DE1539414A1 - Elektrische Lampe - Google Patents

Description

PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER

5KOLM-LINDBNTHAl FBTBR-KINTGEN-STRASSB 2

Dr. Expl. Iste⁴·" ²⁸·³·¹⁹⁶⁶

General Electric Company,

1 River Road, Soheneotady 5, New York (V.St.A.).

Elektrische Lampe

Die Erfindung betrifft elektrische Lampen, insbesondere Lampen mit einer BUlIe oder einem Körper aus geschmolzener glasiger Kieselsäure·

Bisher wurden technische elektrische Lampen mit Körpern aus geschmolzener glasiger Kieselsäure bei Temperaturen der Innenseite des Körpers τοη wesentlich weniger als 140O⁰O betrieben. Bei Temperaturen im Bereich von 14OO°C wird glasige Kieselsäure schnell entglast, wodurch Diffusion des emittierten Lichts duroh den kristallisierten Teil der Hülle aus glasiger Kieselsäure und physikalische Schwächung des Glaskörpers und damit schnelle Beendigung der Lebensdauer der Lampe verursacht wurden,

XSm diese Nachteile zu vermeiden und elektrische Lampen mit annehmbarer Lebensdauer herzustellen, war es bisher üblich, die Faktoren, die die Temperatur des Lampenkörpers während des Betriebes bestimmen, κ·Β· die zugeführte Leistung und die Abmessungen des Lampenkörpers im Verhältnis zur Umgebung, in der die Lampe verwendet wurde, so zu steuern, daß die Temperatur des Lampenkörpers etwa 800⁰O nicht wesentlich überschreitet· Bei diesen Temperaturen des Lampenkörpers behält die glasige Kieselsäure ihre !Festigkeit und ihre

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Durchsichtigkeit während einer langen Lebensdauer der Lampe« .

Während es bisher üblich war, die Faktoren, die die Betriebstemperatur der Lampenkörper aus glasiger Kieselsäure bestimmen, so zu regeln, daß die Temperatur des Lampenkörpers während des Betriebes der Lampe ungefähr 800⁰O betrug, wurde bereits vorgeschlagen, die Temperatur des Lampenkörpers während des Betriebes auf 1000⁰O und darüber zu erhöhen, wenn nicht eine lange Lebensdauer der Lampe, sondern andere Erwägungen maßgebend siM. Wenn jedooh die Temperatur von glasiger Kieselsäure über etwa 900°0 erhöht wird, nimmt die Entglasung mit steigender Temperatur mit praktisch gleichmäßiger Geschwindigkeit zu, und bei HOO⁰O ist die Entglasung so schnell, daß hierdurch die Lebensdauer auch solcher Lampen beendet ist, die zum Gebrauch in Lichtprojektionssystemen vorgesehen sind« Bei solchen Systemen 1st eine Lebensdauer der La-mpe von 20 Stunden annehmbar, da die Haupterwägung dl® Helligkeit der Lichtquelle und nicht eine lange'Lel©a®d©,uer. der Lampe ist.

Beispielsweise wird in der U.S.A.-Patentschrift 3 067 der Anmelderin eine elektrische Entladungslampe beschrieben, die mit hoher Helligkeit arbeitet· Diese Lampe hat eine Hülle, in die kleine Wolframelektroden eingeschlossen sind, und die ein Entladungsmedium enthält, das Joddampf enthält« Die Wolframelektroden sind hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Wärme abzuführen, so auf die Energiebelastung der Vorrichtung abgestimmt, daß sie mit geschmolzenen Spitzen arbeiten und der Joddampf dazu dient, an den Elektroden das iifetall, das davon verloren geht, zu regenerieren« Eine solche Lampe kann bei Hüllentemperatüren von etwa 1000⁰O für eine zufriedenstellende Lebensdauer in Lichtprojektionssystemen verwendet werden« In solchen Systemen ist die Lampenhülle der freien Luft der Atmosphäre ausgesetzt, die zwangsweise um den Lampenkörper für Kühlewecke umgewälzt werden kann«

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Eine Lampe dieses Typs kann auch mit höherer Helligkeit arbeiten, wenn die zugeführte leistung erhöht wird und die anderen Paktoren, die die Temperatur der lampenhüllβ bestimmen, so eingestellt werden, daß die Innenwand des Lampenkörpers während des Setriebe eine Temperatur Ton etwa 140O⁰O hat· Unter solchen Bedingungen ist jedooh die Lamp· in diesen Systemen technisch ungeeignet, weil der Körper aus geschmolzener Kieselsäure schnell entglast wird, wodurch Diffusion des Lichtes aus der konzentrierten Bogenentladung eintritt und die Lampe schnell ihre Helligkeit verliert·

Gegenstand der Erfindung ist ein transparenter, aus glasiger Kieselsäure bestehender Körper für elektrische Geräte, der gegen Entglasung bei erhöhten Temperaturen beständig ist, so daß die nutzbare Lebensdauer von bei hoher Temperatur arbeitenden elektrischen Geräten, die Hüllen aus geschmolzener glasiger Kieselsäure haben, verlängert wird· Sie erfindungsgemäße elektrische Lampe, die aus einem hermetisch geschlossenen Körper aus glasiger Kieselsäure besteht, dessen Fähigkeit zur Wärmeabfuhr so auf die zugeführte Leistung der Lampe abgestimmt ist, daß die Innenwand des Lampenkörpers während des normalen Betriebes der Lampe an der freien Luft eine Temperatur hat, bei der glasige Kieselsäure schnell entglast wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Lampenkörpers aus einem Bortriozyd-QuarcglaB besteht und eine Sohmelztemperatur hat, die niedriger ist als die Arbeitatemperatur der Innenfläche, .wodurch die Innenfläche des Lampenkörpers während des Betriebs der Lampe geschmolzen ist und die Entglasung des Lampenkörpers weitestgehend ausgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt die Feststellung zu Grunde, daß die vorstehend beschriebene Schwierigkeit vermieden wird, wenn die Innenseite des Lampenkörpers aus geschmolzener glasiger Kieselsäure bei Lampen des oben genannten Typs und ähnlicher Typen so behandelt wird, daß sie bei einer Temperatur gescha■;,....;■-JE ±at_s bei der schnelle Entglasung von glasiger

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BADORONAt

Kieselsäure stattfinden würde « In Lampen beispieleweise des vorstehend beschriebenen Typs wird die Innenfläche des Lampenkörpers aus glasiger Kieselsäure so behandelt, daß sie bei einer Temperatur unter HOO⁰C geschmolzen ist· Wenn die Innenfläche der Hülle aus glasiger Kieselsäure bei einer solchen Temperatur geschmolzen ist, kann die Lampe so betrieben werden, daß die gewünschte höhere Helligkeit bei einer Lebensdauer erzielt wird, die für Lichtprojektionssysteme u#dgl. technisch annehmbar ist«

Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Abbildung beschrieben, die eine Lampe 1 zeigt, wie sie in der oben genannten TJoSoA.-Patentschrift 3 067 357 beschrieben istο Diese Lampe besteht aus einer im allgemeinen röhrenförmigen verschlossenen Hülle 2 aus glasiger Kieselsäure vorzugsweise des Typs, die durch Schmelzen von kristallinem Quarz hergestellt wird« Der Lampenkörper 2 hat einen im allgemeinen elliptischen dickwandigen mittleren Teil 3 mit Verlängerungen 4 und 5$ die nachstehend als Hals bezeichnet werden₀ Die Elektroden 6 und 7 bestehen Jeweils aus kurzen Wolframdrahtstücken, die mit den abgeflachten Enden 8 und 9 von Zuführungsdrahten 10 und 11 aus Molybdän verschweißt sind, die sich jeweils längs des Halses erstrecken, wobei die abgeflachten Teile die hermetischen Verschlüsse mit dem Lampenkörper bilden.

Die dargestellte Lampe ist für Gleichstrombetrieb vorgesehen. Die Anode 6 ist stabförmig und am Innenende 12 abgerundet, während die Kathode 7 einen spitz zulaufenden Teil aufweist, der seinen kleinsten Durchmesser unmittelbar vor dem kugelförmigen Teil am Innenende 13 erreicht· Wie in der genannten UeS.A·-Patentschrift beschrieben, arbeitet die Lampe mit praktisch geschmolzenen Spitzen an den Elektrodenenden 12 und 13, und die kugelförmigen oder abgerundeten Enden an den Elektroden können nach der Fertigstellung der Lampe gebildet werden, indem sie mit einem Strom oder einer Belastung betrieben wird, die genügt, um die ELektr*- denspitzen abzuschmelzen·

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Die Lampe 1 enthält in der Entladungskammer 14» die durch den Hüllenteil 3 begrenzt wird, eine ionisierbare Fülleng, die ein Inertgas, ζ _βB. Argon, und ein Halogen, vorzugsweise Jod, oder eine Substanz enthält, die bei hoher Temperatur Jod frei gibt· Die Rückbildung des Jode hält die Elektroden beständig in Größe und Form und schaltet eine Verdunkelung des Lampenkörpers aus.

Die Lampe ist am diokwandigen ellipsenförmigen Mittelteil 3» der die Kammer 14 bildet, glatt ausgebildet, um kalte Stellen auf der Wand der Kammer auszuschalten und eine Kondensation des Joddampfes zu verhindern,. Der ellipeenförmige Mittelteil 3 hat eine erhebliche Wandstärke, um der Lampe eine solche Festigkeit zu verleihen, daß sie den hohen Innendruoken während des Betriebs widersteht* Die Kammer enthält als Grundgasfüllung Argon bei einem Fülldruck von etwa 50 mm Hg sowie eine gewisse Menge Ihdiumjodid, die ausreicht, um freies Jod in einer Menge von 0,01-1,0 Mikromol pro om . des Kammervolumens zu bilden. Die Lampenhülle ist der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt und während des Betriebs luftgekühlt. .

Lampen dieses Typs können naoh einem bekannten Verfahren hergestellt werden* Dieses Verfahren besteht darin, daß man die Elektrode und den Zuführungsdraht in eine der Verlängerungen des Lampenkörpers einführt, dort den hermetischen Verschluss bildet, dann die Hülle durch die gegenüberliegende Verlängerung absaugt, spült und füllt und danach diese Verlängerung zusohmilzt. Hierdurch ergibt sich eine spitzenlose Lampe, die in Liohtprojektionssystemen sehr gut geeignet ist, da der übliche Pumpstengel vermieden wird·

Eine Lampe mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau mit einer Gesamtlänge des Lampenkörpers von etwa 5 om, einem Bogenentladungsabstand von 2,5-3 mm zwischen den Innenenden 12 und 13 der Elektroden 6 und 7, einem maximalen Innendurchmesser in der Kammer 14 von 0,3 em und einem maximalen Außeadurchmesser τοη 1 em arbeitet an der freien Luft bei

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einer zugeführten Leistung von 300 W mit hoher Helligkeit, wobei die sich gegenüberliegenden Spitzen der Elektroden im geschmolzenen Zustand vorliegen. Die Innenseite des die Kammer H bildenden Körpers befindet sich während des Betriebs der Lampe bei einer Temperatur von wenigstens etwa HOO⁰Oo Es wurde gefunden, daß in einer solchen Lampe, die Entglasung des mittleren Teils 3, der die Kammer H des Körpers 2 bildet, gewöhnlich beginnt, bevor die Lampe für eine Zeit von 1O Stunden betrieben worden ist, während der iie jeweils 15 Minuten eingeschaltet und 5 Minuten ausgeschaltet ist·

In Lampen dieser Bauart bilden sich bei dieser Betriebsweise Entglasungs st eilen in den meisten Fällen zuerst in einem Band auf der Innenseite des Körpers aus geschmolzener Kieselsäure in der Nähe der Enden 12 und 13 der Elektroden aus. Gelegentlich erscheinen solche Stellen auf der gesamten Innenseite der Hülle» Nach einer Betriebsdauer von etwa 12 Stunden in der oben beschriebenen Weise bildet sich ein Entglasungsband von etwa 2 mm Breite rings um die Kathode aus, und Entglasungastellen erscheinen rings um die Anode 6· Die Entglasung schreitet zur Mitte der Kammer H hin fort und verdunkelt allmählich die Bogenentladung. Die Folge 1st eine diffuse Quelle von geringerer Helligkeit als die Bogenentladung.

Die Entglasung verursacht jedoch keinen Ausfall während des Betriebs von Lampen dieses Typs· Diese Lampen wurden in der oben beschriebenen Weise unter den genannten Bedingungen mehr als 50 Stunden betrieben, wobei die ganze Innenfläche des Mittelteils 3 entglast wurde, aber nach dieser Zeit waren die Lampen noch betriebsbereit und die Hülle unversehrt, obwohl der mittlere Teil 3 der Hülle 2 sieh sowät ausgefesuoht hatte, daß die Lichtbogenkammer H ungefähr die doppelte ursprüngliche Größe hatte·

Erfindungsgemäße Lampen dieser Bauart, bei denen die Innenseite des Hüllenteils 3 in der nachstehend beschriebenen

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Weise so behandelt wurde, daß er bei der während des Betriebs der Lampe dort herrschenden Temperatur flüssig ist, zeigen nach einer Betriebsdauer von 24 Stunden praktisch keine Entglasung, wenn sie unter den oben beschriebenen Bedingungen mit der genannten Einschalt- und Abschaltdauer betrieben werden,. Die Behandlung der Innenseite diesee Teils des Lampenkörpers aus glasiger Kieselsäure, durch die kein feststellbarer Unterschied im Betrieb der Lampe oder in der Spektralverteilung des von ihr emittierten Lichts Verursacht wird, ergibt eine Lampe, die eine technisch brauchbare Lebensdauer in Lichtprojektionssystemen hat, indem die Entglasung der Innenseite des Lampenkörpers als lebendauerbegrenzender Paktor ausgeschaltet wird«

Eine Behandlung, durch die die Schmelztemperatur der Innenseite des die Kämmer 14 bildenden Teils 3 des Lampenkörpers aus glasiger Kieselsäure so erniedrigt wird, daß diese ELäohe während des Betriebs der Lampe geschmolzen ist, besteht darin, daß man zuerst die Innenseite vor der Herstellung der Lampe in der beschriebenen Weise mit einer Lösung überzieht, die beim Erhitzen einen dünnen, geschlossenen Überzug aus Bortrio^yd bildet, und dann den Lampenkörper so lange auf eine solche Temperatur erhitzt, daß eine Wechselwirkung zwischen der Kieselsäure an der beschichteten Oberfläche des Lampenkörpers und dem Bortrioxyd des aufgebrachten Überzuges bewirkt wird, durch die in situ ein Bortrioxyd-Quarzglas auf der behandelten Oberfläche der Hülle entsteht. Die Hülle hat dann eine Innenfläche, die aus Bortrioxyd-Quarzglas besteht.

Dieser Zweck wird erreicht, indem man die saubere Innenseite des Lampenkörperteils 3 mit einer Lösung von 1 Teil Glycerin und 3 Teilen Trimethylborat benetzt und den Lampenkörper mit der so benetzten Oberfläche 2 Stunden auf eine Temperatur von 1200-130O⁰G erhitzt. Während des; Erhitzens werden die organischen Lösungsmittel verbrannt, und das hierbei gebildete Bortrioxyd reagiert mit der

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Kieselsäure an der behandelten Innenseite des Lampenkörpers, wodurch in situ eine Bortrioxyd-Quarzglasschioht entsteht, die bei einer Temperatur Ton 1400⁰O geschmolzen ist.

Pie Sicke der Sohicht aus Bortrioxyd-Quarzglas ist wichtig, da mit einer zu dünnen Sohioht kein ausreichender Schutz gegen Entgläsung erzielt wird und eine zu dicke Sohicht bei Temperaturänderungen leioht reißt· Eine Schicht, die in der vorstehend beschriebenen Weise gebildet wird, verhindert überaus wirksam die Entgläsung des aus glasiger Kieselsäure bestehenden Körpers von lampen des obenbeschriebenen Typs.

Sie Sicke der Sohicht läßt sich leioht mit einer Analysenwaage ermitteln, d.h. durch die Gewichtszunahme des Lampenkörpers, die dem zugefügten Bortrioxyd zuzuschreiben ist« Wenn die Gewichtszunahme 0,1-1- mg pro om der Innenfläche des Teils 3 des Lampenkörpers beträgt, ist die Sicke der Schicht ausreichende

Sie Benetzung der Innenseite des mittleren Teils 3 des Lampenkörpers 2 mit der Lösung kann vorgenommen werden, indem man den Lampenkörper aufrecht stellt und ihn durch eine der Verlängerungen vom Boden des Lampenkörpers mit der Lösung füllt und die Lösung anschließend ablaufen läßt· Sie Lösung kann dann von der Innenseite der Verlängerungen der Hülle abgewischt und der Rest an der Luft getrocknet werden. Danach kann der Lampenkörper in einem elektrischen Ofen bei hoher Temperatur getrocknet werden, während er in Berührung mit einem Material, das den beschichteten Lampenkörper nicht verunreinigt, ζ·Β· Platin, festgehalten wird.

Natürlich muß die gesamte Innenseite des Körpers aus glasiger Kieselsäure vor der oben beschriebenen Behandlung sorgfältig durch Spülen mit einer Lösung von 5jt Fluorwasserstoff säure und 5$ Salpetersäure und anschließendes Spülen mit destilliertem Wasser gereinigt werden© 009811/0684

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Bei der Herstellung von Lampen des in der Abbildung dargestellten und oben beschriebenen Typs erwies es sich als vorteilhaft, die Innensohioht aus Bortrioiyd-Quarzglas auf dem Lampenkörper auf den Teil des Körpers zu begrenzen, der die Entladungskammer H bildet, um Schwierigkeiten an den hermetischen Verschlüssen der Lampe zu vermeiden*

An Stelle der vorstehend beschriebenen wirksamen Methode zum Aufbringen des Überzuges aus Bortrioxyd auf die Innenseite des mittleren Teils 3 des Körpers 2 können natürlich auoh andere Methoden angewendet werden· Ferner kann der beschichtete Körper mit einer anderen Vorrichtung, als sie oben beschrieben wurde, wärmebehandelt werden. Die wesentliche Voraussetzung ist, daß eine Reaktion zwischen dem Bortrioxid und der glasigen Kieselsäure an der Innenseite des Teils des Körpers verursacht wird, der die Entladungskammer H bildet, und daß die Gewichtszunahme des LampenkiSrpers naoh der Behandlung ausreicht, um eine wirksame! nicht reißende Schicht aus Bortrioxyd-Quarzglas zu bilden·

Zwar wurde vorstehend die beste Ausführungeform der Erfindung beschrieben, jedoch können im Bahmen der Erfindung Änderungen in der Behandlung der Innenseite des Lampenkörpers vorgenommen werden. Beispielsweise kann in der beschriebenen Lösung Tributylborat an Stelle von Trimethylborat verwendet werden« Dampfförmiges Trimethylborat, das sioh in einem Inertgas, wie Stickstoff, als Trägergas befindet, kann durch ein kleines Bohr aus geschmolzener Kieselsäure, das sioh durch eine der Verlängerungen des Lampfafcörpers erstreckt, in den die Entladungskammer H bildenden Teil des Körpers geführt werden, und dieser Teil des Körpers kann dann mit Luft, die ebenfalls in die Kammer eingeführt wird, auf etwa 70O⁰O erhitzt werden, wodurch das Trimethylborat oxydiert und der überzug aus Bortrioxyd gebildet wird. Es ist ferner möglieh, den Teil 3 des Körpers innen mit gasförmigem Diboran zu behandeln, während, die Wand der Kammer 14 eine Temperatur von 600-t000°0 hat·

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Hierdurch findet eine thermische Spaltung des Diborane unter Bildung einer geringen Menge Bor statt, das anschließend zu Bortrioxyd oxydiert werden kann, das die Wand der Kammer 14 bedeokt« Der Körper kann dann zur Ausbildung der Schicht aus Bortrioxyd-Quarzglas auf dem Teil 3 des Lampenkörpers auf die oben beschriebene Weise erhitzt werden«

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Claims (2)

15394U -χι - A η s ρ r Ü c h e

1.) Elektrische Lampe, bestehend aus einem hermetisch geschlossenen Lampenkörper (l) aus glasiger Kieselsäure und Elektroden (6/7)* die bei normalem Betrieb eine Temperatur an der Innenwand des Lampenkörpers besitzt> bei der glasartige Kieselsäure schnell entglast wird« dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des Lampenkörpers eine Schicht aus Bortrioxyd-Quarzglas aufweist, deren Schmelztemperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Innenfläche des Lampenkörpers liegt.

2. Elektrische Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzefchnet, dass die Innenfläche des Lampenkörpers etwa

ο
0,1 bis 1 mg Bortrioxyd pro cm enthält.

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