DE2729043A1

DE2729043A1 - Lichtbogenroehre einer lichtbogenlampe

Info

Publication number: DE2729043A1
Application number: DE19772729043
Authority: DE
Inventors: Stanley Frederic Bubar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2357061B1; FR2357061A1; US4056752A; DE2729043C2; GB1582292A; BR7704370A; JPS5731264B2; JPS537988A

Description

Lichtbogenröhre einer Lichtbogenlampe

Die Erfindung betrifft Metalldampflampen mit einer geschlossenen keramischen Hülle und insbesondere die Schaffung einer hermetischen Abdichtung an der Schweißverbindung zwischen einem Schaft einer Wolframelektrode und dem Ende einer rohrförmigen Zuleitung bzw. Einleitung aus Niob oder Tantal.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei Natriumdampflampen hoher Intensität angewendet, die der grundsätzlichen Bauart ent sprechen, wie sie in der US-PS 3 248 590 (Schmidt, 1966) mit dem Titel "Hochdruck-Natriumdampflampen" beschrieben wurden und umfaßt im allgemeinen eine Hülle bzw. einen Mantel aus einem durchscheinenden oder durchsichtigen Glasmaterial, in dem eine schlanke rohrförmige keramische Lichtbogenröhre eingebaut ist. Die keramische Hülle ist aus einem gegen Natrium bei hohen Temperaturen beständigen feuerfesten Oxidmaterial, vorzugsweise einem polykristallinen Aluminiumoxid hoher Dichte oder einem synthetischen Saphirmaterial hergestellt. Die Füllung umfaßt Natrium mit einem seltenen Gas, das die Zündung erleichtert und Quecksilber, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Enden des Aluminiumoxidrohres sind durch geeignete Verschlußelemente abgedichtet, die mit Glühelektroden verbindbar

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sind, wobei diese ein Wicklungsgebilde aus Wolfram aufweisen kann, das durch Elektronen emittierendes Material aktivierbar ist. Die äußere Hülle, die die keramische Lichtbogenröhre umschließt, weist an einem Ende einen üblichen Schraubsockel auf. Die Elektroden der Lichtbogenröhre sind mit den Anschlüssen dieses Sockels, also mit dem Hülsenkontakt und dem Mittelkontakt verbunden und der Raum zwischen den Hüllen ist üblicherweise zur Wärmedämmung evakuiert.

Gemäß einer bekannten Bauart von keramischen Lichtbogenröhren werden rohrförmige Zuleitungen aus Niob verwendet, die sich mit Teilabschnitten in das Innere der Lichtbogenröhre erstrekken und deren Enden zusammengedrückt und um die Wolframschäfte der Elektroden, die sie tragen, geschweißt sind. Wenn ein Niobrohr als Absaugrohr verwendet wird, weist es eine öffnung in das Innere der Lampenhülle auf und ist hermetisch zugebogen und abgedichtet,nachdem die Lampe ihre Füllung erhalten hat. Das andere Niobrohr, das auch als Schein-Absaugrohr bezeichnet wird, hat keine derartige öffnung, so daß es zur Kostensenkung an seinem äußeren Ende weder evakuiert noch hermetisch abgeschlossen werden muß. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Lebensdauer so hergestellter Lampen gelegentlich außergewöhnlich kurz ist,und diese kurze Lebensdauer wird auf einen langsamen Verlust der Füllung zurückgeführt. Dieses Austreten der Füllung kann durch mikroskopische Poren an der Schweißverbindung des Wolframschaftes mit dem Niob-Scheinrohr oder durch sich in Längsrichtung erstreckende mikroskopische Risse oder Ritzen in dem Wolframschaft selbst erfolgen.

Es ist bekannt, in dem Schein-Absaugrohr eine kleine Menge eines hochreinen Yttriums anzuordnen. Eine Funktion dieses Yttriums ist es, eine Aufzehrung des Natriums in der Lichtbogenröhre zu verhindern, entsprechend der Lehre der US-PS 3 558 963 (Hanneman et al., 1971) mit dem Titel "High Intensity Vapor Arc Lamp". Das Yttrium erfüllt diesen Zweck, obwohl es körperlich von dem Innenraum der Lichtbogenlampe getrennt ist, da das Niob als eine halbdurchlassige Membran wirkt und

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ein Hindurchsickern der restlichen Sauerstoffspuren erlaubt, die dann mit dem Yttrium reagieren. Der Sauerstoff ist auf diese Weise aus dem Inneren der Lichtbogenlampe entfernt und kann nicht mit dem Natrium und dem Aluminiumoxid reagieren und Natrium-Aluminium-Oxide bilden.

Das Yttrium hat die weitere Punktion, eine hermetische Abdichtung trotz der Porosität des Schaftes der Wolframelektrode oder der umgebenden Schweißverbindung mit dem inneren Ende des Niob-Scheinabsaugrohres sicherzustellen. Während des Vorgangs der Heiß-Verbindung der Endkappe mit dem Aluminiumoxidrohr schmilzt das Yttrium und dichtet das Ende des Wolframschaftes und den Bereich der Schweißung ab. Diese Technik hat jedoch einige Nachteile. Der Schmelzpunkt des Yttriums liegt bei 1 509 ⁰C, und diese Temperatur liegt in dem zulässigen Versiegelungsbzw. Heißverklebungsbereich für die Dichtstellen bzw. Klebstellen der Lichtbogenlampe, der von 1 500 bis 1530 ⁰C reicht. Da hochreines Yttrium in Tantalschalen hergestellt wird, findet man leicht Tantalverunreinigungen, die den Schmelzpunkt auf 1 520 ⁰C oder sogar noch höher anheben. Aufgrund dieses unsicheren Yttrium-Schmelzpunktes muß die Heißversiegelungs- bzw. Heißverkleboperation am oberen Ende des zur Verfugung stehenden Temperaturbereichs ausgeführt werden, wobei man ein Reißen der Lichtbogenröhre aufgrund der übermäßig hohen Temperaturen riskiert. Ferner hat das hochreine feine Yttriumpulver auch einen sehr hohen Preis,und es wurde in der Praxis festgestellt, daß ungefähr 30 % des von den Lieferanten erhaltenen Yttriums eine zu große Teilchengröße aufweist, um für den vorliegenden Zweck verwendet zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen brauchbaren preisgünstigeren Ersatz für das hochreine Yttriumpulver mit kleiner Teilchengröße, wie es bis jetzt verwendet wurde, zu finden. Eine Schwierigkeit, die bei der Auffindung eines geeigneten Materials überwunden werden mußte, liegt darin, daß das Material in dem richtigen Temperaturbereich schmelzen muß, ohne das Niob übermäßig anzugreifen. So schmilzt z.B. Nickel

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in dem richtigen Temperaturbereich, löst jedoch das Niob sehr schnell auf und kann daher nicht verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird das hochreine Yttrium durch eine Legierung aus Yttrium und Zirkon ersetzt. Das Y-Zr-System hat einen einfachen eutektischen Punkt mit einer kleinsten Schmelztemperatur von 1 360 ⁰C bei 41 % Zr, wobei es sich um Gew.-% handelt. Wenn Yttrium mit 50 % Zirkon legiert wird, setzt dies die Schmelztemperatur von 1 509 °G auf den Bereich von 1 360 bis 1380 ⁰C herab. Somit ist ein Schmelzen im ganzen Versiegelungs- bzw. Verklebbereich der Lichtbogenlampe sichergestellt, ohne daß das Niobrohr übermäßig angegriffen wird. Die starke die Schmelztemperatur herabsetzende Wirkung des Zirkons ist stärker als die Wirkung der kleinen Unreinheiten des Yttriums und bewirkt ein gleichmäßiges Schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur und erlaubt die Verwendung einer weniger reinen und damit billigeren Qualität des Yttriums für diesen Zweck.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, welches eine Aluminiumoxid-Lichtbogenröhre darstellt, in der die erfindungsgemäße Yttrium-Zirkon-Legierung verwendet wird.

Die in der Figur dargestellte Lichtbogenröhre einer hochintensiven Natrium-Dampfentladungslampe umfaßt eine äußere nicht dargestellte glasartige äußere Hülle, die an einem Ende einen Sockel aufweist und der vorstehend bereits erwähnten US-PS 3 558 963 (Hanneman et al. ) beschrieben ist. In der Figur ist nur die innere Entladungshülle bzw. das Entladungsrohr 1 dargestellt, wobei zur Verkürzung der Zeichnung ein mittlerer Teil des Rohres weggelassen wurde und der innere Aufbau in dem im Schnitt dargestellten oberen Teil zu sehen ist. Die Lichtbogenröhre umfaßt eine Hülle 2 in Form eines keramischen Rohres aus gesintertem polykristallinen Aluminiumoxid hoher Dichte oder,gemäß einer alternativen Ausführungsform, aus synthetischem Saphir. Die Enden des keramischen Rohres sind durch finger-

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hutartige Verschluß- bzw. Endkappen 3 und 4 aus Niob verschlossen, die hermetisch mit dem Keramikrohr versiegelt bzw. verklebt sind mittels einer Kleb- bzw. Dicht- bzw. Verbindungsmasse, die in erster Linie Aluminiumoxid und Kalziumoxid (calcia) enthält. Eine geeignete Verbindungsmasse ist in der US-PS 3 588 577 (McVey et al., 1971) mit dem Titel "Calcia Alumina Magnesia Baria Seal Composition" beschrieben. Die Verbindungsmasse ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet und in dem Zwischenraum zwischen dem ausgeweiteten Schulterteil 6 der Endkappe 4- und dem Endabschnitt des keramischen Rohres 2 angeordnet.

Niob-Rohre 7 und 8 ragen in die fingerhutartigen Endkappen 3 und 4- hinein und sind mit Hälsen 9 der Endkappen hermetisch dicht verschweißt. Das untere Rohr 7 ist ein Absaugrohr und hat eine nicht dargestellte öffnung, die mit dem Inneren der Hülle in Verbindung steht. Nach dem Pullen mit dem Natrium-Quecksilber-Amalgam und dem die Zündung erleichternden Inertgas, wie z.B. Xenon, wird das Absaugrohr durch Zusammendrücken bei 10 hermetisch dicht geschlossen.

Das obere Rohr 8, das als Scheinabsaugrohr 8 ausgebildet ist, hat keine öffnung in das Innere der Hülle. Es dient als Stromzuleitung und Träger für eine Elektrode 11, die eine Wicklung aus Wolframdraht auf einem Wolframschaft 12 umfaßt; ein Aktivierungsmittel, wie z.B. Barium-Calcium-Wolframat bzw. Wolframsalz (tungstate) kann in den Zwischenräumen zwischen den Windungen der Wicklung angeordnet sein. Eine Metallscheibe 13, die als ein Abschirmungsschild dient und ein» nach rückwärts Erstrecken des Lichtbogens verhindert, kann auf dem Schaft angebracht sein. Der Schaft ist in ein zugedrücktes Ende des Niob-Rohres 8 eingesetzt und die Verbindungsstelle ist dann verschweißt mittels der Wolfram-Inertgas-Schweißtechnik (TIG welding). An der Schweißstelle führt gelegentlich eine Porosität zu einer ungenügenden Abdichtung. Auch neigt das Wolfram aufgrund seiner fasrigen Natur dazu, lange dünne Poren oder Lunker aufzuweisen, die bei dem Drahtziehvorgang entstehen und zu einem langsamen Ausströmen führen können. Die Verbin-

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dung des Wolframschaftes mit dem Niob-Rohr kann als quasi hermetisch bezeichnet werden. Das Y/Zr-System weist einen eutektischen Punkt bei 41 % Zr auf mit einer geringsten Schmelztemperatur von 1 360 ⁰G bei 41 % Zr. Wenn Yttrium mit etwa 50 % Zirkon legiert wird, ist sein Schmelzpunkt von etwa 1 509 C herabgesetzt in den Bereich 1 360 bis 1380 ⁰C. Dieser Schmelzbereich ist niedrig genug, um bei dem Heißversiegelungsvorgang nicht mehr berücksichtigt werden zu müssen. Ferner wirkt der starke die Schmelztemperatur herabsetzende Effekt des Zirkons stärker als der Effekt der schwachen Verunreinigungen im Yttrium und führt zu einem gleichmäßigen Schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur und erlaubt die Verwendung einer weniger reinen und daher weniger teuren Qualität des Yttriums.

So wird z.B. die Legierung hergestellt durch Mischen gleicher Gewichtsanteile eines Y-Pulvers mit einer Teilchengröße die einer Siebmaschenweite von 0,43 mm (40 mesh) oder kleiner entspricht mit einem ZrH-Pulver, dessen Teilchengröße einer Siebweite von 0,043 mm (325 mesh) entspricht und eine Portion dieser Mischung wird - wie durch die Bezugsziffer 14 angedeutet - in das Schein-Absaugrohr eingeführt. Dabei umfaßt eine zweckmäßige Menge etwa 20 bis 40 mg der Mischung. Das Ende 15 des Niob-Rohres wird dann mechanisch zugedrückt, um die Ladung bzw. die eingegebene Portion der Mischung in der Höhlung einzuschließen und zu verhindern, daß sie bei einem folgenden Arbeitsvorgang herausfällt. Es wird jedoch nicht versucht, die Verschlußsteile 15 des Niob-Rohres 8 hermetisch abzuschließen.

Die Endkappe 4 ist durch Heißsiegeln bzw. Heißkleben mit dem Aluminiumoxidrohr 2 verbunden, indem die Teile zusammengebaut werden und,wie bereits erwähnt, eine Menge der Dichtungsmasse in einen dazwischen angeordneten Dichtungsring geeigneter Abmessung gepreßt wird und das ganze, wie in dem Patent von McVey*beschrieben, in einem Vakuumofen erhitzt wird· Während des Erhitzen zerlegt sich das ZrH in dem Niobrohr θ in elementares Zirkon und Wasserstoffgas, wobei letzteres

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durch das Vakuumsystem des Ofens abgepumpt wird. Das Y und das Zr diffundieren während des Erhitzens ineinander bis sie schmelzen, wobei sie eine homogene flüssige Phase ergeben. Das Y und das Nb sind unmischbar, was jedoch bei dem Zr und dem Nb nicht der Pail ist, und es löst sich daher etwas von dem Zirkon in das Niobrohr, was jedoch keine nachteiligen Folgen hat. Die flüssige Phase dringt in die Poren ein und dichtet das Wolframschaftende und den Bereich der Schweißverbindung ab. Während des anschließenden Abkühlens bildet die Schmelze ein Mehrphasensystem aus Zr-gesättigtem Y, Y-gesättigtem Zr und einer Yttriumoxidphase. Es gibt auch eine Y-reiche Phase von schwach blauer Farbe entlang der Verbindungsstelle zwischen der Schmelze und dem Niob, und diese Phase ist auch in den bisher verwendeten hochreinen Yttriumschraelzen vorhanden. Tantal, das dem Niob in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften nahe verwandt ist, kann anstelle des Niob-Rohres der Endverschlußkonstruktion benutzt v/erden, wobei die gleichen Vorteile durch die Verwendung der Y-Zr-Legieriang gemäß der Erfindung erzielt werden.

Es werden also die gleichen Vorteile erzielt, die bei der bisher verwendeten Methode unter Verwendung von hochreinem Yttrium kleiner Teilchengröße erzielt wurden, wobei jedoch die Schrumpfung herabgesetzt ist, da die Versiegelungstemperatur herabgesetzt ist, wobei die Materialkosten verringert sind. So wird z.B. das hochreine Yttrium mit kleiner Teilchengröße, wie es bei den bisher bekannten Lichtbogenlampen verwendet wird, für % 580 pro Pfund verkauft und wird nun durch eine weniger reine Qualität ersetzt, die $ 200 pro Pfund, d.h. ein Drittel des bisher verwendeten Yttriums kostet, wobei weiter von diesem Material nur halb soviel benötigt wird.

Der proportionale Anteil des dem Yttrium zugesetzten Zirkons ist nicht kritisch, sollte jedoch mindestens ausreichen, um die Schmelztemperatur der Mischung wesentlich unter die des reinen Yttriums herabzusetzen. Falls erwünscht, kann die Zusammenset-

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zung bis auf 41 % Gewichtsanteil Zirkon herabgesetzt werden, um den niedrigstmöglichen Schmelzpunkt des Y-Zr-Systems zu erhalten, wodurch jedoch die Kosten etwas heraufgesetzt werden aufgrund der Verwendung eines höheren Anteils von Yttrium, das der teurere Bestandteil ist. Eine zweckmäßige und ökonomische Mischung, die einfach herzustellen ist, benötigt etwa gleiche
Gewichtsanteile von Yttrium und Zirkon, wie auch bereits beschrieben wurde.

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Claims

Patentansprüche

MJ Elektrische Lichtbogenröhre einer Lichtbogenlampe mit einer keramischen Hülle, die lichtdurchlässig ist und Endverschlüsse sowie eine eine Entladung unterstützende Füllung mit einem verdampfbaren Metall aufweist, wobei die Endverschlüsse Elektroden an entgegengesetzten Seiten der Hülle tragen, und eine der Endkappen eine mit einem Endabschnitt in das Innere der Hülle ragende rohrförmige Zuleitung aus Niob oder Tantal aufweist und die entsprechende der Elektroden·einen auf einen Wolframschaft montierten Emitterteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframschaft (12) sich von dem im Inneren erstreckenden Teil der Zuleitung (8) erstreckt und quasi hermetisch damit verbunden ist und zur hermetischen Abdichtung zwischen dem Wolframschaft (12) und der Zuleitung (8) aus Niob eine Mischung (14) aus Yttrium und Zirkon in dem Inneren der Zuleitung (8) angeordnet ist.
2. Lichtbogenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung einen ausreichenden Anteil von Zirkon enthält, um ihre Schmelztemperatur wesentlich unter die des reinen Yttriums abzusenken.
3. Lichtbogenröhre nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine längliche lichtdurchlässige Keramikhülle aus Aluminiumoxid mit Endverschlüssen zur Abdichtung ihrer Enden und

ORIGINAL INSPECTED

einer Füllung aus Natrium-Quecksilber-Amalgam und einem die Zündung unterstützenden Inertgas, Elektroden, die von den Endverschlüssen an entgegengesetzten Seiten der Hülle getragen werden, eine die Entladung unterstützende, ein verdampfbares Metall aufweisende Fülltmg in der Hülle (2), wobei einer der Endverschlüsse eine Endkappe (4) aus Metall aufweist mit einem sich nach außen erstreckenden Niob- oder Tantal-Rohr dichtend damit verbunden und mit einem sich in das Innere der Hülle (2) erstreckenden Abschnitt bzw. Teil, eine Elektrode (11, 12), die von der vorstehend genannten Endkappe (4) getragen wird ,und einen auf einen Wolframschaft (12) montierten Emitterteil (11) aufweist, wobei der Wolframschaft (12) sich von dem im Inneren erstreckenden Teil des Rohres (8) weg erstreckt und das Ende dieses Rohres (8) auf diesem Schaft (12) festgeklemmt und quasi hermetisch damit verschweißt ist und eine Mischung aus Yttrium und Zirkon in dem Rohr (8) angeordnet ist und eine hermetische Dichtung (14) zwischen dem Wolframschaft (12) und dem Rohr (8) bildet.
4. Lichtbogenröhre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sich nach außen erstreckende Teil des Rohres (8) an seinem äußersten Endabschnitt mechanisch verschlossen (15)ι jedoch nicht hermetisch abgedichtet ist.

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