DE2311594A1 - Metalldampf-hochdruck-gasentladungslampe - Google Patents

Description

MATSUSHITA ELECTRONICS CORPORATION, Kadoma City, Osaka/Japan ¹¹ Met alldampf-Hochdruck-Gasentladungslampe" Priorität: 8. März 1972, Japan, Nr. 253^2/1972

Die Erfindung betrifft eine Metalldampf-Hochdruck-Gasentladungslampe mit einem dichten röhrenförmigen Kolben aus Aluminiumoxyd, zwei darin angeordneten Elektroden, die jeweils in der Nähe eines Kolbenendes vorgesehen sind, und einer Füllung mit Quecksilber und einem oder mehreren Metallhalogeniden, die im Betrieb verdampfen, wobei das bzw. die Metallhalogenide) in spezifischen Mengen vorhanden sind.

Seit einiger Zeit sind Hochdruck-Gasentladungslampen mit einer Füllung aus Metallhalogeniden in Einsatz gekommen. Als Kolbenmäterial ist bisher meist Quarzglas verwendet worden. Dieser Werkstoff neigt jedoch zur Rekristallisation während der Brenndauer der Lampe, wodurch sich die sogenannte Entglasung ergibt. Diese Entglasungserscheinung schwächt den Lichtstrom der Lampe erheblich,

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Insbesondere wenn bei Hochdruck-Metalldampf-Gasentladungslampen ein

,rohrförmigen
Metallhalogenid in den Quarzkolben eingeschlossen ist, tritt die Rekristallisation, des Quarzglas-Kolbens der Entladungslampe leicht früher auf und ergibt eine schwerwiegende Schwächung des Lichtstromes.

Auch eine Lampenfüllung mit Natriummetallen kann leicht zur Reaktion mit dem Quarzglas und damit zur Beschleunigung der Rekristallisation führen. Deshalb ist im Falle der Verwendung von Quarzglas als Kolbenwerkstoff die Art bzw. Menge der der Füllung zusetzbaren Metallhalogenide stark beschränkt.

Zur Bewältigung dieses Problems ist ein Kolben aus durchscheinendem Aluminiumoxyd als Werkstoff für Gasentladungsröhren entwickelt und für Hochdruck-Natriumdampflampen eingesetzt worden. Der Lampenkolben aus durchscheinendem Aluminiumoxyd hat sich bei Verwendung in Hochdruck-Metalldampflampen als chemisch stabil erwiesen, ohne Entglasungserscheinungen, wie im Falle von Quarzglas, zu zeigen, so daß eine damit ausgerüstete Lampe ausgezeichnete Konstanz des Lichtstromes während der Betriebsdauer zeigt. Da ferner die Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen für Aluminiumoxyd weit größer als für Quarzglas ist, besteht praktisch keine Gefahr, daß die Gasentladungsröhre durch hohe Temperatur bricht.

Jedoch haben sich bei Verwendung von Kolben aus durchscheinendem Aluminiumoxyd an den abzudichtenden Stellen des Entladungskolbens große Probleme ergeben. Man hat hierzu bisher kappenförmige odor rohrförmige Sockel aus Metall verwendet. Die dichtenden Teile die-

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ser Sockel, die mit dem Inneren der Gasentladungsröhre in Berührung stehen, werden allmählich durch die Gasfüllung (z.B. ein Halogen) korrodiert und bewirken dadurch Undichtigkeiten. Deshalb ist bei der Herstellung einer brauchbaren Gasentladungslampe die Konstruktion des Lampensockels, insbesondere die Konstruktion der Abdichtung der Sockelenden, der entscheidene Punkt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Hochdruck-Gasentladungslampe der eingangs genannten Art mit verbesserter und dauerhafterer Ausbildung der Kolbensockel zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Lampenkolben ein Aluminiumoxydrohr, dessen beide Endbereiche dicker als der Mittelteil sind, und zwei jeweils mit den Endbereichen des Rohres verbundene Endscheiben aufweist, die aus Aluminiumoxyd mit von dem Rohr unterschiedlicher Qualität bestehen, einen höheren Druckmodul als das Rohr aufweisen und durch die sich Elektrodenhalterungen in Form von Drähten aus Wolfram oder Molybdän erstrecken.

Durch die Erfindung wird also eine Hochdruck-Metalldampf-Gasentladungsröhre aus durchscheinendem Aluminiumoxyd mit stabiler Gasabdichtungscharakteristik, stabiler Beständigkeit gegenüber Halogeniden und damit der Möglichkeit, ausgezeichnete Farbwiedergabe und Wirksamkeit zu erreichen, zur Verfügung gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert: Hierin sind

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Fig. 1 ein Längsschnitt einer Metalldampf-Hochdruck-Gasentladungslampe bekannter Art,

Fig. 2 ein Längschnitt einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe ,

Fig. 3 bis 5 Teilschnitte des Kolbenendteiles gemäß der Erfindung in vergrößertem Maßstab, und

Fig. 6 und 7 Teilschnitte verschiedener Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer, rünrenförrniger Sockel in vergrößertem Maßstab.

Die in Fig. 1 dargestellte Gasentladungslampe mit Natriumfüllung hat metallische Endkappen 1 aus Niob o. dgl., in die je ein Metallrohr 2 zur Anbringung der Elektroden 201 eingesetzt ist. Die Endkappen 1 sind auf einen rohrförmigen Kolben 3 aus Aluminiumoxyd aufgesetzt, wobei sich die Metallrohre 2 in das Innere des Kolbens erstrecken. Enthält die Lampe jedoch in ihrem rohrförmigen Gasentladungskolben ein Metallhalogenid, so unterliegen die metallischen Endkappen 1 und die als Durchführungen dienenden Metallrohre 2 einer Korrosion während des Betriebes, wodurch bald undichte Stellen auftreten und die Lampe für den praktischen Gebrauch ungeeignet wird.

Man hat versucht, diesem übelstand dadurch abzuhelfen, daß die Lampensockel ebenso wie der Kolben aus durchscheinendem Aluminiumoxyd bestehen. Es wurde jedoch festgestellt, daß solche durchscheinen-

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de Endscheiben sehr leicht brechen. Diese Brüche können nun vermieden werden, wenn man Endscheiben aus undurchsichtigem Aluminiumoxyd verwendet und von den rohrförmigen Durchführungen zu Durchführungsdrähten mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm übergeht. Wenn man jedoch derartige Endscheiben aus undurchsichtigem Aluminiumoxyd verwendet, entstehen in den Endbereichen des Lampenkolbens aus durchscheinendem Aluminiumoxyd an den Verbindungsstellen zuweilen Risse. Es wurde gefunden, daß diese Risse vermieden werden können, wenn beide Endbereiche des rohrförmigen Lampenkolbens aus durchscheinendem Aluminiumoxyd dicker als der Mittelteil gemacht werden. DeshaiD sollen die als Lampensockel dienenden Endscheiben aus undurchsichtigem Aluminiumoxyd bestehen,die Elektrodenhalterungen aus"Drähten bestehen, deren Durchmesser vorzugsweise weniger als 2 mm beträgt, und beide Endbereiche des rohrförmigen Lampenkolbens dicker als der Mittelteil sein.

Für optimale Zuverlässigkeit sollen die Endbereiche mehr als zweimal so dick als der Mittelteil sein, um Risse der Endbereiche durch verschiedene thermische Ausdehnung derselben und der Endscheiben zu vermeiden.

Ein so ausgebildeter Lampenkolben ist für die Füllung mit Halogeniden eines oder mehrerer Metalle geeignet. Vorzugsweise wird AIuminiumhalogenid oder ein Halogenid eines Metalls mit größerer Affinität zu Halogen als Aluminium Verwendet. Zu diesen Halogeniden gehören diejenigen der Alkalimetalle, der Titangruppe und der Niobgruppe des Periodischen Systems, der seltenen Erden und der Aktiniden. Wenn ein Halogenid eines Metalls mit kleinerer Affinität

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als Aluminium zu den Halogenen, z.B. Indium- oder Thallium-Halogenid, in den Lampenkolben eingeschlossen wird, wird dieses Halogenid durch das aus dem Aluminiumoxydkolben während des Betriebes verdampfte Aluminium reduziert, wodurch freies Metall mit niedrigem Dampfdruck und Aluminiumhalogenid entsteht, Dies ergibt eine Abnahme der spektralen Emission dieses Metalls und eine Zunahme derjenigen des Aluminiumhalogenide, wodurch sich eine unerwünschte Farbänderung des abgegebenen Lichtes während des Betriebes einstellt.

Es wurde gefunden, daß Molybdän und Wolfram die einzigen Metalle sind, die den in der Lampe eingeschlossenen Metallhalogeniden standhalten. Die in die Endscheiben des Lampenkolbens eingeschmolzenen Elektrodenhalterungen müssen deshalb aus Drähten oder Stiften aus Wolfram oder Molybdän bestehen.

Es wurden Experimente mit Aluminiumoxyd-Lampenkolben mit verschiedenen Durchmesserverhältnissen tp/t. durchgeführt, wobei t.. die Wandstärke des dünnen Mittelteiles und t₂ die (radiale) Wandstärke der dickeren Endbereiche ist. Es ergaben sich folgende Werte für Lampenschäden durch Risse an den Lampenenden nach 2000 Stunden Betriebsdauer:

t₂/t₁ 1,0 1,5 2,0 3,0 Prozentsatz 100% 60$ 0% 0%

Die in Fig. 2 beispielsweise dargestellte Hochdruck-Gasentladungslampe besitzt einen rohrförmigen Lampenkolben 4 aus Aluminiumoxyd. Hioiür kann durchscheinender, polykristalliner Aluminiumoxyd-Kera-

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mikwerkstoff oder auch monokristalliner Aluminiumoxyd-Keramikwerkstoff Verwendung finden. V/ie der vergrößerte Teilschnitt in Fig. 3 zeigt, ist die Dicke t₂ der Endbereiche des Kolbens größer als die Dicke tj des Mittelteils, wodurch sich eine große Auflagefläche und damit eine gute Verbindung für die Endscheiben ergibt. Vorzugsweise wird gemäß dem obigen Versuchsergebnis folgende Bedingung eingehalten:

Auf beide Enden des rohrförmigen Kolbens ¹J sind Endscheiben 7 und 8 dichtend aufgesetzt, die aus Aluminiumoxyd bestehen und mit eingeschmolzenen Durchführungsdrähten 5 und 6 ausgerüstet sind. Um Korrosion durch die Füllungszusätze zu vermeiden, sollen die Durchführungen aus Wolfram oder Molybdän bestehen. Die Endscheiben brauchen nicht durchscheinend zu sein, sondern sollen undurchsichtig sein. Undurchsichtiger keramischer Werkstoff hat einen Bruchmodul bzw. eine Bruchfestigkeit von 3000 bis 3500 kg/cm , also weit höher als die Werte von 2000 bis 2500 kg/cm , für durchscheinendes Aluminiumoxyd. Eine gasdichte Verbindung der Endscheiben ,7 und 8 mit den Röhrenstirnflächen wird durch einen halogenfesten Zement bewirkt, der Al₃O₅, SiO₂, B₃O₃ und/oder BeO enthält.

Die Endscheiben 7 und 8 haben an ihren Innenflächen·Zentriervorsprünge 7a und 8a (Fig. 2), so daß durch Einführen der Zentriervorsprünge 7a und 8a in die öffnungen *la und ¹Ib an den Enden des Kolbens k die Mitte der Scheiben 7 und 8 genau auf der Achse des rohrförmigen Kolbens k zu liegen kommt. Durch Vorsehen derartiger Vorsprünge und ihr Einsetzen in die Endöffnungen, wobei die Durch-

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messer der Basisbereiche der Vorsprünge und die öffnungen genau zueinander passend ausgebildet sind, ist es sehr leicht, die Endscheiben bei der Massenherstellung genau zentrisch aufzusetzen und zu fixieren. Dadurch wird verhindert, daß die Scheibenmitten sich nicht mit der Kolbenachse decken. Eine· derartige genaue Ausrichtung und Befestigung unterstützt eine hohe Herstellungsproduktivität .

Um Risse der Endscheiben 7 und 8 an den Durchführungsstellen während des Anheizens und Abkühlens beim Ein- oder Ausschalten wegen des Unterschiedes des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxyd und den Molybdän- oder Wolframdrähten zu vermeiden, soll der Durchmesser der Durchführungsdrähte 5 und 6 weniger als 2 mm betragen. Diese Durchführungsdrähte halten bekannte, schraubenförmig ausgebildete Elektroden 9 und 10.

Im Lampenkolben 4 befindet sich ein Edelgas (Xenon, Argon, Neon oder ein Gemisch von Neon und Argon) mit einem Druck von etwa 20 Torr als Zündgas und Quecksilber als Puffergas. Ferner sind 5 bis 10 mg Queckßilberiodid und eine kleine Menge eines oder mehrerer Metalle der Reihe Aluminium, Titan, Scandium, Dysprosium und Thorium als Zusätze im Lampenkolben ¹J vorhanden. Schließlich kann noch zusätzlich eine kleine Menge Natriumhalogenid vorgesehen werden.

Die beschriebene Gasentladungslampe k wird durch Sintern mit Zement abgedichtet und dann in einen äußeren Vakuumkolben (nicht dargestellt) eingesetzt, um eine vollständige Metalldampf-Hochdruck-Gasentladungslampe zu ergeben.

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Pig. ¹J zeigt eine Abänderung eines Endbereiches des Lampenkolbens. Hiernach ist ein vorgeformter Ring 12 aus Aluminiumoxyd an jedem Ende des einfach durchgehend rohrförmig gestalteten Kolbens Ί aus durchscheinendem Aluminium in die öffnung eingesetzt, indem die Ringe 12 und das Rohr 4 bei hoher Temperatur zusammengesintert werden, so daß die Endbereiche des Kolbens größere Dicke als der Mittelteil haben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird ein vorgefertigter Ring 13 aus Aluminiumoxyd am Ende des einfach durchgehend rohrförmig gestalteten Kolbens H aus durchscheinendem Aluminiumoxyd mittels einer Zementschicht I¹J von halogenfester Eigenschaft eingekittet.

Fig. 6 und 7 zeigen Abänderungen der Form der Endscheiben. Die Endscheibe 15 nach Fig. 6 hat einen kegelförmigen Zentriervorsprung 15a, währen^ die Endscheibe 16 nach Fig. 7 einen Zentriervorsprung 16a in Gestalt eines kurzen Zylinders aufweist.

Die Vorsprünge 7a, 15a oder 16a der Scheiben 7, 15 oder 16 machen die Scheiben an den Drahtdurchgangsstellen dicker und wirken dadurch als Verstärkung gegen Rißbildung in Temperaturänderungsperioden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer Hochdruck-Gasentladungslampe beschrieben:

Der Lampenkolben 4 ist gemäß Fig. 3 ausgeführt und hat einen Außen-

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durchmesser d₁ von 18 mm, einen Innendurchmesser dp von 16 mm, einen Durchmesser der Endöffnung d^. von 6 mm, eine Wandstärke des Mittelteils t^ von 1 mm und eine Wandstärke des Endbereiches tp von

Der Lampenkolben H wird dann mit den Endscheiben 16 gemäß Fig. 7 abgedichtet, wodurch ein vollständiges Gasentladungsrohr gemäß Fig.

7 entsteht. Dabei beträgt die Länge des dicken Endbereiches I₁ = 3 mm, die Dicke der Endscheiben I₂ = 2,0 mm, der Abstand zwischen dem dicken Endbereich und der Elektrodenspitze 1, = 10,0 mm, der Abstand zwischen den gegenüberstehenden Elektrodenspitzen 50 mm und der Durchmesser der als Durchführungsdrähte ausgebildeten Elektro- denhalterungen 0,9 mm.

Die Gasfüllung besteht aus 99*5% Neon und 0,5$ Argon mit einem Druck von etwa 20 Torr bei Zimmertemperatur, sowie folgenden Zusätzen:

Sc = 10 mg

HgI₂ = 10 mg

NaI = 20 mg

Hg = 50 mg

Diese Gasentladungslampe strahlt ein Spektrum ab, das gleichmäßig im vollen Bereich des sichtbaren Lichtes verteilt ist und einen allgemeinen Farbwiedergabeindex von 80 bis 90, soviie einen Wirkungsgrad von 55 bis 70 Lumen/Watt aufweist.

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Die beschriebene Lampenkonstruktion ist auch auf Gasentladungslampen mit anderen Zusätzen als Metallhalogenide anwendbar.

Wie bereits beschrieben, ist die Gasentladungslampe gemäß der Erfindung so aufgebaut, daß der röhrenförmige Kolben an beiden Endbereichen eine im Vergleich zum Mittelteil größere V/andstärke aufweist. Dementsprechend besitzen die Endflächen, mit denen die Endscheiben jeweils verbunden werden, größere Dichtflächen als bei herkömmlichen, einfach gestalteten röhrenförmigen Kolben. Dementsprechend besitzt die Gasentladungslampe genügende Festigkeit, um Rißbildung an den Endbereichen des Kolbens aus Aluminiumoxyd und Gasverlust hierdurch zu widerstehen.

Da als Elektrodenhalterungen Drähte bzw. Stäbe aus Wolfram oder Molybdän verwendet werden, werden die Drähte durch dan eingeschlossene Halogengemisch nicht korrodiert, wodurch eine hohe Lebensdauer der Lampe sichergestellt ist.

Da ferner der Durchmesser der drahtförmigen Elektrodenhalterungen geringer als 2 mm gewählt ist, ist Rißbildung in den Endscheiben als Folge thermischer Ausdehnungen wirksam verhindert. Da außerdem die Endscheiben mit in Endöffnungen des rohrförmigen Kolbens eingesetzten Vorsprüngon versehen sind, ist unerwünschtes, nicht-zentrisches Verbinden der Endscheiben ausgeschlossen. Infolgedessen kann die Produktionsleistung bei der Herstellung der Lampen wesentlich gesteigert werden.

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Claims (6)

1. Ansprüche

   ( 1.) Metalldampf-Hochdruck-Gasentladungslampe mit einem dichten röhrenförmigen Kolben aus Aluminiumoxyd, zwei darin angeordneten Elektroden, die jeweils in der Nähe eines Kolbenendes vorgesehen sind, und einer Füllung mit Quecksilber und einem oder mehreren Metallhalogeniden, die im Betrieb verdampfen,wobei das bzw. die Metallhalogenide) in spezifischen Mengen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (4) ein Aluminiumoxydrohr, dessen beide Fndbereiche dicker als der Mittelteil sind, und zwei jeweils mit den Endbereichen des Rohres verbundene Endscheiben (7,8) aufweist, die aus /vluminiumoxyd mit von dem Rohr unterschiedlicher Qualität bestehen, einen höheren Bruchmodul als das Rohr aufweisen und durch die sich Elektrodenhalterungen (5,6) in Form von Drähten aus Wolfram oder Molybdän erstrecken.
2. 2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche des Lampenkolbens (4) mehr als zweimal so dick wie der Mittelteil sind.
3. 3. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenhalterungen (5,6) einen Durchmesser von weniger als 2 mm haben.

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4. 4. Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheiben (7,8) aus undurchsichtigem Aluminiumoxyd bestehen.
5. 5. Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Endscheibe einen Vorsprung (7a,

   15a, 16a) aufweist, der jeweils in eine zentrische Öffnung (4a, 4b) des Rohrendes paßt und als Zentrierführung dient.
6. 6. Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Metallhalogenid(e) mindestens ein Metall aus der Gruppe der Alkalimetalle, Aluminium, der Gruppe der Titanmetalle, der Gruppe der Niobmetalle, der Gruppe der seltenen Erden oder der Gruppe der Aktiniden enthalten.

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