DE3006846C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckquecksilberdampf­ entladungslampe mit einem Quarzglaskolben, der eine Füllung aus Quecksilber, Edelgas und Metallhalogeniden enthält und mit einer Quetschabdichtung versehen ist, in die eine mit einem zweiten Metall bedeckte Metallfolie aufgenommen ist, an der ein innerer Stromleiter zu einer im Lampenkolben angeordneten Elektrode und ein äußerer Stromleiter befestigt sind.

Eine derartige Lampe ist aus der GB-PS 15 21 129 bekannt. Bei der bekannten Lampe befindet sich in der Quetsch­ abdichtung eine Molybdänfolie, die mit einer Wolfram­ schicht bedeckt ist. Die Wolframabdeckung ist deshalb angebracht, weil Metallhalogenide in die Quetschabdichtung eindringen, die Molybdänfolie angreifen und die Haftung des Quarzglases an der Molybdänfolie zunichte machen könnten. Eine Wolframschicht von 2 µm würde den Angriff auf die Folie vermeiden oder verzögern. Die Wolframschicht sollte vorzugsweise eine Dicke bis zu 10 µm oder mehr haben, allerdings darf dabei die Gesamtdicke der Folie der Bildung einer vakuumdichten Quetschung nicht im Wege stehen.

Es hat sich gezeigt, daß das Umkleiden von Molybdänfolien mit Wolfram kein zuverlässiges Mittel zum Verhindern eines vorzeitigen Ausfalls von Hochdruckquecksilberlampen mit Metallhalogenidzusätzen ist.

Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde:

Die Quetschabdichtung einer Lampe liegt direkt nach ihrer Herstellung vakuumdicht über der Metallfolie zwischen dem Ende des inneren Stromleiters und dem Ende des äußeren Stromleiters. Um die beiden Stromleiter herum erstreckt sich in der Quetschabdichtung ein kapillarer Kanal. Über den Kanal um den inneren Stromleiter können Bestandteile aus der Füllung des Lampenkolbens, über den Kanal um den äußeren Stromleiter Bestandteile aus der den Lampenkolben umgebenden Atmosphäre bis zur Folie in der Quetschung eindringen.

Als Metallfolien können sowohl Molybdänfolien als auch Wolframfolien verwendet werden. Sie haben naturgemäß eine Oxidhaut, die für eine gute Haftung von Quarzglas an der Folie wichtig ist.

Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen mit Metall­ halogeniden enthalten ein oder mehrere Alkalimetalle, z. B. Natrium und Lithium, und ein oder mehrere andere Metalle, wie Indium, Thallium, Scandium, Cadmium, Zink, Blei und Zinn aus der Gruppe IIB, IIIA, IIIB und IVA des periodischen Systems.

Gemäß der Erkenntnis, die der Erfindung zugrunde liegt, können in den Quetschabdichtungen folgende Reaktionen ablaufen:

2SiO₂ + MoO₂ + 4NaHal ⇄ 2Na₂SIO₂ + MoHal₄ (1)
MoHal₄ + 4In ⇄ Mo + 4InHal (2)

Hierin ist Na ein Vertreter der Alkalimetalle, In ein Vertreter der anderen Metalle und steht Hal für ein Halogen, z. B. Jod. Das Gleichgewicht (1) liegt weit nach links, weil die Änderung in der freien Enthalpie positiv ist ( Δ G₁<0). Das Gleichgewicht (2) liegt jedoch sehr weit nach rechts, weil Δ G₂«0 ist. In der Lampe laufen beide Reaktionen ab, weil Δ G₁+Δ G₂<0. Der Effekt dieser Reaktionen ist nicht, wie in der britischen Patent­ schrift erwähnt, Erosion der Molybdänfolie, sondern eine Reduktion ihrer Oxidhaut, die zur verringerten Haftung der Folie am Quarzglas und zum Lecken des Lampenkolbens führt. Die Reduktion wird bewirkt durch reduzierende Mittel, welche es nicht in der Luft in der Umgebung der Lampen gibt, sondern nur in der Füllung mancher Lampen, z. B. Halogenid-Entladungslampen. Weiter haben die Reaktionen die Bildung von Natriumsilikat zur Folge, aus dem leicht Cristobalit entsteht, das eine kristalline Form von Quarz mit geringerer mechanischer Festigkeit ist. Die Bildung von Cristobalit kann Sprung in der Quetschabdichtung zur Folge haben.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Reaktionen tatsächlich ablaufen; ihr Effekt kann verzögert werden, wenn die Konzentration eines Metalls, wie Indium, in der Gasmischung sehr niedrig ist, z. B. wenn ein Überschuß von Halogen vorhanden ist. In diesem Fall kann in der Lampe nämlich freies Indium durch die Entladung von Ionen an den Elektroden entstehen.

Aus der DE-AS 21 52 349 ist eine Glühlampe bekannt, deren aus Molybdän bestehende Einschmelzfolie mit Chrom über­ zogen ist.

Auch bei der Glühlampe nach der DE-AS 11 79 297 ist eine Molybdän-Einschmelzfolie mit Chrom oder Zirkon oder anderen, gegenüber der umgebenden Atmosphäre bzw. gegen­ über den Stoffen der Lampenfüllung resistenten Metallen als Schutzschicht versehen.

Bei Glühlampen geschieht der Angriff auf die Einschmelz­ folien aber durch Oxidation, welche in Luft immer weiter fortschreitet. Eine Molybdänoxidhaut schützt somit das umgebene Molybdän nicht gegen weitere Oxidierung. Da Glüh­ lampen so hergestellt werden, daß sie möglichst wenig Sauerstoff enthalten, kommt die Oxidierung von außen. Molybdänoxid ist voluminöser als Molybdän. Die fort­ schreitende Bildung von Oxid läßt somit die Quetschung springen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Metallhalogenide enthaltende Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen zu schaffen, bei denen die Gasdichte der Quetschabdichtung aufrechterhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei Hochdruckqueck­ silberdampfentladungslampen der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die Metallfolie mit einem zweiten Metall umkleidet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ta, Nb, V, Cr, Zr, Ti, Y, La, Sc und Hf besteht.

Bei Verwendung einer derartig umkleideten Folie bestimmt nur noch die Verringerung der Lichtausbeute infolge Schwärzung der Wand des Lampenkolbens die wirtschaftliche Lebensdauer der Lampe.

Wenn mit Hilfe eines dieser zweiten Metalle eine Trennung zwischen der Metallfolie und dem Quarzglas vorgenommen wird, wird die erwähnte Reaktion (1) unmöglich gemacht. Das zweite Metall muß jedoch eine Oxidhaut haben, um eine gute Haftung am Quarzglas zu bewirken. Außerdem darf das zweite Metall keine vergleichbare Reaktion (1) eingehen. Erfindungsgemäß werden daher zweite Metalle verwendet, die ein so stabiles Oxid haben, daß bei ihrer Verwendung Δ G₁»0 und Δ G₁+Δ G₂<0 ist. Wolfram entspricht dieser Bedingung nicht. Die mit einem der zweiten Metalle umkleideten Metallfolien brauchen keine Sonderbearbeitung zu erfahren, um eine Oxidhaut zu bilden. Sie bekommen diese Haut von selbst bei den normalen Herstellungs­ verfahren einer Lampe, wie dies auch bei nicht umkleideten Folien von Molybdän oder Wolfram der Fall ist.

Wenn nun bei den bekannten Glühlampen die Folie einen beständigeren Überzug hat, um der von außen kommenden Oxidierung vorzubeugen, läßt sich daraus nicht herleiten, daß der Überzug auch wirksam ist gegen Reduzierung, da Oxidierung und Reduzierung entgegengesetzte Phänomene sind. Gerade deshalb ist meistens ein Mittel gegen Reduzierung nicht geeignet als Mittel gegen Oxidierung. Z. B. verhindert oxidiertes Chrom eine weitere Oxidierung, da Chromoxid für Sauerstoff undurchlässig ist. Bei einer mit Chrom überzogenen oxidierten Metallfolie kann es daher kein Volumenwachstum der Oxidhaut geben. Zur Vermeidung einer weiteren Oxidierung der in der Quetschung vorge­ sehenen Metallfolie ist Chrom somit geeignet. Anders ist es jedoch bei Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen mit Metallhalogeniden, bei denen eine Reduktion der Oxidhaut der Metallfolie durch den Angriff der Metall­ halogenide vermieden werden soll.

Manche der in Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen benutzten Metallhalogenide sind stark hygroskopisch. Um das Einbringen von Wasser zu vermeiden, wird deshalb statt des Metallhalogenids das Metall plus Quecksilberhalogenid dosiert, aus dem dann im Lampenkolben bei erhöhter Temperatur das Metallhalogenid entsteht. Es ist dabei jedoch praktisch nicht möglich, Metall und Halogen im stöchiometrischen Verhältnis zu dosieren.

Da durch die Maßnahme nach der Erfindung ein Metall, wie Indium, keinen nachteiligen Effekt mehr auf die Haftung von Quarzglas an der Metallfolie ausüben kann, können derartige Metalle jetzt im Überschuß in bezug auf Halogen dosiert werden. Dies hat den Vorteil, daß, nachdem die Lampe einmal eine hohe Temperatur erreicht hat, kein Quecksilberhalogenid mehr in der Lampe vorhanden ist. Denn von Quecksilberhalogenid ist bekannt, daß es die Zünd­ spannung und die Wiederzündspannung einer Lampe bereits bei sehr niedrigen partiellen Drücken erhöht. Die Ver­ wendung von Metallüberschuß kann auch dazu dienen, zu vermeiden, daß sich während der Lebensdauer der Lampe Quecksilberhalogenid durch Reaktion der Füllung des Lampen­ kolbens mit Verunreinigungen aus seiner Wand bildet.

Bei einer besonderen Ausführungsform besteht der in der Quetschabdichtung liegende Teil des äußeren Strom­ leiters wenigstens an der Oberfläche ebenfalls aus einem Metall aus der Gruppe, die aus Ta, Nb, V, Cr, Zr, Ti, Y, La, Sc und Hf besteht. Selbstverständlich ist es möglich, auch den aus dem Lampenkolben herausragenden Teil der äußeren Stromleiter mit diesem Metall zu umkleiden, oder den in der Quetschabdichtung liegenden Teil oder den vollständigen äußeren Stromleiter massiv aus einem oder mehreren der erwähnten Metalle bestehen zu lassen. Im allgemeinen wählt man eine Umkleidung von mindestens 0,01 µm Dicke.

Diese Ausführungsfornm bietet den Vorteil, daß Alkalisilikatbildung um den äußeren Stromleiter herum vermieden wird. Denn es hat sich herausgestellt, daß Alkalimetalle, z. B. Natrium und Lithium, die Möglichkeit haben, ohne Angriff der Haftung entlang der Grenzfläche der Metallfolie und des Quarzglases zum äußeren Stromleiter zu wandern. Zwar hat diese Wanderung und die Bildung von Alkalisilikat keine Undichte der Quetschabdichtung zur Folge, weil sich um den äußeren Stromleiter herum bereits ein kapillarer Raum befindet, aber hierdurch wird der Entladung Alkalimetall entzogen. Demzufolge kann sich die Farbe der Entladung während der Lebensdauer der Lampe ändern.

Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß sehr dünne Schichten des zweiten Metalls auf der Metallfolie bereits den gewünschten Effekt haben. Im allgemeinen werden Schichten mit einer Dicke zwischen 0,01 und 0,2 µm und insbesondere von 0,05 bis 0,1 µm verwendet.

Die Umkleidung kann u. a. durch Aufdampfen, Kathoden­ zerstäubung, Elektrolyse, Ionenplattieren oder Chemical- Vapour-Deposition erhalten werden. Vorzugsweise werden Tantal-, Niob-, Vanadium- oder Hafnium-Schichten verwendet. Die erwähnten Metalle werden bei der Verarbeitung der umkleideten Metallfolien und äußeren Stromleiter oberflächlich oxydiert, ohne daß bei der Verwendung dünner Schichten die Oxydierung der Umkleidungsschicht leicht bis zur Metallfolie oder zum äußeren Stromleiter selbst durch­ geht.

Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen mit Metall­ halogenidzusätzen werden nahezu immer in einem vakuumdicht geschlossenen Außenkolben angeordnet, in dem Vakuum herrscht oder sich ein nicht oxydierendes Gas befindet.

Da ein Angriff der Quetschabdichtung nicht nur bei Verwendung geschmolzenen Siliziumoxids auftritt, sondern auch bei Verwendung von Gläsern mit einem Siliziumdioxid­ gehalt von mindestens 95 Gew.-%, und die Erfindung auch dabei verwendet werden kann, sei hier unter Quarzglas Glas mit einem Siliziumdioxidgehalt von mindestens 95 Gew.-% verstanden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Lampe nach der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht einer Lampe in einem Außenkolben,

Fig. 2 ein Detail nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Entladungslampe 1 zwischen Stromzuleitern 2 und 3 in einem Außenkolben 4 angeordnet, der mit einem Lampensockel 5 versehen ist. Der Stromzu­ leiter 3 ist von einem keramischen Rohr 6 umgeben. Die Entladungslampe 1 hat einen Quarzglaslampenkolben 10, der durch Quetschabdichtungen 11 und 12 abgeschlossen ist, in die eine Metallfolie 13 bzw. 14 aufgenommen ist. An den Metallfolien 13 und 14 sind ein innerer Stromleiter 15 bzw. 16 zu einer im Lampenkolben angeordneten Elektrode 17 bzw. 18 und ein äußerer Stromleiter 19 bzw. 20 ange­ schweißt.

In Fig. 2 ist mit 30 die Zone zwischen den Enden des inneren 16 und des äußeren Stromleiters 20 bezeichnet, in denen die Quetschabdichtung 12 über ihre ganze Breite vakuumdicht ist. Um den inneren Stromleiter 16 und den äußeren Stromleiter 20 herum erstreckt sich ein kapillarer Hohlraum 31 bzw. 32. Der äußere Stromleiter 20 kann bereits sofort nach der Herstellung der Quetschabdichtung 12, während sie noch auf hoher Temperatur ist, über seine volle Länge mit Sauerstoff und Luftfeuchtigkeit in Berührung kommen und dabei oxydieren. Der äußere Strom­ leiter 20 besteht aus Molybdän, sein in der Quetschab­ dichtung 12 liegender Teil 33, der mit dem Glas in Berührung sein kann, ist mit Tantal bedeckt. Die Folie 14 besteht ebenfalls aus mit Tantal bedecktem Molybdän.

Beispiel

In einem konkreten Fall war ein Quarzglaslampen­ kolben mit 36 mg Hg, 5330 Pa Ar, 30 mg NaJ, 3,7 mg TlJ, 0,3 mg InJ und 2 mg In gefüllt. Die Molybdänfolien und das Molybdän der äußeren Stromleiter der Lampe waren mit 0,05 µm Ta bedeckt. Die Lampe nahm im Betrieb bei 220 V eine Leistung von 400 W auf. Die Quetschabdichtungen der Lampe blieben vakuumdicht und Cristobalitbildung wurde nicht festgestellt.

Claims (3)

1. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einem Quarzglaslampenkolben, der eine Fülle aus Quecksilber, Edelgas und Metallhalogeniden enthält und mit einer Quetsch­ abdichtung versehen ist, in die eine mit einem zweiten Metall bedeckte Metallfolie aufgenommen ist, an der ein innerer Stromleiter zu einer im Lampenkolben angeordneten Elektrode und ein äußerer Stromleiter befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie (13, 14) mit einem zweiten Metall umkleidet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ta, Nb, V, Cr, Zr, Ti, Y, La, Sc und Hf besteht.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Quetschabdichtung (11 o. 12) liegende Teil (33) des äußeren Stromleiters (20) wenigstens an der Oberfläche aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ta, Nb, V, Cr, Zr, Ti, Y, La, Sc und Hf besteht.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Metall eine Schichtdicke zwischen 0,01 und 0,2 µm hat.