DE3110872A1

DE3110872A1 - "universell brennende keramiklampe"

Info

Publication number: DE3110872A1
Application number: DE19813110872
Authority: DE
Inventors: Jack Mack Garrettsville Ohio Strok
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-03-31
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-01-07
Also published as: FR2479561A1; DE3110872C2; US4342938A; GB2072939B; JPS60138256U; FR2479561B1; JPS56152150A; CA1165374A; BR8101914A; NL8101524A; GB2072939A

Description

GENEIiAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y,/U.S.A.

Universell brennende Keramiklampe

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampen mit Aluminiumoxid-Keramikmänteln, insbesondere auf solche Lampen, die unter starken Vibrationsbedingungen universell brennen sollen.

Die Natriumdampflampen hoher Intensität, bei denen die Erfindung am brauchbarsten ist, weisen ein schlankes, iiubusartiges Keramik-Entladungsrohr auf, das im allgemeinen in einem äußeren Glasmantel angebracht ist. Das Entladungsrohr besteht aus lichtdurchlässigem, refraktärem Oxidmaterial, das bei hohen Temperaturen gegenüber Natrium beständig ist, in geeigneter Weise aus polykristallinem Aluminiumoxid hoher Dichte oder synthetischem Saphir. Die Füllung umfaßt Natrium und Quecksilber zur Leistungsverbesserung, zusammen mit einem Edelgas zur Starterleichterung. Die Rohrenden sind durch Verschlußglieder dicht verschlossen, durch die Verbindungen zu thermionischen Elektroden verlaufen, die eine Wolframwendel umfas-

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sen können, aktiviert durch Elektronen emittierendes Material. Der äußere Mantel, der das Keramik-Entladungsrohr einschließt, ist im allgemeinen an einem Ende mit einem Schraubsockel versehen, mit dem die Elektroden des Entladungsrohres verbunden sind.

Die Hochdruck-Natriumdampflampe enthält eine Überschußmenge an Natrium/Quecksilber-Amalgam, d.h., sie enthält mehr Amalgam, als bei Erreichen stabiler Betriebsbedingungen der Lampe verdampft wird. Durch den Überschuß wird der Dampfdruck durch die niedrigste Betriebstemperatur an jeder Stelle im Entladungsrohr bestimmt, und die vorgelegte Menge ist unkritisch. Ein Teil des überschüssigen Amalgams ist nötig, um jeden Alterungsverlust während der Lebensdauer der Lampe zu ersetzen, z.B. aufgrund einer Elektrolyse durch die Aluminiumoxid-Wände.

Die Stelle, wo sich das Amalgam in einer Lampe sammelt, hängt von dem Wärmegleichgewicht in Verbindung mit dem Einfluß der Schwerkraft ab. In Lampen mit vorragendem Metall-Abpumprohr, das verschlossen ist, kann das Rohr ein Reservoir für überschüssiges Natrium/Quecksilber-Amalgam außerhalb des eigentlichen Entladungsrohres sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, das überschüssige Amalgam an eine Stelle zu bringen, die von der direkten Wärme der Bogenentladung und von der Elektrode entfernt liegt, so daß ein Schwarzwerden des Entladungsrohres beim Altern der Lampe minimalen Einfluß auf den Natriumdampfdruck und auf die Lampenspannung hat. Auch ermöglicht die Verwendung eines externen Reservoirs eine enge Einstellung des Wärmegleichgewichts in der Lampe, z.B. durch Sandstrahlen eines Außenteils des Metallrohres zum Regulieren seines Wärmeverlustes.

Vorausgesetzt, das Wärmegleichgewicht in der Lampe macht das externe Reservoir zum kältesten Punkt, kondensiert sich

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das überschüssige Amalgam dort. Kapillare Anziehung führt dazu, daß das Amalgam, wo es sich sammelt, verbleibt, und wenn die Lampe in einer solchen Stellung betrieben wird, daß das Reservoir an der untersten Stelle liegt, trägt auch die Schwerkraft dazu bei. Doch kann ein mechanischer Stoß oder eine heftige Vibration ein Amalgamtröpfchen vom Abpumprohr zum heißeren Entladungsrohr hin fliegen lassen, insbesondere, wenn die Orientierung der Lampe das Reservoir an die höchste Stelle zu liegen kommen läßt. Das Verdampfen des Tröpfchens verursacht dann einen plötzlichen Anstieg des Dampfdrucks, und die entsprechende Erhöhung der Lampenspannung kann stark genug sein, um die Lampe auszulöschen. Wenn die Lampe so ausgeht, gewöhnlich als Ausfallen bezeichnet, kann sie nicht wieder gestartet werden, bevor sie sich abgekühlt hat, und das kann 1 bis 10 min dauern, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. In Extremfällen ist das verhältnismäßig kalte Tröpfchen dafür bekannt, einen Wärmeriß des Entladungsrohres dort, wo es auftrifft, zu verursachen.

Zahlreiche Konstruktionen für Alkalimetalldampflampen sind vorgeschlagen worden, um zu verhindern, daß Amalgamtröpfchen unter widrigen Umständen aus dem Reservoir herausfliegen. Nach der US-PS 4 035 682 verhindert ein durch Reibung im Abpumprohr gehaltenes feinmaschiges Sieb einen Durchgang von Flüssigkeitströpfchen. Auf das Sieb auftreffende Tröpfchen werden langsam verdampft und erneut oben kondensiert. Nach der US-PS 4 065 691 läßt ein Abbiegen des Abpumprohres an einer Stelle dazwischen nur beschränkte Kanäle übrig, die mit dem Reservoir in Verbindung stehen. Die Kanäle lassen das Amalgam in Dampfform hindurch, verhindern aber dessen Bewegung als Flüssigkeit. Diese Maßnahmen waren hinreichend erfolgreich, um die gewerbliche Herstellung universell brennender Natriumdampflampen mit Eignung für gewöhnliche Anwendungen zu erlauben. Sie eignen sich jedoch nicht für Einrichtungen, die tatsächlich

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hoher Vibration unterliegen, wie auf Autobahnbrücken, Ladedocks oder in der Nähe schwerer Maschinen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer neuen, verbesserten, universell brennenden Keramiklampe der obigen Art, die starker Vibration ohne das Auftreten von Spannungsanstieg und Ausfall, ausgelöst durch das Herausschleudern von Amalgamtröpfchen aus dem Reservoir in das Entladungsrohr oder in Teile höherer Temperatur des Abpumprohres ,zu widerstehen vermag.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß im externen Metallabzugsrohr ein Reservoirteil oder eine Kammer vorgesehen ist, deren Volumen ausreicht, um die gesamte Menge an überschüssigem Amalgam aufzunehmen, wobei die Kapillaranziehung zwischen der Kammerwand und der Amalgamfüllung wenigstens das Zweifache der Schwerkraft ist. Die Kapillaranziehung wird auf den gewünschten Wert erhöht, indem die geringste Abmessung im Kammerteil kleiner ist als ein bestimmter Wert, der durch die Zusammensetzung der Amalgam-Dosis und die Natur des die Kammer bildenden Metalls bestimmt wird, d.h., durch die Benetzbarkeit durch das Amalgam.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Abzugsrohr ein dünnwandiges Niobrohr mit einem Innendurchmesser von etwa 2,6 mm (0,103"). Die Kammer oder das Reservoir ist durch Abflachen des Endteils des Rohres auf eine minimale Innenquerabmessung von etwa 1,0 nun (0,040") über eine Länge von etwa 5,1 mm (0,20") leicht zu bilden. Die sich ergebende enge Kammer bietet ein Reservoirvolumen von etwa 0,016 cm (0,001 cu in.). Dieses Volumen nimmt eine Natrium/Quecksilber-Amalgamladung von bis zu etwa 40 mg bei einer Kapillaranziehung von über 2 g auf. Typische Mengen bei Hochdruck-Natriumdampflampen liegen im Bereich von 20 bis JO mg, und die Natrium/Uuecksilber-Verhältnisse liegen im Bereich von 12 bis 30 Gew.-% Natrium.

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Figur 1 zeigt eine Hochdruck-Natriumdampflampe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die sich für universelles Brennen unter starken Vibrationsbedingungen eignet;

Figur 2 ist ein vergrößertes Detail des Endverschlusses und des externen Reservoirs;

Figur 3 ist ein Querschnitt durch das Reservoir entlang der Linie 3-3 in Figur 2;

Figur 4 ist ein Diagramm, das den Einfluß der Quetschabplattung auf die Vibrationsempfindlichkeit der Lampe wiedergibt.

Eine Hochdruck-Natriumdampflampe 1 gemäß der Erfindung, entsprechend einer Leistung von 400 W, ist in Fig. 1 dargestellt. Sie umfaßt einen äußeren Glasmantel 2 mit einem Standard-Lampenfuß-Schraubsockel 3, befestigt an dem zuunterst dargestellten Fußende. Ein wiedereintretender Fuß weist ein Paar verhältnismäßig schwerer Zuleitungen 5, 6 auf, die hindurchragen und deren äußere Enden mit der Schraubhülse 7 und dem Bodenkontakt 8 des Sockels verbunden sind.

Der innere Mantel oder das Entladungsrohr 9, innerhalb des äußeren Mantels zentral angeordnet, weist ein lichtdurchlässiges Keramikrohr auf, in geeigneter Weise aus polykristalliner Aluminiumoxid-Keramik, die durchscheinend ist, oder ein Aluminiumoxid-Einkristall, der klar und transparent ist. Das untere Ende des Entladungsrohres ist durch einen Aluminiumoxid-Keramikstopfen 10 geschlossen, durch den ein Niobzuleitungsdraht 11 hermetisch hindurchragt, der die untere (nicht dargestellte) Elektrode trägt. Das obere Ende weist auch einen Keramikstopfen 12 auf, durch den ein dünnwandiges Niobrohr 13 ragt. Es dient als Ablaß- und Füllrohr während der Lampenherstellung und als Stromzuführung und externes Reservoir für überschüssiges Natrium/-

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Quecksilber-Amalgam in der fertigen Lampe. Die Keramikstopfen sind an den Rohrenden dichtend befestigt, und die Niobleiter 11 und 13 sind durch die Stopfen mit Hilfe einer glasartigen Dichtungsmasse, die Aluminiumoxid und Calciumoxid enthält, die an Ort und Stelle geschmolzen wird, dicht verschlossen.

Elektroden sind an beiden Enden des Entladungsrohres ähnlich der Elektrode 14 am oberen Ende, in Fig. 2 veranschaulicht, vorgesehen. Die Elektrode weist einen Wolframdraht 15 auf, der um einen Wolframschaft 16 in zwei übereinander gelagerten Schichten gewickelt ist. Der Schaft ist in dem nach innen vorragenden Ende des Niobrohres 13 entweder durch Klemmen oder durch Schweißen bei 17 befestigt; eine öffnung 18 ermöglicht den Durchgang von Amalgam aus dem Abzugsrohr in das Entladungsrohr. Die Elektroden werden durch Metalloxide aktiviert, in geeigneter Weise durch Dibariumcalciumwolframat, das in den Zwischenräumen zwischen den Windungen der Wicklung liegt. Beispielsweise ist die dargestellte Lampe eine 400 W-Lampe und das Entladungsrohr 112 mm lang und mit einer 7 mm-Bohrung. Die Füllung umfaßt 25 mg Amalgam mit 25 Gew.-% Natrium und 75 Gew.-% Quecksilber, zusammen mit Xenon bei einem Druck von 26,7 mbar (2o Torr), das als Startergas dient. Doch können die Vorteile der beschriebenen Erfindung auch mit jeder anderen Wattleistung einer Hochdruck-Natriumdampflampe mit ähnlicher externer Reservoirbauweise erzielt werden.

Das Entladungsrohr ist innerhalb des äußeren Mantels so angeordnet, daß eine Differential-Wärmeausdehnung möglich ist. Ein massiver, fester Trägerstab 19, der praktisch über die Länge des äußeren Mantels reicht, ist am Zufuhrleiter 6 am Fußende angeschweißt und von einer Federklammer 20

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yeha!ton, .lie den Nippel 21 im oberen Wölbunysende des üußur<.-ri M-UiLuLs umgreift. Das l:!ntladungsrohr wird JiauptsäcliJ U-Ii (iur-cli ein Verbindungsstück 22 getragen, tlub vom Niobrohr 1i quer zum Trägerstab 19 angeschweißt ist. Am unteren Ende ragt der Zuleitungsdraht 11 axial durch eine Isolierhülse 23, die vom Stab 19 mit Hilfe eines Metallbügels 24 getragen wird. Die öffnung durch die Hülse oder Buchse hindurch ermöglicht eine freie axiale Bewegung der Zuleitung 11 und ein flexibler Leiter 25 stellt die elektrische Verbindung von der Zuleitung zum Leiter 5 her. Die differentielle Wärmeausdehnung wird durch axiale Bewegung der Zuleitung 11 durch die Hülse oder Buchse und durch Biegen des sich krümmenden Leiters 25 ausgeglichen.

Insoweit beschriebene und einem kommerziellen Produkt entsprechende Lampen, die beispielsweise eine Krümmung des Reservoir-Rohres zwischendurch verwenden, um eine Bewegung des Amalgams zu verhindern, erfahren dennoch Spannungsanstieg und gelegentlichen Ausfall, wenn sie heftiger Vibration unterworfen sind. Die Situation ist besonders schlecht, wenn die Orientierung oder Haltung der Lampe in der Befestigung sie horizontal macht oder das Reservoir an die höchste Stelle bringt. Die Schwerkraft überwindet zusammen mit der Vibration sehr leicht die Oberflächenspannung, die das flüssige Amalgam am Platze hielt. Das Ergebnis ist ein Tröpfeln oder Spritzen von Amalgam auf Bereiche höherer Temperatur des Abzugsrohres oder in den Hauptteil des Entladungsrohres, was zu rascher Verdampfung, zu steilem Spannungsanstieg und leichtem Ausfall führt.

Versuche, dieses Problem zu lösen, indem das Gewicht des in das Entladungsrohr eingebrachten Amalgams reduziert wurde, führten nur zu nebensächlicher Verbesserung, Vibrationen zu ertragen. Ferner wird die Lebensdauer der Lampe stark verringert, da weniger Natrium zur Verfügung steht, den Verlust während der Lebensdauer zu ersetzen, der sich aus

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verschiedenen "Reinigungsprozessen" and normaler Diffusion durch die Wandungen des Entladungsrohres aus Aluminiumoxid ergibt.

Es wurde nun eine einfache Lösung dieses Problems gefunden, das praktisch keine Kostenerhöhung mit sich bringt: sie besteht darin, die geringste Innenabmessung über den äußersten Teil des Abzugsrohres hinweg, das das überschüssige Amalgam aufnimmt, genügend herabzusetzen, um die erhöhte Kapillaranziehung mit dem erwarteten Vibrationswert konkurrieren lassen zu können. Der bequemste Weg hierfür besteht darin, den Endteil des Abzugsrohres über eine genügende Länge abzuflachen, die ausreicht, das überschüssige Amalgam im abgeflachten Reservoirteil aufzunehmen. Die Praxis in der Lanipenherstellung bestand darin, das Ende des Niobrohres 13 nach dem Einbringen der Amalgammenge durch Klemmbacken zu verschließen, die genügend Druck ausüben, um bei 26 eine Kaltschweißung zu bewirken. Die einzige erfindungsgemäß erforderliche Änderung besteht in einer Änderung der Form der Quetschbacken, um zusätzlich zum Kaltschweißen das gewünschte Abplatten des Endteils 27 zu bewirken, wie im Querschnitt in Fig. 3 zu sehen.

Zur Messung des Einflusses der Vibration auf den Spannungsanstieg wurde eine Labortestarbeitsweise ausgearbeitet. Die Lampe wird in einer Hülse installiert, die sie horizontal, ausrichtet, und wird gestartet und auf Betriebstemperatur gebracht. Leichte Schläge oder Impulse konstanter Größe zu etwa 2 Schlägen oder Stößen pro Sekunde treffen den Außenmantel der Lampe, etwa mittig. Die Schläge oder Stöße kommen vertikal und quer zur Lampenachse; beispielsweise können die Schläge oder Stöße dem äußeren Lampenmantel eine Spitzenbeschleunigung von 4 g erteilen, d.h. das Vierfache der Erdbeschleunigung. Vor dem Starten der Lampe erfolgte eine Kalibrierung der Schläge oder Stöße mit Hilfe eines rückstellbaren Beschleunigungsmessers, der am Lampenmantel befestigt war. Die aufgezeichnete Spannungsänderung

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ist der Unterschied zwischen dem Ruhewert des Spannuxigsabfalls über das Entladungsrohr hinweg, beobachtet vor der Anwendung der Schläge oder Stöße, und dem während der ständigen Anwendung beobachteten Wert.

Bei der gegenwärtig handelsüblichen Lampe ist das externe Reservoir ein Rohr aus Niob/1 % Zirkon-Legierung, durch eine Kaltverschweißung am äußeren Ende quetschgeschlossen. Das Rohr hat einen Außendurchmesser von 3,1 mm (0,123") und eine Wandstärke von 0,025 mm (0,010"), so daß die kleinste Innenabmessung 2,6 mm (0,103") ist, mit Ausnahme des keilförmigen Endvolumens, das nicht den ganzen Überschuß der 2 5 mg-Menge an Amalgam aufnehmen kann. Durch Abplatten eines beträchtlichen Teils des Rohres über das kaltverschweißte Ende hinaus wird eine Kammer gebildet, innerhalb der die kleinste Querabmessung kleiner als 2,6 nun (0,103") ist und die den ganzen Überschuß aufnehmen kann. Figur zeigt die Senkung der Spannungsänderung, verursacht durch die 4 g-Impulse, bei mehr und mehr abgeplattetem Reservoir, Der Punkt A entspricht einem Handelsproduktj die Punkte B, C, D, E und F entsprechen kleinsten Innenabmessungen von 2,23 (0,088"), 1,78 (0,070"), 1,14 (0,045"), 0,57 (0,022") bzw. 0,48 mm (0,019"). So zeigt die die Punkte A bis F verbindende Kurve 31 die Spannungsänderung an, die für zunehmende Abplattungsgrade in dem Abzugsrohr des erfindungsgemäßen Produkts zu erwarten ist, das einen kreisförmigen Querschnitt von 2,6 mm (0,103") Durchmesser hat. Die darum herumliegenden gestrichelten Linien 32 und 33 geben den Bereich oder die Streuung in einer Charge getesteter Lampen an und zeigen, wo die kommerzielle Produktion vermutlich liegen kann. Eine Abplattung auf eine Innenabmessung von 1,52 auf 0,51 mm (von 0,060" auf 0,020") erhöht die kapillare Rückhaltekraft auf das Amalgam auf mehr als 2 g und verringert die Spannungsempfindlichkeit von etwa 30 V auf den Bereich von etwa 10 bis 3 V.

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Man findet, daß eine Veränderung von 5 V unter diesen Testbedingungen einem Produkt entspricht, das für Anwendungen mit starker Vibration annehmbar ist. Daher wird die entsprechende minimale Innenabmessung von etwa 1,0 mm (etwa 0,040") bevorzugt. Eine weitere Reduzierung der Spannungsänderung würde eine Verlängerung des Niob-Abzugsrohres erfordern, was die Kosten erhöhen würde.

Bei einer erfindungsgemäßen Lampe wird der äußerste Teil des Abzugsrohres zu einer Kammer mit ausreichendem Volumen ausgebildet sein, um die gesamte Menge an überschüssigem Amalgam aufzunehmen, wobei die Kapillaranziehung zwischen der Kammerwand und der Amalgammenge über 2 g liegt. Die Kapillaranziehung wird dadurch auf den gewünschten Wert erhöht, daß die kleinste Abmessung in der Kammer kleiner als ein bestimmter Wert gemacht wird, der durch die Zusammensetzung der Amalgammenge und der Kapillaranziehung für das Metall des Abzugsrohres bestimmt wird. Da die Wahl des Metalls für das Abzugsrohr durch die Forderung beschränkt ist, daß es zum Wärmeausdehnungskoeffizienten der Aluminiumoxidkeramik vernünftig paßt, besteht wenig Variabilität im Grad der Kapillaranziehung durch die Wahl des Metalls. Daher muß die geringste Abmessung gesteuert werden. Der erforderliche Grad der Abplattung kann durch die Verwendung eines Rohres mit kleinerer Bohrung verringert werden. Auch ist, wenn ein Rohr mit einem Endteil mit einem Innendurchmesser von etwa 1,0 mm (etwa O,O4O") verwendet wird, keine Abplattung nötig. Anstatt einer Abplattung kann auch eine einwärts gerichtete Deformierung, wie ein Zahn, der die kleinste Innenabmessung durch den Teil des Abzugsrohres hinweg, der als Amalgam haltende Kanuner dient, auf den gewünschten Wert reduziert, verwendet werden.

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Claims

Ansprüche

Alkalimetalldampflampe mit einem tubusartig langen Mantel aus lichtdurchlässigem Keramikmaterial mit einem Paar Elektroden, die in gegenüberliegende Enden dicht eingesetzt sind, wobei ein Ende des Mantels ein mit diesem dicht abgeschlossenes Metallabzugsrohr aufweist, das eine Belüftungsöffnung in das Innere des Mantels hat und an seinem äußeren Ende dicht verschlossen ist, mit einem in dem Mantel dicht eingeschlossenen ionisierbaren Medium, das Quecksilber/Alkali-Amalgam umfaßt, in einer Menge, die über die während des Lampenbetriebs verdampfte Menge hinausgeht, wobei der Wärmeausgleich in dem Mantel das verschlossene Ende des Rohres zur kalten Stelle in dem Mantel macht, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil des Rohres, als Reservoir für überschüssiges Amalgam dienend, über ein zur Aufnahme des gesamten Überschusses ausreichendes Volumen so bemessen ist, daß die Kapillaranziehung zwischen den Wänden des Rohres und dem Amalgam größer als das Zweifache der Schwerkraft ist.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil des Rohres so ausgebildet ist, daß die

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kleinste Innenabmessung im Bereich von 1,5 bis 0,5 mm (0,060" bis 0,020") liegt.
3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil des Rohres so ausgebildet ist, daß eine kleinste Innenabmessung im Bereich von 1,5 bis 0,5 mm (0,060 bis 0,020") so weit liegt, daß ein 20 bis 30 mg Natrium/Quecksilber-Amalgam mit 12 bis 30 Gew.-% Natrium aufnehmendes Volumen geschaffen ist.
4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil des Rohres auf eine kleinste Querabmessung im Bereich von 1,5 bis 0,5 nun (0,060 bis 0,020") abgeplattet ist.
5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der äußerste Teil des Rohres auf eine kleinste Querabmessung im Bereich von 1,5 bis 0,5 mm (0,060 bis 0,020") über eine zur Aufnahme von 20 bis 30 mg Na/Hg-Amalgam mit 12 bis 30 Gew.-% Natrium ausreichende Länge abgeplattet ist.
6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Teil des Rohres zu einer kleinsten Querabmessung von etwa 1,0 mm (0,040") über eine zur Aufnahme von 20 bis 30 mg Natrium/Quecksilber-Amalgam mit 12 bis 30 Gew.-% Natrium ausreichende Länge abgeplattet ist, wodurch die Lampenspannungsschwankung unter starker Vibration auf weniger als 5 V reduziert wird.

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