DE1571502C3 - Verfahren zum Verschließen eines offenen Endes einer aus feuerfesten Oxiden zusammengesetzten Röhre und Alkalimetalldampfentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen eines offenen Endes einer aus einem oder mehreren feuerfesten Oxiden zusammengesetzten Röhre, wobei am Ende des letzteren ein Verschlußelement als hermetische Dichtung vorgesehen wird, das aus einem feuerfesten Metall oder einer Legierung gebildet wird, das bzw. die einen dem feuerfesten Oxid nahezu gleichkommenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, und einen Hohlzylinder aufweist, der in die Röhre eingesetzt ist und an seinem äußeren Ende einen radialen, außerhalb der Röhre liegenden Flansch, möglicherweise mit einer peripheren zylindrischen Verlängerung, die rund um die zylindrische Außenfläche der Röhre angepaßt ist, besitzt, wobei die Dichtung durch Einsetzen einer Dichtungsschicht zwischen die zusammenarbeitenden Flächen der Röhre und des Verschlußelementes bewirkt wird und die Dichtungsschicht aus einem oder mehreren der Metalle Titan, Vanadium, Zirkonium und Hafnium, möglicherweise mit Niob versetzt zusammengesetzt ist¹ und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des feuerfesten Oxids und dem des Metalls des Verschlußelementes nahezu gleichkommt, und wobei die Anordnung des Verschlußelementes der Dichtungsschicht und der Röhre unter Erhitzung auf eine ausreichend hohe Temperatur zusammengepreßt wird, um ein Verschmelzen von Metall der Dichtungsschicht mit dem Metall des Verschlußelementes unter Verbindung des Verschlußelementes mit der Röhre zu bewirken.

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf elektrische Entladungslampen, die einen röhrenförmigen, aus lichtdurchlässigem feuerfestem Oxidmaterial gebildeten Entladungskolben aufweisen, und insbesondere auf solche Entladungslampen, die einen röhrenförmigen Entladungskolben aus lichtdurchlässigem, feuerfestem Oxidmaterial mit einem Tonerdegehalt oberhalb 85 Gew.-% aufweisen und eine Füllung aus Alkalimetalldämpfen z. B. aus Natriumdämpfen, enthalten. Das hochtonerdehaltige Material ist gegenüber heißen Alkalimetalldämpfen sehr widerstandsfähig. Es ist vorgeschlagen worden, die Entladungskolben der mit Alkalimetalldämpfen arbeitenden elektrischen Entladungslampen aus derartigem Material zu bilden, insbesondere aus Röhren aus lichtdurchlässiger, gesinterter, polykristalliner Tonerde, die möglicherweise

auch kleine Zusätze von einem oder mehreren anderen feuerfesten Oxiden enthalten kann, z. B. bis zu 1 % Magnesium. Weiterhin ist vorgeschlagen worden, die Enden solcher röhrenförmiger Entladungskolben mittels Verschlußelementen in Form von Kappen oder Tellern zu schließen, wobei diese aus einem geeigneten feuerfesten Material wie etwa Niob gebildet und auf die Enden der Tonerderöhre aufgesetzt und dichtend an ihnen festgemacht sind. Die Elektroden der Lampe, die gewöhnlich an beiden Enden der Röhre entlang ihrer Achse angeordnet sind, werden dabei je durch ein Verschlußelement getragen, entweder mittels eines Halters, der durch das Verschlußelement abgedichtet hindurchgeführt wird oder indem die Elektrode unmittelbar durch das Verschlußelement abgedichtet hindurchgeführt wird.

Beim Gebrauch derartiger Alkalimetalldampfentladungslampen kondensiert das in dem Kolben zum Bereitstellen der Dampffüllung enthaltene Metall an den kältesten Bereichen des Kolbens, die sich normalerweise im Bereich der Enden des röhrenförmigen Kolbens befinden, in unmittelbarer Nachbarschaft der Dichtungen zwischen der Röhre und den Endverschlußelementen. Deshalb müssen bei der Herstellung der Lampe die Maße des röhrenförmigen Kolbens und der Elektroden so aufeinander abgestimmt werden, daß beim Betrieb diese Bereiche des Kolbens bis zu einer genügend hohen Temperatur erhitzt werden, um zu garantieren, daß der erforderliche Betriebsdampfdruck des Alkalimetalls aufrechterhalten wird, wobei die Temperatur der kältesten Bereiche des Kolbens durch das Verhältnis der in den Kolben hineinragenden Elektrodenlänge zu dem Durchmesser des röhrenförmigen Kolbens bestimmt wird. Beispielsweise wird im Fall einer Natriumhochdruckdampfentladungslampe, die Quecksilber als Zusatz zum Natrium enthält, ein Natriumamalgam gebildet, das sich an den Enden der Entladungsröhre sammelt. Damit der erforderliche Natriumdampfdruck während des Betriebes der Lampe aufrechterhalten wird, ist es erforderlich, daß dieses Amalgam auf einer Temperatur von 750° C bis 800° C gehalten wird. In manchen Fällen kann infolge eines längeren Betriebes einer Lampe mit derartigen Endbereichen der Entladungsröhre mit der erforderlichen hohen Temperatur ein Fehler in den Dichtungen zwischen der Röhre und den Verschlußelementen auftreten.

Bei einem bekannten Verfahren zum Verschließen eines offenen Endes einer aus einem oder mehreren feuerfesten Oxiden zusammengesetzten Röhre (GB-PS 9 61 070) wird das Verschlußelement von einer vollkommen außerhalb der Röhre angeordneten Kappe, einem massiven Verschlußstöpsel oder von einem Hohlzylinder gebildet, der an dem Außenende verschlossen und am Innenende offen ist und an seinem äußeren Ende einen Flansch aufweist, der über die Endfläche der Röhrenwand hinausragt. Eine Glasdichtungsschicht wird nicht nur zwischen dem radialen Flansch des Verschlußelementes und der radial gerichteten Fläche der Tonerderöhre vorgesehen, sondern sie füllt auch einen ringförmigen Raum zwischen der zylindrischen Fläche des Verschlußelementes und der Röhre entweder außerhalb der Röhre, innerhalb der Röhre oder sowohl innerhalb wie außerhalb der Röhre, wobei als nachteilig anzusehen ist, daß keine dieser Ausführungsmöglichkeiten für einen Schutz der Dichtung vor den Wirkungen hoher Temperaturen oder kondensierter Dämpfe in der Röhre sorgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß der eingangs erwähnten Art derart zu schaffen, daß auf einfache Weise ein Verschließen des offenen Endes der Röhre mit einem auch bei hohen Betriebstemperaturen eine ausgezeichnete Dichtung bildenden Verschlußelement möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hohlzylinder des Verschlußelementes dünnwandig gestaltet und an seinem Innenende verschlossen wird, daß die Dichtungsschicht nur zwischen dem radialen Flansch des Verschlußelementes und die radial gerichtete Endfläche der Röhre eingesetzt wird, und daß der Hohlzylinder des Verschlußelementes derart abdichtend in die Röhre eingepaßt wird, daß ein Eindringen von Metall der Dichtungsschicht zwischen die Außenfläche des Zylinders und die zylindrische Innenfläche der Röhre während der Erhitzung der Anordnung zwecks Bildung der Dichtung ausgeschaltet wird.

Vorzugsweise zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Verschließen des Endes einer aus feuerfestem Oxidmaterial gebildeten Röhre mit einem Tonerdegehalt oberhalb 85 Gew.-%, wobei das Verschlußelement aus Niob gebildet ist und die Dichtungsschicht aus einer Legierung aus Titan, Vanadium und Zirkonium besteht, dadurch aus, daß zum Abdichten des Verschlußelementes mit der Röhre drei Abdichtungsringe aus Zirkonium bzw. Vanadium bzw. Titan an dem radialen Flansch des Verschlußelementes punktver-

Jp schweißt werden, so daß beim Einsetzen des Hohlzylinders des Verschlußelementes in die Röhre die Abdichtungsringe sandwichartig zwischen dem radialen Flansch und der radial gerichteten Endfläche der Röhrenwandung angeordnet werden.

Insbesondere dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetalldampfentladungslampe mit einem röhrenförmigen Entladungskolben aus lichtdurchlässigem, feuerfestem Oxidmaterial mit einem Tonerdegehalt oberhalb 85 Gew.-%, die an beiden Enden durch die die Elektroden der Lampe tragenden Verschlußelemente aus Niob verschlossen ist und sich dadurch auszeichnet, daß die beiden Enden des röhrenförmigen Entladungskolbens durch die oben genannten vorzugsweise Verfahrensart verschlossen sind, daß eine Elektrode von dem verschlossenen Innenende des Hohlzylinders jedes Verschlußelementes derart getragen wird, daß sie sich in den Entladungskolben längs der Röhrenachse erstreckt, daß ein elektrisches Leitungselement in jeden Hohlzylinder eingesetzt

jo und an dem verschlossenen Innenende zwecks Bildung eines Elementes zum Anschließen der Elektrode an eine elektrische Stromversorgung befestigt ist, daß die Länge des Hohlzylinders jedes Verschlußelementes derart ist, daß bei Erhitzung des Bereiches des Entladungskolbens einwärts von und in Nähe des geschlossenen Endes des Zylinders die Betriebstemperatur der Lampe sowie die Temperatur der Dichtung zwischen dem radialen Flansch des Verschlußelementes und der radialen Endfläche des Entladungskolbens nicht weit über die Raumtemperatur ansteigt.

Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand der Figur der Zeichnung erläutert, die eine Natriumhochdruckdampfentladungslampe schematisch im Längsschnitt zeigt, die einen röhrenförmigen, lichtdurchlässigen Entladungskolben aus gesinterter, keramischer, 1 Gew.-°/o Magnesium enthaltener Tonerde aufweist.

Der Entladungskolben 1 stellt eine gerade Röhre einer Länge von etwa 120 mm mit einem Innendurch-

messer von 7 mm und einer Wandstärke von 0,8 mm dar. Verschlußelemente in Form von Hülsen 2, 3, die radiale Flansche 4, 5 besitzen und aus Niobblech von 0,178 mm Stärke gebildet sind, sind in die Enden der Röhre 1 eingesetzt. Die Flansche 4,5 sind an die Enden der Röhre zwecks besserer Erläuterung des Befestigungs- und Abdichtungsvorgangs in einer zum Befestigen bereiten Stellung gezeigt. Die Hülsen weisen einen Außendurchmesser von 7 mm, so daß sie in die Röhre 1 dicht einpaßbar sind, sowie eine Länge von 8 mm auf.

Eine Elektrode 6 in Form eines Wolframstabes von 15 mm Länge und 1,2 mm Durchmesser mit einer aufgewickelten Spule 7 aus Wolframdraht, die etwas Aktivierungsmaterial 8 festhält, ist bei 9 mittels Titan auf das verschlossene innere Ende der Hülse aus Niob aufgelötet, so daß die Elektrode innerhalb des Entladungskolbens 1 koaxial gehalten wird. Ein Niobstift 10 ist an die äußere Seite 11 des verschlossenen inneren Endes der Hülse 2 ebenfalls mittels Titan angelötet.

Die zweite Elektrode der Entladungslampe wird durch die Hülse 3 aus Niob getragen und besteht aus einem ähnlichen Wolframstab 12 von 12 mm Länge, auf den eine Spule 13 aus Wolframdraht aufgewickelt ist. Die zweite Elektrode ist mittels Titan an einem Molybdänstab 14 angelötet, von dem 3 mm innerhalb des Entladungskolbens 1 liegen und der durch eine Öffnung in der Mitte des verschlossenen inneren Endes der Hülse 3 hinausragt und sich unter Bildung einer Schulter 15 erweitert, die mittels Titan an die äußere Seite 16 des verschlossenen inneren Endes der Hülse 3 angelötet ist.

Ein Pumprohr 17 aus Titan oder Niob ist auf das äußere Ende des Molybdänstabes 14 aufgepaßt und ist daran, bei im Fall einer Niobröhre mittels Titan, im Fall einer Titanröhre mit Zirkonium- und Vanadiumringen angelötet. Der Molybdänstab 14 wird von seinem äußeren Ende ab von einem Kanal 19 durchsetzt, der bei 20 innerhalb des Entladungskolbens 1 an der Seite des Molybdänstabes 14 endet. Der Kanal 19 dient zum Evakuieren des Entladungskolbens 1 und zum Einführen der Füllung bei der Herstellung der Entladungslampe.

Bei der Herstellung der Entladungslampe wird zuerst die Anordnung aus Hülse und Elektrode, einschließlich der Befestigung der Röhre 17 vorgenommen, wobei sämtliche Lötvorgänge in Vakuum oder einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt werden. Drei Abdichtungsringe aus Metall werden dann über jede Hülse geschoben, so daß sie an den jeweiligen Flanschen anliegen. Die Abdichtungsringe 21, 21'; 22, 22' und 23, 23' sind aus Zirkonium bzw. Vanadium bzw. Titan und weisen eine Dicke von 0,1 mm bzw. 0,04 mm bzw. 0,06 mm auf. Alle Abdichtungsringe weisen einen Innendurchmesser von 7 mm und einen Außendurchmesser von 9 mm auf und sie werden an den jeweiligen Flanschen punktverschweißt Die Anordnungen aus Hülse und Elektrode werden dann in die jeweiligen Enden des Entladungskolbens 1 eingesetzt während sich die Abdichtungsringe zwischen den Flanschen und den Enden der Röhre in den in der Zeichnung gezeigten Stellungen befinden. Die gesamte Anordnung wird in Vakuum oder Argon erhitzt, während die Flansche der Hülsen und die Abdichtungsringe unter Druck gesetzt werden, indem die Anordnung senkrecht aufgestellt und ein Gewicht von 3,5 kg auf den oberen Flansch gelegt wird. Die Anordnung wird dann innerhalb von ungefähr 10 Minuten von Raumtemperatur auf 1400° C ± 50° C erhitzt und anschließend abgekühlt Während der Erhitzung bilden die Einheiten der Abdichtungsringe eine Legierung der Zusammensetzung von 68 Gew.-% Zirkonium, 14 Gew.-% Vanadium und 18 Gew.-% Titan, die weiterhin mit dem Niob der Flansche 4,5 legiert und die Flansche fest an den Enden des Entladungskolbens befestigt.

Der Entladungskolben wird dann evakuiert, und eine Füllung aus Natrium, Quecksilber und einem Edelgas, z. B. Argon unter dem Druck von etwa 20 mm Quecksilbersäule, wird durch das Pumprohr 17 und den Kanal 19 in den Entladungskolben 1 eingeführt. Das Pumprohr 17 wird dann abgeklemmt und durch Lichtbogenschweißen in Argon abgedichtet.

Die in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellte Entladungslampe ist koaxial innerhalb eines nicht dargestellten, zylindrischen äußeren Glasmantels angeordnet, der den Entladungskolben 1 im Betrieb der Entladungslampe auf einer genügend hohen Arbeitstemperatur hält. Nicht dargestellte Stromversorgungsleitungen werden an die Entladungslampe über den Stift 10 aus Niob bzw. das Pumprohr 17 angeschlossen.

Das infolge des Betriebs sowie der anschließenden Abkühlung der Entladungslampe entstehende überschüssige Füllmetall sammelt sich bei 24 in Form eines Natriumamalgams in der Nachbarschaft der verschlossenen Enden der Hülse 2,3 in ausreichender Entfernung von den Abdichtungen am Ende des Entladungskolbens 1, wodurch gewährleistet ist, daß die Abdichtungen auf einer relativ niedrigen Temperatur verbleiben, wenn das Amalgam beim Betrieb der Entladungslampe auf die zum Aufrechterhalten des Dampfdruckes des Natriums erforderliche Temperatur erhitzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verschließen eines offenen Endes einer aus einem oder mehreren feuerfesten Oxiden zusammengesetzten Röhre, wobei am Ende des letzteren ein Verschlußelement als hermetische Dichtung vorgesehen wird, das aus einem feuerfesten Metall oder einer Legierung gebildet wird, das bzw. die einen dem feuerfesten Oxid nahezu gleichkommenden Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, und einen Hohlzylinder aufweist, der in die Röhre eingesetzt ist und an seinem äußeren Ende einen radialen, außerhalb der Röhre liegenden Flansch, möglicherweise mit einer peripheren, zylindrischen Verlängerung, die rund um die zylindrische Außenfläche der Röhre angepaßt ist, besitzt, wobei die Dichtung durch Einsetzen einer Dichtungsschicht zwischen die zusammenarbeitenden Flächen der Röhre und des Verschlußelementes bewirkt wird und die Dichtungsschicht aus einem oder mehreren der Metalle Titan, Vanadium, Zirkonium und Hafnium, möglicherweise mit Niob versetzt zusammengesetzt ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des feuerfesten Oxids und dem des Metalls des Verschlußelementes nahezu gleichkommt, und wobei die Anordnung des Verschlußelementes, der Dichtungsschicht und der Röhre unter Erhitzung auf eine ausreichend hohe Temperatur zusammengepreßt wird, um ein Verschmelzen von Metall der Dichtungsschicht mit dem Metall des Verschlußelementes unter Verbindung des Verschlußelementes mit der Röhre zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder des Verschlußelementes dünnwandig gestaltet und an seinem Innenende verschlossen wird, daß die Dichtungsschicht nur zwischen dem radialen Flansch des Verschlußelementes und die radial gerichtete Endfläche der Röhre eingesetzt wird, und daß der Hohlzylinder des Verschlußelementes derart abdichtend in die Röhre eingepaßt wird, daß ein Eindringen von Metall der Dichtungsschicht zwischen die Außenfläche des Zylinders und die zylindrische Innenfläche der Röhre während der Erhitzung der Anordnung zwecks Bildung der Dichtung ausgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verschließen des Endes einer aus feuerfestem Oxidmaterial gebildeten Röhre mit einem Tonerdengehalt oberhalb 85 Gew.-%, wobei das Verschlußelement aus Niob gebildet ist und die Dichtungsschicht aus einer Legierung aus Titan, Vanadium und Zirkonium besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abdichten des Verschlußelementes mit der Röhre drei Abdichtungsringe aus Zirkonium bzw. Vanadium bzw. Titan an dem radialen Flansch des Verschlußelementes punktverschweißt werden, so daß beim Einsetzen des Hohlzylinders des Verschlußelementes in die Röhre die Abdichtungsringe sandwichartig zwischen dem radialen Flansch und der radial gerichteten Endfläche der Röhrenwandung angeordnet werden.

3. Alkalimetalldampfentladungslampe mit einem röhrenförmigen Entladungskolben aus lichtdurchlässigem, feuerfesten Oxidmaterial mit einem Tonerdegehalt oberhalb 85Gew.-%, die an beiden Enden durch die die Elektroden der Lampe tragenden Verschlußelemente aus Niob verschlossen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden des röhrenförmigen Entladungskolbens durch das Verfahren nach Anspruch 2 verschlossen sind, daß eine Elektrode von dem verschlossenen Innenende des Hohlzylinders jedes Verschlußelementes derart getragen wird, daß sie sich in den Entladungskolben längs der Röhrenachse erstreckt, daß ein elektrisches Leitungselement in jeden Hohlzylinder eingesetzt und an dem verschlossenen Innenende zwecks Bildung eines Elementes zum Anschließen der Elektrode an eine elektrische Stromversorgung befestigt ist, daß die Länge des Hohlzylinders jedes Verschlußelementes derart ist, daß bei Erhitzung des Bereiches des Entladungskolbens einwärts von und in Nähe des geschlossenen Endes des Zylinders die Betriebstemperatur der Lampe sowie die Temperatur der Dichtung zwischen dem radialen Flansch des Verschlußelementes und der radialen Endfläche des Entladungskolbens nicht weit über die Raumtemperatur ansteigt.