DE2042577A1 - Hochdruckmetalldampfentladungsrohre - Google Patents

Description

München, den 27. August 1970

MATSUSHITA ELECTRONICS CORPORATION
Kadoma, Osaka, Japan

Hochdruckmetalldampfentladungsröhre

Priorität: 29, August 1969 / Japan Anmelde-Nr.: 44-69487 (69487/1969)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckmetalldampf entladungsröhre, die ein geschlossenes, röhrenförmiges Gehäuse aus hochschmelzenden, transparenten, polykristallinen, keramischen Werkstoffen, ein Paar Elektroden, von denen je eine an jedem Ende des Gehäuses eingeschlossen ist, und eine geringe Menge Metalle umfaßt, die im Betrieb in gasförmigen Zustand übe Abgehen.

Hochdruckmetalldampfentladungsröhren können in zwei Arten unterteilt werden, nämlich eine nicht-gesättigte Art, bei der eingeschlossene Metalle wie Natrium im Betrieb völlig in gasförmigen Zustand verdampft werden, und eine gesättigte Art, bei der eingeschlossene Metalle nicht völlig verdampft werden, sondern teilweise in festem oder flüssigem Zustand erhalten bleiben. Bei der zuletzt genannten Art, d.h. der ge-

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sättigten Art, von Entladungsröhren "bleiben die festen oder flüssigen Metalle an den kühlsten Stellen an "beiden Enden des Gehäuses zurück. Im allgemeinen hängen die Strahlungsabgabemerkmale der Entladungsr-öhre, wie die Färbtemperatur und die Farbwiedergabeeigenschaft, vom Druck verdampfter Metalle ab und schwanken entsprechend diesem Druck, der von der Temperatur der kühlsten Stellen bestimmt- ist.

Bei einem Beispiel bekannter Hochdrucknatriumdampflampen ist die Temperatur der kühlsten Γ.bellen so gewählt, daß sie im Bereich von etwa 600 bis 70O⁰C liegt, um den Natrium-™ dampfdruck innerhalb eines Bereichs von etwa 100 bis 200 Torr zu steuern; derartige Hochdrucknatriumdampflampen können nur eine Farbtemperatur von 2100° K und einen Farbwiedergabeindex von 25 erreichen, beides Werte, die für allgemeine Beleuchtungszwecke nicht recht zufriedenstellend sind. Bei einem Natrium-•dampfdruck im Bereich von 300 bis 1000 Torr können jedoch die Strahlungsabgabeeigenschaften derartiger Lampen, insbesondere die Farbwiedergabeeigenschaft, verbessert werden.

Um einen Natriumdanpfdruck von mehr als 300 Torr zu erzielen, muß die Temperatur der kühlsten Stellen an beiden Enden der Entladungsröhre angehoben werden. Es gehört bereits ) zum Stand der Technik, bei Metallhalogenidlampen und Hochdruck-Quecksilberdampflampen einen Wärmeisolierungsüberzug an den beiden kältesten Stellen der Entladungsröhren vorzusehen. Diese bekannten Beispiele verwenden Wärmeisolierungsüberzüge wie Titanoxyd oder Kohlenstoff an beiden Enden um den Abdlchtungstereich der Außenfläche der Entladungsröhre herum. Hierbei wird zwar ein Wärmeisolierungseffekt erreicht, um die Temperatur der kältesten Stellen anzuheben,· jedoch ist das Fehlen der Wärmeleitfähigkeit des Überzugsmaterials nicht geeignet, eine ideale Wärmeverteilung über die gesamte länge des röhrenförmigen Gehäuses zu erzielen.

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ORlQtNAU INSPECTEO

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckmetalldampfentladungsröhre mit verbesserter Farbtemperatur und guter Farbwiedergabe der Strahlungsabgabe zu schaffen, wie sie für allgemeine Beleuchtungszweeke wünschenswert ist. Um eine verbesserte Farbtemperatur und eine gute Farbwiedergabeeigenschaft zu erzielen, muß der Natriumdampfdruck einer solchen Entladungsröhre über 300 Torr liegen. Die einfachste Art, den Natriumdampfdruck anzuheben, besteht darin, eine größere Eingangskraft an die Lampe anzulegen, was ein unerwünschtes Ansteigen der Wandbelastung der Entladungsröhre verursacht und zu einer thermischen Zersetzung des aus Alumi— niumoxyd bestehenden keramischen, röhrenförmigen Gehäuses führt, wenn die Temperatur desselben über 1200⁰C ansteigt.

Gemäß der Erfindung hat sich nun gezeigt, daß die Temperatur der kältesten Stellen einer Hochdruckmetalldampfentladungsröhre dadurch angehoben werden kann, daß eine oder mehrere Schichten eines wärme!eitfähigen Metalls oder von wärmeleitfähigen Metallen mit hohem Schmelzpunkt, niedrigem Dampfdruck und guter Wärmeleitfähigkeit durch festes Umwickeln einer oder mehrerer Metallfolien, chemischen Niederschlag oder Fiederschlag im Vakuum oder durch unmittelbares Zerstäuben eines oder mehrerer Metalle an aen kältesten Stellen vorgesehen werden, die an beiden Enden der Entladungsröhre eines geschlossenen, röhrenförmigen Gehäuses.aus transparenten, polykristallinen, keramischen Werkstoffen, beispielsweise Aluminiumoxyd von hoher Dichte, liegen, in dem eine geringe Menge Quecksilber und Alkalimetall eingeschlossen sind, wodurch di'e Wärmestrahlung von den kältesten Stellen wirksam isoliert und die Wärme vom mittleren Teil des röhrenförmigen Gehäuses zu den kältesten Stellen geleitet wird.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden.im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach der Erfindung;

Pig. 2 ist eine graphische Darstellung der Verteilung der Außenwandtemperatur in Längsrichtung;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Spektralverteilung bei der Entladungsröhre gemäß dem hier gezeigten Ausf iihrungsbei spiel.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die "beiden Endbereiche eines Gehäuses 1 der Entladungsröhre, welches aus einer transparenten, polykristallinen, keramischen Röhre, beispielsweise aus Aluminiumoxyd von hoher Dichte, besteht, jeweils mittels einer Scheibe 2 hermetisch abgedichtet,, durch die in gleichfalls hermetisch abgedichteter tfeise je eine Metallzuleitung 3 geführt ist. Die Abdichtung sowohl zwischen der Leitung 3 und "der Scheibe 2 als auch zwischen der Scheibe 2 und ■dem Gehäuse 1 ist jeweils mit keramischem Zement hergestellt. Das röhrenförmige Gehäuse enthält ein Edelgas, beispielsweise Xenon, als Zündgas und eine erhebliche Menge eines Metalls als Bodenkörper 4, beispielsweise Natrium zusammen mit Quecksilber, welches als Schutzgas dient. Vorzugsweise sind die Endverschlußscheiben 2 aus dem gleichen keramischen Werkstoff hergestellt wie das röhrenförmige Gehäuse 1, jedoch sind auch keramische Werkstoffe geeignet, deren Wärmedehnungskoeffizient dem der Metalleitungen 3 angenähert ist, welche aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Niobium, Tantal, Molybdän usw. bestehen. In beiden Endbereichen des röhrenförmigen Gehäuses sind um die Außenwand herum wärmeleitfähige Schichten 5 vorgesehen, die ein Merkmal der Erfindung darstellen. Als Werkstoff für diese wärmeleitfähigen Schichten 5 ist ein Metall geeignet, welches einen hohen Schmelzpunkt und niedrigen Dampfdruck sowie gute Wärmeleitfähigkeit hat und aus folgender Gruppe gewählt ist: Titan, Vanadium, Rhodium, Ruthenium, Molybdän, Niobium, Tantal, Wolfram, Platin, Iridium, Rhenium und Osmium.

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Die wärmeleitfähigen Schichten 5 sind entweder durch festes Umwickeln einer Metallfolie oder von Metallfolien um die Endbereiche oder durch chemischen Niederschlag oder Niederschlag im Vakuum oder durch Zerstäubungsverfahren gebildet. Sie dienen dazu, die Temperatur der kältesten Stellen an beiden Enden des röhrenförmigen Gehäuses anzuheben.-

Im allgemeinen handelt es sich bei der hier in Präge kommenden Entladungsröhre um'eine gerade Röhre mit einsm Innendurchmesser von 6 bis 15 mm. Im Betrieb wird die mittlere Außenwandoberfläche derselben auf etwa 1200⁰C erhitzt, und von hier aus zu beiden Enden der Röhre hin nimmt die Außenwandoberflächentemperatur in einer Kurve ab, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch, daß die wärmeleitfähigen Schichten 5 an den kältesten Stellen vorgesehen sind, die noch weiter zu den Enden hin liegen als zwei Entladungselektroden 6, welche in der Nähe beider Enden im röhrenförmigen Gehäuse 1 an den Spitzen der Metallzuleitungen 3 angeordnet sind, wird die Temperatur der kältesten Stellen, wie die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt, um 50 C oder mehr La Vergleich zu bekannten Entladungsröhren angehoben, deren Temperatur durch die gestrichelte linie in Fig. 2 angedeutet ist. Das beruht auf folgendem:

1) Die Wärmeansammlung an der Außenwandoberfläche im Hochtemperaturbereich zwischen dem Elektrodenpaar 6 wird in wirksamer Weise zu den Röhrenendbereichen geleitet.

2) Die innerhalb der Röhre, insbesondere an den inneren Endbereichen der Röhre erzeugte Wärmestrahlung wird nach innen reflektiert und in jedem Endbereich eingeschlossen, ohne nach außen abzustrahlen, was au einem Steigen der Temperatur an den kältesten Stellen führt. Folglich ist eine Temperatur von 650 bis 800⁰C an den kältesten Stellen erreichbar, während die höchste Temperatur an der mittleren Außenwand-

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- 6 Oberfläche der Röhre bei 1200⁰C gehalten wird.

Bei Verwendung von Metallendkappen anstelle der keramischen Scheiben 2 wird eiie gleiche erfindungsgemäße Wirkung erzielt.

Versuche gemäß der Erfindung haben gezeigt, daß eine praktisch verwendbare Entladungsröhre von hoher Farbwiedergabequalität erhalten wird, wenn die beiden wärmeleitfähigen Schichten 5 um die Außenwandοberflache e'er Röhre herum vorgeseher werden. Diese wärmeleitfähigen Schichten 5 an der Außenwandoberfläche sind vorzugsweise jeweils auf einen Bereich zwischen dem Ende des röhrenförmigen Gehäuses und 5 mm über die vordere Spitze 7 jeder Elektrode 6 hinaus in Längsrichtung zur Mitte des Gehäuses 1 begrenzt.

Bei einem Beispiel war eine Tantalfolie in einer Stärke von 0,02 mm und einer Breite von 12 mm an beiden Enden der Röhre zwischen der Stelle 5 mm vor der vorderen Spitze der Elektrode in Richtung zum mittleren Bereich der Röhre und dem Röhrenende an beiden Enden der Röhre eng um das röhrenförmige Gehäuse gewickelt, und es wurde die in Pig. 3 gezeigte Spektralverteilung bei einer Röhrenwandbelastung von 20 W/cm erzielt. Die lampenmerkmale dieser Entladungsröhre lassen sich wie folgt zusammenfassen: Lampenspannung 320 V, Farbtemperatur 3000⁰K, Farbwiedergabeindex 78 nach der C.I.E.-Empfehlung (Commission Internationale de l'Eclairage). Mit der bekannten Hochdrucknatriumdampflampe wurden "bei gleicher Eingangskraft wie bei dem erfindungsgemäßen Beispiel eine Lampenspannung von 100 V, Farbtemperatur von 210O⁰K und Farbwiedergabeindex von 25 nach der C.I.E.-Empfehlung erzielt. Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel ist dem bekannten gegenüber hinsichtlich seiner FarbwiedergabeeigensOhaft infolgedessen weit überlegen.

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Wenn bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die wärmeleitfähige Schicht 5 über die Grenze von 5 mm von der vorderen Spitze der Elektrode 6 in Richtung zur Mitte des Gehäuses verlängert wäre, würde sie einen Teil der Strahlungsabgabe abschirmen und dadurch die Leuchtwirkung der Entladungsröhre herabsetzen. Aus praktischen Gründen sollten daher, wie oben erwähnt, die Schichten zwischen dem äußersten Ende der Röhre und 5 mm von der Spitze der Elektrode 6 zur Mitte des Gehäuses 1 hin begrenzt sein«

Anstelle von Tantal ist ein beliebiges Metall aus der oben erwähnten Gruppe für die wärmeleitfähigen Schichten 5 verwendbar. Wenn beispielsweise ein Molybdänfilm in einem chemischen Niederschlagsverfahren aufgebracht wird, wird der Endbereich der keramischen Röhre zur Vorbereitung auf etwa 600 bis 70O⁰C erhitzt, und ein gemischtes Gas aus Molybdänpentachlorid (MoCIc) und Wasserstoff wird mit den gewünschten Bereichen der Röhre in Berührung gebracht, woraufhin sich Molybdän zur Bildung von Filmen niederschlägt. Eine solche Röhre lcann als Entladungsröhre verwendet werden.

Um durch Niederschlag im Vakuum Titanfilme zu schaffen, wird Titan durch Erhitzen auf beispielsweise etwa 2000°0 verdampft und zu filmartigen Schichten auf den nötigen Teilen einer keramischen Röhre niedergeschlagen.

Wenn Niobium oder Tantal im Zerstäubungsverfahren niedergeschlagen werden, werden beide Endbereiche der Röhre mit Folien aus Niobium oder Tantal umwickelt und der mittlere Bereich der Röhre mit einem elektrisch isolierenden Stoff wie einem Porzellanrohr überdeckt, an dem eine positive Wolframelektrode vorgesehen ist. Dann wird eine Entladung im Vakuum verursacht, wobei die Niobium— oder Tantalfolisi als negative Elektrode dienen und das Niobium oder Tantal auf der Röhre zerstäubt und niedergeschlagen wird. Als Metall kann jedes

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Metall der obengenannten Gruppe in der Art der hier erwähnten Beispiele aufgebracht werden.

Als Werkstoff für das röhrenförmige Gehäuse einer Entladungsröhre nach der Erfindung sind transparente, polykristalline, keramische Werkstoffe von hoher Dichte verwendbar, beispielsweise Aluminium-, Beryllium- oder Magnesiumoxyd von hoher Dichte, die gegenüber Natriumdampf chemisch beständig sind und einen hohen Schmelzpunkt haben.

Gemäß der Erfindung ist also eine Hochdruckmetalldampf entladungsröhre von hoher Farbwiedergabequalität mit einem einfach auszuführenden Verfahren zu schaffen, indem beispielsweise wärmeleitfähige Schichten aus einem oder mehreren Metallen mit hohem Schmelzpunkt, niedrigem Dampfdruck und guter Wärmeleitfähigkeit um beide Enden des röhrenförmigen Gehäuses herum vorgesehen werden. Hierdurch v/erden industrielle Fertigungsvorteile und eine hohe Leistungsfähigkeit erzielt, und die erfindungsgemäße Entladungsröhre hat eine längere Lebensdauer unter den gleichen Brennbeciingungen v/ie bekannte Hochdruckmetalldampfentladungsröhren.

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Claims (1)

1. Ansprüc'he

   Iy Hochdruckmetalldampfentladungsröhre mit einem geschlossenen, röhrenförmigen Gehäuse aus einem transparenten, polykristallinen,· keramischen Werkstoff von hoher Dichte, einem Paar Elektroden, die jeweils in der Nähe der "beiden Enden des Gehäuses eingeschlossen sind/ einem Edelzündgas, und einer kleinen Menge Quecksilber sowie zusätzlich mindestens einem ionisierbaren Mittel von Alkalimetallen in einer £.ur Bildung eines im Gehäuse eingeschlossenen, gesättigten Metalldampfes ausreichenden Menge, dadurch gekennzeichnet , daß Schichten (5) aus wärmeleitfähigem Metall mit hohem Schmelzpunkt, niedrigem Dampfdruck und guter Wärmeleitfähigkeit an der Außenwand beider Endbereiche des röhrenförmigen Gehäuses (1) gebildet sind.

   '2. Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß das wärmeleitfähige Metall mindestens ein Metall aus der Gruppe Titan, Vanadium, Rhodium, Ruthenium, Molybdän, Niobium, Tantal, Wolfram, Platin, Iridium, Rhenium und Osmium ist.

   3. Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Schicht in Form einer um die beiden Endbereiche des röhrenförmigen Gehäuses gewickelten Metallfolie vorgesehen ist.

   4. Hochdrucköletalldampfentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten durch chemische Zersetzung einer chemischen Verbindung des wärraeleitfähigen Metalls gebildet sind.

   5. Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schich-

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   ten durch Niederschlag des wärmeleitfähigen Metalls im Vakuum gebildet sind.

   6. Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten durch Zerstäuben des wärmeleitfähigen Metalls gebildet sind.

   7. Hochdruckmetalldampfentladungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge.kennzeichnet, daß die Schichten auf einen Bereich zwischen dem Ende des röhrenförmigen Gehäuses (1) und 5 mm über die vordere Spitze (7) der Elektrode (6) in Richtung zum mittleren Bereich des röhrenförmigen Gehäuses (1) hin begrenzt sind.

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