DE2641880C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Entladungslampe mit einem zylindrischen keramischen Lampenkolben, der mit aus keramischem Material bestehenden Endabdichtungen versehen ist, wobei in jede der End­ abdichtungen ein zylindrisches Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode und in mindestens eine der End­ abdichtungen ein Stromdurchführungsglied für eine Hilfs­ elektrode aufgenommen ist. Eine derartige Entladungslampe ist aus der DE-AS 14 71 379 bekannt.

Bei Entladungslampen, die eine hohe Betriebstemperatur - z. B. 1000°C oder höher, wie dies bei Hochdrucknatrium- und Hochdruckquecksilberlampen der Fall ist, wobei letztere auch noch Metallhalogenide enthalten können - aufweisen, besteht der Lampenkolben aus keramischem Material, wobei hierunter sowohl polykristallines Material, wie durch­ scheinendes gasdichtes Al₂O₃, MgAl₂O₄ (Spinell) und Y₂O₃, als auch einkristallines Material, wie Saphir, zu verstehen ist.

Da sich dieses Material nicht bei hohen Temperaturen verformen läßt, werden keramische Entladungskolben häufig mit keramischen Formstücken unter Verwendung von Schrumpf- und Sintertechniken und/oder unter Anwendung von Schmelz­ verbindungsmaterial verschlossen.

Wegen der großen Temperaturunterschiede, die ein Lampen­ kolben aushalten muß, sind die Materialien, die für die Stromdurchführungsglieder der Elektroden verwendet werden, wichtig. Sie weisen vorzugsweise einen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten auf, der dem das keramischen Materials entspricht. Daher kommen hauptsächlich Niob und Tantal für diesen Zweck in Betracht; diese Metalle sind nicht nur teuer, sondern auch bei hohen Temperaturen nicht gegen Halogenide und Sauerstoff beständig.

Bei der aus der DE-AS 14 71 379 bekannten Entladungslampe ist in eine Bohrung in einer keramischen Endabdichtung ein massiver Niobstab als Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode aufgenommen, während in eine kleinere exzentrisch liegende Bohrung in der Endabdichtung ein Tantaldraht als Stromdurchführungsglied für eine Hilfs­ elektrode aufgenommen ist.

Es hat sich herausgestellt, daß - möglicherweise infolge der Tatsache, daß die Ausdehnungskoeffizienten der ver­ wendeten Materialien einander nicht völlig gleich sind - bei einer derartigen Lampe an der Stelle des Stromdurch­ führungsgliedes für die Hilfselektrode Sprung auftreten kann. Dies leitet das Ende der Lebensdauer der Lampe infolge Gasleckage ein.

Auch wenn das Stromdurchführungsglied für eine Hilfs­ elektrode in der zylindrischen Wand des Lampenkolbens angebracht wird, tritt an der betreffenden Stelle leicht Sprung auf.

In der GB-PS 10 95 712 ist eine Lampenkonstruktion beschrieben, bei der zwischen einem Ende des Entladungs­ kolbens und der Endabdichtung ein Metallring angeordnet ist, der sowohl in den Lampenkolben hinein- als auch aus dem Lampenkolben herausragt. Innerhalb des Lampenkolbens ist ein Wolframdraht auf dem Ring festgeschweißt, der sich bis in die Nähe der Hauptelektrode am anderen Ende des Lampenkolbens erstreckt und als Hilfselektrode wirkt. Diese Lampe weist einige Nachteile auf, wie die hohe Erhitzung der Hilfselektrode beim Betrieb, wodurch die Elektrode verformt werden und weit von der Hauptelektrode weg geraten kann, sowie die Schattenbildung, welche die Hilfselektrode herbeiführt. Der wichtigste Nachteil ist jedoch die geringe mechanische Festigkeit der Konstruktion und die schwierige Herstellung der Lampe.

Der Nachteil einer geringen mechanischen Festigkeit trifft auch für die Konstruktion nach der US-PS 34 61 334 zu, bei der zwischen einem Ende des Lampenkolbens und einer zylindrischen keramischen Fortsetzung desselben ein Niob- oder Tantalring als Hilfselektrode angeordnet ist.

Dieser Nachteil wird in der NL-OS 73 04 860 auch erkannt, in der als Alternative für eine durch einen auf der Innen­ seite metallisierten keramischen zylindrischen Teil gebildete Hilfselektrode und ein Stromdurchführungsglied für diese Elektrode in Form einer metallisierten Endfläche dieses zylindrischen Teiles das Zwischenfügen eines massiven Metallringes zwischen Lampenkolben und Zylinder­ teil erwähnt wird.

Die gemäß dieser NL-OS bevorzugte Lösung eines metallisierten Zylinderteiles aus keramischem Material weist jedoch ebenfalls eine geringe mechanische Festigkeit auf, während weiter der Abstand zwischen der Haupt- und der Hilfselektrode völlig vom Durchmesser des Lampen­ kolbens bestimmt wird, dessen optimaler Wert aber durch andere Größen als einen gewünschten maximalen Abstand zwischen Haupt- und Hilfselektrode gegeben wird.

Aus der DE-AS 12 46 180 ist eine Durchführung für Strom­ richterentladungsgefäße bekannt, bei der zylindrische Elektrodenanschlüsse mit dazwischenliegenden konzentrischen Glasringen derart verschmolzen sind, daß jede Einschmelzung für sich eine Druckglaseinschmelzung ist. Die einzelnen Elektroden bestehen hierbei aus Eisen. Die Verschmelzung von Glas und Eisen erfolgt bei einer Temperatur von etwa 900°C. Eine derartige Druckglas- Einschmelztechnik ist für Entladungslampen mit keramischen Lampenkolben wegen der dort auftretenden sehr hohen Betriebstemperaturen ungeeignet.

Offenbar treten bereits bei der Herstellung der bekannten Stromrichtergefäße Schwierigkeiten auf. Denn gemäß der DE-AS 12 46 180 muß bei der Herstellung der Metall-Glas- Verschmelzungen ein Stützkörper aus Asbestzement verwendet werden, weil sonst schon hierbei das Glas weglaufen würde. Die Verwendung eines derartigen Stützkörpers wäre in einem relativ dünnen keramischen Lampenkolben, wie er für Entladungslampen verwendet wird, gar nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampen­ bauart zu schaffen, die eine große mechanische Festigkeit aufweist, sich leicht verwirklichen läßt und bei der die Anwendung von Metallen geringer Widerstandsfähigkeit, obwohl sie brauchbar sind, vermieden werden kann, wobei die Lebensdauer der Lampe nicht durch das Auftreten von Sprung an den Stellen der Stromdurchführungsglieder verkürzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Entladungslampe eingangs genannter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ein zylindrisches Rohr ist, welches das Stromdurchführungs­ glied für die Hauptelektrode konzentrisch umgibt und von diesem durch einen keramischen Ring getrennt ist.

Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, daß mechanische Spannungskonzentrationen im Lampenkolben vermieden werden können, indem für den Lampenkolben und dessen Endabdichtungen und Stromdurchführungsglieder eine drehsymmetrische Geometrie gewählt wird.

Das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ragt sowohl aus der Endabdichtung des Lampenkolbens hervor, um den Anschluß eines äußeren Stromleiters zu ermöglichen, als auch in den Lampenkolben hinein zur Befestigung an einer z. B. drahtförmigen Hilfselektrode.

Einfacher ist eine Hilfselektrode in Form eines oder mehrerer Streifen, die mit dem Stromdurchführungsglied ein Ganzes bilden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das zylindrische Rohr des Stromdurchführungsgliedes derart weit in dem Lampenkolben, daß es selbst als Hilfselektrode wirkt. Diese Konstruktion weist den Vorteil auf, daß die durch Hilfselektrode und Stromdurchführungsglied gebildete Einheit leicht hergestellt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der rohrförmigen Hilfselektrode ist der, daß von der Hauptelektrode abgedampftes Material sich auf der Wand des Rohres ablagert, wodurch eine Schwärzung der Wand des Lampenkolbens verhindert wird.

Vorzugsweise umschließt die rohrförmige Hilfselektrode die Hauptelektrode so eng, wie es die Technologie des Herstellungsvorgangs der Lampe gestattet, während anderer­ seits der Innendurchmesser des Rohres vorzugsweise nicht mehr als 4 mm größer als der Größtdurchmesser der Haupt­ elektrode ist.

Der Außendurchmesser der rohrförmigen Hilfselektrode sollte derart klein sein, daß ein mehr als kapillarer Raum zwischen der Hilfselektrode und der Wand des Lampenkolbens vorhanden ist, um zu verhindern, daß sich dieser Raum bei der Herstellung der Lampe mit Schmelzabdichtungsmaterial füllen würde.

Die Stromdurchführungsglieder - und wenn das Durch­ führungsglied für die Hilfselektrode mit dieser Elektrode ein Ganzes bildet, damit auch die Hilfselektrode selbst - können aus Niob oder Tantal bestehen.

Das Stromdurchführungsglied für die Hauptelektrode kann sowohl ein hohler als auch ein massiver Zylinder sein.

Nach dem älteren deutschen Patent 25 48 732 können in die Endabdichtungen eines keramischen Lampenkolbens auch rohrförmige Stromdurchführungsglieder auf­ genommen werden, die aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen. In diesem Falle wird in dem Stromdurchführungsglied an der Stelle, an der dieses Glied von der Endabdichtung des Lampenkolbens umgeben wird, ein zylindrisches kera­ misches Formstück angebracht.

Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung kann in den erfindungsgemäßen Lampen das Stromdurch­ führungsglied für die Hilfselektrode ebenfalls aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen, weil sich ja innerhalb dieses Stromdurchführungsgliedes an der Stelle der Endab­ dichtung des Lampenkolbens ein zylindrisches kera­ misches Formstück befindet.

Ebenso kann in der Lampe nach der Erfindung, wenn als Stromdurchführungsglied für die Hauptelek­ trode ein hohler Zylinder benutzt wird, dieses Glied aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle bestehen, vorausgesetzt, daß darin ein zylin­ drisches keramisches Formstück angebracht ist.

Die Wanddicke des Stromdurchführungsgliedes für die Hilfselektrode beträgt bei Anwendung von Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle in der Regel 20 bis 250 µm und vorzugsweise 20 bis 150 µm und bei Anwendung von Niob oder Tantal 100 bis 300 µm.

Es sei noch bemerkt, daß die Anwendung der zuerst genannten Materialien für die Stromdurchführungs­ glieder die Vorteile eines niedrigeren Selbstkosten­ preises und einer Beständigkeit gegen Sauerstoff und Halogenide bietet.

Bei der Herstellung der Endabdichtungen des Lampenkolbens können die bekannten gegen Füllungen von Entladungslampen beständigen Schmelzverbindungs­ materialien benutzt werden. Auch können zum Verbinden eines keramischen Endabdichtungsformstückes mit der zylindrischen Wand des Lampenkolbens bekannte Schrumpf/Sintertechniken verwendet werden.

Die keramischen Formstücke, die für die Her­ stellung der Endabdichtungen verwendet werden, werden derart bemessen, daß die Räume zwischen den Strom­ durchführungsgliedern und den keramischen Formstücken und vorkommendenfalls zwischen dem Formstück und der zylindrischen Wand des Lampenkolbens durch Kapillar­ wirkung mit Schmelzverbindungsmaterial ausgefüllt werden.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht einer fertigen Lampe,

Fig. 2 und Fig. 3 beide einen Längsschnitt durch ein Ende eines Lampenkolbens, und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Lampen­ kolben.

In Fig. 1 ist mit 1 der Lampenkolben einer 220 V/250 W-Hochdruck-Natriumentladungslampe bezeichnet, der in einen Außenkolben 2 aufgenommen ist, der mit einem Lampensockel 3 versehen ist. Ein Poldraht 4, der zugleich zur Abstützung des Lampenkolbens gegenüber dem Außenkolben dient, führt einer der Hauptelektroden und außerdem über einen Widerstand 5 der Hilfselektrode (13 in Fig. 2) Strom zu.

In Fig. 2 ist mit 10 ein Teil der zylin­ drischen Wand des Lampenkolbens 1 der Fig. 1 bezeichnet. Mit einem keramischen Ring 11, der, wie die anderen keramischen Teile des Lampenkolbens, aus durchscheinen­ dem gasdichten Aluminiumoxid besteht und durch eine Schrumpf/Sinterbearbeitung mit der Wand 10 verbunden ist, ist ein Teil der Endabdichtung des Lampenkolbens erhalten. Zwischen dem Ring 11 und einem keramischen Ring 12 ist ein Niobrohr 13 angeordnet, während durch den Ring 12 ein Niobrohr 14 geführt ist. Über den keramischen Ring 11 und die Wand 10 des Lampenkolbens ist ein keramischer Ring 15 angebracht. Die Kapillar­ räume zwischen keramischen Teilen und zwischen kera­ mischen und metallenen Teilen sind mittels eines Schmelzabdichtungsmaterials 16 verschlossen. An dem Niob­ rohr 14 ist eine Hauptelektrode 17 aus Wolfram mit Titan festgelötet.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung. Der zylin­ drischen keramischen Wand 20 eines Lampenkolbens schließt sich, vakuumdicht durch ein Schmelzverbindungsmaterial 26 mit ihr verbunden, ein keramischer Ring 21 an, der teilweise in dem zylindrischen Lampenkolben liegt und teilweise an diesem Lampenkolben anliegt. Zwischen diesem Ring und einem zweiten keramischen Ring 22 be­ findet sich, vakuumdicht durch Schmelzverbindungsmaterial 26 mit den beiden keramischen Teilen verbunden, ein zylindrisches Rohr 23 aus Molybdän. In dem Ring 22 ist ein zylindrisches Rohr 25 aus Molybdän mit darin einem keramischen Zylinder 24 angeordnet. Die Kapillarkanäle zwischen 22 und 25 und zwischen 24 und 25 sind mit Schmelzverbindungsmaterial 26 ausgefüllt. Eine Wolfram­ elektrode 27 ist auf dem Rohr 25 festgeschweißt.

Die Konstruktion nach Fig. 4 wurde in einer 220 V/250 W-Hochdruck-Natriumentladungslampe verwendet.

Ein zylindrisches Rohr 30 aus durchscheinen­ dem gasdichtem Aluminiumoxid mit einem Außendurch­ messer von 8,6 mm und einem Innendurchmesser von 6,8 mm ist an beiden Enden teilweise mit 3 mm dicken Ringen 31 aus durchscheinendem gasdichtem Aluminiumoxid mit einem Innendurchmesser von 4,1 mm verschlossen. Die Verbindung zwischen dem Rohr 30 und den Ringen 31 wurde in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1850°C hergestellt, wobei durch Schrumpfung eine feste Sinterverbindung zwischen den Teilen erhalten wurde. Die Ringe 31 waren vor dem Zusammenbau auf eine höhere Temperatur als das Rohr 30 vorerhitzt.

Am einen Ende wurde dann ein zylindrisches Niobrohr 32 mit einem Außendurchmesser von 4 mm und einer Wanddicke von 200 µm zusammen mit einem kera­ mischen Ring 33 mit einer Länge von 8 mm, einem Außen­ durchmesser von 3,5 mm und einem Innendurchmesser von 1,0 mm und mit einem Niobstift 34 mit einer Dicke von 0,9 mm angebracht, an dem eine mit Wolframdrahtwick­ lungen versehene Wolframelektrode festgeschweißt war. Außerdem wurde ein keramischer Ring 35, mit einer Dicke von 3 mm, einem Außendurchmesser von etwa 9,2 mm und einem Innendurchmesser von 4,1 mm angebracht. Rings um die abzudichtenden Öffnungen wurde Schmelzverbin­ dungsmaterial angebracht: 44 Gew.-% Al₂O₃, 38 Gew.-% CaO, 9 Gew.-% BaO, 6 Gew.-% MgO, 2 Gew.-% B₂O₃ und 1 Gew.-% SiO₂. Dann wurde im Vakuum auf etwa 1450°C erhitzt.

Das nun einseitig verschlossene Rohr wurde mit Xenon gespült, mit 20 mg Natriumamalgam mit einem Natriumgehalt von 11 Gew.-% versehen und dann am anderen Ende mit einem einseitig verschlossenen Niob­ rohr 36 mit einem Außendurchmesser von 4,0 mm und einem Innendurchmesser von 3,5 mm verschlossen, das mit einer Wolframelektrode und mit einem keramischen Ring 37 mit einer Dicke von 3 mm, einem Außendurch­ messer von etwa 9,2 mm und einem Innendurchmesser von 4,1 mm versehen war. Bei Erhitzung dieses Endes, um das Abdichtungsmaterial fließend zu machen, wurde in einer Xenonatmosphäre von 53 mbar gearbeitet und wurde das andere Ende des Lampenkolbens gekühlt. Die Wolfram­ hauptelektroden waren mit einem Emitter aus Barium- Kalzium-Wolframat/Thoriumoxid versehen und wiesen einen gegenseitigen Abstand von 52 mm auf. Die rohrförmige Hilfselektrode endete 1 mm unterhalb der Spitze der Hauptelektrode. Die Innenlänge des Lampenkolbens be­ trug 65 mm.

Während der ganzen Lebensdauer der Lampe trat in dem Lampenkolben kein Sprung auf und zündete die Lampe schnell und zuverlässig bei einer Netz­ spannung von 220 V.

Claims (3)

1. Elektrische Entladungslampe mit einem zylindrischen keramischen Lampenkolben, der mit aus einem keramischen Material bestehenden Endabdichtungen versehen ist, wobei in jede der Endabdichtungen ein zylindrisches Stromdurchführungsglied für eine Hauptelektrode und in mindestens eine der Endabdichtungen ein Stromdurch­ führungsglied für eine Hilfselektrode aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromdurchführungsglied für die Hilfselektrode ein zylindrisches Rohr (13, 23, 32) ist, das das Stromdurchführungsglied (14, 25, 34, 36) für die Hauptelektrode (17, 27) konzentrisch umgibt und von diesem durch einen keramischen Ring (12, 22, 33) getrennt ist.

2. Elektrische Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohr (13, 23, 32) sich derart weit in dem Lampenkolben (10, 20, 30) erstreckt, daß es selbst als Hilfselektrode wirkt.

3. Elektrische Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Rohr (13, 23, 32) aus Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Legierungen dieser Metalle besteht.