DE3116682A1 - "alkalimetalldampflampe" - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruck-Alkalimetalldampf-Entladungslampen mit Kolben aus Aluminiumoxid-Keramik und mehr im besonderen auf Natriumdampflampen, die für ein universelles Brennen unter Bedingungen vorgesehen sind, bei denen sie Schockeinwirkungen und Vibrationen ausgesetzt sind.

Die Natriumdampflampe hoher Intensität, bei der die Erfindung am brauchbarsten ist, umfaßt einen schlanken rohrförmigen Entladungskolben aus Keramik, der im allgemeinen innerhalb eines äußeren Glaskolbens montiert ist. Das Entladungsrohr besteht aus einem lichtdurchlässigen, hochschmelzenden Oxidmaterial, das gegenüber Natrium bei hohen Temperaturen beständig ist und geeigneterweise aus hochdichtem polykristallinen Aluminiumoxid oder synthetischem Saphir besteht. Die Füllung umfaßt Natrium zusammen mit Quecksilber, um die Wirksamkeit zu verbessern sowie ein Edelgas, um das Zünden zu erleichtern. Die Enden des Rohres sind durch Verschlußteile abgedichtet, durch welche die Verbindungen zu thermionischen Elektroden verlaufen, die eine Wolframspule umfassen können, die mit einem elektronenimittierenden Material aktiviert ist. Der Außenkolben, der das keramische Entladungsrohr einschließt, ist im allgemeinen an einer Seite mit einem Schraubsockel versehen, mit dem die Elektroden des Entladungsrohres verbunden sind.

Die Hochdruck-Natriumdampflampe enthält eine überschüssige Menge an Natriumamalgam, d. h. sie enthält mehr Amalgam als verdampft ist, wenn die Lampe einen stabilen Betriebszustand erreicht hat. Durch die Anwendung eines Überschusses wird der Dampfdruck durch die geringste Betriebstemperatur im Entladungsrohr bestimmt und die eingefüllte Menge ist nicht kritisch. In Lampen mit einer langen Lebensdauer ist es üblich, ausreichend Amalgam vorzusehen, so daß Verschiebungen im Natrium/Quecksilber-Verhältnis während der Lebensdauer der Lampe aufgrund irgendwelchen Verbrennens oder Verlustes an Natrium aus dem Bogenrohr vernachlässigbar sind. Bei der Lampenherstellung werden im allgemeinen

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zwischen/und 30 mg Amalgam mit einem Natriumgehalt zwischen 10

und 30 Gew.-% eingefüllt.

Das überschüssige Amalgam im Entladungsrohr kondensiert sich am kalten Fleck, dessen Anordnung durch den Wärmeausgleich in der Lampe bestimmt ist. Wenn durch die Lampenanordnung der kalte Fleck am weitesten unten liegt, dann hilft die Schwerkraft das Kondensat an einer Stelle festzuhalten. In universell brennenden Lampen, die zum Betrieb in jeder beliebigen Anordnung vorgesehen sind, befindet sich der kalte Fleck häufig nicht am weitesten unten, so daß diese Lampen aufgrund der vorhandenen Menge an Quecksilberamalgam gegenüber Schockeinwirkung und Vibration empfindlich sind. Aufgrund der Schockeinwirkung kann ein Teil oder das gesamte überschüssige Amalgam vorübergehend an eine heißere Stelle gelangen, wodurch eine plötzliche Zunahme des Betriebsdruckes von Natrium und Quecksilber auftritt, der einen Anstieg im Spannungsabfall über das Entladungsrohr bedingt. Dieser Anstieg kann groß genug sein, um die aufrechterhaltende Spannung des Vorschaltgerätes zu übersteigen, so daß die Lampe verlöscht. Geht die Lampe auf diese Weise aus, dann kann sie nicht wieder gezündet werden, bevor sie sich abgekühlt hat und das kann je nach Umgebungstemperatur 1 bis 10 Minuten dauern. In extremen Fällen, in denen aufgrund der Vibration ein Amalgamtropfen von dem kalten Fleck in den sehr heißen Bereich vor der Elektrodenspitze gelangt, kann der thermische Schock auf die heiße Keramik groß genug sein, um einen Bruch zu verursachen.

Bereiche, in denen Lampen hinsichtlich Schockeinwirkung und Vibration besonders ausgesetzt sind, schließen Brücken von Überlandstraßen, Ladedocks, schwere Maschinen und Bahnhöfe ein.

Einige Lampen weisen ein nach außerhalb des Entladungsrohres vorspringendes abgedichtetes Metallabsaugrohrchen auf, das als Reservoir überschüssigen NatriumamalgaitB geeignet ist. In solchen Fällen kann die Vibrationsempfindlichkeit durch Zusammenquetschen dieses Röhrchens an einem Zwischenpunkt vermindert werden. Das

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Zusammenquetschen läßt nur beschränkte Kanäle bestehen bleiben, die eine Verbindung mit dem Reservoirabschnitt herstellen und die den Durchgang des Amalgams nur in Dampfform gestatten, seine Bewegung als Flüssigkeit jedoch verhindern, wie in der US-PS 4 06 5 691 beschrieben.

Andere keramische Lampen, die ein solches äußeres Metallabsaugröhrchen jedoch nicht haben, müssen in anderer Weise hinsichtlich ihrer Vibratxonsempfindlichkeit gehandhabt werden. So z. B. Lampen, die, wie in der US-PS 4 034 252 beschrieben, an beiden Enden des Kolbens eine Zuleitungsdrahtabdichtung aufweisen, aber kein äußeres Amalgamreservoir, sammeln das überschüssige Amalgam im allgemeinen an einem Ende des Kolbens, das der Wärmeausgleich zum kalten Fleck macht. Wird die Lampe in einer Anordnung betrieben, bei der dieser kalte Fleck am meisten oben angeordnet ist, dann kann die Lampe gegenüber Schock und Vibration sehr empfindlich sein.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Vibrationsempfindlichkeit von Alkalimetalldampflampen mit einem Keramikkolben, bei denen das überschüssige Amalgam innerhalb des keramischen Entladungsrohres kondensiert ist, zu vermindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man an einem Ende des keramischen Entladungsrohres eine Amalgamrückhaltekammer schafft, die durch eine Metalltrennwand gebildet wird, die zusammen mit der Endwand oder dem Endverschluß ein enges Abteil ausreichenden Volumens bildet, um das gesamte überschüssige Amalgam aufzunehmen. Die Querabmessung dieses Abteiles, d. h. der Abstand zwischen Endwand und Trennwand wird so klein gemacht, daß innerhalb des Abteils noch eine Kapillaranziehung des Amalgams vorhanden ist, die um mehrere Male größer ist als die Schwerkraft. Die Trennwand erstreckt sich im wesentlichen bis zu den Seitenwänden des Entladungsrohres, muß aber keine hermetische Abdichtung ergeben. Es ist in jedem Falle eine kleine öffnung durch die Zwischenwand erwünscht, damit das Amalgam in Dampfform in das Abteil und aus dem Abteil heraus gelangen kann.

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In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist die Trennwand eine dünne Metallscheibe aus Niob oder Molybdän, die einen Paßsitz innerhalb des Entladungsrohres aufweist, sowie ein zentrales Loch, durch das sich die Elektrodenzuleitung erstreckt. Die Scheibe ist mittels eines dünnen Abstandshalters in einem Abstand vom Endverschluß gehalten und wird durch eine Drahtschleife, die für eine thermische loslation zwischen der Elektrode und der Dichtung durch den Endverschluß sorgt, gegen den Abstandshalter gedrückt.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 das keramische Bogenrohr einer Hochdruck-Natriumdampflampe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem oberen Endstück, das weggeschnitten ist, um das das Amalgam zurückhaltende Abteil zu zeigen.

Figur 2, eine grafische Darstellung, die die Schockempfindlichkeit üblicher Lampen zeigt und

Figur 3 eine grafische Darstellung, die die Verminderung der Schockempfindlichkeit zeigt, die durch die vorliegende Erfindung erreicht wird.

Das in Figur 1 gezeigte Bogenrohr 1 ist geeignet für eine 400 Watt-Hochdruck-Natriumdampflampe. Dieses Entladungsrohr umfaßt eine lichtdurchlässige Keramikröhre, die geeigneterweise aus durchscheinendem polykristallinem Aluminiumoxid oder klarem und durchsichtigem einkristallinem Aluminiumoxid besteht. Die Enden des Entladungsrohres sind durch Endverschlüsse verschlossen, die aus Keramikstopfen 2 und 2¹ aus Aluminiumoxid bestehen, durch die sich hermetisch abgedichtet Zuleitungsdrähte 3 aus Niob erstrecken, die die Elektroden tragen. Die Keramikstopfen werden mit Hilfe einer glasartigen Dichtungsmasse, die Aluminiumoxid und Kalziumoxid umfaßt und an Ort und Stelle geschmolzen wird, in die Enden des Entladungsrohres dicht eingelassen und in ähn-

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licher Weise werden die Niobleiter, die durch die Verschlußstopfen hindurchgehen, abgedichtet.

In Figur 1 ist nur die Elektrode am oberen Ende des Entladungsrohres gezeigt, doch ist die andere im wesentlichen identisch ausgebildet. Diese Elektrode umfaßt einen Wolframdraht 4, der spulenförmig in zwei übereinanderliegenden Schichten auf einen Wolframschaft gewickelt ist. Die äußere Schicht ist als dicht gewickelt gezeigt, doch können die Windungen der inneren Schicht Abstand voneinander haben und in den dadurch entstehenden Zwischenräumen kann elektronenemittierendes Material, geeigneterweise Ba₂CaWOg_xangeordnet sein. Das innere Ende des Zuleitungsdrahtes 3 ist unmittelbar nach Hindurchgehen durch das Loch im Stopfen 2 scharf in radialer Richtung gebogen und bildet eine ringartige Schlaufe 6, die in einem nach innen und unten gerichteten Portsatz endet, an den der Schaft 5 bei 7 angeschweißt ist. Diese Schlaufe 6, die für eine thermische Isolation zwischen der Elektrode und der Zuleitungsdichtung im Endstopfen sorgt, dient auch als Plattform, um den Keramikstopfen 2 zu tragen, bevor er eingeschmolzen wird, wie dies in der US-PS 3 992 642 beschrieben ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Abteil zum Zurückhalten des Amalgams an dem Ende des Entladungsrohres vorgesehen, wo der Wärmeausgleich den kalten Fleck lokalisiert, was in Figur 1 das obere Ende ist. Eine Metallscheibe 8, geeigneterweise aus Molybdän, bildet eine Trennwand, die im geringen Abstand von der Endwandung, d. h. der inneren Oberfläche des Keramikstopfens 2 angeordnet ist. Die Querabmessung des Rückhalteabteils, d. h. der Abstand zwischen der Endwand und der Trennwand liegt im Bereich der Kapillarkräfte für das Natriumamalgam, nämlich etwa 1 mm oder weniger, wobei ein bevorzugter Abstand etwa 0,6 mm beträgt. Die Zuleitung 3 aus Niob erstreckt sich durch die zentrale öffnung der Scheibe 8 und diese Scheibe sitzt auf der ringförmigen Schlaufe 6 auf. Ein Zwischendichtungsring 9, der die durch das Abteil verlaufende Zuleitung umgibt, dient als Abstandshalter zwischen der Trennwand und der Endwand. Dieser Abstandshalter

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besteht üblicherweise aus Niobdraht geeigneten Durchmessers für den erwünschten Abstand, d. h. es ist ein etwa 0,6 mm dicker Niobdraht, der zu einem Ring geformt wird.

Wenn der Endstopfen und die Elektrode zusammen mit der Trennscheibe 8 zum Einschmelzen in das Ende des Keramikrohres fertig sind, dann wird diese Baueinheit mittels eines nicht dargestellten leichten Kreuzstückes, das gerade oberhalb des Stopfens durch Punktschweißen an der Zuleitung 3 befestigt ist, im offenen Ende, des Rohres gehalten. Man ordnet die Dichtungsmasse auf dem Keramikstopfen an, geeigneterweise als eine Aufschlämmung und erhitzt das Ganze bis zur Schmelztemperatur der Dichtungsmasse oder Glasfritte. Die geschmolzene Masse wird durch Kapillarwirkung in den Spalt zwischen dem Keramikrohr und dem Stopfen und den zwischen dem Stopfen und der Zuleitung gezogen. Ein Teil von der geschmolzenen Dichtungsmasse mag mit der Außenkante der Trennscheibe in Berührung gelangen und sie beim Abkühlen an Ort und Stelle zumindest teilweise abdichten. Aus diesem Grunde sollte die Trennscheibe 8 dicht an die Aluminiumkeramik angepaßt sein. Wenn eine solche Anpassung nicht erfolgt ist, sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient der Trennscheibe vorzugsweise geringer sein als der der Aluminiumkeramik. In der vorliegenden Erfindung haben sich sowohl Niob als auch Molybdän als Material für die Trennscheibe als brauchbar erwiesen.

Vor dem Einschmelzen des zweiten Endverschlusses und der Elektrode in das Ende des Keramikrohres wird eine Menge Natriumamalgam in das Rohr gefüllt. Das Abdichten selbst wird dann in einem Gefäß ausgeführt, das das Inertgas enthält, das man als Zündgas in der fertigen Lampe benutzt. Das Inertgas befindet sich bei e£nem Druck, der zu dem gewünschten Druck in dem abgedichteten Entladungsrohr führt. Ein Teil des Entladungsrohres kann dabei gekühlt werden, um das Verdampfen des Amalgams zu vermeiden, während das Ende des Rohres, in das der Abschlußstopfen eingeschmolzen wird, elektrisch oder durch Strahlungsenergie erhitzt wird.

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Das in Figur 1 gezeigte Entladungsrohr wird üblicherweise dadurch zu einer Lampe verarbeitet/ daß man es innerhalb eines äußeren Glaskolbens montiert, der an einem Ende mit einem Schraubsockel versehen ist. Dieser äußere Kolben wird vor dem Abdichten entweder evakuiert oder mit einem inaktiven Gas gefüllt und er weist einen Fuß auf, durch den die Zuleitungen verlaufen, die auf der einen Seite mit den Elektroden des Entladungsrohres und auf der anderen Seite mit der Hülse und dem Endkontakt des Sockels verbunden sind. Eine vollständige Beschreibung einer solchen mit Außenkolben versehenen Lampe findet sich in der US-PS 4 034 252.

In einer universell brennenden Lampe gibt es keine Beschränkung hinsichtlich der Orientierung der Lampe mit Bezug auf eine Befestigung.

Da das Entladungsrohr mit Zuleitungsdrahtabdichtungen an beiden Enden symmetrisch ausgebildet ist, kann es hinsichtlich des Wärmeausgleiches leicht so ausgeführt werden, daß man den kalten Fleck an einem der Enden anordnet, das man dann in der Befestigung als unterstes Ende montiert.

In einem solchen Fall kann gemäß der vorliegenden Erfindung an jedem Lampenende eine Trennscheibe vorgesehen sein. Im Betrieb befindet sich die das Amalgam zurückhaltende Kammer an dem untersten Ende des Bogenrohres, was wirksam die Vibrationsempfindlichkeit vermindert. Die Lampe kann aber auch so gebaut werden, daß ein Ende entschieden heißer ist, so daß nur an diesem Ende ein Abteil für das Festhalten des Amalgams erforderlich ist.

Die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Verminderung der Empfindlichkeit gegenüber Schockeinwirkung oder Vibration ergibt sich leichtaus den Figuren 2 und 3, die den Spannungsanstieg vergleichen, der auftritt, wenn man den Sandfallschocktest der Lampen ausführt. Bei diesen Tests wurden Lampen benutzt, die an jedem Ende eine Zuleitungsdrahtabdichtung hatten und von denen einige die das Amalgam zurückhaltende

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Abteilung aufweisen,andere dagegen nicht. Die Lampen mit der das Amalgam zurückhaltenden Abteilung hatten einen Abstand der Zwischenwand vom Stopfen von etwa 0,6 mm und das Amalgam enthielt von 17 bis 25 Gew.-% Natrium.

Die bei den Tests benutzte Maschine umfaßt eine Fallplattform, die durch vertikale Schienen geführt ist und die eine variable Zahl von Holzblöcken an ihrer Unterseite aufweist, die in Sand in einem Behälter eindringen.

Die Größe und Dauer der Geschwindigkeitsverminderung sind durch die Fallhöhe und die Zahl der benutzten Blöcke bestimmt. Wurden bei diesen Tests zwei Blöcke benutzt, dann führte dies zu einer Verzögerung oder einer Schockdauer von 20 Millisekunden. Als Sand wurde ein in einem Darrofen getrockneter Siliziumdioxidsand mit einer Teilchengröße von etwa 0,4 bis etwa 0,6 mm benutzt und dieser Sand wurde hinsichtlich seiner Tiefe, Packung und seines Oberflächenzustandes sorgfältig in Übereinstimmung mit den Instruktionen des Herstellers der Maschine gehalten (Barry Corporation, Model 20 VI Shock Machine, Watertown, Mass.). Nach jedem Fallversuch wurde der Sand in vorgeschriebener Weise geharkt, sorgfältig glattgestrichen und die Plattform auf die Sandoberfläche abgesenkt, um den Nullpunkt neu einzustellen und die Glättung zu überprüfen. Danach stellte man die Plattform auf die gewünschte Fallhöhe ein.

Die Lampen wurden vertikal so auf der Plattform montiert, daß sich der kalte Fleck am obersten Ende befand. Für diese Tests wurden die Lampen mit einem Folienreflektor betrieben, der sich um die Basis herum befand, um das gesamte Material rasch im oberen Ende des Bogenrohres zu versammeln und die Lampen wurden vor jedem Fall mehrere Minuten lang im Betrieb restabilisiert. Die Fallhöhe wurde bei jedem Test bis zum Auftreten des Löschens erhöht. Eine beim Aufprall auftretende Spannungsänderung wurde mit üblichen Meßgeräten aufgezeichnet und die Ergebnisse sind in den Figuren 2 und 3 aufgetragen. Das Gewicht des in der Lampe vorhandenen Natriumamalgams ist am oberen Spannungsende jeder

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Kurve angegeben. Ein nach oben zeigender Pfeil am oberen Ende einer Spannungsanstiegskurve zeigt an, daß der Spannungsanstieg die Lampe zum Verlöschen brachte. Unvereinbarkeiten in den Kurven sind durch die Tatsache erklärbar, daß suspendierte oder eingefangene Amalgamtropfen hinsichtlich ihrer Form etwas instabil sind und daß sie nicht immer gleichmäßig auf Verschiebungskräfte ansprechen.

In Figur 2 ist ersichtlich, daß bei einer Menge von 50 mg Amalgam eine Beschleunigung von 7 g die Lampe zum Erlöschen bringt. Figur 3, in der die Ergebnisse mit einer erfindungsgemäßen Lampe mit das Amalgam zurückhaltendem Abteil gezeigt sind, läßt dagegen erkennen, daß unter Verwendung einer etwas größeren Menge von 55 mg Amalgam 15 g ausgehalten werden können, bevor die Lampe erlöscht.

Wird die Amalgammenge auf üblichere Mengen im Bereich von 35 mg bis 15 mg vermindert, dann tritt zwar in den üblichen Lampen eine Auslöschung auf, nicht aber in den erfindungsgemäßen Lampen mit dem das Amalgam zurückhaltenden Abteil.

Figur 3 zeigt, daß mit einer Menge von 15 mg Amalagam in einer erfindungsgemäßen Lampe der Spannungsanstieg selbst bei einer Beschleunigung von 25 g unbedeutend ist. Eine Beschleunigung dieser Größe übersteigt die in der Praxis auftretenden Beschleunigungen und würde, falls sie auftreten, wahrscheinlich die Befestigung zerstören, in der die Lampe montiert ist.

Daraus ergibt sich, daß die Anwendung des erfindungsgemäß eingesetzten das Amalgam zurückhaltenden Teils ein geeignetes und wirtschaftliches Mittel ist, um der Lampe eine größere Beständigkeit gegenüber Schockeinwirkung und Vibration bis zu einem Niveau zu verleihen, über das hinauszugehen keinen praktischen Nutzen ergibt.

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1. Ansprüche

   einem rohrförmigen langgestreckten Kolben aus einem lichtdurchlässigen Keramikmaterial/ in dessen gegenüberliegenden Enden ein Paar Elektroden abgestützt auf Zuleitungsdrähten angeordnet ist, wobei die Zuleitungsdrähte abgedichtet durch keramische Endverschlußstopfen verlaufen und
   einem ionisierbaren Medium, das ein Alkalimetallamalgam in einer Menge innerhalb des abgedichteten Kolbens enthält,
   die über die während des Lampenbetriebes verdampfte Menge
   hinausgeht, wobei der Wärmeausgleich in der Lampe den kalten Fleck an einem Ende des Kolbens lokalisiert,
   gekennzeichnet durch:

   ein das Amalgam zurückhaltendes Abteil am den kalten Fleck aufweisenden Ende des Kolbens, das als Reservoir für überschüssiges Amalgam dient, wobei dieses Abteil durch eine
   Metalltrennwand gebildet wird, die im wesentlichen die gleiche Ausdehnung hat wie der Endverschlußstopfen, von diesem jedoch in einem Abstand von der inneren Oberfläche des Endverschlußstopfens angeordnet ist, daß für das Amalgam noch

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   die Kapillarkräfte zwischen beiden wirksam sind.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen der Metalltrennwand und dem Endverschlußstopfen 1 mm oder weniger beträgt.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hnet, daß die Metalltrennwand eine dünne Metallscheibe mit einer zentralen öffnung ist, durch die sich der Zuleitungsdraht erstreckt,- der abgedichtet durch den Endverschlußstopfen verläuft, wobei der Zuleitungsdraht unmittelbar nach der öffnung zu einer ringförmigen Schleife gebogen ist, mit der die eine Seite der Scheibe in Berührung steht, während die andere Seite der Scheibe mittels einer Zwischenlagscheibe vom Endverschlußstopfen entfernt gehalten ist.
4. 4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheibe aus Niob oder Molybdän besteht.

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