DE2023772A1 - Metallhalogenidentladungslampe - Google Patents

Description

Dr. Horst Schiller

jPatgntanwatt β Frankfurt /Main 1

Niddaetr. 52

H. Mai 1970

H61-LD-5463

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./USA

Metallhalogenidentladungslampe

Die Erfindung bezieht aich auf eine Hochleistungsentladungslampe mit einer Aluminiumtrichloridfüllung.

Die Hochdruekquecksilber-Dampflampe wurde in den letzten Jahren durch Zusätze bestimmter Metalljodide zur Hauptfüllung aus Quecksilber und Edelgas sowohl hinsichtlich .der Farbwiedergabe und Lichtausbeute verbessert. Am meisten wurden Zusätze wie Natriumiodid, Thalliumjodid und Indiumjodid bevorzugt und verwendet. Die Anwesenheit von Natriumiodid bewirkt einen beträchtlichen Anstieg des V/irkungsgradea und die Kombination von Metallen vervollständigt durch ihre Resonanzlinien die Quecksilberstrahlung im Blaugrün- und Gelbbereich des Spektrums. Obwohl die ffarbwiedergabe, die hauptsächlich aus Linien besteht, die ein schwaches Kontinuum überlagern, sehr verbessert wurde, ist sie kein Äquivalent zum natürlichen Tageslicht.

ORIGINAL INSPECTED

00985Ü/U40

Eine Entladung durch Aluminiumtrichloridaänipfe ergibt eine Emission, die nahezu vollständig in der Näne der. Sonnenstrahlung liegt, Y/enn man jedoch versucht, eine Lampe in der üblichen Bauart mit einem Kolben aus Quarz oder Quarzglas, V/olfraiaelektroden und einer Füllung aus Argon, Quecksilber und Aluwiniuiatrichlorid herzustellen, findet man, dass der Kolben sehr schnell mit deu Aluminiuiuchlorid reagiert und entglast, während die V/olframelektroden in wenigen Minuten zerstört werden, üogar während der kurzen Lebensdauer ist die Lampe ni.;ht stabil, αa das als Elektrodenmaterial eingesetzte Wolfram von kälteren zu wärmeren Regionen der Elektrode transportiert wird und aich dadurch deren Form schnell ändert. Die ."Instabi-- · lität wird verstärkt durch Eintritt von Verunreinigungen in den Lichtbogen, z.B. von SiGl., das durch die Reaktion zwischen Aluminiumtrichlorid und BiO^ entsteht, ferner durch Änderung der Liohtdurchlässigkeit, die auf baldiges Entglasen des Kolben» zurückzuführen iat und durch Änderungen dea Dampfdrucks der Komponenten, die durch Änderung der thermischen Zustandsform der Komponenten in der Lampe verursacht wird.

Ziel der Erfindung ist daher eine verbesserte Aluminiumchloridlampe von längerer Lebensdauer und stabiler Charakteristik, mit der die oben genannten Nachteile vermieden werden.

Es wurde gefunden, dass in aluminiumchlorxdhaltigen Entladungslampen die Korrosion der im Lampenkolben enthaltenen Metalle, wie s.B« Violframelektroden, erheblich vermindert werden kann, wenn in der Lampe die folgende Bedingung eingehalten wird (!Formel I) ϊ

ÜÜ >

in der /Mj die Gesamtkonzentration der Metalle und (Gi

0 0 9 8 5 0/1440 *^AD O^RlGINM*

die Geaaiiitkonzentration des Chlors bedeuten. Um diese Bedingung zu realisieren, kann in die Laupe überschüssiges uetall, zweckmäßig Aluminium eingebracht werden. Zu:>atzlic:. können der Lampenfüllun_o· Jodide des Metalls, besonders Aluminiuutrijodid zugesetzt werden. Hierdurch wird zusätzlich dia Ausmaß der Korrosion an den Elektroden vermindert.

Es wuj \ie ferner, gefunden, dass Aluminiumtri chlor id mit ie.u ^uarzkolben der Lampe unverträglich ist, da Aluminiumtric.lori'J ait UiO₂ reagieren kann. Es ist daher erforderIier., einen Laupenkolben zu verwenden, der nicht durch Alur.iiniuiachlori-1 angegriffen wird. x)ies ist der Fall, bei dichten aluiainiuai-oxydkeramischem Llaterial mit hoher JicUte, da Aluminiuiiitrichlorid mit dem Al^O, nicht reajiert. Wenn man jedoch Lampenkolben aus geschmolzener Kieselsäure (^uarz) verwenden will, muß das Quarz durch einen inneren AIpO,-Überzug geschützt werden.

Die Erfindung wird durch die folgenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Aluiainiumchloridlaiiipe Liit einem aluminium-oxydkeramisehen Mantel,

Fig. 2 zeigt das Spektrum eines Aluminiumchlorid-Lichtbogens.

Ein Maß für den Umfang der durch Chloride an Wolfram hervorgerufenen Korrosionen ist der (llelchgewichtsgasdruck der in der Lampe gebildeten V/olframverbindungen. Me auf iVerten der JAWAF-Tabellen und deren Ergänzungen basierenden Ergebnisse thermodynamischer Analysen sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengestellt %

0098S0/1U0

_ 4 Tabelle

Lampen-Bestandteile

^PWG1, ^bel 1ooo°K

P_WG1 bei
2ooo°K

^PWG1 ^bei 3 000⁰K

spurenfreies GI

P = 1o~⁵Torr Gl₂

nur AlCl.

q -12

5,4 atm 4 x lo—^atm 4 x 1o atm

1o~ atm 4 χ 1o~ atm ο ,3 atm

^atm

A1C1₃+A1
^ΡΑΐσΐ, = 1 atm

A1C1

^atm

1o" atm 1o~ atm 1,2 x1o"* atm

+ Al + » ^PA1C1 = ^{1 atm}

A1C1

AlI

atm

2,5x1o"" atm 2 χ Io atm

Die erste Zeile der Tabelle gibt den (ileichgewichtsdruck von Wolframchlorid an, der sich in Gegenwart von 1ο""* Torr oder 1 Mikron Chlor in Anwesenheit τοη Aluminium oder eines anderen Gettermetalls ausbildet. Me für diesen Fall in Betracht komiiiende Gleichung lautet:

W (θ) + Cl (g)

w_xci_y (g)

Die zweite iSeile der Tabelle enthält die Ergebnisse für aen Pail, dass nur Aluminiumtrichlorid in der Lampe vorhanden ist. Die? Reaktion verläuft dann wie folgt:

AlCl, (g) + W (s) —^ W Cl (g) + AlCl

Λ. λ J

II

009850/1440

BAP ORIGINAL

Die dritte Zeile derlabelle zeigt die Ergebnisse, die erhalten weruen, wenn Aluminumtrichlorid und Aluminium in der Laiape vorhanden sind.
Die Reaktion läuft dann wie folgt:

2A1C1 (g). + W{s)—* W_xOl (g) + 2 Al (g) III

Schließlich sind der letzten Zeile die Ergebnisse zu entnehmen, die durch Anwesenheit von Aluminiumtrichlorid, Aluminium und Aluminiumjodid in der Lampe erhalten werden. Die Reaktion verläuft dann wie nach Formel III, jedoch mit dem Aluminiunipartialdruck, der sich durch die folgende Dissoziation bildet: ■

All Cg) —* Al (g) +1 (g) IV

Die Tabelle zeigt deutlich die Verminderung der Korrosion, die durch Anwendung überschüssigen Metalls und Metall^odida erreicht wird.

Da gewisse Unsicherheiten bei der Bestimmung der Werte zu berücksichtigen sind, sollten die Daten mehr im qualitativen als im absoluten Sinne aufgefasst werden. Sie zeigen jedoch klar einen starken Effekt, der erfindungsgemäß durch die zugesetzten Metalle und Metalljodide erzielt wird.

Diese thermodynamischen Erwägungen aind nicht nur auf Aluminiumchlorid sondern auch auf andere Halogenidsysteme anwendbar.

Aus den folgenden G-ründen ist ein Überschuß von Metall, insbesondere von Aluminium in der Lampe erwünscht;

(1) Sauerstoffhaltige Spurenverunreinigungen können in der Lampe aus Aluuinlumtrichlorid Chlor entsprechend

Q09850/UAO

der folgenden Formel in Freiheit setzen:

AlCl₅ + [θ] —-> ^A12°3 ⁺ I ^G12 ⁷

Die Spuren freien Chlors können dann einen Transportzyklus starten, an dem die Metalle der Lampe beteiligt sind. Hierdurcü werden die Elektroden sehr schnell angegriffen. Wenn jedoch überschüssiges Aluminium zugegen i ,t, werden entweder die Sauerstoffverunreinigungen oder die dpuren freien Chlors gegettert und damit der Transportzyklus verhindert.

(2) Bei hohen Temperaturen kann Aluminiuiatrichlorid entsprechend der folgenden Gleichung direkt dissoziieren und Chlor freisetzen;

AICl, · > AlCl + 2Cl 71

Das im Überschuß vorhandene Aluminium neigt dazu, mit dem freigesetzten Chlor zu reagieren und vermindert so das Ausmaß des Angriffs auf die Wolframelektroden. Wenn die Lampe ausgeschaltet wird und abkühlt,verlauft die Reaktion III in umgekehrter Richtung. Überschüssiges Aluminiummetall kann daher oft als Ablagerung in i'oriu dendritischer Kristalle oder als dunkler Film beobachtet werden.

Der durch Aluminiumtrijodidzusätze zur Lampenfüllung ausgelöste günstige Effekt einer weiteren Verminderung αes Angriffs auf die Elektroden ist wahrscheinlich auf die folgenden drei Faktoren zurückzuführen:

(1) Das aus Aluminiumtrichlorid durch Sauerstoff enthaltende iJpurenverunreinigungen (Reaktion II) freigesetzte Chlor kann die 7/olframelektroden angreifen, bevor es zum überschüssigen Aluminium gelangt und dort gegettert

0 0 9 8 5 0 / 1 A A 0 bad original

wird. V/enn jedoch Aluminiuriitrijodid in der Lampenfüllung vorhanden ist, kann die folgende Reaktion ablauf es π:

\ ^C12 +All*—* ^A1C13 ⁺ \H VII

Obwohl beim Aufwärmen der Lampe vorübergehend etwas .freies Jod vorhanden sein mag, ist der Angriff auf die V/olfrainelektroden weit geringer, da Jod schwächer als Chlor mit Wolfram reagiert. ■ ·

Jod kann weiterhin zum überschüssigen Aluminium gelangen und sich dort zu Aluminiumtrijodid regenerieren. Jie Zusammensetzung der Lampenatmosphäre· bleibt daher konstant. Lediglich etwas vom überschüssigen Aluminium wird verbraucht, um sauerstoffhaltige öpurenverunreinigungen zu gettern.

(2) Die Anwesenheit von Aluminiumtrijodid in der Lampenatmosphäre erhöht weiterhin die Aluminiumkonzentration und vermindert die Chlorkonaentration. Dies wiederum vermindert die Korrosion der Lampenelektrpden. Mit anderen Worten verflüchtigt Jod das Überschüssige Metall und reduziert dabei das Ausmaß der durch Chlor an den Elektroden hervorgerufenen Korrosion.

(3) Me Anwesenheit von Jodiden kann ebenfalle regenerative Transportzyklen fördern, die dazu beitragen, die Wände der Lampe von Wolframablagerungen freizuhalten.

Eine erfindungsgeiaäße Bogenlampe wird durch Pig. 1 erläutett, Die Lampe enthält den Kolben 2 aus Keramikrohr, das aus gesinterten hochverdichtetem polykristallinem Aluminiumoxyd besteht. Das Ilaterial neigt eher dazu, transluzent als klär und quaraähnlich zu sein, hat jedoch eine vortreff-

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lieh hohe Lichtdurchlässigkeit und ist daher gut für Lampenzwecke geeignet. Das Mittelstück der Lampe ist fortgelassen worden, uin die Abbildung zu verkürzen. Die Innenkonstruktion ist aus dem im Schnitt gezeichneten Teil ersichtlich. Beispielsweise ist in ,einer 4oo W-Lampe das Lichtbogenrohr etwa 65 nun lang, .hat einen Innendurchmesser von 7 am und einen Elektrodenabstand von 4o mm. Die Rohrenden sind durch muffenarti;e Hiobverschlüsse ocLer Endkappen 3 und 3¹ verschlossen und durch eine Aluminiumoxyd/Kalziumoxyd-Misciiung 4 hermetisch abgedichtet. Ein Niobrohr 5 ragt durca die iJuffe hindurch und wird während der Herstellung als Entlüftung benutzt und anschließend verschlossen. Die thermionische Elektrode 6 ist in jedes Röhrende einmontiert und wird durch das Niobrohr 5 von der Endkappe 3 her getragen.

Die Füllung des Lichtbogenrohrs besteht aus Aluminiuutrichlorid, Aluminium, Quecksilber, Argon und gegebenenfalls Aluminiumtrijodid. In aer abgebildeten Lampe sind folgende Mengen enthalten: 1 mg Aluminiumtrichlorid, o,5 1 mg Aluminium, 5 mg Quecksilber und Argon bei 2o Torr. Das Lichtbogenrohr arbeitet an seinen Enden bei Temperaturen von mehr als 6oo ⁰C und dies bedeutet, dass die Metallendkappen vor Oxydation geschützt werden müssen. In einer zweckmäßigen Lampe wird das Lichtbogenrohr nicht in Luft betrieben sondern in einen evakuierten (nicht gezeigten) Außenmantel montiert 1 Jie gezeigte Lampe arbeitet bei 2oo V und einem 3trom von 1,6 A bei Wechselstrom. Eine dpitzenspannung beim Wiederentzü-nden von 6oo V wurde beobachtet. Um Angriffe auf die Elektroden weiter zu vermindern, können 0,1 mg Aluminiumtrijodid zur Füllung zugefügt werden. Die yueckBilberinenge kann reduziert werden, um den durch Aluininiumt ijodid hervorgerufenen zunehmenden Üpannung3abfall am Lichtbogen zu kompensieren.

Die Aluminiumchloridlampe Kann ebenfalls unter Verwendung _% 009850/1440 BAD ORSG'MAL

eines Lichtbogenrohrs aus yuar/Sglas oder Quarz hergestellt werden, wenn die Innenseite mit- einem Überzug aus Aluminiumoxyd versehen ist, der das -Siliziumdioxyd vor dem Angriff des AluminiuHitrichloriJs schützt. Ein Verfahren, um Siliziumdioxyd mit einem Aluminiumoxydüberzug zu versehen, besteht darin, das heiße Rohr einer iliachung als Aluminiuiatrichloriddampf und einer oxydierenden Gasmischun^, zweckmäßig GOp» verdünnt mit ü.rgon auszusetzen. Dabei verläuft die folgende Reaktion:

[Öl]

Beispielsweise wurde eine Aluminiumchloridlampe au-a einem aluminiumoxyd beschichte ten Siliziuxudioxydkolben hergestellt, der ein Volumen von 0,2 - 1 ecm hatte und mit 2,2 mg Aluminium, 3,9 mg Quecksilberchlorid und Ar₀on von 4o Torr gefüllt war. Die Lichtbogenstrecke betrug etwa 4 mm; bei 6oo Wate, 5,1 A und 148 V war der Wirkungsgrad 75 Lumen pro v/att.

Im Falle eines Aluminiumdioxydkolbens können die ITiobendkappen direkt mit dem Mantel versiegelt werden, indem sie zunächst möglichst genau passend eingesetzt und dann im Vakuum auf möglichst hohe Temperaturen erhitzt werden. «Venn das andere Versiegelun^sverfahren - Versiegelung mit einer Mischung von Kalziumoxyd und Aluminiumoxyd zuu Anbringen der iJiobendkappen angewandt wird, können die versiegelten Bereiche mit Aluminiumoxyd beschichtet werden, um das Kalziumdioxyd von Aluminiumchloridangrif-. fen zu schützen.

In J?ig. 2 der Zeichnung wii'd das Spektrum der Aluminiumchloridlampe durch die Kurve"1 ι wiedergegeben. Die gestrichelte Linie 12 zeigt zum Vergleich das Sonnenspektrum, während die Kurve 13 die öensitivitätskurve des Auges ist.

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- 1ο -

Es ist zu sehen, dass das iüpektrui.: ein starkes Kontinuum mit einer großen Anzahl relativ schwacher übergelagerter Linien oder Banden ist. Jie Amplitude ist in der Region der /aigensensitivitätskurve jroö, no dass e■ne hohe Lichtausbeute von der Entladung erwartet wer^e . Kann, «easunge.i haben Wirkungsgrade von 7o Luisen pro ./att ιιηα uehv ergeben.

G 09850/1440 ' ^8AD0MAL

Claims (5)

1. 2Q23772

   Iratetitans-pruche

   filHoehleistun_f;slieht bogenlampe, gekennzeichnet durch einen lichtdurchlässigen Kolben
   aus einen. >.Iaterial, das bei erhöhter Temperatur nicht mit Aluminiumtrichlorii reagiert, ferner durch in
   die linden einresie^elten Elektroden und mit einer
   Füiiun.s, -.ie üluminiumtricklorid, Aluminium und ein
   Inertgas, das das starten erleichtert, enthält.
2. 2. Lampe ηαοα Annprucn 1, dadurch gekennzeichnet, da£3.'3 die füllung zusätzlich Aluminiumtrijodid enthält.
3. 3.Lampe tnch .uioprucli 1, daaurch gekennzeichnet, du3S die füllung zusätzlich Aluminiumtrijodid un ι Quecksilber enthalt.
4. 4.Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der xLolcen aus hochverdichteteiu polykrintallinem Aluminii.inioxyd besteht.
5. 5. Lampe n*;ch .Lnsprucii 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Kolben aus Quarzglas besteht, das auf der Innenseite mit «.Iner Üahutsschich-t "-aas
   Aluminiuaoxj^rd versehen ist.

   BAD ORtGINAL ORIGINAL. INSPECTED

   009850ΠΑ40

   eerseife