DE2804716A1 - Bogenlampenkolben - Google Patents

Description

Fenster reduziert werden und die Metall-Fenster-Bindung der Dichtung unter Druck gebracht wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Hochdruck-Gasentladungseinrichtungen und insbesondere Verbesserungen in der Kolbenstruktur und der Fensterabdichtung für Hochdruck-Bogenlampen.

In jeder Bogenlampe arbeiten unterschiedliche Teile der Lampenkonstruktion auf unterschiedlichen Potentialen entsprechend der einen oder anderen Elektrode. Es ist deshalb notwendig, eine Isolierung zwischen diesen Teilen zu schaffen, um ihre gegenseitige elektrische Isolation aufrechtzuerhalten. Bekannte Hochdruck-Bogenlampen (beispielsweise US-PS 3 876 908; 3 8^2 629; 3 808 496) verwenden Keramikzylinder, die den Lampenkolben in Anoden- und Kathoden-Teile aufteilen, wobei eine Umfangsfläche des Isolators Teil des Lampenkolbenäußeren ist. Ersichtlich sind als Folge dieser Konstruktion der Lampenentwurf, ihr Betrieb und ihre Benutzung einer Anzahl von kritischen Forderungen unterworfen.

Eine solche kritische Forderung bezieht sich auf den Innendruck und die Temperatur, der die Keramik und die Keramik-Metall-Bindungen unterworfen werden. So verwendete Keramikzylinder oder -ringe stehen hauptsächlich unter Zugspannungen durch die Hochdruck-Gasfüllung der Lampe, die dazu neigt, die Anoden- und Kathoden-Teile des Lampenkolbens auseinanderzuschieben. Die gelöteten Metall-Keramikverbindungen dieser bekannten Lampen stehen in ähnlicher Weise unter Zug- oder Seher-Beanspruchung. Durch die Eigenschaften der Lötlegierungen und der Metallteile müssen die Spannungen innerhalb der Verbindung innerhalb sicherer Toleranzen

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gehalten werden. Die Spannungen sind wärmeabhängig und setzen damit Grenzwerte für den Lampenbetrieb und das zugehörige Kühlsystem fest.

Eine weitere kritische Betrachtung betrifft die Umgebung, in der die Lampe betrieben werden soll. Feuchtigkeit, Schmutz, Fett, Fingerabdrücke und dergl. können die Isoliereigenschaften der Keramik erheblich verschlechtern, insbesondere für die Hochspannungs-Zündbedingungen. Darüber hinaus unterliegt die freiliegende Keramik Stoßen, die einen Bruch einleiten können.

Es dürfte auch klar sein, daß ein Ausfall in der Keramik oder in den Metall-Keramik-Abdichtungen einer Hochdrucklampe für in der Nähe befindliches Personal oder benachbarte Geräte gefährlich sein kann.

Bei einer anderen bekannten Lampe (US-PS 3 715 613) wird ein Keramikzylinder mit einer eingetieften ebenen Oberfläche zur Aufnahme einer Metallscheibe verwendet, die ihrerseits die Anodenstruktur abstützte. Die Außenfläche der Keramik war an die Innenfläche des Kolbenhalses angelötet. Der Metallring übte also Druck- und Scherspannungen auf ein Ende der Keramik durch den internen Gasdruck aus, während eine Lötung der Außenumfangswand der Keramik an die innere Zylinderfläche des Kolbenhalses in Scherspannungen durch den internen Gasdruck resultiert.

Eine Bogenlampe ist auch durch ein optisches Fenster gekennzeichnet, das einem sehr großen Druckunterschied zwischen dem Inneren und Äußeren der Lampe widerstehen muß. Bekannte Fensterdichtungen in solchen Lampen haben

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normalerweise eine Fensterscheibe aus Saphir verwendet, die um den Umfang herum metallisiert ist und dann an einen Schenkel eines U-förmigen Metallflansches angelötet ist, der anschließend an die Fenster-Kathode-Baueinheit angelötet wurde (US-PS 3 852 629). Diese Fenster-Abdichttechnik ergab eine bessere Abdichtung, diese ist jedoch nicht so gut wie die Abdichtung, wie sie im folgenden beschrieben wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Durch die Erfindung wird eine Körperdichtung von einer Geometrie verfügbar gemacht, die den Hauptkörper des keramischen Isolators und die zugehörige Lotung unter Druck bringt. Das wird dadurch erreicht, daß die Keramik zwischen den radial auswärts vorstehenden Flansch eines inneren zylindrischen Teils des Lampenkörpers und einen radial einwärts vorstehenden Flansch eines äußeren zylindrischen Teils des Lampenkörpers gebracht wird. Die zylindrischen Teile sind koaxial und überlappen einander, und der interne Gasdruck im Kolben übt Druckkräfte auf die Keramik aus. Die Erfindung sorgt auch für Druckbeanspruchungen über der Metall-Saphir-Verbindung der Fensterabdichtung und über die Dicke des Fensters selbst, indem ein ringförmiger Teil der äußeren, ebenen Fläche des Fensters an einen Zwischenring unter Verwendung einer Messerkantenlötung gedichtet wird, und dann der Ring an den äußeren Kolben kantengelötet wird. Für die Zwecke der Beschreibung soll unter einem Messerkanten-Dichtelement eines verstanden werden, das ein Verhältnis Länge/Dicke von 5 oder mehr hat und nicht notwendigerweise eine scharfe Kante.

Durch die Erfindung soll eine sicherere und robustere Lampe verfügbar gemacht werden, die sowohl für eine

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höhere Betriebsleistung als auch zur Herstellung mit reduzierten Herstellungskosten geeignet ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind die Anoden- und Kathoden-Teile des Lampenkolbens durch einen keramischen Isolator getrennt, der zwischen einen einwärts vorstehenden Flansch des Kathodenteils und einen auswärts vorstehenden Flansch des Anodenteils eingesetzt ist, so daß der Isolator hauptsächlich Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung sind ebene Flächen des Keramikisolators zur elektrischen Isolation der Anode gegen die Kathode dazu geeignet, an Messerkanten-Dichtungen gelötet zu werden, so daß die Präparierung radialer Flächen zum Dichten vermieden werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Keramikisolator im wesentlichen von den Kolbenteilen eingeschlossen, so daß der Isolator gegen Stöße oder Verunreinigungen seiner Oberfläche geschützt ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Fenster hermetisch dicht gegen einen Körperteil des Lampenkolbens dadurch angesetzt, daß die externe ebene Oberfläche des Fensters stirnseitig an eine Messerkantenfläche eines Kovar-Ringes angelötet ist und die andere Messerkantenfläche des Kovar-Ringes an die einwärts vorstehende Lippe des Lampenkolbens gelötet ist.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung naher erläutert werden; es zeigen:

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Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Hochdruck-Bogenlampe nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Detail einer anderen Ausführungsform der Hauptkörperdichtung nach der Erfindung; und

Fig. 5 ein Detail einer anderen Ausführungsform der Fensterdichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Hochdruck-Kurzbogen-Scheinwerfer (sealed beam lamp) nach der Erfindung. Eine als Kathode dargestellte Elektrode ist im vorderen Teil der Lampe in der Kachbarschaft eines Fensters 11 montiert. Die Kathode 10 wird von metallnen Streben 12 abgestützt, die mittig an der Kathode 10 befestigt sind. Ein Getter ist vorgesehen, um Verunreinigungen aus der Gasfüllung der Lampe zu entfernen. Die Streben 12 sind in der Nähe ihrer äußeren Enden an einem Metallring 14- befestigt. Ein Reflektor 16 hängt am Ring 14. Das Äußere des vorderen Teils der Lampe ist eine zylindrische Schale 18 aus einer hochfesten Metallisolierung, beispielsweise rostfreiem Stahl.

Das Fenster 11, das vorzugsweise aus Saphir besteht, ist mit einem Messerkanten-Lötprozess an einen ringförmigen Dichtring 21 stirngelötet, der letztere besteht vorzugsweise aus Kovar.

Wenn auch das Fenster 11 den gleichen Biegemomenten über seine ebene Fläche (Stirnseite) wie bei bekannten Lampen unterworfen ist, so ist doch der äußere Umfangsbereich oder Rand des Fensters, zusammen mit der Fenster-Metall-Verbindung mit Druckkräften belastet, mit einer entsprechenden Herabsetzung der Zugbeanspruchungen. Da

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die Endfestigkeit für Saphir unter Druck weit über der für Zug liegt, wurde festgestellt, daß diese Dichtung viel höheren Innendrucken widerstehen kann als "bekannte Umfangsdichtungen für Saphirfenster gleicher Dicke. Während bekannte Umfangsdichtungen auf Dichtungsausfall bei 1.200 psi (82,74- Bar) geprüft wurden, wurde die druckbelastete Fensterdichtung nach der Erfindung bei 1.900 psi (131 Bar) geprüft und fiel nicht aus. Es wird vermutet, daß, wenn die Umfangsflache 19 des Fensters dem inneren Gasdruck der Lampe ausgesetzt wird, sich eine Druckbeanspruchung quer über die Durchmesser des Fensters ergibt, woraus der höhere beobachtete Widerstand gegen Bruch resultiert. Es ist auch zu vermerken, daß die Lötverbindung zwischen dem Fenster 11 und dem Dichtring durch den hohen internen Gasdruck unter Druck steht. Es können also höhere Drucke erreicht werden, oder es kann stattdessen ein dünneres Saphirfenster verwendet werden, um die gleiche strukturelle Integrität zu erreichen, wie sie durch den Stand der Technik charakterisiert ist.

Eine zweite Elektrode, hier die Anode 22,. ist im rückwärtigen Teil der Lampe abgestützt. Eine hochfeste Metallegierungs-Schale 28 umgibt die Anode 22 und ist an dieser befestigt. Rückwärtige und vordere Scheiben, die den Lampenkolben bilden, sind dadurch verbunden, daß metallne Schalen 18 und 28 an einem Ring 25 aus hochfester Keramik befestigt sind. Die Dichtringe 29, die beispielsweise aus Kovar bestehen, werden dazu verwendet, den Keramikring 25 dicht an die Anodenschale 28 und die Kathodenschale 18 anzusetzen, so daß ein hermetischer Kolben gebildet wird. Die Kathodenschale 18 und die Anodenschale 28 sind gegenseitig so konfiguriert, daß der Keramikring 25 unter Druck gebracht

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wird und daß sie den Keramikring 25 gegen Verunreinigung und Stoß schützen. Das wird dadurch erreicht, daß an der Kathodenschale IS₁ ein einwärts vorstehender Flansch und an der Anodenschale 28 ein auswärts gerichteter Plansch 32 gebildet wird. Diese Flansche überlappen einander, um einen gemeinsamen Radialbereich zu überstreichen, der von der Mittellinie 3^ definiert wird, und in diesem gemeinsamen Radialbereich sitzt der Keramikring 25· Der Innendruck neigt damit dazu, den Kolben zusammenzuhalten. Die äußere Überlappung der Kathodenschale 18 über die Keramik 25 neigt damit dazu, die Keramik gegen Verunreinigung zu schützen, die Kurzschlüsse fördern könnte, und gegen Stöße, die die Keramik beschädigen könnten. Sollte die Keramik ausfallen, wird in gleicher Weise verhindert, daß Bruchstücke Schaden an in der Nähe befindlichen Personen oder Geräten verursachen. Sollte darüber hinaus der Keramikisolator oder seine Dichtung ausfallen, werden die Kathoden- und Anodenschalen 18 und 28 von den Flanschen 30 und 32 daran gehindert, sich voneinander zu trennen.

Das Verhältnis der Druckfestigkeit zur Zugfestigkeit für eine typische Keramik, wie sie hier verwendet wird, liegt höher als 10 : 1, damit kann der Keramikisolator viel höheren Druckkräften widerstehen, die sich durch die Hochdruck-Gasfüllung der Lampe ergeben, als es der Fall wäre, wenn die Keramik auf Zug belastet wird.

Es ist zu erkennen, daß die Vorbereitung des Keramikrings 25 zum Löten lediglich ein Schleifen der endebenen Flächen erfordert, statt der aufwendigeren Vorkehrungen zur Vorbereitung von radialen Flächen zum Löten. In ähnlicher Weise brauchen nur ebene Flächen (der Flansche 30 und 32) zum Löten vorbereitet zu werden und nicht Umfangsflächen der Schalen 18 und 28. Diese Dichtungen

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sind Messerkantenlötungen, die im wesentlichen reinen Druckbeanspruchungen unterworfen sind.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer Dichtung, wobei zwei koaxiale Ringe 29' und 29" anstelle des einfachen Ringes 29 verwendet werden. In ähnlicher Weise sind in Fig. 3 doppelte Dichtungsringe für eine alternative Ausführungsform für die Dichtung des Fensters an den Montagering 14 dargestellt.

Die Montage der Lampe nach Fig. 1 wird in der Weise durchgeführt, daß zunächst die Lötoperationen durchgeführt werden, die dazu erforderlich sind, die Kathodenschale an die Anodenschale 28 zu dichten. Der Montagering 14, der das Fenster und die Kathode stützt, wird als letzte Lötung an die Kathodenschale 18 gelötet. Die Lampe wird dann durch die öffnung 36 auf Hochdruck gefüllt, vorzugsweise mit Xenon, und die öffnung wird dann dicht verschlossen.

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L e e r s e l\ e

Claims (8)

Vl P4-67 Patentansprüche

1. Bogenlampenkolben, gekennzeichnet durch einen ersten Metallteil mit einem einwärts vorstehenden Flansch und einem zweiten Metallteil mit einem auswärts vorstehenden Plansch, wobei der erste Teil eine ausreichende Innenabmessung hat, um den mit Außenflansch versehenen zweiten Teil zu überlappen, und die Flansche einen gemeinsamen Ringbereich zwischen sich definieren, einen Keramikring, der koaxial in dem gemeinsamen Ringbereich angeordnet ist, und Dichtungseinrichtungen, mit denen der Keramikring an die einwärts bzw. auswärts vorstehenden Flansche gedichtet wird, so daß die Metallteile hermetisch abgedichtet und elektrisch isoliert sind.

2. Bogenlampenkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungseinrichtung aus einer ersten Dichtung besteht, die zwischen einer ersten ebenen Fläche der Keramik und dem Auswärts-Flansch angeordnet ist, und einer zweiten Dichtung besteht, die zwischen einer anderen ebenen Fläche der Keramik und dem einwärts vorstehenden Flansch angeordnet ist.

3. Bogenlampenkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungseinrichtung aus einem Metallegierungsring besteht, der zu einer Messerkantendichtung geformt ist.

4. Bogenlampenkolben nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikzylinder auf seinen ebenen

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Flächen metallisiert und an die Messerkantendichtungseinrichtung gelötet ist.

5. Bogenlampenkolben nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungseinrichtung weiter an die jeweiligen Flanschflächen gelötet ist, so daß eine hermetische Dichtung zwischen den Metallteilen erreicht wird, während die Teile gegenseitig elektrisch isoliert sind.

6. Fensterdichtung für eine Hochdruck-Bogenlampe mit einem Metallkolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterabdichtung einen ersten Messerkantenteil aufweist, der an die ebene Fläche des Fensters in der Nähe von dessen Umfang anstößt, und daß der Metallkolben eine Flanschfläche aufweist, die dazu geeignet ist, den zweiten Messerkantenteil der Dichteinrichtung aufzunehmen,und die ebene Fläche des Fensters die externe Fläche des Volumens bildet, das von dem Fenster und dem Kolben definiert wird.

7. Bogenlampenkolben für Hochdrucklampen mit einem Fenster, wobei der Kolben dazu geeignet ist, hermetisch an dem Fenster anzuliegen, so daß das Innere des mit Fenster versehenen Kolbens gegenüber dem Äußeren des Kolbens unter Druck gesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster eine Innenfläche, eine Außenfläche und seitliche Flächen aufweist, und daß diese seitlichen Flächen unter Druckbelastung stehen.

8. Bogenlampenkolben nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkräfte auf die Druckfüllung der Lampe zurückzuführen sind.

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