DE102009025901A1

DE102009025901A1 - Metall-Durchführungsanordnung und Lampe mit Metall-Durchführung

Info

Publication number: DE102009025901A1
Application number: DE102009025901A
Authority: DE
Inventors: Istvan Magai
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US20090295290A1; CN101598311A

Abstract

Es wird eine Metall-Durchführungsanordnung, die in einem Einbettungsmaterial eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird, vorgeschlagen. Die Metall-Durchführung hat einen Startpunkt (16) und einen Endpunkt (17) und umfasst elementare Abschnitte (11, 14), die einen Winkel (α) zwischen sich einschließen. Die elementaren Abschnitte (11, 14) haben eine Länge, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Die elementaren Abschnitte (11, 14) sind miteinander verbunden und schließen einen Winkel zwischen sich ein, sodass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt (16) und dem Endpunkt (17) der Metall-Durchführung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Eine Lampe, die die Metall-Durchführungsanordnung umfasst, ist ebenfalls vorgeschlagen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Metall-Durchführungsanordnung speziell für Lampen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Spezifischer bezieht sich die Erfindung auf eine Metall-Durchführungskonstruktion für eine Lampe mit einer gequetschten Enddichtung und mindestens einem durch die Dichtung geführten Zuleitungsdraht.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lampen haben allgemein eine Lichtquelle, die in einem Schutzkolben eingeschlossen ist, und Zuleitungsdrähte zum Verbinden der Lichtquelle mit einer äußeren Leistungszufuhr. Die Lampenkolben können verschiedene Gestalten haben, doch hat jeder von ihnen mindestens einen abgedichteten Endabschnitt mit durch den abgedichteten Endabschnitt hindurchgeführten Zuleitungsdrähten. Die Lampenkolben, die auch den abgedichteten Endabschnitt umfassen, sind im Allgemeinen aus Glas hergestellt und umfassen Zuleitungsdrähte aus Metall. Die Lichtquellen entwickeln eine gewisse Menge an Wärme, die zur thermischen Ausdehnung der dieser Wärme ausgesetzten Teile führt. Aus verschiedenen Materialien hergestellte verschiedene Teile haben im Allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und dehnen sich in einem unterschiedlichen Ausmaß aus, wenn sie Wärme ausgesetzt sind. Je höher die Temperatur der Lampe, desto größer die Ausdehnung der Teile unter Wärme. Da sich die verschiedenen Teile in einem verschiedenen Ausmaß ausdehnen, ergibt die unterschiedliche Ausdehnung der einander direkt berührenden Teile eine mechanische Spannung, die durch den Unterschied der thermischen Ausdehnung verursacht ist. Je höher die Temperatur und je höher der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Teile, die sich in direktem Kontakt befinden, desto höher ist die mechanische Spannung, die zu Rissen im Glasmaterial des abgedichteten Endabschnittes führt. Diese Risse, wenn sie sich im Laufe der Zeit zur äußeren Oberfläche des Glasmaterials des abgedichteten Endabschnittes hin ausdehnen, beenden die Lebensdauer der Lampe.
Um die mechanische Spannung bei höheren Temperaturen zu verringern, werden das Glasmaterial und der Metall-Zuführungsdraht so ausgewählt, dass sie thermische Ausdehnungskoeffizienten haben, die so dicht wie möglich beieinander liegen. Benutzt man Hartglas zum Herstellen von Lampenkolben mit einer gequetschten Endabdichtung, dann sind die Unterschiede zwischen den Koeffizienten des Glasmaterials und des Zuleitungsdrahtes aus Molybdän oder Wolfram gering. Hartglas, wie ein Borsilikatglas, Aluminosilikatglas oder Ähnliche, hat einen typischen Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,5 ppm/K. Dieser Wert für Wolfram ist 4,5 ppm/K und für Molybdän 4,8 ppm/K. Wegen des geringen Unterschiedes zwischen den Koeffizienten des Hartglasmaterials und des Zuleitungsdrahtes aus Molybdän oder Wolfram, kann der Zuleitungsdraht durch die gequetschte Enddichtung des Lampenrohres oder -Kolbens ohne irgendwelchen zusätzlichen Mittel hindurchgeführt werden, wie in US 4,178,050 offenbart. Hartglas hat jedoch eine höhere Erweichungstemperatur und daher erfordert seine Herstellung mehr Wärmeenergie, die in höheren Produktionskosten resultiert.
Geschmolzenes Siliciumdioxid (oder Quarz) wird typischerweise zum Bilden von Glasrohren oder -kolben für Lampen eingesetzt. Quarzglas hat eine geringere Erweichungstemperatur, die zu einem kosteneffektiveren Herstellungsverfahren führt. Dieses Glasmaterial liefert einen außerordentlich geringen Wert für den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,55 ppm/K, was es geeignet macht für den Einsatz in einem Bereich hoher Temperatur ohne thermische oder mechanische Spannung im Glasmaterial. Der größere Unterschied zwischen den Koeffizienten des Quarzglasmaterials und des Zuleitungsdrahtes aus Molybdän oder Wolfram macht es jedoch erforderlich, in der gequetschten Enddichtung der Lampe eine Molybdänfolie zu benutzen, die häufig als Dichtungsfolie bezeichnet wird. Die Dichtungsfolie wird an die Zuleitungsdrähte geschweißt und diese geschweißte Struktur wird dann durch die gequetschte Enddichtung gehalten. Selbst in diesem Fall bricht das Glasmaterial der Lampen, wenn es während des Betriebes hoher Temperatur ausgesetzt ist.
US 6,992,446 offenbart eine Halogenlampe vom 12 V-Typ, einschließend: ein Glasteil, von dem ein Abschnitt ein Licht emittierender Abschnitt mit einem Raum darin ist und der Rest davon ist ein Dichtungsabschnitt, wobei beide Abschnitte aus Quarzglas hergestellt sind; einen Infrarot reflektierenden Überzug, der eine äußere Oberfläche des Glasteiles bedeckt; einen Glühfaden, der, durch den Dichtungsabschnitt getragen, in dem inneren Raum des Licht emittierenden Abschnittes vorgesehen ist; eine Molybdänfolie, die in dem Dichtungsabschnitt eingebettet und elektrisch mit dem Glühfaden verbunden ist, und eine Leistungszufuhrleitung, deren eines Ende mit der Molybdänfolie verbunden und deren anderes Ende nach außen freigelegt ist.
US 4,578,616 offenbart eine Wolfram-Halogen-Glühlampe mit einem einzelnen Ende und einer verbesserten Montagebaueinheit für einen planaren Multiglühfaden. Die verbesserte Montagebaueinheit umfasst, teilweise, Mittel, die starr in dem Quetschdichtungsende der Lampe angeordnet sind, um die äußeren Zuleitungsdrähte mit Trägerstabteilen der Montagebaueinheit zu koppeln. Das Mittel zum Koppeln umfasst ein erstes Folienteil und ein erstes Lappenteil und ein zweites Folienteil und ein zweites Lappenteil. Die Folienteile und die Lappenteile sind mit den äußeren Zuleitungsdrähten und Trägerstäben derart angeordnet, dass sie eine torsionsstabartige Konfiguration bilden, die den planaren Multiglühfaden in der zentralen Region innerhalb der Lampe selbst hält. Die torsionsstabartige Konfiguration findet auch Anwendung bei anderen Lampen als dieser Wolfram-Halogen-Glühlampe. Diese Struktur aus Zuleitungsdraht, Folie, Glühfaden und die Montagebaueinheit mit Brückenteilen resultiert in einer komplizierten und kostenintensiven Konfiguration.
Je höher die Betriebstemperatur einer speziellen Lampe, um so höher ist das Risiko des Versagens in der Dichtung, was zu einem frühen Ausfall führen kann. Halogenlampen haben Betriebstemperaturen im Bereich von 200 bis 500°C. Entladungslampen hoher Intensität können eine Plasma-Temperatur von etwa 5.000°C und eine Temperatur des abgedichteten Endabschnittes im Bereich von 400 bis 600°C haben.
Es besteht daher ein spezieller Bedarf für eine Dichtungsstruktur von Glas zu Metall für Lampen, die bei hohen Betriebstemperaturen benutzt werden können, leicht hergestellt werden können und keine zusätzliche Einrichtung oder Herstellungsstufen zum Produzieren der Lampe erfordern, speziell in dem Fall, in dem geschmolzenes Siliciumdioxid (Quarzglas) oder Keramikmaterial als ein Rohr- oder Kolbenmaterial der Lampe benutzt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt
eine Metall-Durchführungsanordnung, die in einem Einbettungsmaterial eingebettet ist, und
in einem Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Metall-Durchführung einen Startpunkt und einen Endpunkt aufweist, und umfassend

– elementare Abschnitte, die miteinander verbunden sind und einen Winkel zwischen sich einschließen,
– wobei die elementaren Abschnitte eine Länge aufweisen, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung schließen die elementaren Abschnitte eine Winkelgröße ein, sodass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Durchleitung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt
eine Struktur einer Metall-Durchführung, die in einem einbettenden Material eingebettet ist, und
in einem Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Metall-Durchführung einen Startpunkt und einen Endpunkt aufweist, und umfassend

– elementare Abschnitte;
– wobei die elementaren Abschnitt eine Länge aufweisen, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt, und
– wobei die elementaren Abschnitte miteinander verbunden sind und einen Winkel zwischen sich einschließen, sodass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Metall-Durchführung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.

In noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Lampe bereitgestellt, umfassend einen Kolben mit mindestens einem Quetschdichtungs-Endabschnitt, der eine Metall-Durchführungsanordnung einschließt, die in einem Material des Endabschnittes eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird. Die Metall-Durchführung hat einen Startpunkt und einen Endpunkt und umfasst elementare Abschnitte, die miteinander verbunden sind und einen Winkel dazwischen einschließen. Die elementaren Abschnitte haben eine Länge, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Lampe bereitgestellt, umfassend einen Kolben mit mindestens einem Quetschdichtungs-Endabschnitt, der eine Metall-Durchführungsanordnung einschließt, die in einem Material des Endabschnittes eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird. Die Metall-Durchführung hat einen Startpunkt und einen Endpunkt und umfasst elementare Abschnitte. Die elementaren Abschnitte haben eine Länge, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Die elementaren Abschnitte sind miteinander verbunden und schließen einen Winkel zwischen sich ein, sodass die Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Metall-Durchführung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.
In einer Halogen- oder Entladungslampe hoher Intensität, die mit einer Quetschdichtung an einem oder beiden Enden versehen werden kann, verhindert der Gebrauch der Metall-Durchführungsanordnung gemäß dieser Erfindung, dass die Glaswand des Quetschdichtungs-Abschnittes des Lampenrohres oder -kolbens thermische oder mechanische Spannungen entwickelt, die ansonsten zu einem frühen Versagen der Lampe führen könnten.
Die vorgeschlagene Metall-Durchführungsanordnung liefert daher eine einfache Konfiguration zum Verhindern der Entwicklung von Rissen in dem Quetschdichtungs-Abschnitt von Lampenrohren und -kolben, ist einfach mit den konventionellen Herstellungsstufen zu kombinieren und daher mit der Massenproduktion vereinbar. Die Dichtungskonstruktion von Glas zu Metall gemäß der Erfindung unterstützt einfach verschiedene Arten von Lampen- und Rohrkonfigurationen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird nun detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
1 eine Längsschnittansicht einer Metall-Durchführungsanordnung einer beispielhaften Entladungslampe hoher Intensität mit einer Dichtungsfolie nach dem Stande der Technik ist,
2 eine beispielhafte Metall-Durchführung mit zwei elementaren Abschnitten zwischen Endabschnitten ist,
3 eine andere Metall-Durchführung mit drei elementaren Abschnitten zwischen Endabschnitten ist,
4 eine andere Metall-Durchführung mit fünf elementaren Abschnitten zwischen Endabschnitten ist,
5 eine Längsschnittansicht einer beispielhaften Entladungslampe hoher Intensität mit zwei Metall-Durchführungsanordnungen ist und
6 eine Längsschnittansicht einer beispielhaften Halogenlampe mit zwei Metall-Durchführungsanordnungen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERDINDUNG
Im Falle des Einsatzes eines Quarzglases oder eines Keramikmaterials muss der relativ große Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und des einbettenden Ma terials in Rechnung gestellt werden. Das Quarzglas hat einen Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 0,5 ppm/K, der außerordentlich gering ist und einen großen thermischen Ausdehnungsunterschied in der Grenzfläche des Glases zum Metall bedingt. Statt Quarzglas kann für die Zwecke der Erfindung auch ein Keramikmaterial mit der gleichen Wirkung eingesetzt werden. Ein Keramikmaterial, z. B. polykristallines Aluminiumoxid (PCA-Al₂O₃) hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2 bis 26 ppm/K. Während der Herstellung werden die Metallelektrode und der Stromzuführungsdraht in das innere Rohrvolumen eingeführt, während der Endabschnitt auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes erhitzt und die erweichte Glas- oder Keramikwand des Rohres gepresst wird, um einen gasdichten Quetschdichtungs-Endabschnitt zu bilden. Das Metall kann Wolfram oder Molybdän oder eine Kombination von Wolfram und Molybdän sein. Während des ersten Abkühlens wird das in Kontakt mit dem Metalldraht stehende Glas- oder Keramikmaterial einer komprimierenden mechanischen Spannung ausgesetzt, die zu einer Teiltrennung des Metalldrahtes vom Glasmaterial führt. Während des Betriebes, insbesondere während der Zündung, wird die Elektrode auf hohe Temperaturen erhitzt, woraufhin das mit dem Metalldraht in Kontakt stehende Glas- oder Keramikmaterial einer Zugdehnung ausgesetzt ist, die zur Bildung von Rissen 6 in dem Glas- oder Keramikmaterial führt, wie in 1 gezeigt. Es wurde beobachtet, dass sich die Ausgangspunkte der Risse an Stellen entlang dem Metalldraht in im Wesentlichen dem gleichen Abstand 11 und 12 von der Dichtungskante und voneinander konzentrieren. Dieser Abstand hängt von dem Unterschied der Koeffizienten der thermischen Ausdehnung des einbettenden Materials (Quarzglas oder Keramikmaterial) und des benutzten Metalls ab. Im Falle von Quarzglas und Wolfram oder Molybdän beträgt dieser Abstand etwa 2 mm, wenn sich die Betriebstemperatur innerhalb eines Bereiches von 500°C oder 600°C ändert. Eine solche Konfiguration mit der Kombination aus einem Quarzglas und Wolfram oder Molybdän würde eine sehr kurze Lebensdauer haben, daher müssen zusätzliche Elemente in der Praxis eingesetzt werden, um eine gasdichte Abdichtung mit langer Dauer bereitzustellen.
Wieder bezugnehmend auf 1, ist dort eine Teillängs-Querschnittsansicht einer Entladungslampe hoher Intensität (HDI-Lampe) gezeigt, wie sie in der Automobilindustrie benutzt wird. Die Lampe 1 hat ein Bogenrohr, das durch einen abgedichteten Lampenkolben 2 gebildet ist, der aus Quarzglas oder Keramikmaterial, z. B. polykristallinem Aluminiumoxid, gebildet ist. Der Kolben 2 hat ein abgedichtetes inneres Volumen, das eine Bogen- bzw. Entladungskammer 3 bildet, die mit einem geeigneten Gas, wie Argon, Krypton oder Xenon, gefüllt ist. Das Bogenrohr endet in einer gasdichten Weise an beiden Enden und mindestens eines der Enden umfasst einen Quetschdichtungs-Abschnitt 4. In dieser Konfiguration schließt der Quetschdichtungs-Abschnitt 4 eine Elektrodenbaueinheit, umfassend eine Elektrode 5, die sich in die Bogenkammer 3 erstreckt, einen Leitungsdraht 8, der sich vom abgedichteten Abschnitt 3 nach außen erstreckt, um elektrischen Kontakt mit einer (nicht gezeigten) Energiequelle zu liefern, und eine elektrisch leitende Dichtungsfolie 7 ein, die den Leitungsdraht 8 und die Elektrode 5 verbindet. Die Dichtungsfolie 7 liefert eine abgedichtete elektrische Verbindung durch einen abgedichteten Abschnitt 4 des Bogenrohres. In 1 ist nur eine Hälfte einer HID-Lampe mit einer symmetrischen Struktur gezeigt, die zwei im Wesentlichen identische Elektrodenbaueinheiten umfasst. Eine solche abgedichtete Durchleitungs-Struktur nach dem Stande der Technik ergibt ein genügend gasdichtes Abdichten im Bereich der Dichtungsfolie, doch weist sie Probleme hinsichtlich der Spannung durch thermische Ausdehnung im Bereich der Metalldrähte auf, insbesondere in dem Bereich der Elektrode, die bei höherer Temperatur betrieben wird. Es ist in dieser Konfiguration wichtig, dass die Länge der Elektrode und des Stromzuleitungsdrahtes innerhalb der Enddichtungsregion die kritische Länge von etwa 2 mm im Falle von Quarzglas nicht übersteigt. Sind längere Quetschdichtungs-Abschnitte erforderlich, dann muss die Länge der Dichtungsfolie entsprechend ausgewählt werden.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass der Einsatz eines wellenförmigen Metalldrahtes in einem Quetschdichtungs-Endabschnitt aus Quarzglas oder Keramikmaterial die während der thermischen Belastung einer Lampe entwickelten mechanischen Spannungen einen kritischen Wert nicht übersteigen, wenn gewisse Abmessungsaspekte eingehalten werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Metall-Durchführungskonstruktion vorgeschlagen, bei der der Zuleitungsdraht elementare Abschnitte umfasst, die miteinander verbunden sind und innerhalb des Bereiches des Dichtungsabschnittes einen Winkel zwischen sich einschließen. Die elementaren Abschnitte müssen miteinander in einer Weise verbunden sein, dass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt wird, die zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt der Durchführung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Der Startpunkt 16 und der Endpunkt 17 der Durchführung sind als die Endpunkte der Durchführung innerhalb des Quetschabschnittes definiert. Bezugnehmend auf 1, kann der Startpunkt der Schnittpunkt der Durchführung und der inneren Kante des Quetschabschnittes sein, und der Endpunkt kann das Ende der Elektrode innerhalb des Quetschabschnittes sein. Der Startpunkt 16 und der Endpunkt 17 des Stromzuleitungsdrahtes können in ähnlicher Weise definiert werden. Der Winkel zwischen den elementaren Abschnitten kann derart konfiguriert sein, dass er eine Winkelgröße α von im Wesentlichen 90 Grad einschließt. Der Fachmann sollte jedoch erkennen, dass andere Winkel α ebenso gut ausgewählt werden können. Der Winkel zwischen den elementaren Abschnitten kann auch im Bereich von 45 Grad (als α in 4 bezeichnet) bis 135 Grad (als β in 4 bezeichnet) ausgewählt sein.
2 bis 4 zeigen verschiedene Leitungsdraht- und/oder Elektroden-Konfigurationen mit einem geraden Endabschnitt an beiden Enden und mindestens zwei elementaren Abschnitten zwischen den beiden geraden Abschnitten. Die elementaren Abschnitte schließen einen Winkel im Bereich von 45 Grad bis 135 Grad ein. Bezugnehmend zuerst auf 2 ist dort eine Leitungsdraht- oder Elektroden-Konfiguration mit zwei geraden Endabschnitten 9, 10, zwei elementaren Abschnitten 11 und drei gekrümmten Abschnitten 12, 13 zwischen den geraden Abschnitten gezeigt. Die Länge l der elementaren Abschnitte 11 ist im Wesentlichen einander gleich und gleich der Länge der geraden Endabschnitte 9, 10 innerhalb des Glas-Endabdichtungsabschnittes. Die elementaren Abschnitte 9, 10, 11 haben eine im Wesentlichen gerade Form mit einer Länge im Bereich des Dichtungsabschnittes, die die kritische Länge nicht übersteigt, die aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalldrahtes und des Abdichtungsmaterials resultiert. Die Länge der im Wesentlichen geraden elementaren Abschnitte der Metall-Durchführung (Stromleitung und/oder Elektrodendraht) ist derart, dass sie vorzugsweise nicht größer als 2 mm in dem Falle ist, dass das einbettende Material Quarzglas ist. Es wurde nämlich festgestellt, dass im Falle des Abdichtens von Quarzglas und eines Metalldrahtes von Wolfram oder Molybdän die kritische Länge aufgrund der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalldrahtes und des Dichtungsmaterials etwa 2 mm beträgt, wenn sich die Betriebstemperatur der Durchleitungsstruktur im Bereich von etwa 500 bis 600°C ändert. Durch Auswählen einer Länge, die nicht größer als 2 mm ist, kann eine zu starke mechanische Spannung, die sich bei hohen Betriebstemperaturen entwickelt und zu Rissen im einbettenden Material des Dichtungsendabschnittes führen könnte, vermieden werden. Wie in der in 2 gezeigten Ausführungsform ersichtlich, können die benachbarten elementaren Zwischenabschnitte 11 des Metalldrahtes im Wesentlichen im rechten Winkel mit Bezug aufeinander angeordnet sein. Der Winkel zwischen den Endabschnitten 9, 10 und den benachbarten elementaren Zwischenabschnitten 11 des Metalldrahtes kann etwa 135 Grad betragen. Diese Metalldraht-Konfiguration ist asymmetrisch mit nur einer seitlichen Ausdehnung, die im Falle von Grenzflächen von Hartglas/Keramik zu Metall benutzt werden kann.
3 und 4 zeigen weitere Beispiele von Metalldraht (Stromleitung und/oder Elektrode) mit einer symmetrischen Konfiguration, umfassend mindestens einen längeren elementaren Zwischenabschnitt 11 und zwei kürzere elementare Zwischenabschnitte 14 zwischen den beiden Endabschnitten 9, 10. Diese Konfiguration hat zwei seitliche Ausdehnungen, die kleiner sind als die der einseitigen Konfiguration, die in 2 gezeigt ist. Alle anderen Abmessungen sind im Wesentlichen die gleichen, wie bereits in Verbindung mit 2 beschrieben. Wie aus 4 deutlich wird, kann die Anzahl der längeren elementaren Zwischenabschnitte 11 gemäß den spezifischen Anwendungserfordernissen ausgewählt werden, und es kann praktisch irgendeine erforderliche Länge bereitgestellt werden. Die Metalldraht Konfigurationen der Erfindung gestatten einen Stromzuleitungsdraht einer Länge, die größer ist als die Länge der üblichen Konstruktionen.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung hat bei einer Dichtungskonstruktion von Glas/Keramik zu Metall der Metall-Durchführungsdraht zwei gerade Endab schnitte und einen Zwischenabschnitt, der gekrümmte elementare Abschnitte umfasst, wie aus einer Spirale geformt, die einen Durchmesser aufweist, der die kritische Länge nicht übersteigt, die aus den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalldrahtes und des Glas-Abdichtungsmaterials resultieren. Der Durchmesser der in dieser Konfiguration benutzten Spirale ist vorzugsweise nicht größer als 2 mm, wenn das einbettende Material Quarzglas ist.
Die folgenden Figuren zeigen unterschiedliche Anwendungen der Metall-Durchführungsdraht-Konfigurationen, die in den 2 bis 4 gezeigt sind, die in Verbindung mit einer Lampe benutzt werden können, die bei hohen Temperaturen betrieben wird. 5 zeigt eine Entladungslampe hoher Intensität (HID-Lampe) und 6 zeigt eine Halogenlampe mit zwei Durchführungsanordnungen, die in einer Enddichtung der Lampe eingebettet sind.
Bezugnehmend auf 5, ist dort eine Querschnitts-Draufsicht einer Entladungslampe hoher Intensität (HID-Lampe) gezeigt, wie sie in der Automobilindustrie benutzt wird. Die Lampe hat ein Bogen- bzw. Entladungsrohr in Form eines abgedichteten Lampenkolbens 2, der aus Quarzglas oder Keramikmaterial hergestellt ist. Der Kolben 2 hat ein abgedichtetes inneres Volumen, das eine Bogenkammer 3 bildet, die mit einem geeigneten Gas, wie Argon, Krypton oder Xenon, gefüllt ist. Das Bogenrohr endet an beiden Enden in einer gasdichten Weise, wobei mindestens eines der Enden einen Quetschdichtungs-Abschnitt 4 umfasst. In dieser Konfiguration schließt der Quetschdichtungs-Abschnitt 4 eine Durchführungsanordnung ein, umfassend eine wellenförmige Elektrode 15, die sich in die Bogenkammer 3 erstreckt, einen geraden Zuleitungsdraht 8, der sich vom abgedichteten Abschnitt 3 nach außen erstreckt, um elektrischen Kontakt mit einer (nicht gezeigten) Energiezufuhr bereitzustellen, und eine elektrisch leitende Dichtungsfolie 7, die den Zuleitungsdraht 8 und die Elektrode 15 verbindet. Die Dichtungsfolie liefert eine abgedichtete elektrische Verbindung durch einen abgedichteten Abschnitt 4 des Bogenrohres. Wegen der höheren Betriebstemperatur der Elektrode ist ihre Form gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgewählt.
Im letzten Beispiel der 6 ist eine Halogenlampe 21 mit einem Kolben 22, der ein inneres Volumen bildet und aus Quarzglas hergestellt ist, einem abgedichteten Endabschnitt 24 und zwei Metall-Durchführungsanordnungen gezeigt, die interne Stromleitungsdrähte 26, Dichtungsfolien 27 und externe Stromleitungsdrähte 28 umfassen, wie bereits in Verbindung mit 5 gezeigt und erläutert. Die inneren Enden der Stromzuleitungsdrähte 26, die in der Quetschdichtung eingebettet sind, sind mit einem Glühfaden 25 verbunden, der vorzugsweise aus Wolfram besteht. Um eine definierte geometrische Position der beiden Stromleitungsdrähte 26 sicherzustellen, kann ein Brückenteil 23 aus einem isolierenden Material, vorzugsweise Glas, benutzt werden, Die Metall-Durchführungsdraht-Konfiguration dieses Beispiels ist asymmetrisch mit nur einer seitlichen Ausdehnung, die im Falle von Grenzflächen von Hartglas zu Metall benutzt werden kann, da keines der geraden Abschnitte in dem Dichtungsabschnitt 2 mm Länge übersteigen darf.
Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern es fallen andere Elemente, Verbesserungen und Variationen ebenfalls in den Umfang der Erfindung. So ist es, z. B., für den Fachmann klar, dass neben den gezeigten Formen gekrümmter Metalldrähte irgendwelche anderen Formen geeignet sein können. Auch die Geometrie und Struktur der Metalldrähte, die in den gezeigten Lampen eingesetzt sind, können von den gezeigten Beispielen verschieden sein.
Es wird eine Metall-Durchführungsanordnung vorgeschlagen, die in einem Einbettungsmaterial eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird. Die Metall-Durchführung hat einen Startpunkt 16 und einen Endpunkt 17 und umfasst elementare Abschnitte 11, 14, die einen Winkel α zwischen sich einschließen. Die elementaren Abschnitte 11, 14 haben eine Länge, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Die elementaren Abschnitte 11, 14 sind miteinander verbunden und schließen einen Winkel zwischen sich ein, sodass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt 16 und dem Endpunkt 17 der Metall-Durchführung gezogen ist, geringer ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt. Eine Lampe, die die Metall-Durchführungsanordnung umfasst, ist ebenfalls vorgeschlagen.

α, β: Winkel
l: Länge
11,: 12 Abstand
1: Lampe
2: Kolben
3: Bogenkammer
4: Quetschdichtungs-Abschnitt
5: Elektrode
6: Riss
7: Dichtungsfolie
8: Zuleitungsdraht
9, 10: gerader Endabschnitt
11: elementarer Abschnitt
12, 13: gekrümmter Abschnitt
14: elementarer Abschnitt
15: Elektrode
16: Startpunkt
17: Endpunkt
21: Halogenlampe
22: Kolben
23: Brückenteil
24: abgedichteter Endabschnitt
25: Glühfaden
26: Stromleitungsdraht
27: Dichtungsfolie
28: Stromleitungsdraht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4178050 [0003]
- US 6992446 [0005]
- US 4578616 [0006]

Claims

Metall-Durchführungsanordnung, die in einem Einbettungsmaterial eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Metall-Durchführung einen Startpunkt (16) und einen Endpunkt (17) aufweist und umfasst – elementare Abschnitte (11, 14), die miteinander verbunden sind und einen Winkel (α) zwischen sich einschließen, – wobei die elementaren Abschnitte (11, 14) eine Länge (l) aufweisen, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durchführung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.
Struktur nach Anspruch 1, worin die elementaren Abschnitte (11, 14) eine derartige Winkelgröße einschließen, dass eine Summe der thermischen Ausdehnungen davon in einer Richtung, die durch eine gerade Linie bestimmt ist, die zwischen dem Startpunkt (16) und dem Endpunkt (17) der Metalldurchführung gezogen ist, kleiner ist als die Ausdehnung, die einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die elementaren Abschnitte (11, 14) miteinander in einer Weise verbunden sind, dass die Metalldurchführung einer bogenförmigen Linie folgt und die elementaren Abschnitte einen Winkel (α) von im Wesentlichen 90 Grad einschließen.
Struktur nach Anspruch 1, bei der das einbettende Material ausgewählt ist aus der Gruppe von Quarzglas und Keramikmaterial und die Metalldurchführung aus mindestens einem der Metalle hergestellt ist, ausgewählt aus der Gruppe von Wolfram und Molybdän.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die Metalldurchführung im Temperaturbereich von mindestens 500°C betrieben wird.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die Metalldurchführung im Temperaturbereich von mindestens 600°C betrieben wird.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die elementaren Abschnitte (11, 14) gerade sind.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die elementaren Abschnitte (11, 14) gebogen sind.
Struktur nach Anspruch 1, bei der die Metalldurchführung in dem Temperaturbereich von mindestens 500°C betrieben wird und die elementaren Abschnitte (11, 14) eine Länge von höchsten 2 mm aufweisen.
Lampe, umfassend einen Kolben mit mindestens einem Quetschdichtungs-Endabschnitt, der eine Metall-Durchführungsanordnung einschließt, die in einem Material des Endabschnittes eingebettet ist und in einem Temperaturbereich betrieben wird, wobei die Metall-Durchführung einen Startpunkt und einen Endpunkt aufweist und umfasst – elementare Abschnitte (11, 14), die miteinander verbunden sind und einen Winkel dazwischen einschließen, – wobei die elementaren Abschnitte (11, 14) eine Länge aufweisen, die geringer ist als die Länge, die zu einem thermischen Ausdehnungsunterschied zwischen der Metall-Durch führung und dem einbettenden Material führt, der einen Bruch in dem einbettenden Material entwickelt.