř trubky. Základním materiálem trubky je kysličník hliníku a část ucpávky může být rovněž vytvořena z kysličníku hliníku, ale může ob sahovat také kovové části. Jednotlivé díly z kysličníku hliníku jsou navzájem a s kovovými částmi elektrických přívodů spojeny skleněným zátavem s vysokým bodem tavení, který zajišťuje také hermetické utěsnění. Do vnitřku trubky je zavedena náplň, která obsahuje vzácné plyny a odpovídající kovové přísady, zvláště ale sodík, rtuť a/nebo kadmium.

Po zapnutí vysokotlaké sodíkové výbojky obsahující baňku, ve které probíhá výboj, vznikne v důsledku působení odpovídajícího napětí mezi elektrodami ve vzácném plynu výboj, a sice takového druhu, že napájecí napětí a zařízení, které je zapojeno k výbojce, což je v nejjednodušším případě sériová tlumivka, vyvolá ve výbojce samozhášecí obloukový výboj. V důsledku tohoto obloukového výboje v baňce výbojky stoupne tlak kovových par, to jest sodíku, truti a/nebo kadmia, a napětí na výboji se tím zvýší. Tento děj se opakuje tak dlouho, dokud nenastane stacionární stav. V tomto stavu jsou již kovové přísady tekuté. Tlak jejich par, který je řádově velikosti 10⁵ Pa, je závislý na tom, jaké je složení kovových přísad v baňce výbojky. Při daných hodnotách geometrie baňky výbojky, jako jsou okolní teplota, předřazené obvody a napájecí napětí, určují elektrické a optické para metry . výboje hlavně hodnoty parciálního tlaku kovových přísad.

Při výrobě baněk vysokotlakých sodíkových výbojek se pro naplnění výbojky a k jejímu uzavření používá dvou různých metod.

Při výrobě tak zvané baňky s čerpací trubkou podle amerického patentového spisu č. 3 243 635 a GB PS č. 1 065 023 je vytvořen meziprodukt, u kterého je mezi vnitřním prostorem výbojkové baňky a okolím vytvořena tenkostěnná kovová trubička procházející ucpávkou, jejíž koeficient teplotní roztažnosti je blízký ke koeficientu teplotní roztažnosti kysličníku hliníku, nejčastěji se jedná o niob nebo slitinu niobu a tvoří tak zvanou čerpací trubku. Baňka je čerpací trubkou vypumpována a posléze naplněna příslušnou náplní. Poté se vnější část čerpací trubky hermeticky uzavře. Ve výbojkové baňce vytvořené tímto způsobem tvoří hrdlo čerpací trubky, to znamená část přívodu proudu, tak zvaný studený bod, tedy nejchladnější místo výbojkové baňky. Kovové přísady se časem během provozu hromadí na tomto místě.

Výroba výbojkových baněk s čerpací trubkou je poměrně nákladná. Další nevýhoda spočívá v tom, že je potřeba komplikované zaměřovači zařízení, čímž je při použití čerpací trubky ztížena sériová výroba.

Pro zjednodušení výroby těchto výbojek byly vyvinuty baňky bez čerpací trubky, u kterých je naplnění náplní a hermetické uzavření výbojky zajištěno metodou lišící se od metody výše uvedené. Jeden konec trubky je opatřen přívodem proudu a hermeticky - uzavřen ucpávkou, načež se takto připravená baňka - výbojky obrátí uzavřeným koncem- .. směrem dolů. Poté jsou do trubky zavedeny . kovové přísady, načež se na horní straně umístí prvky tvořící horní uzávěr. Do odpovídajících míst se připraví materiál tvořící . skleněný zátav, a sice v takovém množství a - v takovém uspořádání, že po roztavení teče do ještě neuzavřené mezery. Výše popsaná konstrukce, případně í ve větším množství, se umístí v komoře, ve které je konstrukce na horním konci zahřívána, přičemž spodní, již uzavřený konec, kde se působením zemské přitažlivosti shromáždily kovové přísady, je udržován na tak nízké teplotě, při které je tlak par kovových přísad ještě zanedbatelný. V komoře se nejprve vytvoří vakuum a pak atmosféra sestávající ze vzácných plynů o takovém složení, které má být ve výbojkových baňkách. Protože horní část výbojkových baněk ještě není hermeticky uzavřená, bude tlak plynů a jejich složení uvnitř baňky totožný s atmosférou v komoře. Poté je zvýšena teplota na takovou hodnotu, při které taviči se skleněný zátav uzavře štěrbinu. Pak je teplota snížena a horní konec výbojkových baněk je hermeticky uzavřen. Objem plynů uzavřených ve výbojkové baňce může být nastaven tlakem v komoře.

Je známo velké množství systémů nepoužívajících čerpací trubky, které se liší hlavně způsobem vytvoření proudových přívodů. Takové provedení je popsáno v De-PS 1 639 086, používá se u něho niobové trubky uzavřené na vnitřní straně. Podstatou HU-PS 159 714 je kovová vrstva nanesená na povrchu keramické ucpávky, která je v daném případě vytvořena z několika paralelně zapojených niobových drátů anebo z jiného niobového drátu uspořádaného koaxiálně vzhledem k trubce výbojky.

Obecným znakem všech řešení bez čerpací trubky je, že mají výše definovaný studený bod umístěný na stěně výbojkové baňky, kde se v průběhu provozu vytváří tavenina kovových přísad, a sice obecně na takovém místě, které je pokryto skleněným zátavem.

Ze zkušeností je známo, že řešení, která nepoužívají žádnou čerpací trubku, umožňují jednoduchou, spolehlivou a hospodárnou výrobu, takže jsou používána v širokém měřítku. Jestliže však použité materiály, příprava a výroba nejsou podrobeny nejpřísnější kontrole, může se případně stát, že nepřijatelně vzroste podíl výbojek, u nichž počáteční záření, elektrické a optické parametry vzrostou nad stabilní hodnotu a tím se podstatně zkrátí jejich průměrná životnost.

Východiskem vynálezu byl předpoklad, že uvedené nepříznivé jevy souvisí s konstrukčními vlastnostmi výbojek se systémem bez čerpací trubky, a sice v tom smyslu, že souvisí s polohou studeného bodu a místem, kde je zátav, kde se mohou uplatnit dva jevy.

První jev spočívá v tom, že skleněný zátav a kovová tavenina spolu přijdou bezprostředně do styku. Je všeobecně známo, že skleněný zátav používaný pro tyto účely, je silně hygroskopický a zásaditý, čímž je velmi citlivý vůči vlhkosti, kysličníku uhličitému a během výroby vůči každému znečištění. Jeví se, že vodivost skleněného zátavu vzhledem k sodíku je silně snížena i nejmenším znečištěním, takže zmenšení odporu vůči sodíku, který je obsažen v tavenině, má větší vliv než vůči sodíku, který je obsažen v plynné fázi. Vzhledem k chemickým reakcím, které vznikají mezi skleněným zátavem a sodíkem, mění se vlastnosti zátavu a sice její světelná propustnost, pevnost, tepelná roztažnost a tak dále. Všechny tyto faktory v zásadě mají vliv na výbojky, a tím i na jejich parametry.

Druhý jev vzniká v důsledku konstrukčních vlastností systémů bez čerpací trubky, a sice tak, že ve srovnání se systémy s čerpací trubkou je mezi studeným bodem a elektrodou nacházející se v jeho blízkosti, poměrně malý tepelný kontakt, takže tepelná vodivost je příliš malá. V systému s čerpací trubkou je teplota studeného bodu za dané geometrie a uspořádání vnějších te229677 pelně vodivostních okolností v prvé řadě určena teplotou elektrody, která závisí na parametrech elektrického oblouku, jako jsou rozdělení teplot a průběh. V případě určité změny, například při vzrůstu výstupní práce elektrody, musí se zvětšit i tepelné rozdělení a délka oblouku potřebná pro udržení oblouku a tím vzroste automaticky i proud iontů na katodě. Nutným důsledkem tohoto jevu je zvýšení teploty studeného bodu a tím i zvýšení tlaku par kovových přísad. Zvýšení tlaku par má ten důsledek, že ohniskové napětí výbojky dále vzroste, to jest charakteristika obloukového výboje se posune. Z napájecího napětí, které je konstantní, připadne větší část na výbojku a menší část na předřazené obvody, a proto, ačkoliv vzrostl odebíraný výkon, klesne proudová spotřeba výboje a vznikne tak sama sebe oslabující negativní zpětná vazba.

Tato zpětná vazba účinkuje i v současných systémech bez čerpací trubky, ale vzhledem ke slabšímu tepelnému kontaktu mezi elektrodou a studeným bodem je podstatně menší. Vzniká však jiná zpětná vazba ve větší míře, a sice závislost teploty studeného bodu na teplotě plasmy výboje, protože studený bod v těchto systémech „vidí“ výboj a tak energie vyzařovaná výbojem bezprostředně zahřívá povrch taveniny kovových přísad. Bude-li se opět předpokládat, že vzroste výstupní práce elektrody anebo z jakéhokoliv důvodu vzroste napětí oblouku výbojky, pak stoupne příkon a tomu odpovídající vyzařovaný výkon plazmy, čímž se také zvýší tlak par kovových přísad v důsledku předávání tepla formou záření mezi plazmou a povrchem taveniny kovových přísad, čímž se opět zvýší napětí oblouku. Z uvedeného je zřejmé, že se bude jednat o kladnou zpětnou vazbu.

Souvislost mezi těmito dvěma zpětnými vazbami, kladnou a zápornou, závisí na tom, do jaké míry je určující s ohledem na teplotu taveniny kovových přísad teplota elektrody, respektive plazmy. Jev s kladnou zpětnou vazbou může být určující u systémů bez čerpací trubky s přívody z niobového drátu, protože u těchto je tepelný kontakt mezi elektrodou a studeným bodem zvláště nízký. Je zřejmé, že každá nestabilita, která vznikne v baňce výbojky, se vzhledem ke kladné zpětné vazbě zesiluje.

Cílem vynálezu je vytvoření vysokotlaké sodíkové výbojky, respektive baňky pro tuto výbojku, u níž se odstraní uvedené nevýhody baněk bez čerpací trubky.

U výbojky dle vynálezu prostor pro vznik výboje je tvořen baňkou sestavenou ze světlopropustné trubky. Konce trubky jsou hermeticky uzavřeny bez použití čerpací trubky, a sice pomocí dvou ucpávek z keramiky, které tvoří hermetické uzávěry, hermetickým uzávěrem trubky je zajištěn přívodní drát а к přívodním drátům jsou pomocí коШ připojeny elektrody, vnitřní prostor uzavřené trubky tvoří náplň sestávající ze vzácných plynů a kovových přísad, především sodíku, rtuti a/nebo kadmia. Smyslem vynálezu je, že v jedné z keramických ucpávek je uvnitř trubky vytvořen prostor, který za provozu tvoří nejchladnější bod na povrchu vnitřní části trubky, jehož objem je stejný nebo větší jako objem taveniny kovových přísad. U tohoto řešení tedy stěna prostoru v ucpávce tvoří místo v baňce, kde je nejnižší teplota, čímž jsou podmínky provozu a parametry výbojky stabilnější a podstatně lépe ovladatelné. Tento prostor je vhodné vytvořit ve formě válce a/nebo kruhovitého zápichu nebo jako slepý otvor, který je vzhledem к ose trubky symetrický, v případě nutnosti je možno přívod proudu vytvořit asymetricky.

Spojení mezi prostorem a vnitřkem trubky může být vytvořeno i ve formě kapiláry, například pomocí mezery mezi kolíkem elektrody, který zasahuje do prostorů, a jeho stěnami.

Vynález je dále popsán blíže pomocí příkladů provedení na přiložených obrázcích, kde na obr. 1 je znázorněna část baňky výbojky dle vynálezu v průřezu, na obr. 2 je znázorněna další možnost provedení baňky výbojky dle vynálezu rovněž v řezu a na obr. 3 je řez částí baňky výbojky dle vynálezu. kde je spojení mezi prostorem a vnitřní částí baňky vytvořeno pomocí kapilárního otvoru.

Obr. 1 znázorňuje schematicky v řezu jednu stranu baňky výbojky podle vynálezu, u níž je přívod proudu к elektrodě 8 uzavřen v hermetické trubce 1. Přívod proudu je umístěn v ose baňky výbojky, elektroda 8 je к přívodnímu vodiči připojena tupým svarem 12. Přívod proudu je z niobového drátu 11 přivedený přes ucpávku 2. Hermetické spojení mezi drátem 11 a ucpávkou 2 zajišťuje skleněný zátav 13. Ve smyslu vynálezu je kolem přívodního drátu 11 v ucpávce vytvořen symetrický válcovitý prostor 9, který způsobem svého vytvoření a svým objemem umožňuje umístění objemu kovových přísad. Jednotlivé rozměry prostoru 9 závisí na vzdálenosti, která je mezi povrchy 14 a 15, protože к zajištění pevného hermetického spojení mezi skleněným zátavem 13 a přívodním vodičem je potřeba určité minimální délky. Pevné hermetické spojení mezi ucpávkou 2 a trubkou 1 zajišťuje skleněná tavenina 5 známým způsobem.

Obr. 2 znázorňuje příklad provedení jedné strany baňky výbojky dle vynálezu, kde přívod proudu je prostřednictvím dvou otvorů 6, 6‘, které jsou oba přivedeny přes uzávěr, který je vytvořen ve formě ucpávky 2 a dráty jsou utěsněny hermeticky pomocí skleněného zátavu a venku jsou úseky 3, 4 drátu spojeny smotáním. Pro zvýšení ohebnosti úseků 3, 4 přívodního drátu je materiál, z něhož je drát vytvořen, niob, dotovaný jedním procentem zirkonu. Z elektrického hlediska jsou úseky 3, 4 drátů spolu spojeny paralelně. Kolík 10 elektrody 8 je к přívodu 7 proudu z niobového drátu připojen svařením. Hermetické spojení mezi ucpávkou 2 a trubkou 1 z kysličníku hliníku je provedeno i v tomto případě skleněným zátavem. Prostor 9, který tvoří podstatu vynálezu, je i v tomto příkladě provedení ve formě otvoru v ucpávce 2 s osou shodující se s podélnou osou baňky výbojky. Pokud by nebyl vytvořen prostor 9, pak by se, jak je odborníkovi v oboru zřejmé, kovové přísady, které se za provozu výbojky nalézají ve formě taveniny, shromažďovaly na vnitřní straně ucpávky 2 v místě, kde se tato stýká s trubkou 1. Tato oblast je jednak pokryta skleněným zátavem a jednak je vystavena přímému působení teplotního záření plazmy. Teplota v prostoru ucpávky 2 ve smyslu vynálezu je nižší než ' teplota výše uvedené oblasti, a tak se v tomto ' prostoru vytvoří studený bod, kde ' se mohou kondenzovat kovové přísady. Objem prostoru 9 je vhodné vytvořit takový, aby byl vždy větší než objem kovových přísad, které jsou ve výbojce v tekuté fázi, takže prostor 9 může vždy · pojmout všechny v tekutém stavu se nalézající přísady. V prostoru 9 není tavenina v přímém styku se skleněným zátavem a také je navíc zcela odstíněna od tepelného záření plazmy.

Zvláště výhodný způsob provedení vynálezu je znázorněn na obr. 3. Konstrukčně je toto provedení téměř identické s provedením na obr. 2, avšak s tím rozdílem, že zde kolík 10 elektrody 8 zasahuje v malé míře i do prostoru 9, a sice natolik, že mezera mezi prostorem 9 a kolíkem 10 tvoří kapilární otvor spojující prostor 9 s vnitřním pro-

Claims (6)

1. Baňka vysokotlaké sodíkové výbojky, vyrobená ze světlopropouštějícího materiálu, s konci uzavřenými pomocí dvou · uzávěrů, s výhodou tvořených dvěma keramickými ucpávkami, které · baňku bez použití čerpací trubky hermeticky uzavírají a se zavedeným hermeticky utěsněným drátem pro přívod elektrického proudu, k tomuto drátu připojenou, nejvhodněji pomocí kolíku, elektrodou a náplní vnitřního prostoru uzavřené baňky, sestávající ze vzácných plynů a kovových přísad, například sodíku, rtuti a/nebo kadmia, vyznačující se tím, že alespoň v jedné _ ucpávce (2) ·uzavřené baňky (1) je vytvořen prostor (9) spojený s vnitřkem baňky tvořící za provozu nejchladnější místo vnitřního povrchu baňky výbojky, jehož objem je stejný nebo větší jako objem taveniny kovových přísad.

2. Baňka výbojky podle bodu 1, vyznaču storem baňky výbojky. Pomocí tohoto konstrukčního řešení je možno jednoduchým a zvláště výhodným způsobem vytvořit přechodový otvor veliký jen několik setin milimetru. U tohoto způsobu provedení je mezi elektrodou 8 a studeným bodem vytvořen zlepšený tepelný spoj a dále je toto kapilární spojení zvláště proto účinné, protože jím mohou procházet pouze páry, to znamená, že kapilární síly nedovolí, aby z prostoru 9 vytekly kovové přísady nalézající se v tekutém stavu, je-li baňka výbojky ve svislé poloze a prostor 9 je vytvořen v ucpávce nalézající se na horním konci baňky výbojky. Tím je umožněno, že výbojky, které jsou vytvořeny dle vynálezu, mohou být provozovány v libovolné poloze, a sice i v takovém případě, kdy ucpávka s prostorem 9 je vytvořena jen na jedné straně výbojky.

Elektrody 8 znázorněné na obrázcích jsou podle vynálezu provedeny obvykle z wolframu a v případě potřeby z wolframu dotovaného kysličníkem toria a je vhodné je opatřit emisní vrstvou. Jejich konstrukce je obvyklá a v podstatě známá, proto je znázorněna na obrázcích jen ' schematicky.

I když nejsou žádné vědecké důkazy, které by vyloučily pochybnosti o tom, že vytvoření studeného bodu v keramické ucpávce podle vynálezu skutečně potlačuje výše uvedené škodlivé jevy, ukázaly pokusy, že použitím výbojky dle vynálezu se snižuje relativní záření počátečního výboje přibližně na polovinu a že nebyly nalezeny žádné výbojky, jejichž životnost by byla delší nežli průměrná doba života těchto výbojek.

vynalezu jící se tím, že prostor (9) je vytvořen symetricky k podélné ose baňky (1).

3. Baňka výbojky podle bodu 1 nebo 2, vyznačující se tím, · že prostor (9) je vytvořen symetricky kolem přívodního drátu (11).

4. Baňka výbojky podle jednoho z bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že prostor (9) a vnitřek baňky jsou propojeny mezerou mezi prostorem (9) v ucpávce (2) a · elektrodou (8).

5. Baňka výbojky podle jednoho z bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že prostor (9) je s vnitřkem baňky spojen kapilárním otvorem nebo otvory.

6. Baňka výbojky podle bodu 4 nebo 5, vyznačující se tím, že maximální radiální rozměr mezery nebo kapilárního otvoru je 0,5 mm.