DE2401947A1

DE2401947A1 - Entladungslampe und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2401947A1
Application number: DE19742401947
Authority: DE
Inventors: Joseph Henri De Maeyer; Dat Nhiep Nguyen
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-01-17
Filing date: 1974-01-16
Publication date: 1974-07-25
Also published as: AU6438074A; FR2214170A1; FR2214170B1

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GMBH

J.H.De Maeyer-D.N.Nguyen 1-

Entladungslampe und Verfahren zur Herstellung

derselben

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe und ein Verfahren zur Herstellung derselben, insbesondere zur Herstellung von Entladungslampen aus hitzebeständigem Maerial in Form einer Birne mit zwei durch Einschmelzung verschlossenen Enden in denen die inneren Elektroden eingeschmolzen sind.

Es sind Gasentladungslampen oder z.B. Quecksilberdampf entladungslampen mit oder ohne Halogenid, die hergestellt werden aus zylinderförmigen Körpern aus transparentem, hitzebeständigem Material, wie z.B. Hartglas bzw. Borsilikatglas, oder aus irgendeinem Glas z.B. kristallinen Siliziumdioxyd.

Um eine aus Siliziumdioxyd bestehende Gasentladungslampe herzustellen, die aus einem zylindrischen Körper gebildet wird, wird als Ausgangsmaterial bzw. Rohling eine Röhre aus Siliziumdioxyd benutzt, die denselben Durchmesser aufweist wie die fertige Entladungsröhre. Die Elektroden werden an den Enden eingeschmolzen und zusätzlich mit den benötigten Stromleitungen bzw. Steckanschlüssen versehen, wobei in üblicher Weise die Enden erhitzt werden, bis das Siliziumdioxyd teigig ist und unter Druck zusammengepreßt. Diesen Vorgang nennt man "Press"-Einschmelzung.

Sicherlich beruhen verschiedene Arten der Herstellung auf dieser Methode.

16.1.1974", Kre/Ka . ./. .

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Bei Hochspannungsentladungsröhren treten bei dieser Press-Einschmelzung Schwierigkeiten auf. Da dort von einem größerem Durchmesser des Röhrenrohlings ausgegangen werden muß, sind die Hochspannungsentladungslampen auch größer. Aus diesem Grund ist eine Press-Einschmelzung bei vergrößertem Durchmesser praktisch nicht durchführbar. So kann man z.B. wählen zwischen einer Verringerung des Röhrendurchmessers (was dazuführt, daß die Arbeitsbedingungen der fertigen Lampe weit vom Optimum der Arbeitsbedingungen entfernt ist) und einer besseren Herstellungsmethode.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird ein dazwischenliegender Teil mit größerem Durchmesser, der für Hochspannungsentladungsröhren geeignet ist, mit zwei Enden einer Röhre verbunden, die einen geringeren Durchmesser aufweisen, so daß eine Press-Einschmelzung trotzdem gut durchführbar ist. Diese Lösung benötigt aber zwei zusätzliche Verbindungen (Nahtschweißung) zwischen dem einen Ende des Rohres mit dem kleineren Durchmesser und dem Körper mit dem größeren Durchmesser und zwischen letzterem und dem anderen Ende des Rohres mit dem kleineren Durchmesser. Diese Arbeitsgänge sind aber sehr aufwendig und schwierig und durch das schmelzende Material sehr kompliziert, da die Temperatur die benötigt wird um die Gehäuseteile miteinander zu verbinden sehr hoch ist. Zusätzlich ergibt sich noch, daß bei dem aus drei Teilen bestehendem Gehäuse sich oft technische Daten ergeben, die schlechter sind als dies für eine Entladungslampe erwartet wird. Bei der Herstellung der Verbindung zwischen den Rohrteilen wird das Material, hier Siliziumdioxyd, von außen erhitzt mit einem Brenner bzw. einer Flamme, aber beim Teigigwerden der Außenfläche ist nicht gewährleistet, daß dies sich über die gesamte Dicke des Materials erstreckt. Daraus ergibt

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sich, daß in der Nahtstelle zwischen zwei Rohrstücken Luft- oder Gasblasen vorhanden sein können. Wenn später dann die fertige Entladungslampe in Betrieb gesetzt.wird, ist es möglich, daß diese Blasen nach innen aufgehen. Dies bewirkt aber, daßyGlasverbindung angegriffen und die Entladungsatmosphäre verunreinigt wird. Dies ist sehr schädlich und muß vermieden werden.

Ein zweiter Grund betrifft die Fläche des Zylinders und zwar üblicherweise bei einem Gehäuse bzw. einer Röhre aus hitzebeständigem Material den größten Teil der Länge und im einzelnen den mittleren Teil. So eine Anordnung ergibt eine niedrige Energieleistung für so eine gegebene Gehäuseform bzw. Gehäusevolumen. Die Temperatur an der Gehäusewandung als Funktion des Abstandes von einer der End-Elektroden ist im Falle einer zylindrischen Röhre eine glockenförmige Kurve. Das Maximum dieser Kurve liegt in der Mitte des Elektrodenabstandes. Dieses Maximum beschränkt die Verwendung des Gehäuses auf die maximale Temperatur, die von dem hitzebeständigen Material vertragen wird. Daraus ergibt sich, daß durch die ungleiche Verteilung der Wandungstemperatur der Grund für einen Leistungsabfall in der zylindrischen Form der Röhre zu sehen ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Birnenform zu entwickeln, bei der die Wandungstemperaturen ausgeglichener sind, wodurch eine bessere Energieleistung erreicht werden könnte. Zusätzlich stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen birnenbörmigen Entladungslampe zu entwickeln, das einfach und billig durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die äußere Birnenform, die vor der Einschmelzung vorbereitet wird*eine durch Drehen erzeugte Oberfläche aufweist, wobei das

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birnenförmige Gehäuse nur aus einem Stück besteht.

Erfindungsgemäß besteht das Herstellungsverfahren für das birnenförmige Gehäuse aus drei wesentlichen Verfahrensschritten, denen lediglich zur Fertigstellung der Entladungsröhre ein bekannter Verfahrensschritt hinzugefügt wird, Diese Verfahrensschritte sind in den Unteransprüchen aufgeführt oder enthalten.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein typisches Diagramm der Temperaturverteilung innerhalb der Wandung einer bekannten Entladungslampe mit zylindrischem Querschnitt;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Körperform des Lampenkolbens, längsgeschnitten, von oben gesehen und schematisch dargestellt;

Fig. J5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Körperform des Lampenkolbens, längsgeschnitten von oben gesehen und schematisch dargestellt;

Fig. K den schematisch dargestellten Längsschnitt der Schablone zur Herstellung der Wandungsform des Lampenkolbens gemäß Fig. 2;

Fig. 5 den schematisch dargestellten Längsschnitt der Schablone zur Herstellung der Wandungsform des Lampenkolbens gemäß Fig. J5.

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Die Fig. 1 zeigt ein Koordinatensystem in dem die Temperatur auf der Y-Achse eingetragen ist. Die Kurve veranschaulicht die an der Innenwand auftretende Temperatur. Die Innenwand ist aus hitzebeständigem Werkstoff hergestellt und sie besteht aus einer in bekannter Weise zylindrisch geformten Entladungslampe. Das Teil zwischen den beiden äußeren Elektroden ist zylindrisch. Die Elektroden sind um das Längenmaß 2d voneinander getrennt angeordnet. Das Temperaturmaximum "tm" wird im Punkt M erreicht. Der Punkt M entspricht der Mitte "d" des Abstandes beider Elektroden. Pig. I zeigt die erforderliche Grundvoraussetzung. Dennoch ist es notwendig, daß die Maximaltemperatur an der Wand kleiner oder gleich der Grenztemperatur ist, die der Werkstoff verträgt. Somit sind die Bedingungen der als Linie TS dargestellten Grenztemperatur erfüllt und lassen sich durch die Ungleichung tm^LTS ausdrücken.

Unter Berücksichtigung der in Pig 1 dargestellten Kurve c sei bemerkt, daß die Temperaturverteilung in einem zylindrisch geformten Lampenkolben zwischen den Elektroden unvorteilhaft ist. Besser geeignet wäre offensichtlich eine Kurve, welche die Eigenschaften des hitzebeständigen Werkstoffes möglichst günstiger ausnutzt. Das heißt> es ist vorteilhaft eine Form zu finden deren Temperdurverteilung im Lampenkolben der genauest möglichen Verteilung der skizzierten, gestrichelten Linie tm entspricht.

Diese Überlegungen haben als Resultat zur Entwicklung einer neuen Form von Lampenkolben, sprich "isothermal" Lampenkolben geführt, die im Ergebnis eine entsprechend gleichmäßige Verteilung der Wandungstemperatur zwischen, den Elektroden aufweisen, wem die Entladungslampe in Betrieb ist.'

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Die Pig. 2 zeigt den Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Der Lampenkolben ist zur Herstellung seiner Dichtigkeit vorbereitet. Es ist jedoch erforderlich zu erwähnen, daß der Fertigungsschritt des Formens von Lampenkolben erfolgt bevor dessen Enden abgedichtet werden. Nun ist bekannt, daß das Abdichten, insbesondere das gasdichte Abquetschen der Enden eine Abflachung zur Folge hat, welche gegenüber einem vorgegebenen Muster mehr oder weniger abweicht. Das Abquetschen verändert somit die Rotationssymmetrie des vorbereiteten Lampenkolbens durch das Abflachen der Zylinderenden.

Die Längsachse des Lampenkolbens ist mit A, A' bezeichnet. Seine Umfangsform ist in der Fig. 2 entlang der Achse A, A¹ dargestellt. Dieser Konturenverlauf wird während der Rotation des Lampenkolbens durch eine entsprechende Erzeugende G₁ entlang der Achse A, A¹ gebildet. Die Erzeugende G₁ besteht aus drei Abschnitten, der geraden Linie 1 am linken Ende der Bogenlinie 2 im Mittelabschnitt und der zweiten geraden Linie J> des rechten Endes. Die Form des Lampenkolbens ist von der die Bogenlinien 2 durchschneidenden Symmetrieachse B, B¹ in zwei gleiche Hälften geteilt; Die Länge der beiden halbierten Bogenlinien 2 ist mit L bezeichnet. Der Mittelpunkt C der Bogenlinie entspricht dem Maximalwert "fm" des Anstieges "f". Dieser Anstieg "f" wiederum entspricht dem Abstand Cl, C¹I' der Bogenlinie 2 zu den geraden Linien 1, 3· Die Maximalbreite CE des Lampenkolbens ergibt seinen Durchmesser D, welcher D +2 fm entspricht. Es wurde die Erfahrung gewonnen, daß die Ermittlung des maximalen Anstiegawertes fm es möglich macht die Form eines Lampenkolbens zu bestimmen, der an der Oberfläche seiner Innenwandung isothermale Verhältnisse aufweist, wenn die Entladungslampe in Betrieb ist. Der Optimalwert des Anstieges ist in etwa abhängig von der Länge L der Bogenlinie.

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Normalerweise wird er bestimmt durch die Gleichung fm=L/3, genauer noch, der Wert fm ist kleiner als 1/3 der Bogenlinienlänge, z.B. fm<L/3.

Natürlich kann die Herstellung solch eines Lampenkolbens unter Ausnutzung bekannter Verfahren vorgenommen werden. Hierbei ist dem Mittelteil des Lampenkolbens eine besondere Wichtigkeit zuzumessen. Die Herstellung des Lampenkolbens geschieht durch Erweichen der beiden Hälften des Mittelteiles sowie durch umfangsmäßig vergrößerndes Aufblasen dieser Teile der Bogenlinie 2 während die Abschnitte 1 und 3 ihren Durchmesser D beibehalten. Ein erfindungsgemäßes Ve:rfahren zur Herstellung der Form des in der Fig. 2 dargestellten Lampenkolbens wird nachfolgend näher erläutert.

Zur Überwindung der Schwierigkeiten bei Röhren mit ausgeschmolzenen Endstücken wird einerseits zur Herstellung der typischen isothermischen Form nach der Erfindung entsprechend Fig. 2 ein Röhrenrohling mit dem Durchmesser D aus transparentem hochtemperaturfestem Material bereitgestellt, andererseits eine Schablone, die den Temperaturen des erweichten, vorgenannten Materials ohne Verformung widersteht. Ist die Röhre aus Silizimdioxyd gefertigt, so ist die Schablone z.B. aus Graphit. Die Schablone weist auf der Innenseite einen konkaven Bogen 2^! auf, der der Bogenlinie 2 der Erzeugenden G, in Fig. 2 entspricht.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Schablone P₁. Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt in zwei Schritten.

Im Verlauf des ersten Schrittes wird der Röhrenrohling mit dem Durchmesser D_Q vorgefertigt. Im Verlauf des zweiten Schrittes wird die Röhre nach Einsetzen von Elektroden und Befestigungsmitteln abgedichtet, z.B. durch ein bekanntes Durchschmelzverfahren.

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Die Vorfertigung der Röhre ist durch drei gleichlaufende Schritte gekennzeichnet:

1.) der Röhrenr'ohling wird erhitzt, bis das Mittelteil mit der Länge L erweicht, so daß es verformt werden kann;

2.) die zuvor mit einer Durcklufteinrichtung verbundene Röhre wird auf der Innenseite mit einem Druck beaufschlagt, der höher ist als der umgebende Druck;

J5.) die konkave Innenseite 2' der Schablone P. wird an die Außenseite der erweichten Röhre herangebracht, die durch den Überdruck im Innern dann die durch die Hohlform vorbestimmte Gestalt annimmt.

Danach wird die Röhre von der Drucklufteinrichtung gelöst und abgekühlt. Sie hat nun die Gestalt entsprechend Fig. und kann abgedichtet werden.

Dieser AbdichtungsVorgang jst herkömmlicher Art und als Druckschmelzung bekannt. Dabei werden die erweichten Enden der Röhre, in denen sich Elektroden und Befesitgangsmittel befinden, durch beidseitig aufgebrachten Druck zusammengequetscht und verschlossen.

Ein solcher Prozess, der die Herstellung der vorteilhaften, neuen, isothermischen Form nach Fig. 2 ermöglicht, ist auch bei der Fertigung von Lampen mit konventioneller, zylindrischer Form, z.B. Hochspannungslampen interessant.

Tatsächlich macht das Verfahren möglich, aus einem Röhrenrohling mit dem Durchmesser D eine einstückige Röhre mit vergrößtertem Mittelteil zu fertigen, dessen Durchmesser D wesentlich größer als D_Q ist.

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Fig. J5 zeigt einen Schnitt durch eine Röhre für eine Hochspannungsent1adungslampe. Die Röhre kann nicht als Röhre
mit einem, nämlich dem für die Entladung benötigten Durchmesser D gefertigt werden. Der Durchmesser D ist zu groß, um die Quetschdichtung der Röhrenenden zu günstigen Bedingungen vornehmen zu können. Durch die Verwendung eines röhrenförmigen Kolbens aus Siliziumdioxyd mit dem Durchmesser D und der Gesamtlänge der fertigen Röhre einerseits, und der in Fig. 5 im Schnitt dargestellten Schablone P₂ andererseits, wird das Anschmelzen von zylindrischen Enden des Durchmessers D an die Röhre vermieden. Die Vertiefung 4 auf der
Innenseite der Schablone P₂ gibt dem Mittelteil der Röhre die gewünschte Gestalt. Die Herstellung erfolgt nach dem
bereits beschriebenen Verfahren und geschieht in zwei
Schritten: dem ersten, formgebenden Schritt für die Röhre und dem zweiten Schritt zum Verschließen und Befestigen
der Elektroden in der Lampe.

Die Formgebung erfolgt genau in der bereits beschriebenen ■ Weise. Drei Arbeiten laufen gleichzeitig: das Siliziumdioxyd im Mittelteil 5 der Röhre wird weich gehalten, während das Innere nach vorherigem Verschließen und Verbinden der Röhre mit einer Drucklüfteinrichtung mit Überdruck beaufschlagt und von außen die Vertiefung 4 der Schablone P₂ an die
Röhre gefahren wird. Durch diese drei "gleichlaufenden Operationen erhält der Röhrenrohling mit dem Durchmesser D
die gezeigte Gestalt. Diese weist drei zylindrische Abschnitte auf: das linke Ende 6 mit dem Durchmesser D ,
das Mittelteil 5 mit dem Durchmesser D und das rechte En-. de 7 mit dem Durchmesser D . Die Übergänge zwischen D
und D werden von Wölbungen 8 und 9 gebildet, deren Krümmungsradien gegen die Längsachse der Lampe gerichtet sind. Die Zeichnung zeigt dies besser als es mit Worten beschrieben werden kann.

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Die Vorteile der ersten Ausgestaltung sind augenfällig. Die Form der Röhre ist so, daß der Durchmesser variiert von einem Ausgangsdurchmesser D bis zu dem maximalen Durchmesser D in der Mitte der Röhre. Die Veränderung des Durchmesser ist so gewählt, daß die Wandungen den isothermischen Linien folgen, die beim Betrieb der Lampe entstehen. Die Lage der isothermischen Linien kann vom Fachmann in Abhängigkeit von der Art der benutzten Entladung bestimmt werden. Aus dem Gesagten folgert, daß es nach Bestimmung des Linienmusters für die Herstellung einer isothermischen Röhre ausreicht, eine negative Form, nämlich die Schablone, herzustellen und zwar aus einem Material, das durch die Arbeitstemperatur des zähflüssigen Röhrenmaterials (Siliziumdioxyd) nicht beeinträchtigt werden kann. Sobald die Hohlform dem Linienmuster entspricht, kann die gewünschte Röhre einstückig hergestellt werden.

Das genannte Verfahren hat allgemeine Anwendungsmöglichkeiten, die oben an der Herstellung von Entladungslampen verdeutlicht wurden. Es kann überall dort angewendet werden, wo ein einstückiger Körper aus zähflüssigem Material gefertigt werden soll. Die einzige Einschränkung ist durch die Dehnfähigkeit des Materials gegeben und kann als Beziehung zwischen der Ausgangsdicke der Röhre und der größten Ausdehnung gesehen werden. Die endgültige Dicke des fertigen Produktes muß ausreichend sein, um den mechanischen Zusammenhalt zu gewährleisten.

1 Blatt Zeichnung
6 Ansprüche

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Claims

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Ansprüche

1.1 Gasentladungslampe aus hitzebeständigem Material in der Form einer länglichen Birne, die an beiden Enden dicht verschlossen ist, wobei in den beiden Enden die Elektroden der Entladungslampe angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der "Birnenform", die vor der Einschmelzung vorbereitet wird, eine durch Drehen erzeugte Oberfläche aufweist und zwar durch Drehen einer Erzeugenden um die in Längsrichtung der Entladungslampe liegenden Achse, wobei das birnenförmige Gehäuse nur aus einem Stück (einstückig ausgebildet) besteht, ohne Hinzufügung eines anderen Materials oder eines Lötmittels.

2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des birnenförmigen Gehäuses, die vor der Einschmelzung vorbereitet wird, sich ergibt aus der plastischen Deformation einer geraden Linie einer anfänglich zylindrischen Röhre.

5. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil der Länge (L) des birnenförmigen Körpers als kurvenförmige Linie ausgebildet ist, die beginnend an den linear verlaufenden Linie der beiden Enden mit einem Anstieg "f" verläuft und einen maximalen Anstieg "fm" erreicht, der gleich oder kleiner ist als ein Drittel der Länge (L) des mittleren Teiles und daß die größte Ausweitung (fm) in der Mitte der Länge (^) angeordnet ist.

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4. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wandung des vorbereiteten birnenförmigen Körpers die Wölbung einer isothermischen Kurve bildet, die angeglichen ist an die Arbeitsbedingungen der Entladungslampe, in die diese eingeschlossen ist.

5. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Material aus Siliziumdioxyd oder einem Hartglas, wie z.B. Borsilikatglas, besteht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Gasentladungslampe nach Anspruch 1, von einer zylindrischen Röhre aus hitzebeständigem Material mit einem bestimmten Durchmesser (D ) und einer konkaven Mulde, die eine vorbestimmte Wölbung aufweist und den birnenförmigen Körper bildet, der aus einer Verformung der Röhre besteht, um zu der besagten Birnenform zu gelangen, die vor der Einschmelzung und Befestigung der Elektroden vorbereitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung durch drei (ähnliche und)zusammenwirkende Aktionen erfolgt:

- das hitzebeständige Ausgangsmaterial wird erhitzt, wobei die Erhitzung in dem Mittelteil der Länge (L) der Röhre so lange aufrechterhalten wird, bis das genannte Material einen teigigen Zustand erreicht, der es gestattet es bei der nötigen plastischen Eigenschaft zu verformen,

- in diesem Zustand wird die Röhre auf der einen Seite verschlossen und auf der anderen Seite wird ein Gasdruck eingeleitet, der innerhalb der Röhre höher ist als der diese umgebende Druck, und der Druck innerhalb der Röhre wird aufrechterhalten,

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die Schablone wird mit der Vertiefung bzw. der konkaven Ausbuchtung an die äußere Oberfläche des hitzebeständigen Materials, das sich im teigigen Zustand befindet, angelegt, und dadurch eine Begrenzung des Materials erreicht, das durch den inneren Überdruck in der teigigen Zone deformiert, d.h. nach außen gedrückt wird, durch die, wie beschrieben, angedrückte Schablone wird die äußere Oberfläche des hitzebeständigen Materials entlang der vorgegebenen Kurve in die Schablone gepresst und somit bei Drehung des hitzebeständigen Materials um seine Längsachse der endgültige Körper desselben geformt,

nach dieser Behandlung wird der so geformte birnenförmige Körper an seinen röhrenförmigen Enden nach Festlegung der Elektroden in denselben durch einen an sich bekannten Einschmelzungsprozess verschlossen.