EP2153457A2 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Hochdruckentladungslampe

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EP2153457A2
EP2153457A2 EP08749871A EP08749871A EP2153457A2 EP 2153457 A2 EP2153457 A2 EP 2153457A2 EP 08749871 A EP08749871 A EP 08749871A EP 08749871 A EP08749871 A EP 08749871A EP 2153457 A2 EP2153457 A2 EP 2153457A2
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EP
European Patent Office
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capillary
tungsten
discharge lamp
segment
pressure discharge
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08749871A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Hüttinger
Andreas Kloss
Marko KÄNING
Klaus Stockwald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
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    • H01J61/36—Seals between parts of vessels; Seals for leading-in conductors; Leading-in conductors
    • H01J61/366—Seals for leading-in conductors
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    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H01J61/0732—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases
    • H01J9/32—Sealing leading-in conductors
    • H01J9/323—Sealing leading-in conductors into a discharge lamp or a gas-filled discharge device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/827—Metal halide arc lamps

Definitions

  • the invention is based on a high-pressure discharge lamp with a ceramic discharge vessel according to the preamble of claim 1.
  • EP-A 926 703 discloses a high pressure discharge lamp in which an electrode system is composed of several parts. Two parts each consist of tungsten, namely the electrode shaft including a helix and a central leadthrough part. The electrode system further comprises a Mo coil pushed onto the leadthrough part and a terminal leadthrough part made of niobium.
  • the object of the present invention is to provide an electrode system for a high-pressure discharge lamp, which also withstands particularly aggressive fillings.
  • the electrode system is now made entirely of tungsten material, which also withstands particularly aggressive fillings.
  • the thermal expansion coefficient of tungsten is not adapted to ceramic capillaries as ends of a discharge vessel. Therefore, a novel construction is required.
  • the electrode itself so shaft and head, as well as the implementation system of W material is produced.
  • W can be provided with suitable dopants.
  • the entire system consists of four parts which are substantially cylindrically shaped. However, each of the four segments has a different diameter.
  • the transition zones between the segments can be designed arbitrarily, for example, be designed cone-shaped or stepped.
  • the electrode system can be made in one piece from a uniform material and manufactured in one piece, for example by removing the diameter, laser processing, etc.
  • the four segments consist of individual parts which are suitably assembled, for example by welding, soldering, a mechanical plug connection, etc.
  • the first segment is the electrode head.
  • the second segment is the electrode shaft whose diameter is smaller or at most equal to that of the head.
  • the third segment is a central execution part that fills the dead space in a capillary as well as possible. Be Diameter is preferably selected at 85 to 95% of the capillary inner diameter.
  • the fourth segment is the terminal leadthrough part, which is passed through the meltdown area at the end of the capillary and sealed there by means of glass solder.
  • the fourth segment is a tungsten core pin having a maximum diameter of 300 ⁇ m, which is additionally provided by a ceramic sleeve, in particular PCA or similar. is surrounded.
  • the sleeve is 0.3 ... 1.0 mm shorter in its axial length than the core pin that surrounds it.
  • This part is welded to a capillary-protruding niobium pin or pin of niob-like material in terms of thermal expansion coefficient.
  • the protruding pin and the weld are completely surrounded by a glass solder.
  • the entire electrode system is made of tungsten, it resists any aggressive filling. Thus, significant advantages over a Mo-containing electrode system can be achieved.
  • Another particular advantage of the novel electrode system is that the distance along the electrodes and the electrode feedthrough capillary is very uniform.
  • This electrode system is particularly well suited for metal halide fillings that completely or almost completely abstain from mercury.
  • FIG. 1 is a high pressure discharge lamp in section;
  • FIG. 2 shows an electrode system in the capillary.
  • FIG. 1 An embodiment of a metal halide high-pressure discharge lamp 1 is shown in FIG. 1. It has a ceramic discharge vessel 2 which is closed on two sides and is seated in an outer bulb 10. It is elongated and has at the two ends capillaries 3 with an inner diameter Dki and an axial length LK, see Figure 2. Inside the discharge vessel sit two electrodes 4 opposite each other, which are fixed to bushings 5. The bushings are guided through the capillaries 3 to the outside. The end of the passage is sealed by means of glass solder 19 in the capillary. The implementation is connected via a power supply 6 with a base contact 13 at the end of the outer bulb.
  • the filling is preferably Hg-free and contains in particular rare earth iodides such as cerium iodide and Aluminiumj odid and Thalliumj odid. Another possibility of filling is given for example in DE-A 102 54 969.
  • FIG. 2 shows the electrode system in detail.
  • the electrode has a head 7 made of tungsten with a diameter D1 and the axial length L1.
  • the head can be solid or formed by a helix.
  • This head is the first segment of the electrode system.
  • the electrode shaft 8 with the axial length L2, which is also made of tungsten.
  • Its diameter D2 is usually much smaller than that of Dl, but it can also be at most as large as that of Dl.
  • the electrode shaft 8 forms the second segment.
  • a central cylindrical front leadthrough part 9 made of tungsten. Its diameter D3 is larger than that of Dl. Its axial length is L3.
  • a composite lead-through part 10 It consists of a core pin 11 made of tungsten with a diameter D4 of preferably 200 to 300 microns. A practical lower limit for the diameter of the core pin is 100 ⁇ m.
  • the core pin 11 is surrounded by a tubular sleeve 12 having the axial length Lm. Their outer diameter Dma corresponds approximately to the diameter D3.
  • the cuff is preferably made of ceramic. It is made of Al2O3, mostly PCA, whereby the PCA can be doped or undoped.
  • Dmi an inner diameter adapted to the core pin 11.
  • Dmi an inner diameter adapted to the core pin 11.
  • D5 of the niobium pin should also be closely matched to the bore of the capillary.
  • Dl (0, 6 to s 0, 95) * Dki;
  • D2 (0.2 to 1.0) * D1, preferably (0.2 to 0.5) * D1;
  • the system dispenses with the use of molybdenum as the material for the feedthrough because molybdenum is not sufficiently resistant to corrosion.
  • the use of a wound as a constituent of the bushing has generally proved to be disadvantageous, since the inhomogeneous structure of a wound having a variable outer diameter leads to undesirable leaching in the capillary. Therefore, according to the invention, a molybdenum-free and stress-free system is first realized which is based on the material tungsten, that is to say predominantly tungsten, optionally with additives or as an alloy, and nevertheless ensures a reliable sealing by means of glass solder. This purpose is served by the ceramic sleeve in conjunction with the thin tungsten wire as the core pin.
  • the glass solder extends from the outside of the niobium pin to the beginning of the ceramic sleeve.
  • a glass solder are known per se known glass solders.
  • Niobium can be melted well known.
  • the coefficient of thermal expansion of tungsten is so large compared with ceramics that a maximum of one W pin with a diameter of 300 ⁇ m can be melted down.
  • the sleeve holds on the core pin, for example by a spot weld serves as a spacer.
  • the sum L1 + L2 + L3 + L4 is slightly longer than the capillary length LK, with the head of the electrode protruding from the capillary on one side and the fused niobium pin on the other side. It is advantageous if the sleeve rests loosely on the third segment. Compared to the niobium pin, it should be delimited by a gap having an axial length between 0.2 and 0.8 mm in order to take into account the different thermal expansion, to provide sufficient space for attachment and, above all, the glass solder sufficient to bring up to the W-pin, and thus to produce a reliable seal can.
  • the material of the outside end cap protruding from the capillary is of no importance; its decisive factor is the thermal expansion coefficient adapted to the ceramic, which is best achieved by niobium.

Abstract

Das zugehörige Elektrodensystem ist vierteilig aus Wolfram-Material aufgebaut und besteht aus den folgenden vier Segmenten: einem Elektrodenkopf, einem Elektrodenschaft, einem zentralen Durchführungsteil und einem endständigen Durchführungsteil. Das endständige Durchführungteil ist von einer keramischen Manschette umgeben.

Description

Hochdruckentladungslampe
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die EP-A 926 703 offenbart eine Hochdruckentladungslampe, bei der ein Elektrodensystem aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. Zwei Teile bestehen jeweils aus Wolfram, nämlich der Elektrodenschaft einschließlich einer Wendel und ein zentrales Durchführungsteil. Das Elektrodensystem umfasst des weiteren eine auf das Durchführungsteil auf- geschobene Mo-Wendel und ein endständiges Durchführungsteil aus Niob.
Eine derartige Konstruktion wird von üblichen Füllungen nicht angegriffen. Der Totraum wird dabei durch die Mo- Wendel oder ähnliche Konstruktion, die auf Mo basieren, ausgefüllt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Elektrodensystem für eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, das auch besonders aggressiven Füllungen standhält.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird jetzt das Elektrodensystem vollständig aus Wolfram-Material hergestellt, das auch besonders aggressiven Füllungen standhält. Allerdings ist der thermische Ausdehnungskoeffizient von Wolfram nicht an keramische Kapillaren als Enden eines Entladungsgefäßes ange- passt. Daher ist eine neuartige Konstruktion erforderlich.
Nunmehr wird die Elektrode selbst, also Schaft und Kopf, sowie auch das Durchführungssystem aus W- Material hergestellt. Dabei kann W mit geeigneten Dotierungen versehen sein. Das gesamte System besteht aus vier Teilen, die im wesentlichen zylindrisch geformt sind. Jedoch hat jedes der vier Segmente einen unterschiedlichen Durchmesser. Die Übergangszonen zwischen den Segmenten können beliebig gestaltet sein, beispielsweise kegelförmig oder stufenartig ausgeführt sein. Das Elektrodensystem kann einteilig aus einheitlichem Material gefertigt sein und einstückig hergestellt sein, beispielsweise durch Abtragen des Durchmessers, Laserbearbeitung etc.
Bevorzugt bestehen die vier Segmente jedoch aus einzelnen Teilen, die geeignet zusammengesetzt werden, beispielsweise durch Schweißen, Löten, eine mechanische Steckverbindung etc.
Das erste Segment ist der Elektrodenkopf. Das zweite Segment ist der Elektrodenschaft, dessen Durchmesser kleiner oder höchstens gleich dem des Kopfes ist. das Dritte Segment ist ein zentrales Durchführungsteil, das den Totraum in einer Kapillare möglichst gut ausfüllt. Sein Durchmesser ist bevorzugt bei 85 bis 95 % des Kapillarinnendurchmessers gewählt. Das vierte Segment ist das endständige Durchführungsteil, das durch den Einschmelzbereichs am Ende der Kapillare hindurchgeführt wird und dort mittels Glaslot abgedichtet wird.
Das vierte Segment ist erfindungsgemäß ein Kernstift aus Wolfram mit einem maximalen Durchmesser von 300 μm, der zusätzlich von einer Manschette aus Keramik, insbesondere PCA o.a. umgeben ist. bevorzugt ist die Manschette in ihrer axialen Länge um 0.3...1.0 mm kürzer als der Kernstift, den sie umgibt.
Dieser Teil ist mit einem an der Kapillare überstehenden Niob-Stift oder einem Stift aus niob-ähnlichem Material, was den thermischen Ausdehnungskoeffizienten betrifft, verschweißt. Der überstehende Stift und die Schweißung sind vollständig von einem Glaslot umgeben.
Da das gesamte Elektrodensystem aus Wolfram besteht, widersteht es jeglicher aggressiver Füllung. Somit lassen sich deutliche Vorteile gegenüber einem Mo-haltigen Elektrodensystem erzielen.
Ein weiterer besonderer Vorteil des neuartigen Elektrodensystems ist, dass der Abstand entlang der Elektroden und der Elektroden-Durchführungs-Kapillare sehr gleichmäßig ausgeführt ist.
Dadurch wird diue Konvektion der Füllung deutlich vermindert und lokale Auswaschungen der Kapillarinnenwand verringert. -A-
Dieses Elektrodensystem ist besonders gut geeignet für Metallhalogenidfüllungen, die auf Quecksilber ganz oder nahezu vollstädnig verzichten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh- rungsbeispiele näher erläutert werden. Die Figuren zeigen :
Figur 1 eine Hochdruckentladungslampe im Schnitt; Figur 2 ein Elektrodensystem in der Kapillare.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenid- Hochdruckentladungslampe 1 zeigt Figur 1. Sie hat ein keramisches Entladungsgefäß 2, das zweiseitig verschlossen ist, und in einem Außenkolben 10 sitzt. Es ist längsgestreckt und hat an den beiden Enden Kapillaren 3 mit einem Innendurchmesser Dki und einer axialen Länge LK, sie- he Figur 2. Im Innern des Entladungsgefäßes sitzen zwei Elektroden 4 einander gegenüber, die an Durchführungen 5 befestigt sind. Die Durchführungen sind durch die Kapillaren 3 nach außen geführt. Das Ende der Durchführung ist mittels Glaslot 19 in der Kapillare abgedichtet. Die Durchführung ist über eine Stromzuführung 6 mit einem Sockelkontakt 13 am Ende des Außenkolbens verbunden. Die Füllung ist bevorzugt Hg-frei und enthält insbesondere Seltenerd-Jodide wie Cer-Jodid und Aluminiumj odid sowie Thalliumj odid. Eine andere Möglichkeit der Füllung ist beispielsweise in DE-A 102 54 969 angegeben. In Figur 2 ist das Elektrodensystem im Detail gezeigt. Die Elektrode hat einen Kopf 7 aus Wolfram mit einem Durchmesser Dl und der axialen Länge Ll. Der Kopf kann massiv oder durch eine Wendel gebildet sein. Dieser Kopf ist das erste Segment des Elektrodensytems . Daran schließt sich der Elektrodenschaft 8 mit der axialen Länge L2 an, der ebenfalls aus Wolfram gefertigt ist. Sein Durchmesser D2 ist normalerweise deutlich kleiner als der von Dl, er kann aber auch maximal so groß wie der von Dl sein. Der Elektrodenschaft 8 bildet das zweite Segment. Daran schließt sich als drittes Segment ein zentrales zylindrisches vorderes Durchführungsteil 9 aus Wolfram an. Dessen Durchmesser D3 ist größer als der von Dl. Seine axiale Länge ist L3. Daran schließt sich schließlich als viertes Segment ein zusammengesetztes Durchführungsteil 10 an. Es besteht aus einem Kernstift 11 aus Wolfram mit einem Durchmesser D4 von bevorzugt 200 bis 300 μm. Eine praktische Untergrenze für den Durchmesser des Kernstifts ist 100 μm. Der Kern- stift 11 ist von einer rohrförmigen Manschette 12 mit der axialen Länge Lm umgeben. Deren Außen-Durchmesser Dma entspricht etwa dem Durchmesser D3. Bevorzugt ist die Manschette aus Keramik. Sie ist aus AI2O3, meist PCA, gefertigt, wobei das PCA dotiert oder undotiert sein kann. Sie hat einen Innendurchmesser Dmi, der dem Kernstift 11 angepasst ist. An den Kernstift schließt sich als Endstück der Durchführung ein Niobstift 14 an. Der Durchmesser D5 des Niobstifts sollte ebenfalls eng an die Bohrung der Kapillare angepasst sein. Bevorzugt sollen folgende Relationen zwischen den Durchmessern Dl bis D5 sowie Dm beachtet werden: Dl = ( 0 . 6 bi s 0 . 95 ) * Dki ;
D2 = (0.2 bis 1.0) * Dl, bevorzugt (0.2 bis 0.5) * Dl;
D3 = (0.8 bis 0.95) * Dki; D4 < 300 μm; Dma = (0.75 bis 0.95) * Dki; Dmi = D4 + (20 bis 100) μm;
D5 = (0.8 bis 0.95) * Dki.
Bevorzugt sollen folgende Relationen zwischen den axialen Längen der vier Segmente Ll, L2, L3 und L4 und der axia- len Länge Lm der Manschette beachtet werden:
Lm = L4 - (0.3 bis 1.0) mm;
Ll = (0.5 bis 3.0) * Dl;
L2 = (0.5 bis 5.0) * Ll;
L3 = (0.3 bis 0.8) * LK L4 = (3.0 bis 5.0) mm
Das System wie geschildert verzichtet auf die Verwendung von Molybdän als Material für die Durchführung, da Molybdän nicht ausreichend korrosionsbeständig ist. Weiterhin hat sich generell die Verwendung eines Gewickelt als Be- standteil der Durchführung als nachteilig erwiesen, da die inhomogene Struktur eines Gewickelt mit variablem Außen- Durchmesser zu unerwünschten Auswaschungen in der Kapillare führt. Erfindungsgemäß wird daher erstmals ein Molybdän-freies und Gewickel-freies System realisiert, das auf dem Material Wolfram basiert, also weit überwiegend Wolfram, ggf. mit Zusätzen oder als Legierung, enthält und trotzdem eine sichere Abdichtung mittels Glaslot gewährleistet. Diesem Zweck dient die keramische Manschette in Verbindung mit dem dünnen Wolfram-Draht als Kernstift. Das Glaslot erstreckt sich von außen vom Niob-Stift bis zum Beginn der keramischen Manschette. Als Glaslot eignen sich an sich bekannte Glaslote. Niob lässt sich bekanntermaßen gut einschmelzen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Wolfram ist im Vergleich zur Keramik so groß, daß sich maximal ein W-Stift mit Durchmesser von 300 μm einschmelzen lässt.
Die Manschette hält auf dem Kernstift, indem beispielsweise ein Schweißpunkt als Abstandshalter dient.
Insgesamt ist die Summe L1+L2+L3+L4 etwas länger als die Kapillarenlänge LK, wobei auf der einen Seite der Kopf der Elektrode aus der Kapillare herausschaut und auf der anderen Seite der eingeschmolzene Niobstift. Vorteilhaft ist, wenn die Manschette an dem dritten Segment locker anliegt. Gegenüber dem Niobstift sollte sie von einem Spalt abgegrenzt sein, der eine axiale Länge zwischen 0,2 und 0,8 mm besitzt, um zum einen die unterschiedliche thermische Ausdehnung zu berücksichtigen, um ausreichend Platz zur Befestigung zu schaffen und um vor allem das Glaslot ausreichend bis an den W-Stift heranbringen zu können, und somit eine zuverlässige Abdichtung erzeugen zu können.
Auf das Material des außen am Ende an der Kapillare überstehenden Stifts kommt es nicht an, entscheidend ist sein an die Keramik angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient, der am besten von Niob realisiert wird.

Claims

Ansprüche
1. Hochdruckentladungslampe mit einem keramischen Entladungsgefäß, das ein Entladungsvolumen einschließt und an dessen Enden Kapillaren angebracht sind, wobei in jeder Kapillare ein Elektrodensystem hin- durchgeführt und dort abgedichtet ist, wobei mindestens ein Elektrodensystem, das auf Wolfram basiert, verwendet wird, mit einem Elektrodenkopf aus Wolfram als erstem Segment und einem Schaft aus Wolfram als zweitem Segment, sowie einer mehrteili- gen Durchführung mit einem außen am Ende an der Kapillare überstehenden Stift, insbesondere aus Niob, ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrteilige Durchführung ein zentrales zylindrisches Durchführungsteil aus Wolfram als drittes Seg- ment des Elektrodensystems innerhalb der Kapillare aufweist, das an das zweite Segment anschließt, sowie ein viertes zusammengesetztes Segment innerhalb der Kapillare aufweist, bestehend aus einem Kernstift aus W, der einen Durchmesser von maximal 300 μm besitzt und der teilweise von einer rohrförmigen Manschette umgeben ist, wobei der Kernstift mit dem überstehenden Stift verbunden ist, wobei zwischen Manschette und dem überstehenden Stift ein Spalt verbleibt und das Ende der Kapillare bis mindestens zum Beginn der Manschette mittels Glaslot abgedichtet ist.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten vier Segmente des Elektrodensystems aus dem gleichen Wolfram-Material gefertigt sind und insbesondere einstückig hergestellt sind.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Dimensionierung gilt: Dl = (0.6 bis 0.95) * Dki;
D2 = (0.2 bis 1.0) * Dl, bevorzugt (0.2 bis 0.5) * Dl;
D3 = (0.8 bis 0.95) * Dki; D4 < 300 μm; Dma = (0.75 bis 0.95) * Dki; Dmi = D4 + (20 bis 100) μm; D5 = (0.8 bis 0.95) * Dki.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Dimensionierung gilt: Lm = L4 - (0.2 bis 1.0) mm;
Ll = (0.5 bis 3.0) * Dl;
L2 = (0.5 bis 5.0) * Ll;
L3 = (0.3 bis 0.8) * LK
L4 = (3.0 bis 5.0) mm .
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen Manschette und überstehendem Stift verbleibt mit einer axialen Länge von 0,2 bis 0,8 mm.
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Inventor name: KLOSS, ANDREAS

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