DE9112690U1

DE9112690U1 - Hochdruckentladungslampe

Info

Publication number: DE9112690U1
Application number: DE9112690U
Authority: DE
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1991-10-11
Filing date: 1991-10-11
Publication date: 1991-12-05
Anticipated expiration: 2001-10-12
Also published as: JPH0744253U; HU64U; DE59204013D1; WO1993007638A1; HU214232B; CA2117260A1; JPH06511592A; US5484315A; CN1073801A; EP0607149A1; EP0536609A1; HU9200239V0; HUT66139A; JP3150341B2; KR100255426B1; HU9401009D0; US5352952A; EP0607149B1

Description

Patent-Treuhand-Gesell schaft

für elektrische Glühlampen mbH, München

Hochdruckentladungslampe

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

Es handelt sich hierbei um Metallhalogenid-Lampen. Üblicherweise besitzen sie einen Kolben aus Quarzglas. In letzter Zeit werden Anstrengungen unternommen, um bei diesen Lampen die Farbwiedergabe zu verbessern. Die dafür benötigten höheren Temperaturen werden durch Benutzung eines keramischen Entladungsgefäßes erreicht. Typische Leistungsstufen sind 100-250 W. Die Enden des rohrförmigen Entladungsgefäßes sind mit zylindrischen keramischen Endstopfen verschlossen, die mittig eine metallische Stromdurchführung aufweisen.

Keramische Entladungsgefäße und dafür entwickelte Einschmelztechniken sind von den Natriumhochdrucklampen her bekannt. Üblicherweise werden rohr- oder stiftförmige Durchführungen aus Niob verwendet (GB-PS 1 465 212 und EP-PS 34 113), die mittels Glaslot oder Schmelzkeramik in einen keramischen Endstopfen eingeschmolzen werden. Für Metallhalogenidlampen mit langer Lebensdauer und guter Farbwiedergabe sind diese Einschmelzungen jedoch nur bedingt geeignet, da die Metallhalogenid-Füllung

sowohl die Niob-Durchführung als auch die zur Abdichtung verwendete Schmelzkeramik stark korrodiert. In der EP-PS 136 505 wird eine Natriumhochdrucklampe beschrieben, bei der eine Niobrohrdurchführung aufgrund des Schrumpfungsprozesses einer "grünen" Al₂O,-Keramik direkt, also ohne Schmelzkeramik, dicht eingesintert wird. Dies ist gut möglich, weil beide Materialien in etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (8 &khgr; 10 K~ ) besitzen. Dadurch wird die Lebensdauer zwar verbessert, aber das Problem der Niob-Korrosion bleibt bei der Übertragung dieser Technik auf keramische Metallhalogenidlampen bestehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit verbesserter Farbwiedergabe und erhöhter Lichtausbeute zu schaffen, die die guten Lichtwerte auch über eine akzeptable Lebensdauer beibehält.

Diese Aufgabe wird durch eine Hochdrucklampe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Bei der Übertragung der bei Natriumdampflampen bekannten Durchführungstechnik auf Keramiklampen mit Metallhalogenidfüllungen müssen gleichzeitig zwei Probleme auf einmal gelöst werden: die Halogenide greifen sowohl die Schmelzkeramik als auch die Durchführung an. Letzteres ist deshalb so problematisch, weil nur sehr wenige Metalle einen in etwa an die Keramik angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen, insbesondere Niob und Tantal. Aber gerade diese Metalle werden durch die

Halogenide korrodiert. Sie können daher nur verwendet werden, wenn sie vor dem Angriff der Halogenide wirkungsvoll geschützt werden.

Die vorliegende Erfindung erreicht dies dadurch, daß die Metalle zu Durchführungen in Form an sich bekannter Stifte verarbeitet sind. Ihr Durchmesser ist vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm. Als wesentlich für die zuverlässige Dichtigkeit gegenüber dem Halogenid-Angriff hat sich herausgestellt, daß der Stift im Stopfen direkt, also ohne Schmelzkeramik, eingesintert wird, und daß gleichzeitig darauf geachtet wird, daß der Stift in der Bohrung des Stopfens zur Entladungsseite hin etwas zurückgezogen ist und so die Oberfläche des Stiftes durch die Wand der Bohrung geschützt wird. Erst die Kombination aller drei Merkmale sichert den gewünschten Erfolg. Dies wird durch die folgende Betrachtung verständlich.

Das direkte Einsintern von Durchführungen in Form dünner Stifte hat gegenüber dem Einsintern von Rohren den Vorteil, daß Dehnungsunterschiede zwischen Keramikstopfen und metallischer Durchführung klein gehalten werden können. Bei einer Einschmelzung spielt dieser Aspekt keine Rolle, da die Schmelzkeramik bei den relativ kleinen Dehnungsunterschieden (einige Prozent) die Dichtung gewährleistet. Bei einer Direkteinsinterung wird auch ein kleiner Dehnungsunterschied bereits zum Problem und die Dichtung muß durch andere Kniffe erreicht werden. Aus diesem Grunde wurden - bei Natriumdampflampen - bisher nur rohrförmige Durchführungen verwendet, wenn Direkteinsinterungen vorgesehen waren. Denn die Spannungen aufgrund der Dehnungsunterschiede werden durch die Elastizität des Rohres aufgefangen.

Technisch machbar sind jedoch nur Rohre mit einem Durchmesser von mindestens 2 mm; typische Werte liegen bei 4 mm.

Die bei Stiften fehlende Elastizität ließ entsprechende Versuche mit ähnlich dimensionierten Stiften von vornherein als untauglich erscheinen und führte eher dazu, nach Modifizierungen der rohrförmigen Durchführungstechnik zu suchen.

Als besonders vielversprechend erscheint hierzu, die Durchführung dem Zugriff des Halogens zu entziehen, indem man sie vertieft in die axiale Bohrung des Stopfens einsetzt. Doch auch damit ließen sich keine voll befriedigenden Resultate erzielen, weil die einzig verbleibende Angriffsfläche für Halogenide bei Rohren - nämlich die Stirnfläche am Boden des Rohres, an der der Elektrodenschaft befestigt ist - zwangsläufig wegen der technisch bedingten Untergrenze für die Herstellung zu groß ist. Die Lebensdauer derartiger Lampen beschränkte sich auf 200 Std.

Entsprechende Versuche mit Stiften in der bisher bekannten Einschmelztechnik scheiterten am Korrosionsproblem. Überraschenderweise konnte daran auch ein vertieftes Einsetzen in die Bohrung nichts ändern.

Diese Schwierigkeiten nehmen paradoxerweise sogar zu, wenn man den Durchmesser des Stiftes verringert, was an sich wünschenswert wäre, um den Absolutwert des Ausdehnungsunterschiedes zu verkleinern. Der Durchmesser des Durchführungsstiftes erreicht dabei die Größenordnung des Elektrodenschaftes.

Als Ursache hat sich herausgestellt, daß bei der Einfüllung der Schmelzkeramik diese nicht nur, wie eigentlich gewünscht, bis zum entladungsseitigen Ende des Stiftes herabfließt, sondern durch Kapillarkräfte auch in den am entladungsseitigen Ende der Bohrung vorhandenen ringförmigen Spalt zwischen Bohrung und Elektrodenschaft hineingesaugt wird. Diese Konstellation führt dann beim Abkühlen aufgrund der Fehlanpassung zwischen Keramikstopfen, Schmelzkeramik und Elektrodenschaft - letzterer ist üblicherweise aus hochschmelzendem Material, insbesondere Wolfram, dessen Ausdehnungskoeffzient ca. 50 % kleiner als der der Keramik ist - unvermeidlich zu Sprüngen in der Schmelzkeramik und schließlieh auch im Stopfen selbst, was zu Frühausfällen der Entladungsgefäße führt.

In dieser Situation hat es sich als besonders glücklicher Umstand erwiesen, daß die natürliche Untergrenze für den Durchmesser eines Durchführungsstiftes lediglich durch den aus Gründen der Strombelastung festgelegten Durchmesser des Elektrodenschafts vorgegeben ist. Bei derart kleinen Durchmessern (ca. 0,5-1,0 mm) gewinnt der Umstand, daß der Absolutwert des Ausdehnungsunterschiedes zwischen Durchführung und Keramikstopfen sehr klein wird, entscheidende Bedeutung, so daß unter diesen Umständen eine Direkteinsinterung auch von Stiften als erfolgversprechend erscheint.

Diese Technik unterscheidet sich also grundlegend von einer Direkteinsinterung von Rohren, weil bei entsprechend kleinen Stiften die von den Rohren her bekannten Spannungen erst gar nicht auftreten.

Ein weiterer Vorteil ist, daß durch eine Anpassung des Durchmessers des Durchführungsstiftes an den des Elektrodenschaftes die Stirnfläche des Stiftes - im Gegensatz zu der eines Rohres - optimal abgedeckt werden kann. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der Durchmesser des Stiftes geringfügig größer, insbesondere um 5 bis 10 %, als der des Schaftes gewählt wird. Der Elektrodenschaft ist am Stiftende stumpf angeschweißt. Bei einer größeren Differenz zwischen diesen beiden Durchmessern wird der Absolutwert des thermischen Ausdehnungsunterschieds im Hinblick auf die Keramik zu groß und die Lebensdauer der Lampe verschlechtert sich durch Undichtigkeit. Bei einer kleineren Differenz oder sogar gleich großen Durchmessern, entsprechend einer optimalen Abdeckung der Stirnfläche des Stiftes, würde die Stopfenwand in gleichem Maße an dem im thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut angepaßten Durchführungsstift (insbes. aus Niob) und an dem in dieser Hinsicht völlig fehlangepaßten Elektrodenschaft (insbes. aus Wolfram) ansintern. Beim Abkühlungsprozeß würden daher unvermeidlich Risse in der Keramik auftreten.

Neben einem genau fluchtenden und mittigen Sitz der beiden stiftartigen Teile (Durchführungsstift und Elektrodenschaft) relativ zueinander ist bei diesen geringen Unterschieden zwischen den Durchmessern eine weitere grundlegende Voraussetzung, daß der für die Direkteinsinterung verwendete Schrumpfungsprozeß der grünen Stopfenkeramik so genau beherrscht und gesteuert wird, daß ein Ansintern am Elektrodenschaft vermieden wird. Dies erfolgt z.B. durch die geeignete Auswahl der Korngröße des Sintermaterials.

Bei diesen Abmessungen wird die Angriffsmöglichkeit der Halogenidfüllung am Durchführungsstift auf eine sehr schmale ringförmige Zone an der entladungsseitigen Endfläche des Stifts beschränkt und die Dichtheit der Einsinterung bleibt gewährleistet.

Bei der Direkteinsinterung, die im wesentlichen ähnlich wie in der EP-PS 136 505 beschrieben abläuft, wird der "Grünkörper" des Endstopfens erst mit dem Durchführungssystem bestückt und dann dem Sinterprozeß unterworfen, bei dem der Endstopfen auf den Niobstift aufschrumpft. Hierbei werden Temperaturen von ca. 1850 ⁰C bei einem Druck von

-4
10 mbar erreicht.

Als unangenehm hat sich dabei erwiesen, daß eine diesen Bedingungen ausgesetzte Niobdurchführung abdampft, da Niob bei Sinterbedingungen schon einen nennenswerten Dampfdruck aufweist. Dies hat zur Folge, daß das Entladungsgefäß während des Sintervorgangs außen vergraut, was die Lichtausbeute verringert.

Um diesem Problem abzuhelfen, ist es vorteilhaft, wenn - zumindest während des Sinterns - der außen überstehende Teil des Niobstifts mit einem Schutzmantel umgeben wird. Dabei handelt es sich um eine Hülse aus Keramik o.a., die den äußeren Teil des Niobstifts umgibt. Die Hülse kann anschließend wieder entfernt werden. Sie kann jedoch auch dauerhaft montiert sein, wobei sie vorteilhaft in einer Vertiefung des Endstopfens fixiert ist. Sie dient dann vorteilhaft gleichzeitig als Stütze für die Durchführung, da diese beim Sinterprozeß etwas versprödet. Die Stütze beugt der Gefahr eines

Bruchs vor, wenn die äußere elektrische Zuleitung an der Durchführung befestigt wird.

Eine besonders elegante Lösung wird dadurch erzielt, daß der Stift im Endstopfen vollständig, also an beiden Enden, versenkt angeordnet ist, wobei vom Niobstift aus ein Verbindungsteil zur äußeren Zuleitung im Volumen des Außenkolbens führt. Dieses Verbindungsteil, das vorteilhaft ebenfalls aus Wolfram besteht, das der Versprödung beim Sintern widersteht, ist ebenso wie der Elektrodenschaft stumpf an den Stift angeschweißt. Beide Nahtstellen befinden sich noch innerhalb des Endstopfens. Die Bohrung im Endstopfen besitzt im Prinzip einen konstanten Durchmesser, der dem des Niobstifts angepaßt ist. Bei dieser Anordnung ist der Niobstift bestmöglich abgeschirmt. Dies gilt sowohl für einen Angriff von innen her durch die Füllung als auch für einen Austritt des Niobs in das Außenvolumen, der zur Vergrauung führen könnte.

Vorteilhaft beträgt die Länge des versenkten Niobstifts etwa 80 % der Höhe des Keramikstopfens, so daß einerseits eine möglichst lange Dichtungsstrecke verwirklicht wird, während die Vorteile der Versenkung (Schutzwirkung gegen Korrosion und Vergrauung) noch voll zum Tragen kommen. Dem entspricht eine Länge des versenkt angeordneten Abschnitts des Elektrodenschaftes von etwa 10 %.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine Metallhalogenidentladungslampe, teilweise geschnitten

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Einschmelzbereichs der Lampe, teilweise im Schnitt

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Einschmelzbereichs der Lampe, teilweise im Schnitt

In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidentladungslampe mit einer Leistung von 150 W dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden zylindrischen Außenkolben 1 aus Quarzglas, der zweiseitig gequetscht 2 und gesockelt 3 ist. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus Al₂O,-Keramik ist in der Mitte 5 ausgebaucht und besitzt 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 aus Molybdän sind mit stiftförmigen Durchführungen 9, die jeweils in einem Endstopfen 10 des Entladungsgefäßes direkt eingesintert sind, verschweißt.

Die beiden Durchführungen 9 aus Niob haltern entladungsseitig jeweils Elektroden 11, bestehend aus einem Elektrodenschaft 12 aus Wolfram und einer am entladungsseitigen Ende ausgebildeten kugelförmigen Spitze 13. Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem inerten Zündgas, z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden.

In dieser Ausführung reicht der Elektrodenschaft 12 bis in die Bohrung 14 im Endstopfen 10 hinein, weil der Niobstift 9 in der Bohrung entladungsseitig vertieft eingesetzt ist. Andererseits steht der

Niobstift 9 am äußeren Ende des Endstopfens über und ist direkt mit der Stromzuführung 7 verbunden.

In Figur 2 ist der Einschmelzbereich an einem Ende des Entladungsgefäßes im Detail für ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Entladungsgefäß hat an seinen beiden Enden 6 eine Wandungsdicke von

1.2 mm. Der zylindrische Stopfen 10 aus Al₇O_x-Keramik, der in das Ende 6 des Entladungsgefäßes eingesetzt ist, hat einen Außendurchmesser von

3.3 mm bei einer Höhe von 6 mm. In die axiale Bohrung 14 des Stopfens ist als Durchführung ein Niobstift 9 mit einer Länge von 12 mm und einem Durchmesser von 0,6 mm eingepaßt. Der Elektrodenschaft 12 (Durchmesser 0,55 mm) ist an der Nahtstelle 15 stumpf angeschweißt.

Der äußere Abschnitt 16 des Niobstifts ist von einer keramischen Hülse 18 eng umgeben. Zur besseren Halterung ist die Bohrung am entladungsfernen Ende 17 des Endstopfens aufgeweitet. In diesen vergrößerten Bohrungsabschnitt 19 ist die Hülse 18 eingesetzt und wird dadurch fixiert, daß an dieser Stelle ein Glaslot 20 hinzugefügt ist. Die Hülse beugt der Vergrauung vor und stabilisiert den Niobstift, der durch das Sintern versprödet.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeigt Figur 3. Der Niobstift 21, der eine Länge von 5 mm bei einem Durchmesser von 0,8 mm besitzt, ist in der Öffnung 14 beidseitig versenkt angeordnet. Der Elektrodenschaft 12 aus Wolframdraht besitzt einen Durchmesser von 0,75 mm und eine Länge von 7 mm. Er reicht 0,5 mm tief in die Öffnung 14 hinein. An der entladungsfernen Seite 17 des Endstopfens 10 ist

ebenfalls ein Wolframdraht als Verbindungsteil 22 zur äußeren Stromzuführung stumpf angeschweißt. Das Verbindungsteil 22 besitzt ebenfalls einen Drahtdurchmesser von 0,75 mm; es hat eine Länge von 11 mm. Auch die Nahtstelle 23 zwischen Verbindungsteil und Durchführung ist etwa 0,5 mm tief in der axialen Öffnung 14 des Endstopfens angeordnet. Auf diese Weise lassen sich Metallhalogenidlampen mit langer Lebensdauer (ca. 1500 Std.) besonders einfach und kostengünstig herstellen.

Die hier beschriebene Einsinterungstechnik läßt sich im Prinzip nur für beide Enden des Entladungsgefäßes gleichzeitig anwenden. Dabei wird zunächst ein komplettes Elektrodensystem - bestehend aus Elektrode, Durchführung und Endstopfen - in das erste Ende des Entladungsgefäßes ohne Glaslot oder Schmelzkeramik direkt eingesintert. Das Entladungsgefäß wird durch das zweite, noch offene Ende des Entladungsgefäßes evakuiert und mit der Füllung versehen. Anschließend wird ein Stopfen mit bereits fertig eingesintertem Elektrodensystem in das offene Ende eingesetzt und der Stopfen zur Wandung des Entladungsgefäßes hin mittels Glaslot oder Schmelzkeramik abgedichtet. Auf den ersten Blick scheint dadurch der Vorteil der glaslotfreien Einschmelzung der Durchführungen wieder verspielt zu werden, da ja das Glaslot durch die Halogenide angegriffen werden kann. Es ist jedoch zu bedenken, daß die Reaktionsfreudigkeit des Glaslots entscheidend von den Temperaturverhältnissen abhängt; sie läßt sich durch ein Exponentialgesetz beschreiben. Da die Betriebstemperaturen an der Durchführung wesentlich höher (typisch 1100 ⁰C) sind als in der Nähe der Wandung des Entladungsgefäßes

(ca. 900 ⁰C), ist im letzteren Fall die Glaslotabdichtung einer erheblich geringeren Belastung ausgesetzt, so daß die Lebensdauer der Lampe, im Vergleich zu einer glaslotfreien Abdichtung dadurch kaum beeinträchtigt wird.

Eine Alternative zu diesem Verfahren besteht darin, daß das Entladungsgefäß an seiner Seitenwand oder im Stopfen eine zusätzliche Bohrung aufweist. Die beiden Enden werden zunächst glaslotfrei mit Elektrodensystemen bestückt und durch direkte Einsinterung verschlossen. Die zusätzliche Bohrung wird nun zum Evakuieren und Füllen des Entladungsgefäßes verwendet und dann mit einer hochschmelzenden Keramik abgedichtet. Die Bohrung mit der Schmelzkeramik wird nachträglich durch Erwärmen verschlossen.

Eine Möglichkeit zur gezielten Erwärmung der zusätzlichen Bohrung ist die lokale Erhitzung mittels eines fokussierten Laserstrahls. Diese Technik eignet sich bevorzugt bei der Verwendung einer Hülse (Fig. 2), da ein Kontakt zwischen Wolframstift und Glaslot vermieden werden sollte. Das Einschmelzen beim Befestigen der Hülse und das Abdichten der Füll-Bohrung kann vorteilhaft in einem Schritt erfolgen.

Claims

- 13 Schutzansprüche

1. Hochdruckentladungslampe mit einem keramischen Entladungsgefäß (4), das eine ionisierbare halogenhaltige Füllung enthält und das zwei Enden (6) besitzt, wobei zumindest ein Ende durch einen keramischen.Endstopfen (10) mit axialer Bohrung (14) verschlossen ist, in der als Stromdurchführung ein Stift (9; 21) aus Niob oder einem niobähnlichen Metall angeordnet ist, an dessen innerem Ende eine Elektrode mit einem Schaft (12) aus Wolfram befestigt ist und dessen äußeres Ende mit einer elektrischen Zuleitung (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (9; 21) gasdicht direkt in den Endstopfen (10) eingesintert ist, wobei der Stift (9) entladungsseitig vertieft in die Bohrung des Endstopfens eingesetzt ist.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (9) am entladungsfernen Ende (17) des Endstopfens übersteht und von einer Hülse (18) umgeben ist.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (18) aus Keramik besteht.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (21) an den beiden Enden des Endstopfens (10) vertieft in dessen Bohrung (14) eingesetzt ist.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stift (21) und äußerer Zuleitung (7) ein Verbindungsteil (22) aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, der über der

Sintertemperatur des Endstopfens liegt, angeordnet ist.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stiftes (9) geringfügig größer als der Durchmesser des Schaftes (12) und evtl. des Verbindungsteils (22) ist.

7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stiftes 5-10 % größer als der Durchmesser des Schaftes ist.

8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des innerhalb des Endstopfens liegenden Abschnitts des Schaftes etwa 10 % der Höhe des Endstopfens beträgt.

9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Stiftes etwa 0,5 bis 1,0 mm beträgt.

10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenschaft (12) und evtl. auch das Verbindungsteil (22) mittels einer Stumpfschweißung an dem Stift (9) befestigt ist.