EP0536609A1 - High pressure discharge lamp - Google Patents
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- EP0536609A1 EP0536609A1 EP92116463A EP92116463A EP0536609A1 EP 0536609 A1 EP0536609 A1 EP 0536609A1 EP 92116463 A EP92116463 A EP 92116463A EP 92116463 A EP92116463 A EP 92116463A EP 0536609 A1 EP0536609 A1 EP 0536609A1
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- pressure discharge
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
- H01J61/02—Details
- H01J61/36—Seals between parts of vessels; Seals for leading-in conductors; Leading-in conductors
- H01J61/361—Seals between parts of vessel
- H01J61/363—End-disc seals or plug seals
Definitions
- the invention is based on a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
- metal halide lamps usually have a piston made of quartz glass. Efforts have recently been made to improve the color rendering of these lamps. The higher temperatures required for this are achieved by using a ceramic discharge vessel. Typical power levels are 100-250 W. The ends of the tubular discharge vessel are closed with cylindrical ceramic end plugs, which have a metal feedthrough in the middle.
- Ceramic discharge vessels and the melting techniques developed for them are known from high pressure sodium lamps.
- Tubular or pin-shaped bushings made of niobium are usually used (GB-PS 1 465 212 and EP-PS 34 113), which are melted into a ceramic end plug by means of glass solder or melting ceramic.
- GB-PS 1 465 212 and EP-PS 34 113 are usually used for metal halide lamps with a long service life and good color rendering, these melts are only suitable to a limited extent, since the metal halide filling both the niobium bushing and the melting ceramic used for sealing are heavily corroded.
- EP-PS 136 505 describes a high-pressure sodium lamp in which a niobium tube bushing is sintered in directly, that is to say without melting ceramic, due to the shrinking process of a "green" Al2O3 ceramic. This is possible because both materials have approximately the same coefficient of thermal expansion (8 x 10 ⁇ 6 K ⁇ 1). While this will improve the lifespan, the problem of niobium corrosion persists when this technique is applied to ceramic metal halide lamps.
- the present invention achieves this in that the metals are processed into bushings in the form of pins known per se. Its diameter is preferably 0.5 to 1.0 mm. It has been found to be essential for the reliable tightness against the halide attack that the pin is sintered directly into the stopper, that is to say without melting ceramic, and that at the same time care is taken to ensure that the pin in the bore of the stopper is somewhat withdrawn towards the discharge side and so the surface of the pin is protected by the wall of the hole. Only the combination of all three characteristics ensures the desired success. This is understandable from the following consideration.
- the direct sintering of bushings in the form of thin pins has the advantage over the sintering of pipes that expansion differences between ceramic plugs and metal bushings can be kept small. This aspect is irrelevant in the case of melting, since the melting ceramic ensures the seal with the relatively small expansion differences (a few percent). With direct sintering, even a small difference in elongation becomes a problem and the seal must be achieved with other tricks. For this reason - in the case of sodium vapor lamps - only tubular bushings have been used so far if direct sintering was intended. Because the tensions due to the differences in elongation are absorbed by the elasticity of the tube.
- the cause has turned out to be that when filling the melting ceramic, it not only flows down to the discharge end of the pin, as is actually desired, but is also sucked into the annular gap between the bore and the electrode shaft at the discharge end of the bore by capillary forces.
- This constellation then leads during cooling due to the mismatch between the ceramic plug, the ceramic and the electrode shaft - the latter is usually made of high-melting material, in particular tungsten, whose coefficient of expansion is approx. 50% smaller than that of the ceramic - inevitably leads to cracks in the ceramic and finally also in the plug itself, which leads to early failure of the discharge vessels.
- This technique differs fundamentally from direct sintering of pipes, because with correspondingly small pins, the voltages known from the pipes do not even occur.
- Another advantage is that by adapting the diameter of the feed-through pin to that of the electrode shaft, the end face of the pin - in contrast to that of a tube - can be optimally covered. Particularly good results are achieved if the diameter of the pin is selected to be slightly larger, in particular by 5 to 10%, than that of the shaft.
- the electrode shaft is butt welded to the end of the pin. If there is a greater difference between these two diameters, the absolute value of the difference in thermal expansion with regard to the ceramic becomes too great and the lamp life deteriorates due to leakage.
- the stopper wall would to the same extent on the feedthrough pin (in particular made of niobium) which is well adapted in terms of its thermal expansion coefficient and on the electrode shaft which is completely mismatched in this regard (in particular sintered from tungsten). Cracks in the ceramic would therefore inevitably occur during the cooling process.
- a protective jacket This is a sleeve made of ceramic or the like, which surrounds the outer part of the niobium stick.
- the sleeve can then be removed.
- it can also be permanently installed, wherein it is advantageously fixed in a recess in the end plug. It then advantageously also serves as a support for the implementation, since this becomes somewhat brittle during the sintering process. The prop prevents the danger of one Breaks when the outer electrical lead is attached to the bushing.
- the pin is completely recessed in the end plug, that is to say at both ends, a connecting part leading from the niobium pin to the outer feed line in the volume of the outer bulb.
- This connecting part which advantageously also consists of tungsten, which resists embrittlement during sintering, is butt-welded to the pin, just like the electrode shaft. Both seams are still inside the end plug.
- the bore in the end plug has in principle a constant diameter that is adapted to that of the niobium pin. With this arrangement, the niobium stick is shielded as well as possible. This applies both to an attack from the inside through the filling and to the niobium escaping into the outer volume, which could lead to graying.
- the length of the recessed niobium pin is advantageously about 80% of the height of the ceramic stopper, so that, on the one hand, the longest possible sealing distance is realized, while the advantages of the countersinking (protective effect against corrosion and graying) are still fully effective. This corresponds to a length of the recessed section of the electrode shaft of approximately 10%.
- the two leadthroughs 9 made of niobium each hold electrodes 11 on the discharge side, consisting of an electrode shaft 12 made of tungsten and a spherical tip 13 formed on the discharge side end.
- the filling of the discharge vessel consists of an inert ignition gas, e.g. Argon, from mercury and additives to metal halides.
- the electrode shaft 12 extends into the bore 14 in the end plug 10 because the niobium pin 9 is recessed in the bore on the discharge side.
- the pin 9 there is is the pin 9 at the outer end of the end plug and is directly connected to the power supply 7.
- FIG. 2 shows the area of the pump end 6a of the discharge vessel in detail for a second exemplary embodiment.
- the discharge vessel has a wall thickness of 1.2 mm at both ends.
- the cylindrical stopper 10 made of Al2O3 ceramic, which is inserted into the end 6 of the discharge vessel, has an outer diameter of 3.3 mm at a height of 6 mm.
- a niobium pin 9 with a length of 12 mm and a diameter of 0.6 mm is sintered directly into the axial bore 14 of the plug.
- the electrode shaft 12 (diameter 0.55 mm) is butt welded to the niobium pin 9.
- the outer section 16 of the niobium stick is closely surrounded by a ceramic sleeve 18.
- the bore 14 is widened at the end 17 of the end plug remote from the discharge.
- the sleeve 18 is inserted into this enlarged bore section 19 and is fixed in that a glass solder 20 is added at this point.
- the sleeve prevents graying and stabilizes the niobium stick, which becomes brittle when sintered.
- a filling bore 24 is in this case parallel to the lamp axis, but laterally offset, through the plug 10. It is sealed with a high-melting ceramic 20 when the evacuation and filling process is complete. Melting down when fastening the sleeve 18 and sealing the filling bore 24 can be advantageous done in one step.
- An Al2O3 filler rod can be introduced into the fill hole 24 to reduce the amount of melting ceramic in the fill hole 24.
- FIG. 3 A particularly preferred embodiment is shown in FIG. 3.
- the electrode shaft 12 made of tungsten wire has a diameter of 0.75 mm and a length of 7 mm. It extends 0.5 mm deep into the opening 14.
- a tungsten wire is also welded to the pin 21 as a connecting part 22 for external power supply.
- the connecting part 22 also has a wire diameter of 0.75 mm; it has the length of 11 mm.
- the interface 23 between the connecting part and the bushing is also arranged approximately 0.5 mm deep in the axial opening 14 of the end plug. Since contact between the tungsten pin 22 and the glass solder 20 in the filling bore 24 should be avoided due to the different expansion coefficients, which could otherwise lead to cracks in the ceramic, a sleeve 18 made of niobium (or ceramic) is also used here Tungsten pin 22 advantageously surrounds, since these two materials, in contrast to tungsten or molybdenum, have an expansion coefficient adapted to the melting ceramic 20.
- a collar 25 (shown in dashed lines) formed on the plug 10 and surrounding the tungsten pin 22 can also be used as the separating means.
- the sintering technique described here can in principle be used for both ends of the discharge vessel.
- a complete electrode system - consisting of electrode, bushing and end plug - is sintered directly into the first end of the discharge vessel without glass solder or ceramic.
- the discharge vessel is evacuated in a glovebox through the second, still open end of the discharge vessel and provided with the filling.
- a stopper with the electrode system already sintered in is inserted into the open end and the stopper is sealed off from the wall of the discharge vessel by means of glass solder or melting ceramic.
- the advantage of the glass solder-free melting of the bushing seems to be lost again, since the glass solder can be attacked by the halides.
- the responsiveness of the glass solder depends crucially on the temperature conditions; it can be described by an exponential law. Since the operating temperatures at the bushing are much higher (typically 1100 ° C) than near the wall of the discharge vessel (approx. 900 ° C), the glass solder seal is exposed to a considerably lower load in the latter case, so that the life of the lamp, compared to a glass solder-free seal is hardly affected.
- the discharge vessel has an additional bore on its side wall or in the stopper (FIGS. 2 and 3).
- the two ends are first fitted with electrode systems without glass solder and sealed by direct sintering.
- the additional The bore is now used to evacuate and fill the discharge vessel and then sealed with a high-melting ceramic by placing a solid ceramic ceramic mass on the bore, which is subsequently heated, so that the bore is sealed gas-tight.
- One possibility for targeted heating of the additional hole in the case of a hole in the side wall is local heating by means of a laser beam expanded in a special optic.
Landscapes
- Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a high-pressure discharge lamp according to the preamble of
Es handelt sich hierbei um Metallhalogenid-Lampen. Üblicherweise besitzen sie einen Kolben aus Quarzglas. In letzter Zeit werden Anstrengungen unternommen, um bei diesen Lampen die Farbwiedergabe zu verbessern. Die dafür benötigten höheren Temperaturen werden durch Benutzung eines keramischen Entladungsgefäßes erreicht. Typische Leistungsstufen sind 100-250 W. Die Enden des rohrförmigen Entladungsgefäßes sind mit zylindrischen keramischen Endstopfen verschlossen, die mittig eine metallische Stromdurchführung aufweisen.These are metal halide lamps. They usually have a piston made of quartz glass. Efforts have recently been made to improve the color rendering of these lamps. The higher temperatures required for this are achieved by using a ceramic discharge vessel. Typical power levels are 100-250 W. The ends of the tubular discharge vessel are closed with cylindrical ceramic end plugs, which have a metal feedthrough in the middle.
Keramische Entladungsgefäße und dafür entwickelte Einschmelztechniken sind von den Natriumhochdrucklampen her bekannt. Üblicherweise werden rohr- oder stiftförmige Durchführungen aus Niob verwendet (GB-PS 1 465 212 und EP-PS 34 113), die mittels Glaslot oder Schmelzkeramik in einen keramischen Endstopfen eingeschmolzen werden. Für Metallhalogenidlampen mit langer Lebensdauer und guter Farbwiedergabe sind diese Einschmelzungen jedoch nur bedingt geeignet, da die Metallhalogenid-Füllung sowohl die Niob-Durchführung als auch die zur Abdichtung verwendete Schmelzkeramik stark korrodiert. In der EP-PS 136 505 wird eine Natriumhochdrucklampe beschrieben, bei der eine Niobrohrdurchführung aufgrund des Schrumpfungsprozesses einer "grünen" Al₂O₃-Keramik direkt, also ohne Schmelzkeramik, dicht eingesintert wird. Dies ist gut möglich, weil beide Materialien in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (8 x 10⁻⁶ K⁻¹) besitzen. Dadurch wird die Lebensdauer zwar verbessert, aber das Problem der Niob-Korrosion bleibt bei der Übertragung dieser Technik auf keramische Metallhalogenidlampen bestehen.Ceramic discharge vessels and the melting techniques developed for them are known from high pressure sodium lamps. Tubular or pin-shaped bushings made of niobium are usually used (GB-
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit verbesserter Farbwiedergabe und erhöhter Lichtausbeute zu schaffen, die die guten Lichtwerte auch über eine akzeptable Lebensdauer beibehält.It is an object of the invention to provide a high-pressure discharge lamp according to the preamble of
Diese Aufgabe wird durch eine Hochdrucklampe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.This object is achieved by a high-pressure lamp with the characterizing features of
Bei der Übertragung der bei Natriumdampflampen bekannten Durchführungstechnik auf Keramiklampen mit Metallhalogenidfüllungen müssen gleichzeitig zwei Probleme auf einmal gelöst werden: die Halogenide greifen sowohl die Schmelzkeramik als auch die Durchführung an. Letzteres ist deshalb so problematisch, weil nur sehr wenige Metalle einen in etwa an die Keramik angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, insbesondere Niob und Tantal. Aber gerade diese Metalle werden durch die Halogenide korrodiert. Sie können daher nur verwendet werden, wenn sie vor dem Angriff der Halogenide wirkungsvoll geschützt werden.When transferring the feedthrough technology known from sodium vapor lamps to ceramic lamps with metal halide fillings, two problems have to be solved simultaneously: the halides attack both the melting ceramic and the feedthrough. The latter is so problematic because very few metals have a coefficient of thermal expansion that is approximately matched to that of the ceramic, in particular niobium and tantalum. But it is precisely these metals that are Halides corroded. They can therefore only be used if they are effectively protected against attack by the halides.
Die vorliegende Erfindung erreicht dies dadurch, daß die Metalle zu Durchführungen in Form an sich bekannter Stifte verarbeitet sind. Ihr Durchmesser ist vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm. Als wesentlich für die zuverlässige Dichtigkeit gegenüber dem Halogenid-Angriff hat sich herausgestellt, daß der Stift im Stopfen direkt, also ohne Schmelzkeramik, eingesintert wird, und daß gleichzeitig darauf geachtet wird, daß der Stift in der Bohrung des Stopfens zur Entladungsseite hin etwas zurückgezogen ist und so die Oberfläche des Stiftes durch die Wand der Bohrung geschützt wird. Erst die Kombination aller drei Merkmale sichert den gewünschten Erfolg. Dies wird durch die folgende Betrachtung verständlich.The present invention achieves this in that the metals are processed into bushings in the form of pins known per se. Its diameter is preferably 0.5 to 1.0 mm. It has been found to be essential for the reliable tightness against the halide attack that the pin is sintered directly into the stopper, that is to say without melting ceramic, and that at the same time care is taken to ensure that the pin in the bore of the stopper is somewhat withdrawn towards the discharge side and so the surface of the pin is protected by the wall of the hole. Only the combination of all three characteristics ensures the desired success. This is understandable from the following consideration.
Das direkte Einsintern von Durchführungen in Form dünner Stifte hat gegenüber dem Einsintern von Rohren den Vorteil, daß Dehnungsunterschiede zwischen Keramikstopfen und metallischer Durchführung klein gehalten werden können. Bei einer Einschmelzung spielt dieser Aspekt keine Rolle, da die Schmelzkeramik bei den relativ kleinen Dehnungsunterschieden (einige Prozent) die Dichtung gewährleistet. Bei einer Direkteinsinterung wird auch ein kleiner Dehnungsunterschied bereits zum Problem und die Dichtung muß durch andere Kniffe erreicht werden. Aus diesem Grunde wurden - bei Natriumdampflampen - bisher nur rohrförmige Durchführungen verwendet, wenn Direkteinsinterungen vorgesehen waren. Denn die Spannungen aufgrund der Dehnungsunterschiede werden durch die Elastizität des Rohres aufgefangen.The direct sintering of bushings in the form of thin pins has the advantage over the sintering of pipes that expansion differences between ceramic plugs and metal bushings can be kept small. This aspect is irrelevant in the case of melting, since the melting ceramic ensures the seal with the relatively small expansion differences (a few percent). With direct sintering, even a small difference in elongation becomes a problem and the seal must be achieved with other tricks. For this reason - in the case of sodium vapor lamps - only tubular bushings have been used so far if direct sintering was intended. Because the tensions due to the differences in elongation are absorbed by the elasticity of the tube.
Technisch machbar sind jedoch nur Rohre mit einem Durchmesser von mindestens 2 mm; typische Werte liegen bei 4 mm.However, only pipes with a diameter of at least 2 mm are technically feasible; typical values are 4 mm.
Die bei Stiften fehlende Elastizität ließ entsprechende Versuche mit ähnlich dimensionierten Stiften von vornherein als untauglich erscheinen und führte eher dazu, nach Modifizierungen der rohrförmigen Durchführungstechnik zu suchen.
Als besonders vielversprechend erscheint hierzu, die Durchführung dem Zugriff des Halogens zu entziehen, indem man sie vertieft in die axiale Bohrung des Stopfens einsetzt. Doch auch damit ließen sich keine voll befriedigenden Resultate erzielen, weil die einzig verbleibende Angriffsfläche für Halogenide bei Rohren - nämlich die Stirnfläche am Boden des Rohres, an der der Elektrodenschaft befestigt ist - zwangsläufig wegen der technisch bedingten Untergrenze für die Herstellung zu groß ist. Die Lebensdauer derartiger Lampen beschränkte sich auf 200 Std.The lack of elasticity in the case of pens made appropriate experiments with similarly sized pens seem unsuitable from the outset and led to the search for modifications to the tubular feedthrough technology.
It seems particularly promising for this to remove the feedthrough from the halogen's access by deepening it in the axial bore of the plug. However, even with this, it was not possible to achieve fully satisfactory results because the only remaining area of attack for halides in pipes - namely the end face at the bottom of the pipe to which the electrode shaft is attached - is inevitably too large for production due to the technically determined lower limit. The lifespan of such lamps was limited to 200 hours.
Entsprechende Versuche mit Stiften in der bisher bekannten Einschmelztechnik scheiterten am Korrosionsproblem. Überraschenderweise konnte daran auch ein vertieftes Einsetzen in die Bohrung nichts ändern.Appropriate tests with pins in the previously known melting technique failed due to the corrosion problem. Surprisingly, even a deeper insertion into the hole could not change this.
Diese Schwierigkeiten nehmen paradoxerweise sogar zu, wenn man den Durchmesser des Stiftes verringert, was an sich wünschenswert wäre, um den Absolutwert des Ausdehnungsunterschiedes zu verkleinern. Der Durchmesser des Durchführungsstiftes erreicht dabei die Größenordnung des Elektrodenschaftes.Paradoxically, these difficulties increase even if the diameter of the pin is reduced, which in itself would be desirable to reduce the absolute value of the difference in expansion. The diameter of the lead-through pin reaches the order of magnitude of the electrode shaft.
Als Ursache hat sich herausgestellt, daß bei der Einfüllung der Schmelzkeramik diese nicht nur, wie eigentlich gewünscht, bis zum entladungsseitigen Ende des Stiftes herabfließt, sondern durch Kapillarkräfte auch in den am entladungsseitigen Ende der Bohrung vorhandenen ringförmigen Spalt zwischen Bohrung und Elektrodenschaft hineingesaugt wird. Diese Konstellation führt dann beim Abkühlen aufgrund der Fehlanpassung zwischen Keramikstopfen, Schmelzkeramik und Elektrodenschaft - letzterer ist üblicherweise aus hochschmelzendem Material, insbesondere Wolfram, dessen Ausdehnungskoeffzient ca. 50 % kleiner als der der Keramik ist - unvermeidlich zu Sprüngen in der Schmelzkeramik und schließlich auch im Stopfen selbst, was zu Frühausfällen der Entladungsgefäße führt.The cause has turned out to be that when filling the melting ceramic, it not only flows down to the discharge end of the pin, as is actually desired, but is also sucked into the annular gap between the bore and the electrode shaft at the discharge end of the bore by capillary forces. This constellation then leads during cooling due to the mismatch between the ceramic plug, the ceramic and the electrode shaft - the latter is usually made of high-melting material, in particular tungsten, whose coefficient of expansion is approx. 50% smaller than that of the ceramic - inevitably leads to cracks in the ceramic and finally also in the plug itself, which leads to early failure of the discharge vessels.
In dieser Situation hat es sich als besonders glücklicher Umstand erwiesen, daß die natürliche Untergrenze für den Durchmesser eines Durchführungsstiftes lediglich durch den aus Gründen der Strombelastung festgelegten Durchmesser des Elektrodenschafts vorgegeben ist.
Bei derart kleinen Durchmessern (ca. 0,5-1,0 mm) gewinnt der Umstand, daß der Absolutwert des Ausdehnungsunterschiedes zwischen Durchführung und Keramikstopfen sehr klein wird, entscheidende Bedeutung, so daß unter diesen Umständen eine Direkteinsinterung auch von Stiften als erfolgversprechend erscheint.In this situation, it has proven to be a particularly fortunate circumstance that the natural lower limit for the diameter of a lead-through pin is only determined by the diameter of the electrode shaft which is determined for reasons of current load.
With such small diameters (approx. 0.5-1.0 mm), the fact that the absolute value of the difference in expansion between the bushing and the ceramic plug becomes very small is of decisive importance, so that under these circumstances direct sintering of pins also appears to be promising.
Diese Technik unterscheidet sich also grundlegend von einer Direkteinsinterung von Rohren, weil bei entsprechend kleinen Stiften die von den Rohren her bekannten Spannungen erst gar nicht auftreten.This technique differs fundamentally from direct sintering of pipes, because with correspondingly small pins, the voltages known from the pipes do not even occur.
Ein weiterer Vorteil ist, daß durch eine Anpassung des Durchmessers des Durchführungsstiftes an den des Elektrodenschaftes die Stirnfläche des Stiftes - im Gegensatz zu der eines Rohres - optimal abgedeckt werden kann. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der Durchmesser des Stiftes geringfügig größer, insbesondere um 5 bis 10 %, als der des Schaftes gewählt wird. Der Elektrodenschaft ist am Stiftende stumpf angeschweißt. Bei einer größeren Differenz zwischen diesen beiden Durchmessern wird der Absolutwert des thermischen Ausdehnungsunterschieds im Hinblick auf die Keramik zu groß und die Lebensdauer der Lampe verschlechtert sich durch Undichtigkeit. Bei einer kleineren Differenz oder sogar gleich großen Durchmessern, entsprechend einer optimalen Abdeckung der Stirnfläche des Stiftes, würde die Stopfenwand in gleichem Maße an dem im thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut angepaßten Durchführungsstift (insbes. aus Niob) und an dem in dieser Hinsicht völlig fehlangepaßten Elektrodenschaft (insbes. aus Wolfram) ansintern. Beim Abkühlungsprozeß würden daher unvermeidlich Risse in der Keramik auftreten.Another advantage is that by adapting the diameter of the feed-through pin to that of the electrode shaft, the end face of the pin - in contrast to that of a tube - can be optimally covered. Particularly good results are achieved if the diameter of the pin is selected to be slightly larger, in particular by 5 to 10%, than that of the shaft. The electrode shaft is butt welded to the end of the pin. If there is a greater difference between these two diameters, the absolute value of the difference in thermal expansion with regard to the ceramic becomes too great and the lamp life deteriorates due to leakage. With a smaller difference or even the same diameter, corresponding to an optimal covering of the end face of the pin, the stopper wall would to the same extent on the feedthrough pin (in particular made of niobium) which is well adapted in terms of its thermal expansion coefficient and on the electrode shaft which is completely mismatched in this regard (in particular sintered from tungsten). Cracks in the ceramic would therefore inevitably occur during the cooling process.
Neben einem genau fluchtenden und mittigen Sitz der beiden stiftartigen Teile (Durchführungsstift und Elektrodenschaft) relativ zueinander ist bei diesen geringen Unterschieden zwischen den Durchmessern eine weitere grundlegende Voraussetzung, daß der für die Direkteinsinterung verwendete Schrumpfungsprozeß der grünen Stopfenkeramik so genau beherrscht und gesteuert wird, daß ein Ansintern am Elektrodenschaft vermieden wird. Dies erfolgt z.B. durch die geeignete Auswahl der Korngröße des Sintermaterials.In addition to a precisely aligned and central fit of the two pin-like parts (feed-through pin and electrode shaft) relative to one another, with these slight differences between the diameters, another basic requirement is that the shrinking process of the green stopper ceramic used for direct sintering is controlled and controlled so precisely that a Sintering on the electrode shaft is avoided. This is done, for example, by the appropriate selection of the grain size of the sintered material.
Bei diesen Abmessungen wird die Angriffsmöglichkeit der Halogenidfüllung am Durchführungsstift auf eine sehr schmale ringförmige Zone an der entladungsseitigen Endfläche des Stifts beschränkt und die Dichtheit der Einsinterung bleibt gewährleistet.With these dimensions, the possibility of attack by the halide filling on the feedthrough pin is limited to a very narrow annular zone on the discharge-side end face of the pin and the tightness of the sintering remains guaranteed.
Bei der Direkteinsinterung, die im wesentlichen ähnlich wie in der EP-PS 136 505 beschrieben abläuft, wird der "Grünkörper" des Endstopfens erst mit dem Durchführungssystem bestückt und dann dem Sinterprozeß unterworfen, bei dem der Endstopfen auf den Niobstift aufschrumpft. Hierbei werden Temperaturen von ca. 1850 °C bei einem Druck von 10⁻⁴ mbar erreicht.In direct sintering, which is essentially similar to that described in EP-PS 136 505, the "green body" of the end plug is first equipped with the lead-through system and then subjected to the sintering process in which the end plug shrinks onto the niobium stick. Temperatures of approx. 1850 ° C are reached at a pressure of 10bar mbar.
Als unangenehm hat sich dabei erwiesen, daß eine diesen Bedingungen ausgesetzte Niobdurchführung abdampft, da Niob bei Sinterbedingungen schon einen nennenswerten Dampfdruck aufweist. Dies hat zur Folge, daß das Entladungsgefäß während des Sintervorgangs außen vergraut, was die Lichtausbeute verringert.It has proven to be unpleasant that a niobium bushing exposed to these conditions evaporates, since niobium already has a significant vapor pressure under sintering conditions. As a result, the discharge vessel turns gray during the sintering process, which reduces the light output.
Um diesem Problem abzuhelfen, ist es vorteilhaft, wenn - zumindest während des Sinterns - der außen überstehende Teil des Niobstifts mit einem Schutzmantel umgeben wird. Dabei handelt es sich um eine Hülse aus Keramik o.ä., die den äußeren Teil des Niobstifts umgibt. Die Hülse kann anschließend wieder entfernt werden. Sie kann jedoch auch dauerhaft montiert sein, wobei sie vorteilhaft in einer Vertiefung des Endstopfens fixiert ist. Sie dient dann vorteilhaft gleichzeitig als Stütze für die Durchführung, da diese beim Sinterprozeß etwas versprödet. Die Stütze beugt der Gefahr eines Bruchs vor, wenn die äußere elektrische Zuleitung an der Durchführung befestigt wird.In order to remedy this problem, it is advantageous if - at least during the sintering - the part of the niobium stick projecting outside is surrounded with a protective jacket. This is a sleeve made of ceramic or the like, which surrounds the outer part of the niobium stick. The sleeve can then be removed. However, it can also be permanently installed, wherein it is advantageously fixed in a recess in the end plug. It then advantageously also serves as a support for the implementation, since this becomes somewhat brittle during the sintering process. The prop prevents the danger of one Breaks when the outer electrical lead is attached to the bushing.
Eine besonders elegante Lösung wird dadurch erzielt, daß der Stift im Endstopfen vollständig, also an beiden Enden, versenkt angeordnet ist, wobei vom Niobstift aus ein Verbindungsteil zur äußeren Zuleitung im Volumen des Außenkolbens führt. Dieses Verbindungsteil, das vorteilhaft ebenfalls aus Wolfram besteht, das der Versprödung beim Sintern widersteht, ist ebenso wie der Elektrodenschaft stumpf an den Stift angeschweißt. Beide Nahtstellen befinden sich noch innerhalb des Endstopfens. Die Bohrung im Endstopfen besitzt im Prinzip einen konstanten Durchmesser, der dem des Niobstifts angepaßt ist. Bei dieser Anordnung ist der Niobstift bestmöglich abgeschirmt. Dies gilt sowohl für einen Angriff von innen her durch die Füllung als auch für einen Austritt des Niobs in das Außenvolumen, der zur Vergrauung führen könnte.A particularly elegant solution is achieved in that the pin is completely recessed in the end plug, that is to say at both ends, a connecting part leading from the niobium pin to the outer feed line in the volume of the outer bulb. This connecting part, which advantageously also consists of tungsten, which resists embrittlement during sintering, is butt-welded to the pin, just like the electrode shaft. Both seams are still inside the end plug. The bore in the end plug has in principle a constant diameter that is adapted to that of the niobium pin. With this arrangement, the niobium stick is shielded as well as possible. This applies both to an attack from the inside through the filling and to the niobium escaping into the outer volume, which could lead to graying.
Vorteilhaft beträgt die Länge des versenkten Niobstifts etwa 80 % der Höhe des Keramikstopfens, so daß einerseits eine möglichst lange Dichtungsstrecke verwirklicht wird, während die Vorteile der Versenkung (Schutzwirkung gegen Korrosion und Vergrauung) noch voll zum Tragen kommen. Dem entspricht eine Länge des versenkt angeordneten Abschnitts des Elektrodenschaftes von etwa 10 %.The length of the recessed niobium pin is advantageously about 80% of the height of the ceramic stopper, so that, on the one hand, the longest possible sealing distance is realized, while the advantages of the countersinking (protective effect against corrosion and graying) are still fully effective. This corresponds to a length of the recessed section of the electrode shaft of approximately 10%.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt
Figur 1- eine Metallhalogenidentladungslampe, teilweise geschnitten
Figur 2- ein zweites Ausführungsbeispiel des Einschmelzbereichs der Lampe, teilweise im Schnitt
Figur 3- ein drittes Ausführungsbeispiel des Einschmelzbereichs der Lampe, teilweise im Schnitt
- Figure 1
- a metal halide discharge lamp, partially cut
- Figure 2
- a second embodiment of the melting area of the lamp, partly in section
- Figure 3
- a third embodiment of the melting area of the lamp, partly in section
Die beiden Durchführungen 9 aus Niob haltern entladungsseitig jeweils Elektroden 11, bestehend aus einem Elektrodenschaft 12 aus Wolfram und einer am entladungsseitigen Ende ausgebildeten kugelförmigen Spitze 13. Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem inerten Zündgas, z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden.The two
In dieser Ausführung reicht der Elektrodenschaft 12 bis in die Bohrung 14 im Endstopfen 10 hinein, weil der Niobstift 9 in der Bohrung entladungsseitig vertieft eingesetzt ist. Andererseits steht der steht der Stift 9 am äußeren Ende des Endstopfens über und ist direkt mit der Stromzuführung 7 verbunden.In this embodiment, the
In Figur 2 ist der Bereich des Pumpendes 6a des Entladungsgefäßes im Detail für ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Entladungsgefäß hat an seinen beiden Enden eine Wandungsdicke von 1,2 mm. Der zylindrische Stopfen 10 aus Al₂O₃-Keramik, der in das Ende 6 des Entladungsgefäßes eingesetzt ist, hat einen Außendurchmesser von 3,3 mm bei einer Höhe von 6 mm. In die axiale Bohrung 14 des Stopfens ist als Durchführung ein Niobstift 9 mit einer Länge von 12 mm und einem Durchmesser von 0,6 mm direkt eingesintert. Der Elektrodenschaft 12 (Durchmesser 0,55 mm) ist an den Niobstift 9 stumpf angeschweißt.FIG. 2 shows the area of the
Der äußere Abschnitt 16 des Niobstifts ist von einer keramischen Hülse 18 eng umgeben. Zur besseren Halterung ist die Bohrung 14 am entladungsfernen Ende 17 des Endstopfens aufgeweitet. In diesen vergrößerten Bohrungsabschnitt 19 ist die Hülse 18 eingesetzt und wird dadurch fixiert, daß an dieser Stelle ein Glaslot 20 hinzugefügt ist. Die Hülse beugt der Vergrauung vor und stabilisiert den Niobstift, der durch das Sintern versprödet.The
Eine Füllbohrung 24 ist in diesem Fall parallel zur Lampenachse, aber seitlich dazu versetzt, durch den Stopfen 10 hindurchgeführt. Sie wird mit einer hochschmelzenden Keramik 20 abgedichtet, wenn der Evakuierungs- und Füllvorgang abgeschlossen ist. Das Einschmelzen beim Befestigen der Hülse 18 und das Abdichten der Füllbohrung 24 kann vorteilhaft in einem Schritt erfolgen. Zur Reduzierung der Schmelzkeramikmenge in der Füllbohrung 24 kann ein Al₂O₃-Füllstab in die Füllbohrung 24 eingebracht werden.A filling bore 24 is in this case parallel to the lamp axis, but laterally offset, through the
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt Figur 3. Der Unterschied zu Figur 2 besteht darin, daß der Niobstift 21, der eine Länge von 5 mm bei einem Durchmesser von 0,8 mm besitzt, in der Öffnung 14 beidseitig versenkt angeordnet ist, so daß auf eine Hülse an sich verzichtet werden kann. Der Elektrodenschaft 12 aus Wolframdraht besitzt einen Durchmesser von 0,75 mm und eine Länge von 7 mm. Er reicht 0,5 mm tief in die Öffnung 14 hinein. An der entladungsfernen Seite 17 des Endstopfens 10 ist ebenfalls ein Wolframdraht als Verbindungsteil 22 zur äußeren Stromzuführung am Stift 21 angeschweißt. Das Verbindungsteil 22 besitzt ebenfalls einen Drahtdurchmesser von 0,75 mm; es hat die Länge von 11 mm. Auch die Nahtstelle 23 zwischen Verbindungsteil und Durchführung ist etwa 0,5 mm tief in der axialen Öffnung 14 des Endstopfens angeordnet. Da ein Kontakt zwischen dem Wolframstift 22 und dem Glaslot 20 in der Füllbohrung 24 aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden sollte, was sonst zu Sprüngen in der Keramik führen könnte, ist auch hier eine Hülse 18 aus Niob (oder auch aus Keramik), die den Wolframstift 22 vorteilhaft umgibt, da diese beiden Materialien im Gegensatz zu Wolfram oder Molybdän einen an die Schmelzkeramik 20 angepaßten Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Statt der Hülse oder zusätzlich dazu kann als Trennmittel auch ein am Stopfen 10 angeformter, um den Wolframstift 22 umlaufender Kragen 25 (gestrichelt eingezeichnet) verwendet werden.A particularly preferred embodiment is shown in FIG. 3. The difference from FIG. 2 is that the
Die hier beschriebene Einsinterungstechnik läßt sich im Prinzip für beide Enden des Entladungsgefäßes anwenden. Dabei wird zunächst ein komplettes Elektrodensystem - bestehend aus Elektrode, Durchführung und Endstopfen - in das erste Ende des Entladungsgefäßes ohne Glaslot oder Schmelzkeramik direkt eingesintert. Das Entladungsgefäß wird in einer Glovebox durch das zweite, noch offene Ende des Entladungsgefäßes evakuiert und mit der Füllung versehen. Anschließend wird ein Stopfen mit bereits fertig eingesintertem Elektrodensystem in das offene Ende eingesetzt und der Stopfen zur Wandung des Entladungsgefäßes hin mittels Glaslot oder Schmelzkeramik abgedichtet. Auf den ersten Blick schein dadurch der Vorteil der glaslotfreien Einschmelzung der Durchführung wieder verspielt zu werden, da ja das Glaslot durch die Halogenide angegriffen werden kann. Es ist jedoch zu bedenken, daß die Reaktionsfreudigkeit des Glaslots entscheidend von den Temperaturverhältnissen abhängt; sie läßt sich durch ein Exponentialgesetz beschreiben. Da die Betriebstemperaturen an der Durchführung wesentlich höher (typisch 1100 °C) sind als in der Nähe der Wandung des Entladungsgefäßes (ca. 900 °C), ist im letzteren Fall die Glaslotabdichtung einer erheblich geringeren Belastung ausgesetzt, so daß die Lebensdauer der Lampe, im Vergleich zu einer glaslotfreien Abdichtung dadurch kaum beeinträchtigt wird.The sintering technique described here can in principle be used for both ends of the discharge vessel. First of all, a complete electrode system - consisting of electrode, bushing and end plug - is sintered directly into the first end of the discharge vessel without glass solder or ceramic. The discharge vessel is evacuated in a glovebox through the second, still open end of the discharge vessel and provided with the filling. Then a stopper with the electrode system already sintered in is inserted into the open end and the stopper is sealed off from the wall of the discharge vessel by means of glass solder or melting ceramic. At first glance, the advantage of the glass solder-free melting of the bushing seems to be lost again, since the glass solder can be attacked by the halides. However, it should be borne in mind that the responsiveness of the glass solder depends crucially on the temperature conditions; it can be described by an exponential law. Since the operating temperatures at the bushing are much higher (typically 1100 ° C) than near the wall of the discharge vessel (approx. 900 ° C), the glass solder seal is exposed to a considerably lower load in the latter case, so that the life of the lamp, compared to a glass solder-free seal is hardly affected.
Eine Alternative zu diesem Verfahren besteht darin, daß das Entladungsgefäß an seiner Seitenwand oder im Stopfen (Fig. 2 und 3) eine zusätzliche Bohrung aufweist. Die beiden Enden werden zunächst glaslotfrei mit Elektrodensystemen bestückt und durch direkte Einsinterung verschlossen. Die zusätzliche Bohrung wird nun zum Evakuieren und Füllen des Entladungsgefäßes verwendet und dann mit einer hochschmelzenden Keramik abgedichtet, indem auf die Bohrung eine feste Schmelzkeramikmasse aufgelegt wird, die nachträglich erwärmt wird, so daß die Bohrung gasdicht verschlossen wird.An alternative to this method is that the discharge vessel has an additional bore on its side wall or in the stopper (FIGS. 2 and 3). The two ends are first fitted with electrode systems without glass solder and sealed by direct sintering. The additional The bore is now used to evacuate and fill the discharge vessel and then sealed with a high-melting ceramic by placing a solid ceramic ceramic mass on the bore, which is subsequently heated, so that the bore is sealed gas-tight.
Eine Möglichkeit zur gezielten Erwärmung der zusätzlichen Bohrung bei einem Loch in der Seitenwand ist die lokale Erhitzung mittels eines in einer speziellen Optik aufgeweiteten Laserstrahls.One possibility for targeted heating of the additional hole in the case of a hole in the side wall is local heating by means of a laser beam expanded in a special optic.
Bei der Verwendung einer Hülse (Fig. 2 und 3) wird ein Kontakt zwischen Wolframstift und Glaslot vermieden. Das Einschmelzen beim Befestigen der Hülse und das Abdichten der Füllbohrung kann vorteilhaft in einem Schritt erfolgen.When using a sleeve (Fig. 2 and 3) contact between the tungsten pencil and glass solder is avoided. The melting when fastening the sleeve and the sealing of the filling hole can advantageously be carried out in one step.
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