-
Metallhalogendampflampe
-
Die Erfindung betrifft eine Metallhalogendampflampe mit einem aus
lichtdurchlässigem, hochschmelzenden Material, zweckmässig aus Quarzglas bestehenden
Entladungsgefäss, in welchem zwischen eiiigebauten Elektroden hoher Schmelztemperatur
eine elektrische Bogenentladung aufrechterhalten wird, wobei im Entladungsgefäss
bei Betriebstemperatur Metalldampf hohen Druckes, Edelgas und als Zusatz mindestens
ein
Metall, sowie ein mit dem letzteren eine Halogenverbindung lieferndes Halogen vorhanden
sind, und beide Enden des rohrförmigen Entladungsgefässes um die Elektroden herum
mit einer wärmerückstrahlenden Schicht überzogen sind.
-
Metallhalogendampflampen für industrielle und Strassenbeleuchtung
sind heutzutage bereits weit verbreitet in Verwendung und beispielsweise aus der
US-PS 3 248 421 schon seit dem Jahre 1966 bekannt. Derartige Lampen sind irer äusseren
Form nach, den herkömmlichen, von alt her bekannten Hochdruck-Quecksilberdampflampen
mit Quarz-Entladungsrohr äusserst ähnlich. Die handelsüblichen Lampen der eingangs
genannten Gattung enthalten in ihren Entladungsgefässen ausser Quecksilber in bestimmten
Fällen Natriumjodid, Thalliumjodid und Indiumjodid, andernfalls Jodide von seltenen
Erden, Cäsiumjodid und Thalliumjodid, wobei jedoch auch zahlreiche andere Füllungsvarianten
handelsüblich sind.
-
Im normalen Betriebszustand sind bei derartigen Lampen die beiden
Enden des Entladungsgefässes die kältesten Stellen. Werden zwecks Erhöhung der Temperatur
dieser Endstellen keinerlei Sondermassnahmen vorgesehen, so kommt es zu einer raschen
Kondensation bestimmter Metallhaloide an beiden Enden des Entladungsgefässes im
Bereich hinter den Elektroden. Hierdurch werden die Lampen bald betriebsunfähig,
bzw. ihr Wirkungsgrad nimmt ab, da bestimmte, in der Entladung eine wichtige Rolle
spielende Metallhalogenverbindungen aus der Entladungs-Gasmischung ausgeschieden
werden. Als Massnahme gegen bzw. zur Verhinderung des genannten Effektes werden
allgemein wärme- und
lichtrückstrahlende Schichten an den Enden
des rohrförmigen Entladungsgefässes angebracht, um diese auf eine höhere Temperatur
zu bringen.
-
Aus der Vielzahl der hierfür bekannt gewordenen und weit verbreitet
verwendeten sogenannten wärmereflektierenden Überzügen ist beispielsweise eine Zusammensetzung
in der im Jahre 1968 erschienenen US-PS 3 374 377 von Interesse.
-
Hiernach besteht die wärmerückstrahlende Schicht im wesentlichen aus
ZrO2. Der aus Zirkonoxid bestehende Überzug weist eine befriedigende Wärmeisoliereigenschaft
auf, er zeigt keine Neigung zur Schwärzung und entwickelt keine schädlichen Gase
im Raum zwischen Entladungsgefäss und Aussenkolben. Nachteilig ist? jedoch dabei,
dass die Anbringung der Schicht nicht befriedigend gelöst und beherrscht ist. Der
Überzug ist brüchig,er neigt zur Abscheidung, haftet nicht genügend am Trägerglas,
so dass es beim Transport sowie bei der Handhabung der Lampen unter Wirkung der
unvermeidlichen Stösse oft zum Herabfallen der Schicht kommt.
-
Zum genannten Zweck der Temperaturerhöhung wird nach einem anderen
bekannten Vorschlag eine Graphitschicht empfohlen und verwendet, deren Wirkungsweise
hauptsächlich darin liegt, dass sie mehr aus der Entladung freiwerdenden Wärmeenergie
als das blanke Quarzglas absorbiert. Diese Art Schichten sind leicht herstellbar,
sie führen jedoch nur bei bestimmten Zusätzen, vorwiegend bei Verwendung von NaJ-TlJ-InJ
als Zusatz zu befriedigenden Ergebnissen.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft die bekannten Überzüge vom Typ
Zirkonoxid, die auch bei bzw. in den empfindlichsten und anspruchsvollsten, mit
seltenen Erden als
Zusatz dosierten Lampen mit Erfolg verwendet
werden. Die Wirkungsweise dieser Lampen wird auch du i die vorzügliche Wärmeisoliereigenschaft
des ZrO2 (ausser seiner Wärmerückstrahlfähigkeit) mit beeinflusst. Wie bereits erwähnt,
ist jedoch zur Aufbringung dieser ansonsten vorzüglichen Schichten keine befriedigende
technische Lösung bekannt geworden.
-
Bei der Herstellung der genannten Schicht liegt der nachstehend beschriebene
Problemkreis vor: Die Wand des Entladungsgefässes besteht im allgemeinen aus Quarzglas,
dessen Wärmedehnung bekannterweise äusserst gering ist. An diesem Quarzglas von
geringer Wärmeausdehnung muss ein keramischer Werkstoff von unterschiedlicher Wärmedehnung
möglichst nicht dicht unter Einhaltung der nachstehend aufgezählten Bedingungen
dauerhaft angebracht werden: - Alle hinsichtlich der Wirkungsweise wesentlichen
Parameter der Schicht, darunter auch die Schichtdicke, sollen unter Massenfertigungsverhältnissen
innerhalb enger Toleranzen konstant gehalten werden.
-
- Die Schicht soll beschädigungs- und zerstörungsfrei dauerhaft ertragen,
dass zwischen der inneren und der Eäusseren Schichtoberfläche eine bedeutende Temperaturdifferenz
vorhanden ist. Während die quarzglasseitige Flächentemperatur etwa 8000C beträgt,
liegt die Temperatur der äusseren Schichtoberfläche bedeutend niedriger. Die Temperaturänderung
erfolgt beim Ein- und Ausschalten der Lampe äusserst schnell.
-
- Der Überzug darf auch während mehrerer Tausend Betriebsstunden keine
Schrumpfing erfahren-- Zur Herstellung der Schicht dürfen nur Bindemittel verwendet
werden, durch welche das Quarzglas nicht dauerhaft beschädigt wird.
-
- Während bzw. zur Herstellung der Schicht dürfen keine über die Betriebstemperatur
wesentlich hinausgehenden Temperaturen verwendet werden, damit das Entladungsgefäss
geschont wird.
-
- In Lampen mit Aussenkolben darf die Schicht im Betrieb der Lampe
keine, die Gasatmosphäre des Aussenkolbens verunreinigenden Gase abgeben.
-
Den oben aufgezählten Anforderungen wird keines der bisher bekannten
Verfahren zur Herstellung von wärmereflektierenden Schichten gerecht und sie sind
alle hinsichtlich der Massenfertigung äusserst umständlich.
-
In der DE-OS 2 009 684 ist beispielsweise ein Verfahren beschrieben,
nach welchem die Schicht mittels eines organischen Bindemittels aufgebracht wird,
das man später ausführt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Entladungsgefässe
zur Vermeidung der Entstehung von wasserstoffhaltigen Gasen im äusseren Lampenkolben
in oxidierender Atmosphäre erhitzt werden sollen, wobei es äusserst schwierig ist,
die Beschädigung der aus Molybdän bestehenden Stromzuführungen zu vermeiden.
-
Gemäss der Lehre der US-PS 3 851 200 wird das ZrO2 mit
Hilfe
alkalifreier Gläser aufgebracht. Der Nachteil liegt dabei darin, dass das Bindemittel
in hoher Menge bis zu 20-60 %, beigemischt werden soll, wodurch die Wärmeisolierfähigkeit
verschlechtert wird. Dabei wird ein Haften des Glases von relativ hoher Erweichungstemperatur
erst bei hohen Temperaturen zwischen 900 und 1i00 C erzielt. Durch diese hohe Temperatur
wird das EntladunVsgefäss - wie bereits erwähnt - stark gefährdet und nachteilig
beeinflusst.
-
l In der US-PS 3 842 304 wird ein Verfahren beschrieben, nach dem
der wärmerückstrahlende Über zug als Doppelschicht ausgebildet wird. Die unmittelbar
an der Entladungsgefässwand haftende innere Schicht besteht aus einem schwarzen
oder grauen Werkstoff von hoher Schmelztemperatur und niedrigem Dampfdruck. Auf
dieser ersten Schicht ist eine weissfarbige zweite Schicht von gleichfalls hoher
Schmelztemperatur und niedrigem Dampfdruck angebracht.
-
Die in der Patentschrift beschriebenen Beispiele zeigen, dass die
innere dunkle Schicht im wesentlichen eine Graphitschicht ist. Eine derartige Schicht
kann in der Tat mit Erfolg am Quarzglas angebracht werden, während die Anbringung
einer zuverlässig haftenden, hinreichend dicken Zr02-Schicht an der letzteren nahezu
unmöglich ist. Dies wird auch dadurch nicht wesentlich erleichtert, wenn für die
dunkelfarbige Schicht Carbide verwendet werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Probleme
und Schwierigkeiten der Schichtanbringungen zu überwinden und Lampen der genannten
Art mit guten Wärmerückstrahleigenschaften bereitzustellen, bei welchen der fragliche
Überzug leicht anbringbar ist, auch
in einer dicken Schicht gute
Haftfähigkeit besitzt und nicht zur Abscheidung bzw. zum Aufplatzen neigt.
-
Zielsetzung der Erfindung ist weiterhin die Verbesserung der Parameter
und die Erhöhung der Lebensdauer der gegenständlichen Lampen dadurch, dass die wärmerückstrahlende
Schicht ihrer Bestimmung und Aufgabe abscheidungsfrei während der gesamten Lebensdauer
der Lampe gerecht bleibt, wärmerückstrahlende Funktion und Eigenschaften beibehält,
wodurch auch die Farbe des abgestrahlten Lichtes konstant bleibt. Durch die Erfindung
werden darüber hinaus auch die Herstellungskosten der wärmereflektierenden Schicht
günstig herabgesetzt.
-
Die gestellte Aufgabe wird durch Schaffung und Aufbringung einer wärmerückstrahlenden
Schicht an den Enden der Entladungsgefässe von Lampen der eingangs beschriebenen
Gattung gelöst, bei welcher das in der wärmerückstrahlenden Schicht enthaltene wärmereflektierende
Material im Sinne der Erfindung mit Hilfe eines Bindemittels, gebildet aus einem
System von Mg0-MgCl2-H20, am Entladungsgefäss befestigt ist. Somit enthält die an
beiden Enden verwendete Schicht als wesentlichen Bestandteil Zirkonoxid, gegebenenfalls
durch Kalzium stabilisiertes Zirkonoxid, als Bindemittel hingegen Magnesiumoxychlorid.
-
Bei der vorliegenden Erfindung wurden die vorteilhaften Eigenschaften
des durch Sorel bereits im Jahre 1967 entdeckten Magnesiazements verwertet. Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der sich binnen einiger Stunden zu einem
marmorharten Festkörper verfestigende MgO-MgCl2-H20-Brei zur Überwindung der oben
geschilderten Haftprobleme
r l bei der Herstellung wärmerückstrahlender
Überzüge von Metallhalogendampflampen geeignet sein könnte. Ein Teil des Mg-Gehaltes
kann zugleich in das Zr02 eindringen, wodurch das letztere stabilisiert wird.
-
Obgleich der erwähnte sogenannte Sorel-Zement an sich bereits seit
langem bekannt ist, ist sein Einsatz in der bzw. für die Lampenherstellung völlig
neu und hat zu unerwarteten und überraschenden Auswirkungen geführt.
-
Erfindungsgemäss wird die wärmereflektierende Schicht hergestellt,
indem pulverförmiges Zr02 mit ebenfalls pulverförmigem MgO vermischt und hiernach
das Gemisch in Alkohol suspendiert wird. Vor dem Auftragen wird dieser Suspension
in wässrigem Alkohol gelöstes MgCl2 beigemischt, wonach aus der erhaltenen Substanz
durch Sprühen oder Aufpinseln auf die Entladungsgefässenden eine homogene Schicht
gewünschter Dicke aufgetragen wird. Die Schicht wird binnen 1 bis 2 Stunden fest
und ist nach entsprechendem Trocknen verwendungsfähig. Die erhaltene Schicht gibt
auch bei ihrer Verwendung in Lampen mit äusserem Schutzkolben keine Gase ab, die
sonst die Funktionsfähigkeit der Lampen beeinträchtigen würden.
-
Im Sinne der Erfindung kann die wärmerückstrahlende Schicht auch mittels
Doppelbeschichtung mit Vorteilen gegenüber den von früher bekannten Methoden erzeugt
werden. Als Material für die erste, innere Schicht wird Kobaltaluminat oder ein
Gemisch aus Kobaltaluminat und Zirkonoxid verwendet, während für die äussere Schicht
Zirkonoxid eingesetzt wird. Beide Schichten werden als Bindemittel mit Hilfe von
Magnesiumoxychlorid am aus Quarzglas
bestehenden Entladungsgefäss
befestigt. Bei Kobaltaluminat ergeben sich keinerlei Haftprobleme und seine Wärmeisolier-
sowie Absorptionseigenschaften sind hervorragend.
-
Für mAssige Wärmeisolieransprüche ermöglicht die Erfindung eine reine
Magnesiumoxychlorid-Schicht ohne die Wärmeisolierfähigkeit erhöhende Zusätze zu
verwenden, da dieses Material auch für sich allein eine relativ gut isolierende
und gegen mechanische Belastungen widerstandsfähige Schicht ergibt.
-
Erfindungsgemäss sind auch Ausführungen möglich, bei welchen das pulverförmige
wärmeisolierende (wärmerückstrahlende) Material teilweise oder gänzlich durch Faserstoffe
ersetzt ist. Zu diesem Zweck haben sich insbesondere Quarzwolle,auf einige mm Länge
geschnitten, beispielsweise das Produkt "Kaowool" der Firma Morgan, oder ein entsprechender
anorganischer Faserstoff (Schlackwolle) gut bewährt. Dies kann von Vorteil sein,
falls grosse Flächen mit einer sehr dicken Schicht überzogen werden sollen.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Anwendungsbeispiele
näher erläutert.
-
Beispiel 1 Eine mit seltenen Erden dosierte Metallhalogendampflampe
von 250 W elektrischer Leistungsaufnahme mit äusserem
Schutzkolben
wird hergestellt, indem beide Enden des aus Quarzglas bestehenden Entladungsgefässes
vom mittleren Bereich der Quetschung an bis zum Beginn des zylindrischen Bereiches
in einer Schichtdicke von etwa 0,5 mm mit einer wie folgt hergestellten Suspension
besprüht werden.
-
Im ersten Schritt werden eine Suspension der Bezeichnung A und eine
Lösung B hergesellt.
-
Die Suspension A besteht aus 400 g ZrO2 und 20 g MgO, wobei diese
in etwa 400 ml Alkohol vier Stunden lang in einer Kugelmühle homogenisiert wird.
-
Die Lösung B enthält 20 g MgC12,in einem Gemisch von 20 ml Alkohol
und 3 ml Wasser gelöst.
-
Vor dem Aufsprühen wird die Lösung B der Suspension A zugegeben und
innig vermischt. Das Auftragen der erhaltenen Substanz auf die bereits erwähnten
Gefässtellen erfolgt hiernach auf an sich bekannte Weise durch Sprühen oder aber
auch durch Pinselauftrag.
-
Der Auftrag verfestigt sich binnen 2 Stunden zu einer harten, dichten
Schicht, die neben Zr02 noch Magnesiumoxychlorid enthält. Die Entladungsgefässe
werden hiernach bei ihren mit dem Nennbetrieb identischen elektrischen Parametern
10 Minuten lang gebrannt, wonach sie auf in der Lampenherstellung bekannten, gewöhnlich
verbreiterte Weise in den Aussenkolben eingebaut und während des Auspumpens des
letzteren bei einer Temperatur von 550°C während 15 Minuten wärmebehandelt werden.
-
Im Aussenkolten der auf die oben beschriebene Weise hergestellten
Lampe zeigte der Getterspiegel auch nach einer Brenndauer von 5000 Stunden noch
keine Spuren von Gasabgaben. Auch die charakteristischen Zündspannungswerte zeigten
keine Verschlechterung.
-
Beispiel 2 Der Suspension A nach Beispiel 1 wird Kobaltaluminat in
einer Menge von 90 g beigemischt. Desweiteren wird analog wie im Falle des Beispiels
1 verfahren mit dem Unterschied, dass sich hierbei auch eine Schichtdicke von 0,4
mm für ausreichend erwiesen hat.
-
Beispiel 3 Es wird eine Doppelschicht erzeugt. Die erste Schicht der
Dicke von 0,2 mm wird unter Verwendung der Kobaltaluminat enthaltenden Suspension
gemäss Beispiel 2 hergestellt. Hierauf wird eine zweite Schicht von 0,1 mm Dicke,
wie in Beispiel 1 beschrieben, aufgebracht.
-
Beispiel 4 Für eine Metallhalogendampflampe der Leistungsaufnahme
von
3500 W, die im übrigen zu der in Beispiel 1 beschriebenen Lampe analog aufgebaut
ist, wird ein Faserstoff beinhaltender Uberzuq wie folgt erzeugt: Zur Suspension
A gemäss Beispiel 1 werden 40 g Wolle der Bezeichnung "Kaowool" der Firma Morgan
- auf eine Länge von 2-3 mm geschnitten - gemischt. Die übrigen Herstellungsschritte
werden analog wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt, wobei die Dicke der aufgetragenen
Schicht auch hierbei etwa 0,4 mm beträgt.