ES2216512T3 - Lampara de descarga de gas de alta presion. - Google Patents

Abstract

Lámpara de descarga de gas de alta presión que comprende: un recipiente (1) de lámpara que está encerrado de manera estanca al vacío y tiene una pared (2) de cristal de cuarzo que encierra un espacio (3) de descarga; láminas (4) metálicas encajadas en la pared del recipiente de lámpara y conectadas cada una a un conductor (5) externo de corriente; varillas (6a) de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una respectiva de dichas láminas metálicas, y que se proyectan desde el recipiente de lámpara al espacio de descarga; un relleno ionizable en el espacio de descarga; estando definida la lámpara por la siguiente relación, finw >= 40% en la que: finw = fracción de longitud de la varilla de electrodo encerrada en la pared del recipiente de lámpara, caracterizada porque las varillas (6a) de electrodos tienen unas primeras partes (7a) que se proyectan en el espacio (3) de descarga, primeras partes que están realizadas al menos sustancialmente en tungsteno, y unas segundas partes (7b) al menos parcialmente encerradas en la pared (2), segundas partes que están realizadas en elementos elegidos del grupo de tungsteno que tiene un espesor que oscila entre 120 m y 180 m, molibdeno que tiene un espesor que oscila entre 120 m y 350 m, y aleaciones de tungsteno-molibdeno que tienen un espesor que oscila entre 120 m y 350 m, estando en contacto y conectadas entre sí dichas primeras y segundas partes a través de unos extremos (7c) opuestos.

Description

Lámpara de descarga de gas de alta presión.

La invención se refiere a una lámpara de descarga de gas de alta presión que comprende:

Un recipiente de lámpara que está cerrado de manera estanca al vacío y tiene una pared de cristal de cuarzo que encierra un espacio de descarga;

láminas metálicas encajadas en la pared del recipiente de lámpara y conectadas cada una a un conductor externo de corriente respectivo;

varillas de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una respectiva de las láminas metálicas, y que se proyectan desde la pared del recipiente de lámpara al espacio de descarga;

un relleno ionizable en el espacio de descarga;

estando definida la lámpara por la siguiente relación

f_{inw} >= 40%

en la que:

f_{inw} = fracción de longitud de la varilla de electrodo encerrada en la pared del recipiente de lámpara.

Por el documento EP 0 581 354-A1, se conoce una lámpara de descarga de gas de alta presión de este tipo. La lámpara conocida es apropiada para su uso como faro de vehículo, y tiene varillas de electrodo de un espesor de 250 \mum que pueden tener o no una envoltura en sus extremos libres y pueden realizarse en, por ejemplo, tungsteno toriado.

Se imponen unos requisitos exigentes sobre la velocidad con la que la lámpara, tras haberse encendido, proporciona una gran fracción del flujo luminoso durante un funcionamiento estable. También es necesario que la lámpara pueda encenderse mientras todavía está caliente debido a un periodo de funcionamiento previo. Para cumplir con estos requisitos, la lámpara se enciende a una tensión de varios kV y a una frecuencia de varios kHz.

En la fabricación de la lámpara conocida, se realiza una junta hermética en la que una o varias de dichas láminas metálicas se encierran en la pared. Durante esta operación, el cristal de cuarzo se ablanda en la zona en la que va a crearse esta junta hermética en presencia de la lámina metálica, del conductor externo de corriente y de la varilla de electrodo. Posteriormente, la lámpara, o la futura lámpara, se enfría. Debido a su coeficiente de expansión térmica lineal relativamente alto (aproximadamente 45*10^{-7} K^{-1}), la varilla de electrodo se contrae a continuación más intensamente que el cristal de cuarzo en el que está encajada. El cristal de cuarzo es un vidrio que tiene un contenido de SiO_{2} de al menos el 98% en peso, el coeficiente de expansión del cristal es de aproximadamente 6*10^{-7} K^{-1}. Para una buena adhesión entre la varilla y el cristal de cuarzo, obtenida mediante un aditivo al tungsteno de la varilla de electrodo, tal como óxido de torio, se obtiene un recubrimiento de cristal de cuarzo alrededor de la varilla, que está mecánicamente desconectado del cristal de cuarzo de la pared. Si la varilla de electrodo y el cristal de cuarzo no se adhieren lo suficiente entre sí, se crea un espacio capilar debido a la contracción alrededor de esta varilla. Un espacio capilar de este tipo no se crea alrededor de la lámina metálica, frecuentemente una lámina de molibdeno, debido a la forma de la lámina.

En la lámpara conocida, con frecuencia existe una buena adhesión entre la varilla y el cristal de cuarzo y, de este modo, existe un recubrimiento de cristal de cuarzo alrededor de la varilla. El recubrimiento de cristal de cuarzo de las varillas de electrodo en la lámpara conocida mejora su capacidad térmica (la energía que es necesaria para el mismo aumento de temperatura) y también aumenta su conductancia térmica (la cantidad de calor que puede reducirse por unidad de tiempo). Por otra parte, su conductividad eléctrica no se ve afectada. La mayor capacidad térmica retrasa el aumento de temperatura de las varillas durante la ignición de la lámpara, de manera que el contacto permanente con la lámina metálica encajada permite que el cristal de cuarzo circundante de la pared adopte una temperatura superior y se expanda, también debido al calor desarrollado en esta lámina por el paso de corriente.

Se ha descubierto que los recubrimientos de las especies de un tipo de lámpara pueden tener longitudes alternantes. Esto puede deberse a pequeñas variaciones de temperatura del cristal de cuarzo cuando se está realizando la junta hermética. Es un inconveniente que la ausencia de un recubrimiento o un recubrimiento insuficiente dé como resultado artículos defectuosos durante la producción de lámparas, y que la lámpara conocida tenga sólo una vida corta cuando no existe o no existe suficiente recubrimiento de cristal de cuarzo y cuando esta lámpara se enciende y se apaga con frecuencia tras un corto periodo de funcionamiento.

Cuando se enciende una lámpara sin recubrimiento de este tipo, la temperatura de las varillas de electrodos aumenta vertiginosamente debido a la elevada corriente que fluye a través de ellas y debido a la transferencia de calor procedente de la descarga. El cristal de cuarzo no sigue inmediatamente este aumento de temperatura. Debido a su mayor temperatura y a su mayor coeficiente de expansión, las varillas entrarán en contacto con el cristal de cuarzo y ejercerán presión sobre él. Se descubrió que, entonces, se producían daños, tales como microfisuras, en el cristal de cuarzo, microfisuras que generalmente aumentan en número y tamaño durante periodos de ignición posteriores. Esto lleva a una finalización (prematura) de la vida de la lámpara debido a las fugas, que hace que los constituyentes del relleno escapen de manera que la lámpara ya no se encienda o que el recipiente de lámpara se rompa.

Las lámparas que cumplen la relación f_{inw}>= 40% tienen un mayor riesgo de que se produzcan los fenómenos perjudiciales anteriormente mencionados, salvo que se generen circunstancias especiales, por ejemplo, un recubrimiento de cristal de cuarzo alrededor de la varilla de electrodo.

Otro inconveniente es que el recubrimiento conduce a reflexiones no deseadas y engorrosas de la luz generada en la descarga.

Es un objeto de la invención proporcionar una lámpara de descarga de gas de alta presión del tipo descrito en el párrafo inicial, que tenga una construcción simple y que contrarreste dichos inconvenientes.

Según la invención, este objeto se consigue porque las varillas de electrodo tienen unas primeras partes que se proyectan en el espacio de descarga, primeras partes que están realizadas al menos sustancialmente en tungsteno, y unas segundas partes encerradas al menos parcialmente en la pared, segundas partes que están realizadas en elementos elegidos del grupo de tungsteno que tiene un espesor que oscila entre 120 \mum y 180 \mum, molibdeno que tiene un espesor que oscila entre 120 \mum y 350 \mum, y aleaciones de tungsteno-molibdeno que tienen un espesor que oscila entre 120 \mum y 350 \mum, estando en contacto y conectadas entre sí dichas primeras y segundas partes a través de unos extremos opuestos.

Ya que los electrodos están compuestos de una primera y segunda parte, es posible adaptar los elementos a la circunstancias. La primera parte está realizada en conformidad con el extremo del electrodo de la lámpara conocida que se proyecta en el espacio de descarga, de manera que, durante su vida, puede soportar el calor generado por las elevadas corrientes iniciales y la descarga. La segunda parte está diseñada de tal manera que, al menos sustancialmente, ya no tiene lugar el problema de fugas o rotura de la lámpara producido por la expansión y, por consiguiente, el ejercicio de presión sobre el cristal de cuarzo por la segunda parte de la varilla de electrodo durante el
(re)encendido de la lámpara.

Se ha descubierto que en lámparas que cumplen la relación f_{inw} >= 40%, los problemas de fugas que tiene lugar no se producen, al menos sustancialmente, en varillas de electrodo que tienen espesores relativamente pequeños de las segundas partes encerradas en la pared. En lámparas que tienen varillas de electrodo con segundas partes de tungsteno que tiene un espesor de 180 \mum, se descubrió que las fugas de la lámpara sólo se produjeron esporádicamente. Con espesores inferiores a 180 \mum, el valor absoluto de la expansión, y por tanto, de la presión ejercida por las varillas de electrodo en sobre cristal de cuarzo, es tan pequeño que ya no se producen más daños, tales como microfisuras.

En lámparas que tienen varillas de electrodo con segundas partes tanto de aleaciones de tungsteno-molibdeno como de molibdeno, que tienen un espesor de 350 \mum, se descubrió que las fugas de la lámpara sólo se produjeron esporádicamente. El riesgo de fugas o rotura de la lámpara se reduce considerablemente si se selecciona que el espesor de estas segundas partes sea inferior a 350 \mum. El uso exitoso de espesores relativamente grandes con segundas partes de molibdeno o aleaciones de tungsteno-molibdeno está basado en la ductilidad de estos materiales. Cuando se ejerce presión sobre el cristal de cuarzo, debido a la expansión de los electrodos, esta presión se distribuirá más uniformemente debido a la deformación del material relativamente dúctil que cuando se utilizan electrodos que están realizados, por ejemplo, en tungsteno mucho menos dúctil.

Sin embargo, para segundas partes realizadas tanto en tungsteno como en aleaciones de tungsteno-molibdeno y en molibdeno, que tienen espesores inferiores a 120 \mum, los electrodos sólo tienen una capacidad térmica tan pequeña, debido a su masa ligera, y sólo tienen también una pequeña conductancia térmica, debido a su diámetro relativamente pequeño, que, en consecuencia, el electrodo se vuelve relativamente caliente durante el encendido de la lámpara. Aunque se han formado pequeños espacios capilares durante el encajado en el cristal de cuarzo, debido a los espesores relativamente pequeños de las segundas partes, se descubrió que en las circunstancias dadas, la varilla de electrodo en estos espacios capilares hacía localmente contacto permanente con la pared del recipiente de lámpara, de manera que la reducción de calor se mejoró de una manera tal que compensó adecuadamente la pequeña conductancia térmica del electrodo que resultaba de su diámetro relativamente pequeño, de manera que se evitó un fin prematuro de la vida de la lámpara.

Se descubrió que los electrodos que tienen una segunda parte con un espesor inferior a 120 \mum, por ejemplo 100 \mum, se volvían demasiado calientes y parecían deformarse y/o fundirse durante el funcionamiento de la lámpara. Debido al hecho de que el electrodo se funde, la longitud del arco de descarga entre los electrodos cambia y, por consiguiente, el consumo de potencia durante el funcionamiento nominal de la lámpara también cambia.

Una ventaja importante de la medida según la invención es que proporciona la posibilidad de utilizar material sin torio para las varillas de electrodo sin influir perjudicialmente en la vida de la lámpara. Los espacios capilares que se han formado durante el encajado de la varilla de electrodo en el cristal de cuarzo son relativamente pequeños en las segundas partes que tienen espesores inferiores a 350 \mum. Por tanto, esto tiene la ventaja adicional de que no pueden acumularse grandes cantidades de sales en estos espacios capilares, sales que de otro modo se habrían extraído de la descarga.

La primera y la segunda parte del electrodo pueden estar sujetas entre sí por medio de técnicas convencionales, por ejemplo, soldadura por láser. Es importante realizar un buen contacto cuando la primera y segunda partes se sujeten entre sí por los extremos de las varillas de electrodo. Esto es esencial para una transferencia de calor satisfactoria desde la primera a la segunda parte, y contribuye al hecho de que el electrodo pueda soportar el calor desarrollado por las elevadas corrientes iniciales y la descarga durante la vida de la lámpara.

Es ventajoso que tanto la primera como la segunda parte estén realizadas en tungsteno. Por tanto, las primera y segunda partes pueden realizarse por medio de técnicas de grabado químico, por ejemplo, decapado, a partir de una pieza.

Debido al espesor relativamente pequeño de la segunda parte, es ventajoso para una construcción robusta, es decir, para evitar la deformación del electrodo, que la primera parte, cerca de su conexión con la segunda parte, esté en contacto permanente con la pared del recipiente de lámpara, por ejemplo, parcialmente encerrada en el recipiente, por ejemplo, en una longitud de 0,1-1,0 mm. El contacto permanente con la pared de recipiente de lámpara de las primeras partes, cerca de su conexión con las segundas partes, también es ventajoso para una reducción satisfactoria del calor del electrodo compuesto.

Debido a las elevadas corrientes iniciales al encender la lámpara y al calor desarrollado como resultado de la descarga, no sólo se producen temperaturas relativamente altas en la segunda parte, sino también en las primeras partes de los electrodos. En las primeras partes que tienen un espesor inferior a 250 \mum, existe un riesgo relativamente grande de que la cabeza de los electrodos se funda. Los electrodos que tienen primeras partes con un espesor superior a 250 \mum, tienen una conductancia térmica suficiente, de manera que el riesgo de fusión se reduce muy considerablemente. Además, las primeras partes tienen preferiblemente un espesor inferior a 400 \mum. Por tanto, prácticamente no existe ningún riesgo de que se produzca el efecto desfavorable de parpadeo de lámpara, es decir, el punto de contacto del arco de descarga salta sobre la cabeza del electrodo.

La lámpara de descarga de gas de alta presión según la invención puede utilizarse, por ejemplo, como faro de vehículo o en un sistema óptico de una clase distinta. Para ello, la lámpara puede estar dotada con un casquillo de lámpara y puede o no estar rodeada por una ampolla exterior. Un casquillo de lámpara puede integrarse o no con un reflector.

Las longitudes de las primeras y segundas partes también están determinadas por la longitud total del electrodo completo. En una realización favorable, el electrodo completo tiene una longitud de entre 4,5 y 7,5 mm, preferiblemente 6 mm. La elección de la longitud de las partes separadas es tal que la conexión de la primera parte a la segunda parte se sitúa al menos sustancialmente en la superficie de separación de la pared y el espacio de descarga, en la ubicación en la que el electrodo se proyecta en el espacio de descar-
ga.

Las láminas metálicas pueden encajarse unas al lado de otras en una zona de la pared o en zonas situadas a una distancia unas de otras, por ejemplo, unas opuestas a otras. Las primeras partes de las varillas de electrodo pueden o no tener un arrollamiento envolvente en sus extremos libres, en el espacio de descarga. Las primeras partes de las varillas de electrodo pueden realizarse en tungsteno sin dopar, por ejemplo, tungsteno-ZG, o en tungsteno dopado tal como W con Th al 1,5% en peso. Las segundas partes de las varillas de electrodo pueden realizarse en molibdeno o tungsteno sin dopar, por ejemplo, tungsteno-ZG, o en mezclas de tungsteno-molibdeno, o en molibdeno o tungsteno dopado tal como Mo con Y al 3% en peso. Cuando se utiliza tungsteno dopado, puede añadirse un pequeño contenido de un medio regulador del crecimiento de cristales, tal como el 0,01% en peso en total de K, Al y Si, para influir en el tamaño de grano del tungsteno.

El relleno ionizable puede comprender, entre otras cosas, un gas noble, mercurio, y una mezcla de haluros metálicos, por ejemplo, haluros de tierras raras, que son los haluros de los lantánidos, escandio e itrio.

Estos y otros aspectos de la invención son evidentes por, y se aclararán a título de ejemplo no limitativo con referencia a, las realizaciones descritas en lo sucesivo.

En los dibujos:

La figura 1 muestra una lámpara en alzado lateral;

Las figuras 2A y 2B muestran un detalle de la figura 1 a una escala aumentada;

La figura 3 muestra la lámpara de la figura 1 con un casquillo de lámpara en alzado lateral.

En la figura 1, la lámpara de descarga de gas de alta presión tiene un recipiente 1 de lámpara que está cerrado de una manera estanca al vacío, y una pared 2 de cristal de cuarzo que encierra un espacio 3 de descarga. Unas láminas 4 metálicas, Mo con Y_{2}O_{3} al 0,5% en peso en la figura, conectadas cada una a unos conductores 5 externos de corriente respectivos, de Mo en esta realización, están encajadas en la pared del recipiente de lámpara. Unas varillas 6a de electrodo de tungsteno, cada una conectada a una respectiva de dichas láminas 4 metálicas, se proyectan desde la pared del recipiente de lámpara al espacio de descarga.

Un relleno ionizable está presente en el espacio 3 de descarga.

Conectadas a las láminas 4 metálicas con los conductores 5 externos sujetos a las mismas, las varillas 6a de electrodo están parcialmente encerradas en la pared del recipiente de lámpara, y la pared está fusionada con los conductores en la zona de estos conductores, o la pared se ha aplanado para realizar una junta hermética aplastada.

En la figura, el recipiente de lámpara está rodeado por una ampolla 9 exterior y acoplado a la misma. La lámpara puede estar sujetada por un casquillo de lámpara en un manguito 10 metálico de sujeción.

La lámpara descrita tiene un relleno de mercurio, yoduro de sodio y yoduro de escandio, y xenón, por ejemplo, xenón a una presión de 7 bar a temperatura ambiente, y consume una potencia de 35 W durante el funcionamiento a tensión nominal.

Las figuras 2A y 2B muestran que las varillas 6a de electrodo completas están encerradas en la pared 2 del recipiente 1 de lámpara en una fracción de longitud f_{inw} del aproximadamente 75%, de manera que la lámpara cumpla la relación f_{inw} >= 40%. Las varillas 6a de electrodo, que tienen cada una longitud de aproximadamente 6 mm, tienen cada una, una primera parte 7a y una segunda parte 7b con una longitud de aproximadamente 1,5 mm y aproximadamente 4,5 mm, respectivamente, que son adyacentes y están conectadas entre sí, por ejemplo, por medio de una soldadura a través de extremos 7c de la primera y la segunda parte. Los extremos 7c están situados próximos a la pared 2 del recipiente 1 de lámpara. La primera parte 7a está en contacto permanente con la pared 2 del recipiente 1 de lámpara en la zona 6c de contacto, no obstante, sin riesgo de fugas o rotura de la lámpara. Las varillas 6a de electrodos tienen cada una la segunda parte 7b en la pared 2, al menos próxima a la lámina 4 metálica relevante, segunda parte que está mecánicamente desconectada del cristal de la pared.

En la realización mostrada en la figura 2A, la varilla 6a de electrodo tiene una primera parte 7a realizada en tungsteno con un espesor de 300 \mum, y una segunda parte 7b realizada en tungsteno con un espesor de 150 \mum. En la realización mostrada en la figura 2B, la varilla 6a de electrodo tiene una primera parte 7a realizada en tungsteno con un espesor de 300 \mum, y una segunda parte 7b realizada en molibdeno con un espesor de 300 \mum. La figura muestra que la segunda parte 7b y los capilares 6b alrededor de la misma terminan en la soldadura 4a de la varilla en la lámina metálica. La junta 2a hermética es estanca al vacío en una zona entre el conductor 5 externo de corriente y la varilla 6a de electrodo.

En la figura 3, el recipiente 1 de lámpara está encerrado en una ampolla 9a externa distinta y está acoplado a la misma. El recipiente de lámpara está fijado en un casquillo 8 de lámpara de tipo bayoneta, dotado con un contacto 11 de espiga central y un contacto 12 anular que están conectados a varillas 6a de electrodo respectivas, el contacto anular a través de un conductor 13 de conexión. El recipiente 1 de lámpara dotado con un casquillo 8 de lámpara de este tipo es sumamente apropiado como faro de vehículo.

Claims (5)

1. Lámpara de descarga de gas de alta presión que comprende:

un recipiente (1) de lámpara que está encerrado de manera estanca al vacío y tiene una pared (2) de cristal de cuarzo que encierra un espacio (3) de descar-
ga;

láminas (4) metálicas encajadas en la pared del recipiente de lámpara y conectadas cada una a un conductor (5) externo de corriente;

varillas (6a) de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una respectiva de dichas láminas metálicas, y que se proyectan desde el recipiente de lámpara al espacio de descarga;

un relleno ionizable en el espacio de descarga;

estando definida la lámpara por la siguiente relación,

f_{inw} >= 40%

en la que:

f_{inw} = fracción de longitud de la varilla de electrodo encerrada en la pared del recipiente de lámpara,

caracterizada porque las varillas (6a) de electrodos tienen unas primeras partes (7a) que se proyectan en el espacio (3) de descarga, primeras partes que están realizadas al menos sustancialmente en tungsteno, y unas segundas partes (7b) al menos parcialmente encerradas en la pared (2), segundas partes que están realizadas en elementos elegidos del grupo de tungsteno que tiene un espesor que oscila entre 120 \mum y 180 \mum, molibdeno que tiene un espesor que oscila entre 120 \mum y 350 \mum, y aleaciones de tungsteno-molibdeno que tienen un espesor que oscila entre 120 \mum y 350 \mum, estando en contacto y conectadas entre sí dichas primeras y segundas partes a través de unos extremos (7c) opuestos.

2. Lámpara de descarga de gas de alta presión según la reivindicación 1, caracterizada porque las primeras partes (7a) de las varillas (6a) de electrodo están en contacto permanente con la pared (2) del recipiente (1) de lámpara en una zona (6c) de contacto.

3. Lámpara de descarga de gas de alta presión según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las primeras partes (7a) de las varillas (6a) de electrodo tienen un espesor de 250 \mum a 400 \mum.

4. Lámpara de descarga de gas de alta presión según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizada porque las varillas (6a) de electrodo tienen una longitud de entre 4,5 mm y 7,5 mm.

5. Lámpara de descarga de gas de alta presión según la reivindicación 1, 2, 3 ó 4, caracterizada porque la lámpara está dotada con un casquillo (8) de lámpara.