DE2737880A1

DE2737880A1 - Alkalimetalldampflampe

Info

Publication number: DE2737880A1
Application number: DE19772737880
Authority: DE
Inventors: Stanley Frederic Bubar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-08-26
Filing date: 1977-08-23
Publication date: 1978-03-02
Also published as: FR2363187B1; BE857670A; NL7708993A; GB1575122A; FR2363187A1; NL184032B; JPS6059701B2; JPS5327281A; DE2737880C2; NL184032C; CA1094141A; US4035682A

Description

/Mkalimeta 11 dampf lampe

Die Erfindung bezieht sich auf Alkalimetalldampf-Entladungslampen und sie ist besonders brauchbar für Hochdruck-Natriumdampflampen mit Alumiiiiumoxid-Keramikkolben.

Die nun gut bekannte Natriumdampflampe hoher Intensität ist in der US-PS 3.218.590 beschrieben und sie umfasst allgemein einen äusseren Glaskolben, in dem ein schlankes Keramik-Bogenentladungsi >lir montiert ist. Das Bogenentladungsrohr ist aus einem lichtdurchlässigen hochnehmelzendcn Oxidmaterial hergestellt, das gegenüber Alkalimetall bei hohen Temperaturen beständig
ist und das zwcekmriss igerweise hochdichtes polykristallines
Aluminiumoxid oder synthetischer Saphir ist. Die Füllung des
Bogenentladun.'isrohres umfasst Natrium zusammen mit einem Edelgas zur Erleichterung des Zündens und Quecksilber zur Verbesserung der Wirksamkeit . Die Enden des Muminiumoxid-Rohres

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sind durch geeignete Verschlussteile abgedichtet, die eine Verbindung zu den Elektroden bieten. Der Aussenkolben, der das Keramik-Bogenentladungsrohr umschliesst, ist an einem Ende im allgemeinen ·:ι±t einem Schraubsockel versehen, der einen Hülsen- und einen Zcntra Ikontakt umfasst, mit denen die Elektroden des Bo;;enent ladungsrohres verbunden sind.

Die Hochdruck-Natriumdampflampe entliält eine überschüssige Menge an Natriumamalgam, d.h. sie enthält mehr Amalgam, als verda.npi't ist, wenn die Lampe einen stabilen Betriebszustand erreicht . Durch die Anwesenheit eines Λ ma lgainiiberschusses wird der Damp Cdiuck im Rohr durch die tiefste Betriebstemperatur an irgendeinem Punkt im Bogenentladungsrohr bestimmt und die eingefüllte ,\unge ist nicht kritisch. Wenn die Lampe altert, wird etwas von diesem überschüssigen Amalgam benötigt, um das zu ersetzen, das wahrend der Gebrauchsdauer dt tr Lampe, z.B. durch Elektrolyse durch die Aluminiumoxid-Wandungen verlorengegangen ist.

In einigen Lampen, in denen die Enden des Bogenentladungsrohres symmetrisch ausgebildet sind, und die manchmal als universal brennende Lumpen bezeichnet werden, befindet sich die kalte Stelle, un der sich das überschüssige Amalgam sammelt, innerhalb des Bogenentladungsrohres. Ein Beispiel einer solchen Lampe ist in der US-PS 3 . <™O! . Π7 beschrieben, bei der das Bogeiient ladungsrohr kein Absuugröhrchen aufweist und das Amalgam in das BogenentLadungsrohr unmittelbar vor dem \bdichten des zweiten Eudverschlusses innerhalb eines mit inertem Gas gefüllten Ofens eingeführt wird. Bei einrr solchen Lampe ist die Lage des überschüssigen Amalgams während des Lampenbetriebes durch Temperatur und Schwerkraft bestimmt. Das überschüssige Amalgam wandert im Bogenentladungsrohr zu der kältesten Stelle und die Schwerkraft zieht es zu der tiefstmöglichen Position, im allgemeinen zum Verschluss am unteren Ende, der direkt der Elektrodenwrirme ausgesetzt ist. Das Niederschlagen des Elektrodenmaterials auf der Wandung des Bogenentladungsrohres während der Lebensdauer der Lampe führt zu deren Verdunklung ur< 1 die

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ist am grössten an den Enden nahe den Elektroden. Der resultierende Ofeneffekt erhöht die Temperatur der kalten Stelle und verursacht ein Verdampfen von weiterem Vakuum, was wiederum zu einem Anstieg der Lampenspannung führt. Es ist eine allgemeine Charakteristik von Hochdruck-Natriumdampflampen, dass die Lainpenbetriebsspannung mit der Lebensdauer zunimmt und das Ende der Lebensdauer erreicht ist, wenn die durch den Daliast gelieferte Spannung nicht langer ausreicht, den Lampenbetrieb aufrecht zu erhalten. Zu diesem Zeitpunkt mag die Lampe vollständig aufhören zu arbeiten oder sie wird aufgrund des llochspannungs-Zündimpul.ses, der vom Ballast geliefert wird, an und ausgehen. Die Lebensdauer der Hochdruck-Natriumdampflampen ist daher von der Geschwindigkeit des Spanrungsanstieges abhängig. In bekannten universal brennenden Larapen beschleunigt der Ofeneffekt den Spannungsanstieg mit dem Ergebnis, dass solche Lampen eine relativ kurze Lebensdauer haben.

In einer anderen bekannttn Lampenaus führung, die in dei US-PS 3.708.710 dargestellt ist, kondensiert das Überschüssige Natriumamalgam in einem Reservoir ausserhalb des eigentlichen Bogenentladungsrohres. Bei dieser Konstruktion benutzt man mindestens eine rohrförmig Niobzuleitung, die auch als Evakuierungsröhrchen verwendet wird und die eine Öffnung zum Inneren des Bogenentladungsrohres hin aufweist. Nachdem der Lampe die Füllung zugeführt worden ist, schmilzt man das Evakuierungarohr hermetisch ab und der Wärmeausgleich ist derart, dass das abgeschmolzene Ei.de die kalte Stelle wird, in der sich das überschüssige Amalgam sammelt, das sich nun an einem Ort entfernt von der direkten Wärmeeinwirkung des Bögens und der Elektrode befindet und das Schwärzen bzw. Verdunkeln des Bogenent ladungsrohres mit dem Altern der Lampe hat nun eine minimale Wirkung auf den Natriumdampfdruck und auf die Lampenspannung. Auch erleichtert die Benutzung eines äusseren Reservoirs die Feinabstimmung des Wärmeausgleiches, z.B. durch Sandstrahlen des Reservoirs zur Regulierung des Wärme Verlustes, um die Temperatur auf das Optimum für di>> Lumenabgabe und eine lan^e Lebensdauer einzustellen.

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Die Konstruktion mit einem äusseren Reservoir hat den Nachteil gehabt, dass das Evakuierungsröhrchen am weitesten unten angeordnet werden musste. Dies machte zwei Versionen einer gegebenen Lampe notwendig einer mit dem Sockel nach oben und einer mit dem Sockel nach unten, wobei das Bogenentladungsrohr relativ zum Aussenkolben umgedreht war. Wurde nun eine dieser beiden Versionen in der unrichtigen Orientierung eingesetzt, dann konnte die bration oder ein mechanischer Schock dazu führen, dass ein Amalgamtröpfchen aus dem Evakuierungsröhrchen in das Bogenentladungsrohr tropfte. Da die Region des Bögens eine sehr viel höhere Temperatur hatte, führte dies zu einem plötzlichen Anstieg der Dampfdrucke des Natriums und Quecksilbers und zu einer entsprechenden Zunahme der Lampenspannung. Dies kann so weit gehen, dass die Lampe erlöscht, wenn die Lampenspannung die maximale Aufrechterhaltungsspannung des Ballastes übersteigt. Es gibt viele Anwendungen, bei denen eine solche Lichtoder Blinkunterbrechung nicht toleriert werden kann. In extremen Fällen ist es sogar vorgekommen, dass das relativ kalte Amalgamtröpfchen einen thermischen Bruch des Bogenentladungsroiires verursacht hat, womit die Brauchbarkeit der Lampe beendet war.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Lampenkonstruktion mit äusserem Reservoir zu schaffen, die es gestattet, die Lampe in irgendeiner Orientierung brennen zu lassen, ohne dass dabei die Nachteile oder Beschränkungen der bekannten Lampen auftreten.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung zum Halten von Alkalimetall in dem Evakuierungs- bzw. Ent IUftungsröhrchen, während gleichzeitig der thermische Transport des Metalldampfes beim Normalbetrieb möglich ist. Eine solche Einrichtung ist im weiten Sinne ein Hindernis, das in dem Röhrchen zwischen dem Entlüftungs- und dem abgedichteten Ende angeordnet ist und den Durchgang zu einer Vielzahl feiner kapillarer Öffnungen beschränkt.

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In einer bevorzugten Ausführungsfor« besteht die Einrichtung aus einem geformten Metallsieb, das vor dem Zuspitzen, d.h. dem Abquetschen des Endes in das Entlüftungs- bzw. Evakuierungsröhrchen aus Niob eingeführt wird. Das Sieb besteht aus einem feinen Netz,um eine grosse Oberfläche mit schmalen Öffnungen zu scha[fen, so dass der Durchgang eines auftreffenden Flüssigkeitströpfchens wirksam verhindert wird. Das Sieb wird in einem Zwischenteil des Entlüftungsröhrchens angeordnet, der sich bei einer höheren Temperatur als das zugespitzte Ende befindet. Auf das Sieb auitreffendes Amalgam wird aufgrund der höheren Temperatur des Siebes nachfolgend langsam wieder verdampft und an der kalten Stelle am Ende des Röhrchens wieder kondensiert. Der Temperaturunterschied ist jedoch nicht gross genug, um einen derartigen Druckanstieg zu verursachen, dass der Betrieb der Lampe merklich beeinflusst wird.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung nfiher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Hochdruck-Natriumdarapflampe nach der vorliegenden Erfindung, die für ein universelles Brennen geeignet ist,

Fig. 2 eine vergrösserte Detailansicht des Endverschlusses und des äusseren Reservoirs und

Fig. 3 eine umgekehrte Ansicht ähnlich der der Fig. 2, bei der gezeigt ist, wie das Sieb das Amalgam einfängt.

Die in Figur 1 gezeigte Lampe 1 nach der vorliegenden Erfindung ist eine mit einem Aussenkolben versehene Hochdruck-Natriumdaapflampe von 4OO Watt. Die Lampe weist ein inneres keramisches Bogenentladungsrohr 2 auf, das innerhalb eines evakuierten äusseren Glaskolbens 3 enthalten ist, an dessen UaIsteil ein Standardschraubsockel 4 befestigt ist. Der Aussenkolben weist einen umgestülpten Quetschfuss 5 auf, durch den sich ein Paar relativ schweißer Zuleitungen Π und 7 erstreckt,

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deren äussere Enden mit der Sockelhülse 8 und dem Zentralkontakt 'J des Sockels verbunden sind.

Das zentral innerhalb des \ussenkolbens angeordnete Bogenentladungsrohr 2 umfasst ein lichtdurchlässiges Keramikrohr, geeignet erweise aus polykristalliner Al iminiuinoxid-Keramik, die translucent ist oder ein kristallines Aluminiumoxid, das klar und transparent ist. Mit den Enden des Rohres sind mittels einer glasartigen Abdichtungsmasse Endverschlüsse verbunden, die aus Niobkappen 11 und 12 bestehen und die dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aluminiumoxid-Keramik angepasst sind. Ein Metallröhrchen 13, das geeigneterweise aus Niob oder Tantal besteht, erstreckt sich durch die untere Endkappe 11 un>^! dient als Evakuierungs- bzw. EntlUftungs- und Füllröhrchen während der Herstellung der Lampe. In der fertigen Lampe ist das Röhrchen 13 an seinem äusseren Ende abgequetscht und abged;.-:htet und dient als Reservoir, in dem sich das überschüssige Natriumamalgam während des Betriebes kondensiert. Die Elektrode It innerhalb der Lampe ist an dem inneren Vorsprung des Entlüftungsröhrchons 13 befestigt und eine \ttrappe 15 eines Entlüftungsröhrchens erstreckt sich durch die metallische Endkappe 12 und trägt die andere Elektrode IG. Beide Elektroden können aus Wolframdraht 17 bestehen, der auf einen Wolframschaft 18 ge«. Lgneterweise in zwei übereinander liegenden Schichten aufgewickelt ist. Der Schalt tragt auch eine Abschirmung in Form einer Metallncheibe 19, die ein nacli hinten Schlagen des Lichtbogens verhindert. Die Elektroden sind durch Metalloxide aktiviert, die sich in den Zwischenräumen zwischen den Wicklungen der Spule befinden, wobei ein bevorzugtes Material Dibariumcalziumwolframat ist. Die Füllung für das dargestellte Bogenentladungsrohr, das 112 mm lang sein und eine Bohrung von 7 mm haben kann, kann z.B. Xenon mit einem Druck von 20 mm H g als Zündgas und 25 mg Amalgam aus 25 Gew.-T Natrium und 75 Gew.-% Quecksilber umfassen.

Das Ent lüf tungsrölirchen 13 ist mittels des Leiters 20 und eines langen Rahme ι teiles oder Seitenstabes 21 mit der Zuleitung 6

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verbunden, die ihrerseits mit der Hülse 8 des Schraubsockels verbunden ist. Die Attrappe 15 des Entlüftungsrohres erstreckt sich durch einen Ringträger 22, der an einem kurzen L-förmigen Stab 23 befestigt ist, was eine Beschränkung der seitlichen Bewegung bedingt, während gleichzeitig die axiale Ausdehnung des Bogenentladungsrohres gestattet ist. Min flexibler Metallstreifen 24 verbindet die ltohral trappe 15 mit dem kurzen Stab 23, der seinerseits an die Zuleitung 7 geschweLsst ist, die mit dem Zentralkontakt \> des Sockels verbunden ist. Das distale Ende des langen Seitens tabes 21 ist in dem umgekehrten Nippel 25 im gewölbten Ende lies Aussenkolbens mittels eines Clips 2fi festgeklemmt.

Bei der Lampenherstellung nach dem Stand der Technik werden die Baueinheiten aus Endkappe und Elektrode innerhalb eines Vaku.iinofens bei einer Temperatur, die ausreichend hoch ist, um die Mctalloxid-AbdichtuiV'.sinasse, welche die Endkappen 11 und 12 mit der Keramik verbindet, zu schmelzen, dicht mit den Enden des Aluminiumoxid-Bogencitladungsrohres verbunden. Zu diesem Zeitpunkt ist das Entlüftungsröhrchen 13 noch offen, d.h. sein äusseres Ende ist noch nicht abgequetscht worden, wie t.ich aus der Zeichnung ergibt und seitliche Öffnungen oder Entlüftungen 27 in dem Röhrchen 13 gestatten den Zugang zum Inneren des ßogenent ladungsrohres. liemäss der vorliegenden Erfindung wird nun ein geformtes Metallsieb 28 in das Ent IUftungsröhrchen 13 nahe der EntIUftungsöffmingen 27 geschoben. Das Sieb besteht aus einem feinmaschigen Netz, vorzugsweise mit einer lichten Maschenweite von 0,15 mm oder weniger, um eine grosse Oberfläche mit kleinen Öffnungen zu bilden, so dass der Durchgang eines auftreffenden Flüssigkeitströpfchens wirksam verhindert wird.

In der dargestellten I.ampe hat das Entlüf tungsröhrchen 13 aus Ni>b zum Beispiel einen Innendurchmesser von etwa 2,5 mm. Ein geeignetes Sieb kann hergestellt worden, indem man aus einem Wolframnetz mit einer lichten Maschenweite von etwa O,15 mm eine Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 4,70 mm ausschnei-

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det und man der Scheibe eine becherförmige Gestalt gibt, indem man es in einen halbkugelförmigen Becher mit einem Durchmesser von etwa 2,38 mm presst, aus dem es aufgrund seiner Elastizität Ii rausspringt und sich ausdehnt. Das becherförmige Sieb wird dann mit der Nase zuerst mittels eines dünn·;» Stabes in das Kn t iü ftungsröhrchen gedruckt und dort durch Ueibung in etwa der dargestellten Gestalt und der dargestellten Position geh.ilten. Das leere Bogenentiadungsrohr wird dann in einer Kammer, die entlüftet und mit dem als Zündgas dienenden Inertgas getullt ist, mit der Füllung versehen. Innerhalb dieser Kammer lässt ein Gerät eine Kugel des flüssigen Natriumamalgams in das Entlf.iftungsröhrchen fallen, wobei die Kugel etwas grosser ist, als bei 20 in Fifiur 3 gezeigt. Das Natriumamalgam ist vorher auf eine Temperatur oberhalb von Zimmertemperatur erhitzt worden, bei der es flüssig ist und leicht fliesst. Mit einem mechanischen Gerät wird dann das Ende des Röhrchens 17 wie bei 30 gezeigt mit ausreichender Kraft gepresst, um eine hermetische Kaltschweissung vorzunehmen.

Geeignete Netz- bzw. Siebmaterialien sind Wolfram, Molybdän und rostfreier Stahl. Nickel ist nicht geeignet zur Verwendung zii iinmen mit einem Ent Iu f tungsröhrchen aus Niob, weil es sich in dem Niob löst.

Befindet sich beim Betrieb der Lampe das Entlüftungsröhrchen 13, das als äusseres Reservoir dient, am weitesten unten, dann kondensiert sich das überschüssige Natriumamalgam in dem keilförmigen Volumen 31, das in Fi;:ur 2 gezeigt ist, nahe der kalten Stelle, die das abgequetschte Endstück 30 ist. Der übliche Vorteil der Konstruktion mit einem riusseren Reservoir wird so erhalten, der eine enge Kontrolle des Dampfdruckes innerhalb des Bogenent ladungsrohros liestati.-t, in dem der Wärmeausgleich reguliert wird, cu.r die Temperatur der Reservoirspitze 30 bestimmt. Bei dieser Orientierung der Figur 2, die der Position mit nach oben liegendem Schraubsockel für die dargestellte Lampe entspricht, passieren die Natrium- und Quecksilberdämpfe frei das Sieb 28 und das überschüssige \malgam bleibt immer bei 31, wie in

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Wird die Lampe umgekehrt und mit dem Schraubsockel nach unten betrieben, dann hat das äussere Reservoir die in Figur 3 gezeigte Orientierung. Selbst bei dieser Umkehrung ist die Oberflächenspannung oder Kapillaranziehunj; des NntriumamaIgams normalerweise ausreichend, um das überschüssige Amalgam in dem kei1förmigen Volumen an der Spitze des Niobröhrchens 13 zu halten. Wenn es jedoch unter der Vibrations be lastung eines mechanischen Schockes passiert, dass sich ein Tröpfchen des Amalgams aus dem keilförmigen Volumen löst, dann wird dieses fallende Tröpfchen durch das Sieb 28 au Ige fangen, wie bei 20 in Figur 3 veranschaulicht. Das leine Netz <!<■ . Siebes stellt sicher, dass das Tröpfchen 29 nicht durch \ufbrechen in eine Vielzahl kleiner Tröpfchen durch das Netz hindurchgeht. Deim Wärmeausgleich am Lampenende zwischen der Elektrode 1Ί als Wärmequelle und dem Becher Π bei relativ hoher Temperatur fällt die Temperatur entlang dem Ent luft un^;. röhrchens 13 bis zur Spitze 30 hin. Der Temperaturanstieg von Spitze 30 bis zur Stelle des Siebes 2 8 kann 10 bis 2O°C betragen. Aufgrund dieser Temperaturdifferenz verdampft das Amalgamtröpfchen 2¹J langsam und rekondensiert sich an der Spitze, wodurch es zu dem keilförmigen Volumen 31a zurückgeführt wird. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Sieb und der Spitze ist jedoch nicht hoch genug, um einen Dampfdruckanstieg zu verursachen, der den Lainpenbetrieb merklich beeinflusst. Die kleine Amalgamkugel 29 verschwindet schliesslich vollständig und das Amalgamvolumen 31a in Figur vergrössert sich zu dem Volumen 31 in Figur 2. Das überschüssige Amalgam verbleibt so, bis aufgrund äusserer Umstände sich ein anderes Tröpfchen bildet und abfällt, woraufhin die obige Schrittfolge wiederholt wird.

Das feinmaschige Sieb 2P. ist billig, leicht einführbar und vollkommen wirksam und aus diesem Grunde als Hindernis bevorzugt. Es sind jedoch Alternativen verfugbar, z.B. ein kleiner Pfropfen aus feinem Wolframdraht, der in das Röhrchen 13 gestossen wird oder ein Körper geeigneter Grosse mit kapillaren Zwischenräumen.

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Die vorliegende Erfindung gestattet alle Vorteile der hohen Leuchtwirksamkeit und der engen Farbregulierung, die aufgrund der Konstruktion mit äusserem Reservoir erzielbar sind und hat gleichzeitig den Vorteil der universalen Brennposition, ohne eine verkürzte Lebensdauer oder ohne Blinken während des Betriebes .

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Claims

Ansprii'-he

Alkalimetalldampf lampe mit einem rohrförmigen Kolben aus lichtdurchlässigem keramischen Material, an dessen gegenüberliegenden Enden ein Paar Elektroden abgedichtet eingeführt ist, wobei in das eine Ende des Kolbens ein metallisches Ent lüttungsröhrchen abgedichtet eingelassen ist und der Kolben ein ionisierbares Medium, das Alkalimetall einschliesst, in einer Menge enthält, die die während des Normalbetriebes verdampfte Menge übersteigt, wobei das Tint luft ungsröhrchen eine Lüftungsöffnung zum Inneren des Kolbens hin aufweist und a .1 seinem äusseren Ende abgedichtet ist und der Wärmeausgleich innerhalb des Kolbens das abgedicntete Ende des EntIuftungsröhrchens zur kalten Stelle des Kolbens macht, dadurch gekennzeichnet , dass in dem EntIUftungsröhrchen zwischen der Lüftungsöffnung und dem abgedichteten Ende ein Hindernis an einer Stell«, angeordnet ist, deren Temperatur deutlich höher ist als die des abgedichteten Endes, wobei dieses Hindernis den Durchgang zwischen der Lüftungsöffnung und dem abgedichteten Ende zu einer Vielzahl von Kapillaröffnungen beschränkt.

2. Alkalimetalldampf lampe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das ionisierbare Medium Natriumamalgam umfasst.

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ORIGINAL INSPECTED

Λ. Λlkalimetalldampflampe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ent-Ui ftungsröhrchen aus Niob besteht und dessen äusseres Ende keilförmig verschlossen ist, wobei diese Keil form das überschüssige Amalgam durch Kapillarbewirkung hiilt.

4. AlkalimetalldampL'lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Hindernis ein· feinmaschines Metallsieb ist.

5. Alkalimetalldampflampe nach Anspruch 1, 3 oder Λ, dadurch gekennzeichnet, dass das Hindernis ein leininaschines Motallaieb ist, das durch Reibung in einer mittleren Lage in dem Entlüftungsröhrchen festgehalten ist.