DE2913845A1

DE2913845A1 - Lampenkolben aus geschmolzenem siliziumdioxid, zuleitungsdichtung dafuer und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2913845A1
Application number: DE19792913845
Authority: DE
Inventors: Richard Lowell Hansler; Robert Frederick Holle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-04-11
Filing date: 1979-04-06
Publication date: 1979-10-25
Also published as: JPS54136770A; JPS5816751B2; DE2913845C2; BR7902262A; CA1122255A; GB2023126B; US4202999A; FR2423054B1; GB2023126A; FR2423054A1

Description

Lampenkolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid, Zuleitungsdichtung dafür und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromzuführungsdxchtung für Drahtstärken, wie sie bei der Lampenherstellung allgemein benutzt werden und zwar mit einem Durchmesser von etwa O_sO25 mm bis zu etwa 1,25 mm, wobei diese Stromzufuhrungsdichtungen besonders geeignet sind zur Verwendung in Metalldampfent ladungs lampen mit sehr kleinen EntladungsVolumina, wie etwa 1 Kubikcentimeter oder weniger und den entsprechend feinen Stromzuführungen, wie sie in solchen Miniaturlampen benutzt werden.

In der eigenen älteren deutschen Patentanmeldung P 2 8 26 733·6 sind brauchbare und wirksame Hochdruck-Entladungslampen offenbart, die sehr viel geringere Größen haben, als bisher als praktisch angesehen wurden, nämlich EntladungsVolumina von 1 cm oder weniger. In einer bevorzugten Form mit maximaler Wirksamkeit benutzen diese Hochleistungslampen allgemein sphäroide dünnwandige Bogenkammern mit Dampfdrucken oberhalb von 5 x 10 Pa, die mit Verringern der Lampengröße höher werden. Die Bogeninstabilität durch Konvektion, die üblicherweise mit den hohen Drucken verbunden ist, ist vermieden und es gibt keine bemerkenswerte Explosionsgefahr. Die praktisch ausgeführten Lampen ergeben Wattleistungen bzw. Lampengrößen beginnend bei etwa 100 Watt bis hinab weniger als 10 Watt. Farbwiedergabe, Wirksamkeit, Pflegeaufwand und Lebensdauer machen sie für allgemeine BeIeuchtungszwecke brauchbar.

Um bei einer Miniatur-Metalldampflampe eine hohe Wirksamkeit zu erzielen, müssen ihre Elektroden selbst bei der geringen .Energie-

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aufnahme einer solchen Lampe die erforderlichen Temperaturen für eine gute Elektronenemission erzielen. Ein wesentlicher Paktor zur Erzielung dieses Ergebnisses ist die Verminderung der physichen Größe der Elektroden und Stromzuführungen, um deren Wärmeabgabe zu verringern.

In der älteren eigenen Patentanmeldung P 28 35 90^.8 ist eine Elektroden-Stromzuführungseinheit geringer Größe beschrieben, die einen kleinen Wolframstift umfaßt, der axial mit einem feinen Molybdändraht verbunden ist, der einen Polienabschnitt zum abgedichteten Durchführen durch geschmolzenes Siliziumdioxid aufweist. Die Verbindung in dieser Baueinheit wird durch eine Laser-Stumpfschweißung bewirkt, die es gestattet, eine symmetrische kompakte Dichtung herzustellen und so einen sehr kleinen Entladungskolben mit minimalen Endverlusten ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer neuen Stromzuführungsdichtung einfacher Konstruktion, die besonders für die Verwendung bei Miniatur-Entladungslampen geeignet ist, um die WärmeVerluste der Elektroden zu vermindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Dichtung in einen Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid eine Stromzuleitung aus hoehschmelzenden Metall, die sich durch eine Öffnung in einem Hals aus geschmolzenem Siliziumdioxid erstreckt, die in den Kolben führt. Eine Perle aus Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem des hoehschmelzenden Metalles und dem des geschmolzenen Siliziumdioxids ist um den Drahtjherum gebildet und benetzt diesen. Eine hermetische Dichtung wird erzielt durch ausreichendes Erhitzen des Perlenbereiches um das Glas zum Schmelzen und zum Benetzen des geschmolzenen Siliziumdioxides in einer ringförmigen Dichtungszone zu bringen, die einen Abstand von der Stromzuführung hat.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform besteht der Draht aus Wolfram und in diesem Falle sind Elektrode und Stromzuführung einstückig ohne Verbindungsstelle.

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Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 im oberhalb der Figur abgebildeten Maßstab eine Miniatur-Metalldampf-Entladungslampe mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungen,

Figur 2 eine vergrößerte fragmentarische Ansicht mit einer Stromzuführung aus einem hochschmelzenden Metall, um die eine Glasperle gebildet ist, wobei die Stromzuführung zum Abdichten innerhalb des Halses aus geschmolzenem Siliziuindioxid eingeordnet ist, und

Figur 3 eine Ansicht ähnlich der Figur 2, die entlang dem Zentrum der Stromzuführung aufgespalten ist, wobei die untere Hälfte zeigt, wie der erhitzte Hals auf Stromzuführung und Perle zusammenfällt und die obere Hälfte zeigt das Endergebnis.

In Figur 1 ist ein Bogenrohr 1 gezeigt, das eine allgemein sphärische Bogenkammer 2 umfaßt, in die sich Wolframstifte bzw. Wolframdrahtelektroden 3j3' durch Halsteile i|,V erstrecken. Das Bogenrohr kann aus Quarz oder geschmolzenem Siliziumdioxid bestehen einschließlich ausgelaugter siliziumdioxidreicher Gläser, die sich im wesentlichen wie geschmolzenes Siliziumdioxid verhalten, wobei diese ausgelaugten Gläser mehr als 95 % Siliziumdioxid enthalten und im Handel erhältlich sind. Ein Verfahren zum Herstellen des Kolbens besteht darin, das Rohr in bestimmten Bereichen zur Plastizität zu erhitzen, während man es auf einer Glasdrehbank mit Doppelspannfutter dreh.-. Die Bogenkammer wird durch Dehnen und Aufstauchen des Rohres unter Druck gebildet. Die Halsteile bildet man durch Zusammenfallenlassen oder Schrumpfen des Rohres. Während Wärme ausreicht, das Rohr schrumpfen zu lassen, kann man dies durch Vermindern des Druckes unterstützen, wenn dies erwünscht ist.

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Das Bogenrohr 1 ist typisch für den Entladungskolben, der geeigneteist für eine Miniatur-Metallhalogenidlampe. Die Wandstärke des Kolbenteiles beträgt etwa 0,5 mm, der innere Durchmesser etwa 6 mm und das Bogenkammervolumen etwa O₃Il ml. Ein Bogenrohr dieser Größe kann etwa 30 Watt abgeben und eine geeignet Füllung dafür umfaßt Argon bei einem Druck von etwa bis 120 Torr, k, 3 mg Hg und 2,2 mg Halogenidsalz, das in Gew.-% aus 85 NaJ, 5 ScJ-, und 10 ThJ₂. besteht. Eine solche Menge Quecksilber ergibt beim vollständigen Verdampfen unter Betriebsbedingungen eine Dichte von 39 mg/cm _; was einem Druck von

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23 x 10 Pa bei der Betriebstemperatur der Lampe entspricht. Das Quecksilber ist Figur 1 als Kügelchen 5 und das Halogenidsalz als Pellet 6 gezeigt. Sie können vor dem Abdichten der zweiten Elektrode durch einen der Hälse in die Bogenkammer eingeführt werden, in welchem Falle die Bogenkammer während des Abdichtens des Halses gekühlt wird, um ein Verdampfen dieser Ladung zu verhindern. Diese Ladung kann aber auch nach dem Abdichten der Elektroden durch ein Hilfsentlüftungsrohr eingeführt werden (das in der Zeichnung nicht dargestellt ist) und danach entfernt man es durch Abschmelzen. Quecksilberkugelchen und Halogenidpellet verdampfen, wenn die Lampe das erste Mal in Betrieb genommen wird. Beim nachfolgenden Abkühlen kondensiert sich die Ladung als Überzug auf der Innenwand der Bogenkammer.

Unter Bezugnahme auf Figur 2 wird eine Abdichtung einer Stromzuführung für eine Elektrode, die für eine Miniatur-Metalldampflampe mit Stromzuführungen aus Wolframdraht in der Größenordnung von 0,1 bis 0,25 mm Durchmesser, geeignet ist, folgendermaßen hergestellt:

Nach dem Formen des Kolbens wurde ein Hals 4 geschaffen, der einen Durchgang 7 aufwies, der über eine Länge von mehreren mm einen größeren Durchmesser aufwies als die Stromzuführung 3· Jenseits dieser Länge war der Durchgang größer als die Perle und der Hals kann sich, wie bei 8 angedeutet, zu den ursprünglichen Rohrabmessungen erweitern. Der Hals wird lang genug gemacht, damit man die Perle in einigem Abstand vom Kolben anordnen kann. Wird nämlich die Glasperle zu dicht am Kolben mit

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dem Quarz abgedichtet, dann kann sie während des Betriebes der Lampe erweichen.

Vor dem Einführen der Wolfram-Stromzuführung in den Hals wird eine kleine Glasperle 9 auf dem Wolframdraht gebildet. Hierfür wird ein Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten benutzt, der zwischen dem des Wolframs und dem des geschmolzenen Siliziumdioxids liegt. Ein geeignetes Glas ist Corningglas Nr. 723O mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa l₉k χ 10 cm/em/°C, verglichen mit dem von Wolfram von 4,5 x und Quarz von 0,45 x 10 ,jeweils cm/cm/°C. Ein geeignetes Verfahren zum Bilden der Perle auf dem Draht, welches das Benetzen des Wolframs durch das Glas sicherstellt, besteht im Erhitzen des Drahtes in einer inerten Atmosphäre durch Hindurchleiten von Strom und dem Schmelzen des Glases auf dem heißen Draht. Der Perlendurchmesser soll vorteilhafterweise beträchtlich größer sein als der Durchmesser der Stromzuführung, nämlich 3 mal oder mehr. Für einen Wolframdraht mit einem Durchmesser von etwa 0,2 mm wurde z. B. eine Perle mit einem Durchmesser von 1 mm benutzt. Dies gestattet einen radialen Abstand bzw. eine Ringtrennung zwischen dem Punkt, an dem das Glas mit dem Siliziumdioxid abgedichtet ist und dem Punkt, wo es mit der Stromzuführung abgedichtet ist.

Um die Dichtung herzustellen_Awird die mit der Perle versehene Stromzuführung in den Hals eingeführt und man kann Argon dazu benutzen_/die Perle in den Öffnungsansat ζ 8 des Durchganges 7 zu pressen. Die Dichtung wird durch Erhitzen des Quarzhalses fertig gestellt, geeigneterweise mittels einer in Figur 3 gezeigten scharfen Gasflamme, wobei man mit der Flamme nahe dem Kolben beginnt und sie zu der Glasperle hin bewegt. Die ganze Baueinheit wird natürlich in einer Glasdrehbank 'gedreht, während man erhitzt.

das Es wird ausreichend erhitzt, um den Quarz oder/geschmolzene SiIiziumdioxid zu erweichen und es etwas im Durchmesser schrumpfen zu lassen, wie bei 12 in Figur 3 gezeigt, damit es sich um die Wolfram-Stromzuführung 3 herum verengt, aber ohne die Stromzuführung abzudichten oder zu benetzen. Im Bereich der Glasperle jedoch schmilzt das Glas ausreichend_s um den Quarz bzw. das ge-

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schmolzene Siliziumdioxid zu benetzen, wenn sich dieses um die Perle herum zusammenzieht. Dies stellt eine hermetiseheDichtung sicher, da das Glas die Wolfram-Stromzuführung benetzt und auch das Rohr aus geschmolzenem Siliziumdioxid.

Das Erhitzen wird so gesteuert, daß ein ringförmiger Spalt 13 um die Stromzuführung herum zwischen der Dichtungszone zwischen geschmolzenem Siliziumdioxid und Glas und der Dichtungszone zwischen Glas und Metallstromzuführung aufrechterhalten wird. Es ist festgestellt worden, daß das Vorhandensein eines solchen Spaltes für eine zuverlässige Dichtung erforderlich ist. Anders ausgedrückt wird das Erhitzen nur so weit ausgeführt, daß ein vollständiges Zusammenfallen des Quarzes gegen die Stromzuführung an der Glasperle vermieden wird, da dies den Spalt 13 auf der Kolbenseite der Glasperle beseitigen würde. Der ringförmige Spalt 13 kann sich während der Lebensdauer der Lampe mit Inertgas oder etwas von dem Quecksilber und dem Metallhalogenid füllen, dies ist jedoch so wenig, daß es die wirksame Ladung im Kolben so weit beläßt, daß dadurch kein Problem entsteht.

Eine Lampe mit den Abmessungen nach Figur 1 und einer Dichtung gemäß Figur 3 wurde mit 31 Watt Eingangsleistung betrieben und ergab eine anfängliche Wirksamkeit von 86 Lumen/Watt. Die hermetische Dichtung wMerstand dem abwechselnden Erhitzen und Abkühlen beim An- und Abschalten ohne irgendein Zeichen von Belastung oder Verschlechterung.

Die Elektroden von Hochleistungs-Metalldampf- oder Metallhalogenidbogenlampen müssen aus Wolfram hergestellt sein. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung ist es, daß sie die Verwendung eines durchgehenden Wolframdrahtes ohne Verbindungs- oder Schweißstelle darin sowohl für die Stromzuführung als auch für die Elektrode gestattet oder zumindest für den Elektrodenschaft. In einigen Fällen ist es jedoch erwünscht, daß der sich nach außen erstreckende Abschnitt der Stromzuführung aus einem anderen Material als Wolfram besteht, damit man das Herstellen der Verbindungen dazu erleichtert. So könnte es z. B. vorteilhaft sein,

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wenn der Teil 3a der Stromzuführung in Figur 3, der sich in die Bogenkammer erstreckt, aus Wolfram besteht und der Abschnitt 3b der Stromzuführung, der sich nach außen erstreckt, aus Molybdän besteht. In einem solchen Falle wird die Verbindung zwischen den beiden Abschnitten z. B. durch eine Achse-an-Achse ausgeführte
Laserschweißstelle hergestellt.

Die Verbindungsstelle könnte dann innerhalb des Durchgangs 7
durch den Hals H angeordnet werden und man stellt mittels einer Glasperle zwischen dem äußeren Molybdänteil und dem Hals eine
Dichtung her. Hierdurch vermeidet man die Notwendigkeit, im Molybdänteil einen folienartigen oder abgeflachten Abschnitt zu benutzen.

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Λ7,

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Claims

Ansprüche

fl.) Zuleitungsdichtung, gekennzeichnet durch

einen Hals aus geschmolzenem Siliziumdioxid, der sich in einen Kolbenteil erstreckt und einen Durchgang enthält; eine Stromzuführung aus hochschmelzendem Metall, die sich durch den Durchgang in den Kolbenteil erstreckt; eine um die Stromzuführung unter Benetzen derselben gebildete Glasperle, wobei das Glas der Perle einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des hochschmelzenden Metalles und dem des. geschmolzenen Siliziumdioxids liegt,

wobei das Siliziumdioxid des Halses vom Kolbenteil aus zur Glasperle um die Stromzuführung herum ohne wesentliches Benetzen/zum Zusammenfallen gebracht ist und das Siliziumdioxid des Halses unter Benetzen mit der Glasperle in Eingriff steht, um eine hermetische Dichtung zu erzielen, wobei das enge benetzende Anschmiegen aneinander von Glas der Perle und geschmolzenem Siliziumdioxid des Halses eine ringförmige Dichtungszone bildet, die durch einen ringförmigen Spalt von der Stromzuführung beabstandet ist./derselben

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ORIGJNAL INSPECTED
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der ringförmige Spalt einen Durchmesser hat, der nicht geringer ist als das Doppelte des Durchmessers der Stromzuführung.
3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Glasperle mindestens dreimal so groß ist wie der Durchmesser der Stromzuführung.
^t. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch den Hals erstreckende Stromzuführung ein Stück Wolframdraht ist.
5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch den Hals erstreckende Stromzuführung einen Wolframabschnitt umfaßt, der sieh in den Kolbenteil hinein erstreckt und einen Abschnitt aus einem anderen Metall, der sich nach außen hin erstreckt, wobei die beiden Abschnitte axial miteinander verbunden sind.
6. Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe, gekennzeichnet durch:

einen dünnwandigen Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid, dessen Volumen etwa 1 Kubikcentimeter nicht übersteigt und der außerdem einen Halsteil mit einem Durchgang aufweist, durch den sich eine feine Stromzuführung aus hochschmelzendern Metall erstreckt,

eine Glasperle, die unter Benetzen um die Stromzuführung herum geformt ist, wobei das Glas der Perle einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des hochschmelzenden Metalles und dem des geschmolzenen Siliziumdioxids liegt,

wobei man das Siliziumdioxid vom Kolbenteil aus hin zur Glasperle um die Stromzuführung im wesentlichen ohne Benetzen derselben hat zusammenfallen lassen, wobei sich das Glas der Perle eng an das geschmolzene Siliziumdioxid des Halses unter

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Benetzen rundherum anschmiegt, um eine hermetsiche Dichtung zu erzielen und dieses benetzende Anschmiegen vom Glas der Perle und geschmolzenem Siliziumdioxid des Halses eine ringförmige Dichtungszone bildet, die durch einen ringförmigen Spalt im Abstand von der Stromzuführung liegt.
7- Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Stromzuführung 0,1 - 0,25 nun beträgt.
8. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des ringförmigen Spaltes nicht weniger als das Doppelte des Durchmessers der Stromzuführung beträgt.
9. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Glasperle mindestens das Dreifache des Durchmessers der Stromzuführung beträgt. .
10. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch den Hals erstreckende Stromzuführung ein Stück Wolframdraht ist.
11. Lampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich durch den Hals erstreckende Stromzuführung einen Wolframabsehnitt umfaßt, der sich in den Kolbenabschnitt erstreckt und einen Abschnitt aus einem anderen Metall, das zur Außenseite hin reicht, wobei die beiden Abschnitte axial miteinander verbunden sind.
12. Verfahren zum Abdichten einer Stromzuführung in einem Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid, dadurch gekennzeichnet , daß man einen Kolben aus geschmolzenem Siliziumdioxid mit einem damit verbundenen Halsteil herstellt, durch den sich ein Durchgang erstreckt, der so bemessen ist, daß er über eine gewisse Länge an eine Strom-

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zuführung aus Metall angepaßt ist, die einen gegebenen Durchmesser hat, und sich jenseits dieser Länge zu einem größeren Durchmesser ausweitet,

daß man eine Glasperle gegebenen Durchmessers um eine Stromzuführung herum unter Benetzen derselben bildet, wobei das Glas der Perle einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der zwischen dem geschmolzenen Siliziumdioxidsund dem der Stromzuführung liegt,

daß man die Stromzuführung so weit in den Durchgang einführt, bis sich die Glasperle darin befindet, daß man unter Anwendung von Wärme das geschmolzene Siliziumdioxid des Halsabschnittes vom Kolbenteil aus zur Glasperle hin um die Stromzuführung herum ohne Benetzen derselben zum Zusammenfallen bringt sowie auch um die Glasperle herum unter Benetzen des geschmolzenen Siliziumdioxids durch das Glas, um eine hermetische Dichtung zu erzielen, wobei das benetzende Aneinanderschmiegen von Glas und geschmolzenem Siliziumdioxid in einer ringförmigen Dichtungszone stattfindet, die durch einen ringförmigen Spalt von der Stromzuführung getrennt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der ringförmige Spalt mit einem Durchmesser gebildet ist, der nicht geringer ist als das Doppelte des Durchmessers der Stromzuführung.

1^1. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Glasperle, mit der das benetzende Aneinanderschmiegen hergestellt ist, mindestens dreimal so groß ist wie der Durchmesser der Stromzuführung.

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