Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß
Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei insbesondere um Me- tallhalogenidlampen, insbesondere für Allgemeinbeleuchtung, oder auch um Natriumhochdrucklampen.
Stand der Technik
Aus der EP-A 887 840 ist eine gattungsgemäße Lampe be¬ kannt, bei der die Abdichtung der Durchführung im kerami- sehen Entladungsgefäß als Direkteinsinterung mittels ei¬ nes Stopfens aus verschweißbarem Material erfolgt. Dabei wird ein mehrteiliger Stopfen verwendet, der aus einzelnen Lagen eines Cermets besteht, in dem verschiedene An¬ teile Metall-Keramik vorliegen. Ein derartiger Stopfen muss jedoch extra vorher hergestellt werden und ist teu¬ er. Außerdem ist er relativ lang, da mindestens vier Schichten notwendig sind.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallha- logenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die eine lange Lebensdauer besitzt und dabei auf Glaslot verzich¬ tet. Insbesondere soll der Abdichtungsbereich vakuumdicht und hochtemperaturbeständig und nicht korrosionsanfällig sein.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltun¬ gen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß besteht der Stopfen an mindestens einem Ende des Entladungsgefäßes einteilig aus einer Molybdän- Vanadium-Legierung (MoV) , wobei der Vanadium-Gehalt unter 50 Gew.-% liegt. Wesentlich für die Erfindung ist dabei, daß der Stopfens eine Verschweißbarkeit mit der Durchfüh¬ rung auf einfache Art und Weise ermöglicht. Zu diesem Zweck ist eine elektrische Leitfähigkeit dieser Schicht von mindestens 5 mΩ erforderlich. Der Vorteil dieses einteiligen Stopfens ist, dass er sehr kurz gehalten werden kann, wodurch die Lampe besser miniaturisiert werden kann .
Bevorzugt ist ein Anteil des Vanadiums im Bereich von 20 bis 40 Gew.-%, da dann die relativen Ausdehnungsunterschiede genügend klein gehalten werden können.
Das keramische Entladungsgefäß hat rohrförmige Endberei¬ che, in denen der Stopfen eingepasst ist. Der Stopfen sitzt im Endbereich durch Direkteinsinterung.
Die Durchführung ist mit diesem Stopfen vakuumdicht durch Schweißen, insbesondere durch Laserschweißen, verbunden. Der Vorteil einer Abdichtung des Entladungsgefäßes durch Schweißen liegt in der hohen Korrosionsbeständigkeit, ho- hen Temperaturbelastbarkeit und hohen Festigkeit einer solchen Schweißung.
Als Durchführung kann ein Stift oder Rohr, das elektrisch leitend ist, verwendet werden. Das Material der Durchfüh¬ rung sollte, zumindest was den thermischen Ausdehnungsko- effizienten betrifft, möglichst gut an den Stopfen, ins¬ besondere an dessen Zusammensetzung, angepasst sein. Im Idealfall stimmt sie mit ihr überein, doch sind Abwei¬ chungen möglich.
Der Stopfen ist mit dem Ende des Entladungsgefäßes glas- lotfrei verbunden. Im allgemeinen geschieht dies durch Direkteinsinterung. Ebenso ist auch die Durchführung mittels Direkteinsinterung mit dem Stopfen verbunden. Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß bei geeigneter Wahl des relativen Anteils von Vanadium am Stopfen keine nennenswerten thermischen Ausdehnungsunterschiede auftreten. Die Abdichtung ist beson¬ ders dauerhaft, weil durch Verschweißen eine feste und dauerhafte Verbindung erzielt wird, die in dieser Hin¬ sicht der Technik des Einsinterns oder Einschmelzens ü- berlegen ist. Außerdem führen kleine Dehnungsunterschiede bei Durchführung aus reinen Metallen wie Molybdän und Wolfram und bei hoch mit Metall angereicherten Cermets nicht so schnell zu Rissen, da Spannungen durch die Elas¬ tizität des Metalls leichter abgebaut werden.
Die Durchführung kann ein Stift aus hochtemperaturbeständigem Metall, insbesondere Wolfram bzw. Molybdän, oder aus einem Cermet sein, das aus einer Mischung von Alumi- niumoxid und Wolfram bzw. Molybdän besteht.
In einer zweiten Ausführungsform ist die Durchführung ein Rohr aus hochtemperaturbeständigem Metall. Diese Form ist bei hochwattigen Lampen (typisch 250 bis 400 W) besonders vorteilhaft. Die Verwendung eines Rohrs als Durchführung hat den Vorteil, daß auch größere Bohrungen im Stopfen, die zum Durchführen großer Elektroden für hochwattige Lampen notwendig sind, ohne allzu große Wärmeverluste für die Elektrode abgedichtet werden können. Wenn man ein E- lektrodensystem, bestehend aus rohrförmiger Durchführung und Elektrode, verwendet und dieses provisorisch mit ein¬ sintert wenn der Stopfen im Ende des Entladungsgefäßes eingesintert wird, kann diese Öffnung unabhängig von der Elektrodengröße gewählt werden. In diesem Fall wird die
Öffnung nachträglich mit einem Füllstift verschlossen, wobei Füllstift, Rohr und Cermet in einem Schritt ver¬ schweißt werden können. Auf eine separate Füllbohrung im Stopfen, wie bisher oft notwendig, kann daher ganz ver- ziehtet werden.
Im einzelnen handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß (aus Aluminiumoxid) , das üblicherweise von einem Außenkolben umgeben ist. Das Entladungsgefäß besitzt zwei Enden, die mit Mitteln zum Abdichten verschlossen sind. Üblicherweise sind dies ein- oder mehr¬ teilige Stopfen. Zumindest bei einem Ende des Entladungs¬ gefäßes ist die beschriebene Konstruktion verwirklicht. Durch eine zentrale Bohrung des Stopfens ist eine elekt- risch leitende Durchführung vakuumdicht hindurchgeführt, an der eine Elektrode mit einem Schaft befestigt ist, die in das Innere des Entladungsgefäßes hineinragt. Die Durchführung ist ein Bauteil aus einem Metall oder einem Cermet, dessen Metallgehalt so hoch ist, daß es wie ein Metall verschweißbar ist, wobei die Durchführung mittels einer Schweißverbindung, also ohne Glaslot, im Stopfen befestigt ist. Außerdem ist auch der Stopfen selbst ohne Glaslot im Entladungsgefäß befestigt. Dies geschieht üb¬ licherweise durch Direkteinsinterung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Durchführung ein Stift aus elektrisch leitendem Cermet, wobei der Schaft der Elektrode an der Stirnfläche des Stifts stumpf verschweißt ist. Der Stift selbst ist mit dem Stopfen verschweißt. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß der thermische Ausdehnungsunterschied zwischen Stift und Stopfen relativ gering ist. Außerdem ist Cermet nicht so gut wärmeleitend wie Metall.
Vorteilhaft ist die Durchführung in den Stopfen vertieft eingesetzt, so daß der Kontakt mit der Füllung minimiert und die Temperaturbelastung reduziert wird.
In einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform, die sich insbesondere für kleinwattige Lampen eignet, ist die Durchführung ein elektrisch leitender Stift aus Metall. Der Stift kann selbst als Elektrodenschaft dienen oder mit diesem verbunden sein. Er kann auch über den Stopfen außen hinausragen um die Verbindung zur äußeren Stromzuführung zu erleichtern. Dieser Durchführungsstift besteht bevorzugt aus Wolfram oder Molybdän. Sie können mit Rhenium beschichtet sein.
Die Erfindung führt letztlich zu kapillarfreien keramischen Metallhalogenidlampen . Die Funktion der Kapillaren besteht darin, den Punkt der Abdichtung, gewöhnlich mittels Glaslot, in einen unkritischen Temperaturbereich zu führen. Unkritischer Temperaturbereich bedeutet hier, dass die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der Materialien in der Einschmelzzone nicht zu einer Rissbildung in der Keramik führen. Außerdem muss die Temperatur des Glaslots in der Einschmelzzone so niedrig gehalten werden, dass keine Reaktionen mit der Füllung auftreten wird bzw. das Glaslot wieder viskos wird.
Durch die Kapillare wird ein Elektrodensystem bis in das Entladungsgefäß geführt. Teile des Elektrodensystems, bisher sind dies Mo- und Nb-Bauteile, dienen der Strom¬ durchleitung. Der Innendurchmesser der Kapillare und der Außendurchmesser des Elektrodensystems müssen so gewählt werden, dass keine Überschneidung der Durchmesser möglich ist, d.h. die Baugruppen maschinentauglich sind. Folglich bildet sich immer ein Freiraum in der Kapillare aus, das sogenannte Totvolumen. Da die Kapillare, wegen der abneh¬ menden Temperatur über die Kapillare, wie eine Kühlfalle
wirkt, setzt sich ein Teil der Füllung in diesem Totvolumen (teils irreversibel) ab. Dies führt zu Farbtempera¬ turstreuungen zu jeder Zeit der Brenndauer. Abstellmaßnahmen, wie z.B. eine Füllmengenerhöhung, sind nur im be- grenzten Umfang möglich, ohne wiederum anderen Frühausfallmechanismen auszulösen.
Ein weiterer Nachteil der bisherigen Verschlusstechnik mittels Glaslot ist die Einschmelzprozessdauer, die einige Sekunden in Anspruch nimmt. Verbunden mit dem kosten- intensiven maschinellen Aufwand unterliegt auch die Einschmelzlänge einer verfahrensbedingten Streuung. Insbesondere Einschmelzlängen am oberen Rand der zulässigen Längenstreuung sind bei verschiedenen Anwendungen kritisch. Untersuchungen zeigen, das längere Einschmelzungen eher zu einer Rissbildung führen. Ein Verschluss nach vorliegender Erfindung, der bevorzugt mittels einer La- serschweißung ausgeführt wird, dauert nur wenige Millise¬ kunden. Ein Aufheizung des gesamten Entladungsgefäßes, wie es bisher geschieht, wird durch die kurze Laserim- pulszeit vermieden.
Weiter kann durch die Erfindung die Lampenlänge reduziert werden, d.h. Kompaktlampen sind eher zu realisieren. Die Erfindung erspart der Elektrodensystem- und Lampenfertigung teuere Materialien, wie z.B. Nb(Zr) und reduziert die Fertigungstiefe in der Elektrodensystem- und Brennerfertigung. Ein Synergieeffekt hinsichtlich der Konstruktion und Verschlusszeit ergibt sich im Hinblick auf Ent¬ ladungsgefäße für Natriumhochdrucklampen.
Figuren Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß, teilweise im Schnitt;
Figur 2 bis 4 ein Detail des Endbereichs des keramischem
Entladungsgefäßes in verschiedenen Ausführungs- beispielen;
Figur 5 eine Natriumhochdrucklampe mit keramischem
Entladungsgefäß, teilweise im Schnitt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 150 W dargestellt. Sie besteht aus ei¬ nem eine Lampenachse definierenden zylindrischen Außenkolben 1 aus Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt (3) ist. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus Al2O3-Keramik ist in der Mitte ausgebaucht und be- sitzt zwei zylindrische Enden 6. Es ist mittels zweier Stromzuführungen 7, die mit den Sockelteilen 3 über Folien 8 verbunden sind, im Außenkolben 1 gehaltert. Die Stromzuführungen 7 sind mit Durchführungen 9 verschweißt, die jeweils in einem Stopfen 11 am Ende 6 des Entladungs- gefäßes eingepasst sind.
Die Durchführungen 9 sind Stifte aus Cermet oder Molybdän mit einem Durchmesser von ca. 1 mm. Das Cermet ist leit¬ fähig und schweißbar und besteht aus etwa 50 Vol.-% Wolf¬ ram (oder auch Molybdän) , Rest Aluminiumoxid. Beide Durchführungen 9 stehen außen am Stopfen 11 über und haltern entladungsseitig Elektroden 14, bestehend aus einem Elektrodenschaft 15 aus Wolfram und einer am entla- dungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 16. Die Durchführung 9 ist jeweils mit dem Elektrodenschaft 15 sowie mit der äußeren Stromzuführung 7 stumpf verschweißt.
Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem i- nerten Zündgas, z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden . Möglich ist beispielsweise auch die Verwendung einer Metallhalogenid-Füllung ohne Quecksil- ber, wobei für das Zündgas Xenon ein hoher Druck gewählt wird.
Die Endstopfen 11 bestehen aus einer Mo-V-Legierung, wobei der Anteil des Vanadiums zwischen 10 und 50 Gew.-% beträgt. Bevorzugt liegt der Anteil des Vanadiums bei 20 bis 40 Gew.-%. Damit eignen sie sich besonders gut für die Verschweißung mit den Durchführungen, insbesondere mit reinen Mo-Stiften.
In Fig. 2 ist ein Endbereich des Entladungsgefäßes im De¬ tail gezeigt. Der Stopfen 11 besteht einheitlich aus MoV und ist im zylindrischen Ende 6 des Entladungsgefäßes teilweise eingesetzt. Der Stopfen ist direkt, also ohne Glaslot, in das Ende 6 eingesintert. Bei der Direktein¬ sinterung ist das Entladungsgefäß zunächst noch im grünen Zustand, wenn der Stopfen in das Ende eingesetzt wird und schrumpft während des Endsinterns auf den Stopfen auf. Typische Temperaturen des Sinterns liegen bei 1500 bis 2000 0C. Diese Technik ist an sich bekannt, siehe EP-A 887 839. die Schrumpfung liegt in der Größenordnung mehrerer bis zu 20 Prozent. Der Stopfen kann dabei ein Cermet aus Mo, V und AI2O3 sein, das elektrisch leitend ist und schweißbar ist. Der Stopfen kann aber auch aus einer MoV-Legierung bestehen, die ohnehin schweißbar ist. In jedem Fall ist der Stopfen 11 an seiner Außenfläche mit der Durchführung 9 durch La- serschweißen verbunden. Die Schweißpunkte sind mit 12 be¬ zeichnet. Im konkreten Fall der Figur 2 besteht der Stop¬ fen 11 aus etwa 25 Gew.-% Vanadium, Rest Molybdän.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist die Durchführung an den Enden 6 des Entladungsgefäßes durch ein Molybdänrohr 30 realisiert, das in einem Stopfen aus MoV 31 am äußeren Ende eingeschweißt (19) ist. Das Molyb- dänrohr 30 hält die Elektrode 32 mittels einer Crimpung 33.
Das Durchführungsrohr 35 aus Molybdän kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel einer hochwattigen Lampe mit 250 W Leistung (Figur 4) auch durchgehend zylindrisch ge- formt sein. An seinem entladungsseitigen Ende ist außen die Elektrode 32 mit breitem Kopf 39 (zweilagige Wendel) exzentrisch befestigt. Zur provisorischen Fixierung im Stopfen 37 aus MoV wird der Stopfen 37 mit dem Molybdänrohr 35 zunächst durch Sintern verbunden.
Das Rohr 35 wird nach dem Evakuieren und Füllen mit einem Metallstift 36 verschlossen, der mit dem Rohr 35 verschweißt wird. Das Rohr 35 wird dabei gleichzeitig mit dem Stopfen 37 verschweißt. Das heißt, daß die endgülti¬ ge, dauerhafte Abdichtung der Bohrung des Stopfens durch Schweißen 19 erfolgt, da diese Technik einer Direkteinsinterung überlegen ist.
Die Rohrtechnik ist auch für große Wattagen sehr gut geeignet, bei denen die Elektrode eine großen Durchmesser und große Querabmessungen besitzt. Der Rohrdurchmesser ist deswegen relativ unkritisch, weil die Differenz im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen Durchführung und äußerster Schicht am Stopfenende sehr klein gehalten werden kann. Dabei wird für Rohr und äußerste Schicht des Stopfens ein ähnliches Material, insbesondere das gleiche Material, gewählt.
Das Zuschweißen des Ringspalts zwischen Rohr und Stopfen bzw. Rohr und Füllstift ist auch bei großen Durchmessern dieser Teile problemlos möglich.
Bei großen Wattagen sind Rohre als Durchführung bevorzugt, weil Stifte, die an den benötigten großen Durchmes¬ ser der Elektrode angepasst sind, zuviel Wärme entziehen würden. Dies würde zu erheblichen AnlaufSchwierigkeiten beim Zünden der Lampe führen. Damit ist die hier vorgestellte Rohrtechnik zum ersten Mal in der Lage, Metallha- logenidlampen mit keramischem Entladungsgefäß auch bei großen Wattagen (mehr als 150 W) zuverlässig abzudichten. Bekanntlich nimmt die Größe der Elektrode (insbesondere ihr Außendurchmesser) mit der Leistung zu, aber erfindungsgemäß muss jetzt der Durchmesser der Durchführung nicht mehr entsprechend vergrößert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Durchführung aus reinem Molybdän (Stift oder Rohr) . Die obigen Werte sind so gewählt, daß die Differenz im ther¬ mischen Ausdehnungskoeffizienten gering ist und etwa gleichen Abstand zueinander haben. Die Belastung ist daher gleichmäßig verteilt. Dabei ist eine Temperatur von 1000 0C als Maßstab genommen.
In Figur 5 ist eine Natriumhochdrucklampe 20 gezeigt. Hier ist das Entladungsgefäß 21 aus Al2O3 gefertigt und hat die Gestalt eines Rohrs mit konstantem Durchmesser, in dessen Ende jeweils ein Stopfen 22 aus MoV eingesintert ist. Dabei kann die gleiche Zusammensetzung der Ma- terialien wie bei Metallhalogenidlampen verwendet werden, was das Entladungsgefäß und den Stopfen betrifft. Die Füllung enthält Natrium und Quecksilber sowie Edelgas, wie an sich bekannt.
Der Außendurchmesser der Durchführung 23, beispielsweise aus Niob, ist dem Durchmesser der Bohrung 24 im Stopfen möglichst gut angepasst und entspricht ihm insbesondere auf mindestens 95 % genau.
Die Durchführung kann vorteilhaft auch ein Stift aus Wolfram oder Molybdän oder Rhenium sein, insbesondere
auch mit Rhenium beschichtet sein. Damit ergibt sich eine besonders zuverlässige Verschweißung mit dem Stopfen aus MoV.
Bei der Direkteinsinterung des Stopfens im Ende des Ent- ladungsgefäßes kann zusätzlich ein Glaslot die Abdichtung verbessern, das in bekannter Weise außen au die Kontaktzone zwischen Stopfen und Entladungsgefäß aufgetragen ist .