DE1220039B - Elektrische Metalldampflampe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. Cl.:

HOIj

Deutsche Kl.: 2If-82/01

Nummer: 1220 039

Aktenzeichen: G 30274 VIII c/21 f

Anmeldetag: 12. August 1960

Auslegetag: 30. Juni 1966

Die Erfindung betrifft eine elektrische Metalldampflampe mit einem länglichen, rohrförmigen Kolben aus gesintertem lichtdurchlässigem Aluminiumoxyd hoher Dichte und einem Schmelzpunkt nicht unter 1925° C, in dessen Enden zwei Elektroden vakuumdicht eingeschlossen sind und der einen chemisch aktiven Metalldampf enthält.

Die bekannten Metalldampflampen enthalten als Füllung im allgemeinen Quecksilber oder Natrium. Es sind auch bereits Lampen bekannt, bei denen die Entladung von Dämpfen des Kadmiums, Thalliums und Zinks oder der Alkalimetalle Kalium und Caesium getragen wird. Die Hauptschwierigkeit bei Lampen, die Dämpfe der Alkalimetalle der Gruppe IA des Periodischen Systems, nämlich Natrium, Kalium, Rubidium oder Caesium enthalten, besteht darin, daß das Kolbenmaterial dem Angriff der Metalldämpfe bei den hohen für ein wirtschaftliches Arbeiten erforderlichen Temperaturen nicht standhält. Die Dämpfe dieser Metalle greifen Glas und Quarz stark an und verursachen bei den Temperaturen, die zur Erzielung einer guten Lichtausbeute erforderlich sind, eine schnelle Schwärzung. Caesium würde sich an sich besonders gut eignen, da die spektrale Emission bei geeigneter Anregung im sichtbaren und infraroten Spektralbereich liegt und im sichtbaren Spektralbereich außerdem ein sehr starkes Kontinuum vorhanden ist. Caesium greift jedoch schon bei Temperaturen von ein paar hundert Grad Celsius, z. B. 500° C, Glas und Quarz sehr stark an und schwärzt den Kolben in wenigen Minuten.

Bei manchen Metalldampflampen können auch die Elektroden oder Einschmelzungen den für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlichen Temperaturen nicht standhalten. Dies gilt vor allem für Quecksilberhochdrucklampen, deren Elektroden und Kolbenenden einschließlich der Einschmelzungen verhältnismäßig hohen Temperaturen standhalten müssen, da anderenfalls der Dampfdruck infolge einer Kondensation des Quecksilbers in kühleren Bereichen des Kolbens absinkt und die Betriebseigenschaften darunter leiden. Die Grenze der Temperatur der Einschmelzungen ist im allgemeinen durch den Beginn der Oxydation der aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Einführungsleiter bestimmt. Man kann zwar in höhere Temperaturbereiche vorstoßen, wenn man die Lampe oder das Entladungsgefäß in einen Kolben einschließt, der eine inerte und nicht oxydierende Atmosphäre enthält, der Aufbau der Lampe wird jedoch dadurch komplizierter, und die Kosten steigen.
Es ist auch schon bekannt, für Metalldampfent-Elektrische Metalldampflampe

Anmelder:

General Electric Company,

Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,

Patentanwälte, München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Kurt Schmidt, Cleveland, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. August 1959 (836 200)

ladungslampen Kolben aus stark durchscheinendem Aluminiumoxyd (Sinterkorund), Berylliumoxyd, Magnesiumoxyd, Thoroxyd, Zirkonoxyd, anderen Oxyden der seltenen Erden, sowie Calciumoxyd zu verwenden (deutsche Patentschrift 679 062). Weiterhin ist ein elektrisches Entladungsgefäß aus keramischem Werkstoff bekannt, insbesondere für eine Elektronenröhre, dessen Wandung aus einem keramischen Rohr, das über seine Länge den gleichen Querschnitt besitzt und aus zwei keramischen Abschlußplatten besteht, die sich im wesentlichen senkrecht zur Rohrachse erstrecken und auf die Enden des Rohres aufgelegt und vakuumdicht mit ihm verbunden sind (deutsche Patentschrift 762 234).

Schließlich ist eine elektrische Natriumdampfentladungslampe bekannt, die im Inneren Isolierstoffkörper, etwa Isolierstoffröhrchen, -stäbe oder -platten enthält, die aus einem gesinterten Gemisch von 60 bis 95% Magnesiumoxyd und 5 bis 40% Aluminiumoxyd bestehen, welch letzteres ganz oder teilweise durch Berylliumoxyd und/oder Zirkonoxyd ersetzt werden kann.

Der Stand der Technik hat es bisher nicht ermöglicht, Metalldampflampen zu bauen, die bei befriedigendem Nutzeffekt eine ausreichende Lebensdauer besaßen.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Metalldampflampe, insbesondere eine Caesiumdampflampe, anzugeben, die sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet und im sichtbaren Spektralbereich eine starke kontinuierliche

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Strahlung liefert. Gleichzeitig soll die Lampe eine lange Lebensdauer haben und nur wenig zur Kolbenschwärzung neigen. Sie soll schließlich auch einfach im Aufbau sein und preiswert hergestellt werden können.

Die Ziele der Erfindung werden bei einer elektrischen Metalldampflampe mit einem länglichen, rohrförmigen Kolben aus gesintertem, lichtdurchlässigem Aluminiumoxyd hoher Dichte und einem Schmelzpunkt nicht unter 1925° C, in dessen Enden zwei Elektroden vakuumdicht eingeschmolzen sind und der einen chemisch aktiven Metalldampf enthält, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das in Kubikzentimeter gerechnete Volumen des Kolbens 1/200 bis 1/900 der in Watt gerechneten Nennbelastung beträgt, die eine Betriebstemperatur des Lampenkolbens zwischen 1000 und 1925° C bei positiver Strom-Spannungs-Kennlinie ergibt, und daß der Betriebsdruck der Metalldampffüllung zwischen 10 und 800 Torr liegt, entsprechend einer Betriebstemperatur zwischen 350 und 700° C an dem Ort tiefster Temperatur an den Enden des Kolbens.

Bei einer Ausführungsform der Lampe nach der Erfindung sind die Enden des Lampenkolbens mit Endkappen aus Metall, die die Elektroden tragen, vakuumdicht verbunden. Diese Konstruktion ermöglicht die angestrebten Temperaturverhältnisse mit einfachen Mitteln zu realisieren und kann außerdem wirtschaftlich gefertigt werden.

Der Kolben kann als ionisierbare Füllung ein Inertgas und eine bestimmte Menge Caesium „enthalten, die so bemessen ist, daß sie im Betrieb vollständig verdampft und einen Caesiumdampfdruck zwischen 10 und 800 Torr bei einer Lichtausbeute zwischen 35 und 50 Im/W ergibt.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Lampe nach der Erfindung wird die eine Endkappe von einem Metallröhrchen durchsetzt, das einen Ansatz bildet, der sich über die Kolbenenden nach außen erstreckt und einen Vorrat an Caesium enthält, der mit dem Kolbeninneren in Verbindung steht. Die ionisierbare Füllung kann dabei aus Xenon mit Caesiumdampf bestehen, wobei die Entladungsbelastung ungefähr 450 Wcm~³, die Betriebstemperatur des Kolbens ungefähr 1000° C, die Temperatur des Ansatzes ungefähr 500° C und der Caesiumdampfdruck im Betrieb dementsprechend etwa 100 Torr betragen.

Eine Lampe gemäß der Erfindung läßt sich mit Betriebstemperaturen bis zu 1600° C und einer Füllung, die Dämpfe der Alkalimetalle Natrium, Kalium, Rubidium und Caesium enthält, für lange Zeiten betreiben, ohne daß eine störende Kolbenschwärzung auftritt. Die Füllung kann auch Dämpfe der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium und Dämpfe des Kadmiums, Zinks und Thalliums enthalten.

Es wurde ferner gefunden, daß die Fähigkeit der Elektroden und Einschmelzungen, hohen Temperaturen standzuhalten, bei Verwendung von Caesiumdampf in der Füllung keinen begrenzenden Faktor für die Lampe gemäß der Erfindung darstellt. Wenn es auch zweckmäßig ist, mit einer sehr hohen Entladungstemperatur zu arbeiten und den die Entladung direkt umschließenden Kolbenteil bei Temperaturen von etwa 1000 bis etwa 1600° C zu betreiben, so benötigt man doch diese hohen Temperaturen nicht an den Einschmelzungen. Ganz unerwarteterweise hat sich sogar gezeigt, daß das Maximum des Wirkungsgrades bei einem verhältnismäßig niedrigen Wert des Caesiumdampfdruckes liegt und daß die Kondensation von Caesium entweder an den Einschmelzungen oder in einer sich über die Einschmelzungen nach außen erstreckenden Kammer, in der eine noch niedrigere Temperatur herrscht, wünschenswert ist.

Die Erfindung soll nun an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Caesiumdampflampe mit einem Kolben aus gesintertem, polykristallinem Aluminiumoxyd und

F i g. 2 zeigt in einem Diagramm die Kennlinie der Lampe nach F i g. 1

Die in F i g. 1 dargestellte Lampe enthält einen rohrförmigen Kolben! aus gesintertem, lichtdurchlässigem und polykristallinem Aluminiumoxyd. Das Material des Kolbens besteht zu einem sehr hohen Prozentsatz nämlich über 99,5% aus Al₂O₃, die Lichtdurchlässigkeit ist ausgezeichnet, nämlich über 95%, obwohl das Material nur durchscheinend und nicht klar wie Glas ist. Die Enden des Kolbens 1 sind mit Metallkappen 2, 3 verschlossen, die aus einer Chromnickel-Eisen-Legierung mit hohem Schmelzpunkt bestehen und deren Ausdehnungskoeffizient sich wenig von dem des Aluminiumoxyds unterscheidet. Die Enden des Al₂O₃-Rohres 1

sind zu diesem Zweck mit dünnen nicht gezeichneten Titanscheiben metallisiert, die ein Anbringen der Abschlußkappen ermöglichen. An den Außenflächen der Kappen 2, 3 sind Stützringe 4, 5 in Form von kurzen Rohrstücken desselben Durchmessers und derselben Wanddicke wie das Rohr 1 befestigt, die entsprechenden Flächen der Keramikringe sind hierfür wieder mit Titan metallisiert. Die Ringe 4, 5 dienen dazu, die zwischen den Metallkappen 2, 3 und den mit diesen verbundenen Keramikteilen auftretenden Spannungen, die bei den in Betrieb auftretenden Temperaturen entstehen können, symmetrisch zu machen.

Das Ansetzen der Abschlußkappen erfolgt im Vakuum oder in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre. Um die Endkappe 2 und den Ausgleichsring 4 am einen Ende des Keramikrohres 1 zu befestigen, bringt man diese Teile in folgender Anordnung in einen Vakuumofen: Rohrl, eine erste Ringscheibe aus Titan, die Abschlußkappe 2 aus der Chromnickel-Eisen-Legierung, eine zweite Ringscheibe aus Titan und schließlich der Ausgleichsring 4. Die Teile werden zusammengepreßt, der Ofen wird dann entweder evakuiert oder mit einem reduzierenden oder inerten Gas gefüllt, und die Temperatur wird dann auf ungefähr 955° C gebracht.

In dem mittleren, ausgebuchteten Teil 6 der Kappe 2 am einen Ende der Lampe befindet sich ein Loch, in dem ein Röhrchen 7 aus Edelstahl liegt. Das Röhrchen 7 ist vakuumdicht in das Loch der Kappe 2 eingesetzt und trägt am inneren Ende eine Kathode 9 aus einem doppelt gewickelten Wolframdraht, die Zwischenräume sind dabei· mit einem Aktivierungsmaterial, etwa den Oxyden der Erdalkalimetalle einschließlich Bariumoxyd "gefüllt. Die die Kathode bildenden Wolframwendeln sind auf einen Wolframschaft 10 gewickelt, der in das Ende des Röhrchens 7 eingeschweißt ist. Die Elektrode 11 am anderen Ende des Rohres wird von einem kurzen

Rohrstück 12 aus Edelstahl getragen, das in eine mittige Ausbuchtung 13 der Endkappe 3 eingeschweißt ist; die Endkappe 3 an diesem Ende des Rohres ist nicht durchbrochen.

Das Röhrchen 7 dient zum Evakuieren und anschließenden Füllen der Lampe mit einem ionisierbaren Medium einschließlich eines inerten Zündgases, wie Xenon und etwas Caesium. Das Caesiummetall kann in einer Glasampulle eingeschmolzen sein, die in einen nicht dargestellten, erweiterten Teil des dünnwandigen Röhrchens 7 eingebracht wird und dessen äußeres Ende dann durch Abquetschen verschlossen wird. Anschließend zerbricht man die Ampulle durch Quetschen des Edelstahlröhrchens an seinem erweiterten Teil, und der Inhalt der Ampulle kann dann durch Erhitzen in den Aluminiumoxydkolben 1 ausgetrieben werden. Eine seitliche ÖfEnung 14 stellt die Verbindung von dem Röhrchen 7 in das Innere des Kolbens 1 her.

Das Röhrchen 7 kann dann ein zweites Mal näher ao an der Scheibe 2 zusammengequetscht werden. Der erweiterte Teil des Röhrchens, der die Bruchstücke der Ampulle enthält, wird entfernt, die Lampe hat dann das in F i g. 1 dargestellte Aussehen.

Wegen der niedrigen Austrittsarbeit des Caesiums (0,7 bis 1,36 V) kann an Stelle der dargestellten Elektrode auch ein einfacher Wolframstab, der vorzugsweise thoriert ist, verwendet werden.

Das herausstehende, abgequetschte Stück des Edelstahlröhrchens 7 dient bei der Lampe nach der Erfindung als Mittel zur Steuerung des Caesiumdampfdruckes, die Länge wird hierfür so bemessen, daß es im Betrieb diejenige Temperatur annimmt, die nötig ist, um den optimalen Caesiumdampfdruck im Kolben aufrechtzuerhalten, der geringer ist, als der Sättigungsdampfdruck, der der Betriebstemperatur im Mittelteil des Aluminiumoxydkolbens entspricht. Der Mittelteil des Kolbens 1 kann bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1600° C betrieben werden, wenn man Wert auf eine verhältnismäßig lange Lebensdauer legt, oder bei höheren Temperaturen bis nahe unterhalb des Schmelzpunkts des Aluminiumoxyds bei etwa 1925° C, wenn die Lebensdauer kürzer sein darf. Der Dampfdruck des Caesiums soll im Betrieb etwa in einem Bereich von 10 bis 800 Torr liegen, dies entspricht Temperaturen des herausstehenden Röhrchenteiles im Bereich von etwa 350 bis 700° C. Die Volumenbelastung liegt im Bereich von 200 bis 900 W/cm³, und man erreicht eine Lichtausbeute zwischen etwa 35 und 50 Im/W.

Bei einer der F i g. 1 entsprechenden praktischen Ausführungsform hatte der rohrförmige Aluminiumoxydkolben einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Gesamtlänge von 10 cm, der Abstand zwischen den Elektrodenspitzen betrug etwa 5,5 cm und das aktive Volumen des Entladungsraums etwa 1,55 cm³. Die Länge des sich über die Endkappe 2 nach außen erstreckenden Stückes des Edelstahlröhrchens 7 betrug ungefähr 1 cm. Die Lampe war mit einem inerten Zündgas (Xenon) bei einem Druck von ungefähr 20 Torr bei Zimmertemperatur und mit einem Überschuß an Caesium gefüllt, so daß auch im Betrieb unverdampftes Caesium vorhanden ist. Die Lampe wurde mit Wechselstrom betrieben, die Bogenspannung betrug 42,1V und derEntladungsstroml8,l A, was einer Belastung von ungefähr 700 W entspricht, die Volumenbelastung betrug dabei etwa 450 W/cm³. Unter diesen Voraussetzungen betrug die Temperatur des Kolbens in der Mitte zwischen den Elektroden ungefähr 1000° C und die Temperatur des herausstehenden Röhrchenteiles 7 etwa 500° C, so daß sich ein entsprechender Caesiumdampfdruck von ungefähr 100 Torr einstellte. Im Betrieb zeigte die Lampe eine positive Stromspannungskennlinie, wie Fig. 2 zeigt, der Wirkungsgrad betrug etwa 451m/W. Ein Maximum des Wirkungsgrades ergab sich bei einer Temperatur des Röhrchenansatzes 7 zwischen 400 und 600° C, entsprechend einem Caesiumdampfdruck zwischen 20 und 350 Torr.

Die Ziele der Erfindung können auch dadurch erreicht werden, daß der Lampenkolben mit einer genau abgemessenen Menge Caesium gefüllt wird, die während des Betriebes vollständig verdampft und einen Caesiumdampfdruck zwischen 10 und 800 Torr ergibt. In diesem Fall ist dann eine besondere Steuerung der Temperatur der Lampenenden nicht erforderlich, und die zur Regelung des Dampfdruckes vorgesehene Verlängerung des Innenraumes durch den vorstehenden Ansatz 7 kann entfallen. Die Lampe arbeitet dann mit konstanter Dampfdichte und nicht mehr mit konstantem Dampfdruck, und der Caesiumdampfdruck liegt im Betrieb normalerweise unterhalb des Sättigungswertes. Die Volumenbelastung und der Dampfdruck bleiben jedoch in den oben angegebenen Grenzen.

Ein unerwarteter Vorteil der Lampe gemäß der Erfindung ergibt sich aus der gefundenen Tatsache, daß das Optimum des Wirkungsgrades bei verhältnismäßig niedrigen Caesiumdampfdrücken liegt, so daß die Enden der Lampe im Betrieb nicht auf Temperaturen gehalten werden müssen, die in der Größenordnung der Betriebstemperaturen des Mittelteils der Lampe liegen, der die Entladung umschließt. Die Temperaturen der Endkappen wurden mit etwa 400 bis 800° C gemessen. Diese Temperatur liegt oberhalb der Temperatur des röhrchenförmigen Ansatzes 7, so daß der Caesiumdampfdruck dadurch nicht beeinflußt wird. Die Temperatur der Metall-Keramik-Verbindung ist gleichzeitig niedrig genug, um die Lampe in Luft betreiben zu können, so daß ein äußerer Kolben zum Einschluß des Entladungsgefäßes in eine inerte Atmosphäre zur Verhinderung einer Oxydation der Metallteile entfallen kann. Die gleichzeitige Verwendung eines Aluminiumoxydkolbens und einer Caesiumdampffüllung erlaubt also die Eigenschaft des Aluminiumoxyds, im Betrieb sehr hohen Temperaturen standzuhalten, voll auszunutzen und gleichzeitig die Nachteile zu vermeiden, die normalerweise ein Betrieb der Einschmelzungen oder Endkappen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen mit sich bringt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrische Metalldampf lampe mit einem länglichen, rohrförmigen Kolben aus gesintertem, lichtdurchlässigem Aluminiumoxyd hoher Dichte und einem Schmelzpunkt nicht unter 1925° C, in dessen Enden zwei Elektroden vakuumdicht eingeschmolzen sind und der einen chemisch aktiven Metalldampf enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das in Kubikzentimeter gerechnete Volumen des Kolbens V200 bis Vmo der in Watt gerechneten Nennbelastung beträgt, die eine Betriebstemperatur des Lampenkollbens (1) zwischen 1000 und 1925° C bei positiver Strom-

spannungs-Kennlinie ergibt, und daß der Betriebsdruck der Metalldampffüllung zwischen 10 und 800 Torr liegt, entsprechend einer Betriebstemperatur zwischen 350 und 700° C an dem Ort tiefster Temperatur an den Enden des Kolbens.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Lampenkolbens (1) mit Endkappen (2, 3) aus Metall, die die Elektroden (9, 11) tragen, vakuumdicht verbunden sind. ίο

3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein Inertgas und eine bestimmte Menge Caesium enthält, die so bemessen ist, daß sie im Betrieb vollständig ver- . dampft und einen Caesiumdampfdnick zwischen 10 und 800 Torr bei einer Lichtausbeute zwischen 35 und 50 Im/W ergibt.

4. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Endkappe (2) von einem Metallröhrchen (7) durchsetzt wird, das einen

über das benachbarte Ende des Kolbens nach außen vorstehenden Ansatz bildet, und daß sich in dem Metallröhrchen ein Vorrat an Caesium befindet, der mit dem Kolbeninneren in Verbindung steht.

5. Lampe nach Anspruch 4 mit einer Lichtausbeute von etwa 45 lm/W, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierbare Füllung aus Xenon und Caesiumdampf besteht, daß die Belastung der Lampe ungefähr 450 W cm~³, die Betriebstemperatur des Kolbens in seiner Mitte etwa 1000° C, die Temperatur des Ansatzes ungefähr 500° C und der Caesiumdampfdnick dementsprechend etwa 100 Torr betragen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 679 062, 762234, 692703;

schweizerische Patentschrift Nr. 165 297;
britische Patentschrift Nr. 802 892.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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