DE4127555A1 - Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentla­ dungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es handelt sich hierbei beispielsweise um Natrium­ hochdrucklampen, insbesondere jedoch um Metallhalo­ genid-Lampen mit verbesserter Farbwiedergabe. Die Benutzung eines keramischen Entladungsgefäßes gestattet die Verwendung der dafür benötigten höheren Temperaturen. Typische Leistungsstufen sind 100-250 W. Die Enden des rohrförmigen Entladungs­ gefäßes sind mit zylindrischen keramischen Endstop­ fen verschlossen, die mittig eine metallische Stromdurchführung aufweisen.

Üblicherweise werden Durchführungen aus Niob ver­ wendet (DE-PS 14 71 379). Für lange Lebensdauern und gute Farbwiedergabe sind diese jedoch nur bedingt geeignet, da insbesondere bei Lampen mit Metallhalogenid-Füllung das Niob-Rohr und die zur Abdichtung verwendete Schmelzkeramik stark korro­ dieren. Eine Verbesserung wird in der EP-PS 1 36 505 beschrieben. Das Niobrohr wird aufgrund des Schrumpfungsprozesses der "grünen" Keramik beim Endsintern ohne Schmelzkeramik dicht eingeschmol­ zen. Dies ist gut möglich, weil beide Materialien in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten (8×10^-6 K^-1) besitzen.

Andererseits sind auch Durchführungen aus anderen Metallen erprobt worden.

Aus der GB-PS 11 92 134 ist eine Durchführung mit einer Oberfläche aus Platin, Eisen, Nickel oder Kobalt bekannt, die einen Kern aus einer der Kera­ mik angepaßten Legierung besitzt. Die Durchführung kann konisch geformt sein und mit dem Stopfen unter Verwendung einer keramischen Innenstütze, beide ebenfalls konisch geformt, durch axiales Pressen unter einem bestimmten Druck und in einer bestimm­ ten Gas-Atmosphäre verbunden sein.

Aus den DE-PS 25 48 732 und 26 41 880 sind Entla­ dungslampen bekannt, bei denen die rohrförmige Stromdurchführung aus Wolfram, Molybdän oder Rheni­ um besteht, wobei das Rohr durch einen keramischen Zylinder mit geraden, axial ausgerichteten Wänden in seinem Inneren gestützt wird. Er ist massiv oder hohl ausgeführt, wobei im letzteren Fall die Boh­ rung als Pumpstutzen dient und nachträglich ver­ schlossen wird. Die Abdichtung zwischen der Durch­ führung und den innen und außen anliegenden kerami­ schen Teilen, die beide bereits vorher bei einer Temperatur von 1850°C fertiggesintert wurden, erfolgt allerdings weiterhin mittels einer Schmelz­ keramik, so daß die Korrosionsanfälligkeit dieser Lampen zwar verbessert ist, aber insbesondere beim Einsatz von Metallhalogenid-Füllungen den gewünsch­ ten Anforderungen noch nicht entspricht. Trotz großer Anstrengungen ist es bisher nicht gelungen, eine korrosionsbeständige Schmelzkeramik zu ent­ wickeln.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine temperaturwech­ sel- und korrosionsbeständige Durchführung zu schaffen, die insbesondere auch für halogenidhalti­ ge Füllungen verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Lampe der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkma­ le des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der vorliegen­ den Erfindung erläutert werden. Sie basiert auf der Technik, dünnwandige Molybdänrohre (Wandstärke 0,05-0,25 mm) in keramische Stopfen direkt einzu­ sintern. Dabei bildet sich bei Lampen mit besonders guter Farbwiedergabe nach etwa 500 Temperaturzyklen (d. h. Ein- und Ausschalten der Lampe, wobei eine Temperaturwechselbelastung auftritt) ein schmaler Spalt zwischen Stromdurchführung und Stopfen. Seine Breite beträgt etwa 15 µm. Dies beruht auf dem großen Unterschied (25%) zwischen den thermi­ schen Ausdehnungskoeffizienten von Molybdän (6×10^-6 K^-1) und Keramik (8×10^-6 K^-1), der durch die Wechselbelastung zum Tragen kommt.

Die Erfindung benutzt zum einen den Schrumpfungs­ prozeß einer grünen Keramik auch für die Abdichtung zwischen Stopfen und nicht angepaßter Durchführung und vermeidet dadurch die Benutzung der korrosions­ anfälligen Schmelzkeramik. Zum anderen wird eine Innenstütze in Form einer bereits fertig gesinter­ ten Keramik verwendet, die keinem Schrumpfungspro­ zeß mehr ausgesetzt ist. Innenstütze und Stopfen sollen aus dem gleichen keramischen Material beste­ hen. Durch das Zusammenwirken dieser beiden Maßnah­ men wird die Lebensdauer dieser Lampen erheblich (bis zu einem Faktor vier) verlängert.

Die Abdichtung wird erzielt, indem der Endstopfen zunächst als Grünkörper belassen wird, in den die rohrförmige Stromdurchführung einschließlich der Innenstütze eingebracht wird. Bei der nun stattfin­ denden Endsinterung des Stopfens wird der notwendi­ ge sichere Verbund durch die Schrumpfung des End­ stopfens (ca. 2-20%) erreicht. Der aufschwindende Grünkörper des Endstopfens drückt auf das Rohr und preßt dieses gegen den inneren Stützkörper. Die dafür notwendigen Temperaturen (ca. 1850°C) werden am Endstopfen während des Betriebs der Lampe bei weitem nicht mehr erzielt (ca. 1100°C).

Diese Art der Verbindung ist von besonderem Vorteil bei halogenidhaltigen Füllungen, da auf korrosions­ anfällige Komponenten gänzlich verzichtet wird.

Für den Fall, daß die rohrförmige Stromdurchführung entladungsseitig gasdicht verschlossen ist, kann u. U. für den Verbund zwischen Innenstütze und Rohr trotzdem die bereits bekannte Schmelzkeramik-Tech­ nik beibehalten werden, weil in diesem Fall kein Halogenid zur Schmelzkeramik gelangt. Zu beachten ist, daß nur Schmelzkeramiken mit einem Schmelz­ punkt oberhalb der Sintertemperatur geeignet sind. Es hat sich dabei gezeigt, daß auch metallische Lote verwendbar sind. Letztere besitzen eine höhere elastische Dehnung und sind daher eher in der Lage, Körper mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizien­ ten miteinander zu verbinden.

Bei einer entladungsseitig offenen, d. h. nicht gasdicht verschlossenen Stromdurchführung wird auch bei der Innenstütze auf die Schmelzkeramik verzich­ tet. Die Idee dabei ist, die Dichtung auf der Innenseite der Stromdurchführung durch den Druck des Stopfens auf der Außenseite herzustellen.

In beiden Fällen ist eine relativ genaue Passung der Innenstütze notwendig (ca. 15-50 µm): Bei der Verwendung von Schmelzkeramik, um diese durch einen Kapillareffekt einzubringen; bei der Direkt­ einsinterung, um auch bei nur geringer Schrumpfung (ca. 2%) eine sichere Dichtung zu erzielen.

Am einfachsten hat die Innenstütze die Form eines Vollzylinders oder eines zylindrischen Rohrs (Hohl­ zylinder). Im letzteren Fall dient die zentrale Bohrung für Pump- und Füllzwecke. Sie kann später wieder mit einer Schmelzkeramik o. ä. verschlossen werden.

Insbesondere dann, wenn auch die Innenstütze ohne Schmelzkeramik bzw. Metallot im Rohr befestigt wird, hat sich eine Ausführungsform besonders gut bewährt, bei der die Höhe der Innenstütze kleiner als die Höhe des Stopfens ist. Ein typischer Wert ist eine Verringerung um 30%. Beim Fertigsintern des mit dem Rohr bestückten Endstopfens werden die über die Innenstütze überstehenden Teile der Durch­ führung noch weiter zusammengedrückt, da hier der Widerstand der Innenstütze fehlt, so daß zumindest an einem Ende der Innenstütze eine besonders siche­ re Abdichtung entsteht und überdies die Innenstütze sicher gehaltert wird. Die mittige Anordnung der Innenstütze in bezug auf die Stopfenhöhe ist beson­ ders geeignet, weil dann der Sicherungseffekt an beiden Enden der Innenstütze auftritt.

Besondere Vorteile zeigt eine Ausführungsform, bei der zumindest ein Teil der Innenstütze konisch zuläuft. Diese Form erleichtert die Anpassung der Verbundteile (Stopfen-Rohr-Innenstütze) ganz erheb­ lich, da Durchmesserunterschiede durch axiale Verschiebung von selbst ausgeglichen werden. Die anfängliche Passung muß nur noch auf etwa 200 µm genau sein. Außerdem ist damit die Halterung der Innenstütze im Rohr vor deren Verbindung automa­ tisch sichergestellt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für die Verbindungstechnik ohne Schmelzkeramik.

Die Herstellung dieser besonders gut geeigneten Ausführungsform ist auf zwei Arten möglich. Zum einen kann das Rohr selbst bereits einen konischen Abschnitt aufweisen, wobei der Neigungswinkel bei Innenstütze und Rohr gleich ist (typisch sind 10°). Zum anderen ist es auch möglich, daß ursprünglich allein die Innenstütze vollständig oder abschnitts­ weise leicht konisch (5-10°) geformt ist. In diesem Fall wird das ursprünglich kreiszylindrische Rohr erst in eine konische Form gepreßt. Dies geschieht vorteilhaft durch Reibschweißen, indem das Rohr unter ständigem Drehen auf die Innenstütze aufge­ zogen wird. Zur Erleichterung dieser Technik oder zur Erzielung größerer Winkel kann das Rohr auch bereits leicht konisch (typisch 5°) vorgeformt sein und beim Reibschweißen zusätzlich (auf typisch 10°) aufgeweitet werden. Anschließend wird diese Bauein­ heit in den konisch vorgeformten Grünkörper des Endstopfens eingesetzt und der Endstopfen fertig gesintert.

Beim Reibschweißen muß darauf geachtet werden, daß durch die Reibung das Rohr auf eine Temperatur gebracht wird, die oberhalb des Übergangs von der spröden in die duktile Phase liegt, so daß das Rohr elastisch verformt werden kann. Die Temperatur des Übergangs liegt bei Molybdän besonders tief (200°C), weshalb Molybdän im Vergleich zu Wolfram und Rhenium für diese Technik, die eine besonders sichere Abdichtung zwischen Innenstütze und Strom­ durchführung schafft, bevorzugt wird. Bei den ande­ ren Ausführungsbeispielen sind Wolfram und eine Legierung aus Wolfram und Rhenium ähnlich gut wie Molybdän geeignet. Ihr Ausdehnungskoeffizient (4×10^-6 K^-1) ist noch kleiner als der von Molyb­ dän. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorliegende Erfindung für eine Durchführung anwend­ bar ist, deren Ausdehnungskoeffizient mindestens 20% kleiner als der der keramischen Formstücke ist.

Mit der Erfindung steht eine Hochdruckentladungs­ lampe mit langer Lebensdauer zur Verfügung, deren Dichtheit auch durch Verwendung von halogenidhalti­ gen Füllungen nicht beeinträchtigt wird. Das Entla­ dungsgefäß ist üblicherweise rohrförmig, entweder zylindrisch oder in der Mitte ausgebaucht. Es ist häufig in einem ein- oder zweiseitigen Außenkolben angeordnet.

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Metallhalogenidentladungslampe, teil­ weise geschnitten,

Fig. 2-9 mehrere Ausführungsbeispiele des Einschmelzbereichs des Entladungsgefäßes im Schnitt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Metallhalogenident­ ladungslampe mit einer Leistung von 150 W darge­ stellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden zylindrischen Außenkolben 1 aus Hartglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesoc­ kelt (3) ist. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 8 aus Al₂O₃-Keramik ist in der Mitte 4 ausgebaucht und besitzt zylindrische Enden 9. Es ist mittels zweier Stromzuführungen 6, die mit den Sockelteilen 3 über Folien 5 verbunden sind, im Außenkolben 1 gehaltert. Die Stromzuführungen 6 sind mit rohrför­ migen Durchführungen 10, die jeweils in einem Stopfen 11 am Ende des Entladungsgefäßes eingepaßt sind, verschweißt.

Die beiden Durchführungen 10 aus Molybdän (oder auch Wolfram, evtl. mit Rhenium legiert) haltern entladungsseitig jeweils Elektroden 12, bestehend aus einem Elektrodenschaft 13 und einer am entla­ dungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 14. Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem inerten Zündgas, z. B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden.

In Fig. 2 ist der Einschmelzbereich an einem Ende des Entladungsgefäßes 8 im Detail gezeigt. Das Entladungsgefäß 8 hat an seinen beiden Enden 9 eine Wandungsdicke von 1,2 mm. Ein zylindrischer Stopfen 11 aus Al₂O₃-Keramik ist in das Ende 9 des Entla­ dungsgefäßes eingesetzt. Sein Außendurchmesser beträgt 3,3 mm bei einer Höhe von 5 mm. In eine axiale Öffnung des Stopfens ist als Durchführung ein Molybdän-Rohr 10 mit einer Länge von 12 mm, einer Wandstärke von 0,1 mm und einem konstanten Durchmesser von 1,4 mm eingepaßt, das am entla­ dungsseitigen Ende 15 abgeschlossen ist. Der Schaft 13 ist auf das Ende 15 aufgeschweißt.

Das Rohr 10 ragt beidseitig über den Stopfen 11 hinaus. Im Innern des verschlossenen Rohrs 10 ist eine keramische Innenstütze 16 aus Al₂O₃ in Höhe des Stopfens angeordnet. Es handelt sich um einen Vollzylinder, dessen Außendurchmesser dem Innen­ durchmesser des Rohres 10 eng (auf ca. 15 µm) angepaßt ist, und der mit dem Rohr durch eine dazwischen befindliche Metallotschicht 17 verbunden ist. Im Gegensatz dazu befindet sich zwischen Rohr 10 und Stopfen 11 kein zusätzliches Verbundmittel. Der Stopfen 11 ist direkt auf das Rohr 10 aufgesin­ tert.

In einem anderen schematisch gezeigten Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 3 ist der Stopfen 11 gleich­ falls auf das Rohr 18 aufgesintert, das entladungs­ seitig dadurch gasdicht verschlossen ist, daß der Elektrodenschaft 13 in das offene Ende des Rohres 18 eingeschweißt ist. Die Innenstütze 19, die etwa die Höhe des Stopfens besitzt, wird in das Rohr 18 eng eingepaßt - die Toleranz beträgt etwa 50 µm - und bildet dadurch beim Schrumpfungsprozeß des Stopfens 11 einen Widerpart, der einen festen gasdichten Kontakt zwischen Rohr 18 und Innenstütze 19 sicherstellt.

Um das Anbringen der Innenstütze in der Durchfüh­ rung zu erleichtern, kann ein Anschlag für die Innenstütze verwendet werden. Es kann sich dabei im einfachsten Fall um ein ringförmiges Federteil aus hochschmelzendem Material handeln, das in das zylindrische Rohr eingespreizt wird. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist insbesondere eine als Abstandshalter dienende Verlängerung 25 der Innen­ stütze geeignet, die auf dem Schaft 13 der Elektro­ de aufliegt.

In einer abgewandelten Version dieser Ausführung (Fig. 4) wird die Dichtigkeit noch dadurch verbes­ sert, daß die hier als Hohlzylinder ausgebildete Innenstütze 20 eine im Vergleich zum Stopfen 11 reduzierte Höhe von 3,5 mm aufweist und im Rohr 18 mittig in bezug auf die Höhe des Stopfens angeord­ net ist. Dadurch bilden sich während des Schrump­ fungsprozesses des Stopfens am Rohr 18 Einbuchtun­ gen 21 aus, die von den Endkanten 22 der Innenstüt­ ze bis zur Höhe der Stirnflächen 23 des Stopfens reichen. Die Ursache ist, daß der Widerstand der Innenstütze beim Schrumpfen der Stopfenkeramik in diesen Abschnitten fehlt. Die Einbuchtungen 21 sind nur gestrichelt angedeutet, da sie in Wirklichkeit mit bloßem Auge kaum erkennbar sind. Der Sitz des Stopfens und die Dichtigkeit der Durchführung 18 sowohl auf ihrer Außen- als auch Innenseite wird dadurch zusätzlich verbessert.

Der Hohlzylinder 20 kann in dieser Version als Pumpstutzen benutzt werden, wenn das Rohr 18 mit einer Öffnung 18′ ausgestattet ist. Nach erfolgter Evakuierung und Füllung wird der Hohlzylinder 20 durch eine geeignete Schmelzkeramik 24 in an sich bekannter Weise verschlossen.

Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere bei einer im Vergleich zum Stopfen verkürzten Innen­ stütze anwendbar ist, ist in Fig. 5 und 6 darge­ stellt. Der Anschlag wird von einem konischen Mittenabschnitt 26 bzw. 27 des Rohrs 28 bzw. 29 gebildet, an dem ein entsprechender konischer Endabschnitt 30 bzw. 31 der Innenstütze 32 bzw. 33 anliegt. Es spielt dabei keine Rolle, ob der koni­ sche Abschnitt auf der der Entladung zugewandten (Fig. 5) oder abgewandten (Fig. 6) Seite der Durch­ führung angeordnet ist. In beiden Fällen ist auch der Stopfen 11 mit entsprechenden Schrägen 34, 35 versehen. Bei diesen teilkonischen Varianten kann die Innenstütze 33 gegenüber dem Stopfen zur entla­ dungsfernen Seite versetzt sein oder sogar an der Stirnfläche des Stopfens überstehen. Die Befesti­ gung der Innenstütze kann nach beiden bisher ge­ zeigten Techniken (Fig. 2 bzw. 3) erfolgen.

Ausführungsformen mit besonderen Vorzügen sind in den Fig. 7 bis 9 dargestellt. In den koni­ schen Mittenabschnitten 27 des Rohres 29 ist, zur entladungsfernen Seite versetzt, eine vollständig konische Innenstütze eingesetzt.

Die Innenstütze kann wieder massiv (Fig. 7) als Kegelstumpf 36 oder rohrartig mit konischen Innen­ wänden (36′ in Fig. 8) oder auch geraden Innenwän­ den (36′′ in Fig. 9) ausgeführt sein. Mit dieser Anordnung lassen sich die Vorteile eines Anschlags mit der verringerten Anforderung an die einzuhal­ tenden Toleranzen in idealer Weise verbinden.

Extrem hohen Anforderungen an die Dichtigkeit und damit hoher Lebensdauer genügt die Ausführungsform der Fig. 9. Sie entspricht im wesentlichen den Beispielen der Fig. 7 und 8, jedoch ist hier eine besonders sichere Verbindung zwischen Molybdän­ rohr 29 und konischer Innenstütze 36′′ durch Reib­ schweißen erfolgt. Bei diesem Vorgang wird eine wenige Atomlagen dicke Verbindungsschicht 37 (in Fig. 9 zur Verdeutlichung übertrieben stark einge­ zeichnet) zwischen Molybdänrohr und Innenstütze gebildet. Der Neigungswinkel des Konus ist hier kleiner als 10°, um die mechanische Verformung des ursprünglich geraden Molybdänrohrs 29 möglichst gering zu halten. Die Schrägen 35 des Stopfens weisen dieselbe Neigung auf. Der Endabschnitt 38 des Rohrs mit vergrößertem Durchmesser setzt, entsprechend der Herstellungsweise, unmittelbar am Basisende 39 der Innenstütze an.

Die Technik des Reibschweißens kann auch auf die teilkonischen Ausführungsformen angewendet werden.

Claims (11)

1. Hochdruckentladungslampe mit einem keramischen Entladungsgefäß (8), das eine ionisierbare Füllung enthält und das zwei Enden besitzt, die jeweils durch ein keramisches Formstück als Stopfen (11) verschlossen sind, in dem eine rohrförmige Strom­ durchführung (10; 18; 28; 29) aus einem Metall angeordnet ist, dessen thermischer Ausdehnungskoef­ fizient kleiner als der der Keramik ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (11) auf die Strom­ durchführung (10; 18; 28; 29) gasdicht direkt aufgesintert ist, wobei etwa in Höhe des Stopfens zusätzlich im Innern der Stromdurchführung ein zweites keramisches Formstück als Innenstütze (16; 19; 20; 32; 33; 36) angebracht ist.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenstütze (19; 20; 31; 32) mit der Stromdurchführung (18; 28; 29) lediglich durch den Druck des direkt aufgesinterten Stopfens (11) verbunden ist.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromdurchführung (16) entladungsseitig abgeschlossen ist (15) und die Innenstütze (16) mittels einer Schmelzkeramik (17) oder eines Metallots mit der Stromdurchführung (16) verbunden ist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenstütze als Vollzylinder (19) oder Hohlzylinder (20) ausgebil­ det ist.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Höhe der Innenstütze (20) kleiner als die Höhe des Stopfens (11) ist.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Innenstütze (20) in der Stromdurchführung (18) mittig in bezug auf die Höhe des Stopfens in der Stromdurchführung ange­ ordnet ist.

7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die Außenwan­ dung der Innenstütze einen zum Entladungsraum hin sich verjüngenden konischen Abschnitt (30; 31; 36; 36′; 36′′) aufweist, der mit konischen Abschnitten (26; 27) an der Stromdurchführung und am Stopfen zusammenwirkt.

8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stromdurchführung aus Molybdän, Wolfram oder Rhenium oder einer Legierung dieser Metalle besteht.

9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Füllung eine halo­ genhaltige Komponente besitzt.

10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenstütze (33; 36; 36′; 36′′) in bezug auf den Stopfen (11) zu der von dem Entladungsraum abgewandten Seite versetzt ist.

11. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdurchführung mit der Innenstütze mittels einer durch Reibschwei­ ßen erzeugten Schicht (37) verbunden ist.