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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Natriumlampe mit Alu-
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miniumoxyd-Entladungsröhre und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Aluminiumoxydkeramische Entladungsröhre haben an beiden Enden ein keramisches Absperrglied.
Durch beide Absperrglieder ist eine aus dichtem Metall hergestellte Stromeinleitung
durchgeführt, die von der Stelle an, wo sie in das Absperrglied eintritt, im wesentlichen
zur Entladungsröhre koaxial angeordnet ist und mit der in dem Entladungsraum Wolframelektrode
durch Stumpfschweißen verbunden ist.
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Hochdruck-Natriumlampen mit Aluminiumoxyd-Entladungsröhren sind wegen
ihrer sehr hohen Lichteffektivität und ihrer angenehmen Lichtfarbe von großer Bedeutung.
Wie bekannt, konnte die Herstellung von Hochdruck-Natriumlampen nur durch die Anwendung
von Aluminiumoxyd-Entladungsröhren realisiert werden, weil andere lichtdurchläßige
Konstruktionsmaterialien gegen den Hochdruck-Natriumdampf nicht genügend widerstandsfähig
sind. Das Entladungsgefäß dieser Lampen enthält zwei Elektroden, eine Natriumfüllung,
Kadmium und/oder Quecksilber, zwecks Einstellung der Entladungsparameter und zur
Erleichterung der Zündung ist ein Edelgas in der Füllung vorhanden.
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Ein grundsätzliches Problem der Hochdruck-Natriumlampen, die mit lichtdurchläßigen
Aluminiumoxyd-Entladungsröhren versehen sind, ist darin zu sehen, daß die Enden
der Entladungsröhre hermetisch abgeschlossen sein müssen und gleichzeitig die Stromzuleitung
zu den Elektroden gesichert sein soll.
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Das Problem wird durch die Eigenschaften des Aluminiumoxyds verursacht,
das erstens im Gegensatz zu Glas, welches einen breiten Wärmebereich umfassenden
Bearbeitungsbereich hat,
ein kristallines sprödes Material mit fest
vorgegebenem Schmelzpunkt ist und zweitens einen Wärmedehnungskoeffizienten besitzt,
der zu dem des Niobs mehr oder weniger passt.
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Es gibt mehrere Konstruktionen für die Stromeinleitung in Aluminiumoxydröhren.
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Bei der einen bekannten Konstruktion sind die Enden der Aluminiumoxydröhre
durch eine aus Niob hergestellte Kappe abgeschlossen und eine röhrenförmig ausgebildete
Stromeinleitung ist durch diese in koaxialer Anordnung zu der Entladungsröhre durchgeführt.
Die Stromeinleitung wird durch Schweißung oder Hartlötung an der Niobkappe fixiert.
Die Elektrode ist mit der Stromeinleitung durch Schweißung oder Hartlötung verbunden
und auch gleichfalls in koaxialer Lage zu der Röhre angeordnet. Die Kappe kann mit
der Aluminiumoxydröhre auch durch eine sogenannte aktive Lösung (GB-PS 1 065 023)
oder mit einer Glasschmelze (US-PS 3,243,635) verbunden werden. Dieses Verfahren
zum Abschließen ist jedoch mit einem hohen Kostenaufwand verbunden, weil verhältnismäßig
viel Niob verwendet werden muß, was sehr kostspielig ist.
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Bei einer anderen bekannten Konstruktion wird das Ende der Aluminiumoxydröhre
durch ein Aluminiumoxyd-8perrglied abgeschlossen, wobei die Stromeinleitung durch
eine mittels Glasschmelze in der Mitte des Abschließgliedes ausgebildete Öffnung
eingelötete Niobröhre führt. Die Elektrode ist wie bei der oben erwähnten Konstruktion
koaxial angeordnet und durch Schweißung oder Hartlötung mit der Niobröhre verbunden.
Eine solche Lösung ist u.a. in der US-PS 3,609,437 beschrieben. Obwohl diese Konstruktion
weniger Niob beansprucht, ist sie doch wegen des hohen Preises der Niobröhre
noch
immer sehr teuer.
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Eine weitere bekannte Konstruktion, die in der HU-PS 159 714 beschrieben
ist, sieht die Stromeinleitung derart vor, daß in das Ende der Entladungsröhre ein
Aluminiumoxyd-Sperrglied, dessen Oberfläche vorher metallisiert wurde, eingelötet
ist, und diese Metallschicht als Stromeinleitung dient. Diese Methode ist sehr einfach
und zuverlässig. Ein einzelner Nachteil liegt darin, daß die Matellisierung des
Abschließgliedes zusätzliche technologische Verfahrensschritte beansprucht, wodurch
das Produkt einen höheren Arbeitsaufwand beansprucht.
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In letzterer Zeit ist eine Konstruktion bekannt geworden (s.
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US-PS 3,992,642), bei welcher die das eine Ende der Entladungsröhre
- wie oben beschrieben - mit einer Niobkappe-Konstruktion abgesperrt ist, das andere
Ende aber mit einem Keramiksperrglied abgeschlossen ist, wobei die Stromeinleitung
durch einen in der Mitte des keramischen AbschlieBelementes durchgeführten Niobdraht
ausgebildet ist. Das Absperrglied ist in die Keramikröhre und der Draht in das Absperrglied
mittels Glasschmelze gelötet. Nach diesem Patent ist die Elektrode am Draht derart
fixiert, daß von dem Draht eine Schleife gebogen wird, und das Ende dieser Schleife,
im wesentlichen senkrecht zu dem Draht der Elektrode mit dieser durch Punktschweißung
verbunden ist. Im Sinne dieses Patentes dient die Schleife als thermische Isolierung
zwischen der Elektrode und dem keramischen Absperrglied.
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Nach praktischen Erfahrungen besitzt die Konstruktion den Nachteil,
daß es schwierig ist, die Elektrode in der Achse der Entladungsröhre sicher zu orientieren.
Eine exzentrisch angeordnete Elektrode verkürzt (wahrscheinlich wegen der nicht
gleichmäßigen Erwärmung der Wandung der Entladungsröhre) die Lebensdauer der Lampe.
Ein weiterer Nachteil tritt auf, wenn nicht ein Abschluß in der Lampe gemäß der
US-PS
3,992,642 verwendet wird. Bei dieser Lösung ist dieser Abschluß nur an einem Ende
der Entladungsröhre vorhanden, wobei an dem anderen Ende der Abschluß mit der Niobkappe
aufgeführt ist, wodurch der kälteste Punkt des Entladungsraumes in dem Niobrohr
vorhanden ist, das in diesem Abschluß eingepaßt ist. Wie schon erwähnt, bestimmt
der kälteste Punkt den Gasdruck der Zusatzmaterialien, - wenn die Lampe nicht mit
der sogenannten "Saugrohrlosen Technologie" hergestellt ist und wenn an beiden Enden
eine gleichmäßige Absperrung verwendet wird. In diesem Falle wird die Temperatur
des Abschlußgliedes, die der kälteste Punkt des Entladungsraumes ist, kritisch und
die Punktschweißung kann eine genügend gut definierte Wärmeverbindung zwischen dem
Elektrodenschaft und dem durch das Sperrgl4«d durchgeführten Niobdraht nicht sichern,
d.h. die Temperatur, die den Gasdruck der Zusätze bestimmt, wird unsicher. Diese
Konstruktion ist noch deswegen nachteilig, weil die aus dem Niobdraht gebogene Schleife
durch die Elektrode nicht abgeschirmt ist. Es ist zu vermuten, daß bei Ausschalten
der Lampe das Zusatzmetall auf der Schleife kondensiert, so daß bei Wiedereinschaltung
der Fußpunkt des Bogens mit größter Wahrscheinlichkeit auf diese Schleife gelangt,
was eine Beschädigung verursacht.
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Diese Schwierigkeiten treten aber bei der Anwendung der Lösung gemäß
HU-PS 157 478 nicht auf. Dieses Patent betrifft eine Lösung zur Einführung des Dosierungsmaterials,
wo gemäß der Zeichnung des Patentes die Elektrode über eine keramische Kappe durchgeführt
ist. Da aber die Elektrode zumeist aus Wolfram hergestellt wird, führt diese Ausführung
wegen der verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten zu Rissen des zur Verbindung
der Keramik und der Elektrode verwendeten Glasschmelzes bzw. zu Rissen selbst der
Keramik.
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Ähnliche Schwierigkeiten tauchen auf bei der Anwendung der
US-PS
3,363,133. Bei dieser Konstruktion ist die Wolframelektrode mit einem aus einem
anderen Material, z.B. aus Niob hergestellten stromeinleitenden Draht verbunden
und mit einer Glasschmelze in eine Aluminiumoxydkappe derart eingelötet, daß die
Schweißung in dem Loch der Kappe angeordnet ist und daß der Niobdraht in die Entladungsröhre
nicht hereinragt, wobei die Wolframelektrode teilweise auch im Loch der Kappe liegt.
Der Unterschied der Dehnungskoeffizienten des Wolframs und des Aluminiumoxyds hat
dieselbe Folge, die oben bereits beschrieben wurde.
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Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der beschriebenen Nachteile.
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Im Sinne der Erfindung wird die Aluminiumoxyd-Entladungsröhre der
Hochdruck-Natriumlaixpe mit einem Aluminiumoxyd-Absperrglied abgeschlossen, durch
welches ein mit einer Glasschmelze eingelöteter, als Stromeinleiter dienender, zweckmäßig
aus Niob hergestellter Draht durchgeführt ist, wobei dieser Niobdraht von der Eintrittsstelle
in das Keramikabsperrglied nach Innen mit der Entladungsröhre koaxial verläuft,
und mit der Elektrode, die als Verlängerung dient, durch Stumpfschweißung verbunden
ist.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird die Stumpfschweißung
zwischen der Elektrode und dem Niobdraht durch Laserstrahl durchgeführt.
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Diese Konstruktion besitzt im Gegenteil zu den zum Stand der Technik
gehörenden Lösungen die gleichzeitige und optimale Erfüllung der nachstehenden Forderungen:
- minimaler Niobverbrauch; - die Elektrode ist zu der Achse der Entladungsröhre
in
einer gesicherten koaxialen Lage; - zwischen der Elektrode und
der Stromeinleitung ist ein definierter guter Wärmekontakt erreicht; - der Stromeinleiter
(Niob) und das Absperrglied (Aluminiumoxyd) besitzen denselben Wärmedehnungskoeffizienten;
- der Stromeinleiter ist abgeschirmt, wodurch ein Bogenfußpunkt bzw. dessen Ausbildung
verhindert wird.
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Die Konstruktion ist besonders geeignet für eine saugrohrlose Technologie.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Entladungsgefäß gemäß der Erfindung im Schnitt,
Fig. 2 eine Absperrmontageeinheit im Schnitt, und Fig. 3 eine Lampe mit einem Entladungsgefäß
nach Fig. 1.
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Die Entladungsröhre 1 ist aus lichtdurchlässiger polykristalliner
Aluminiumoxyd-Keramik hergestellt. Das Material des Absperrgliedes 2 ist gleicherweise
Aluminiumoxyd-Keramik, das jedoch nicht unbedingt lichtdurchlässig sein muß. Das
Absperrglied 2 besitzt eine konzentrische Öffnung, durch welche eine aus Niobdraht
hergestellte Stromeinleitung 3 hinP durchgeführt ist und durch Stumpfschweißung
an einem Elektrodenschaft 5 angeschlossen ist. Die Elektrode 6 ist herkömmlicherweise
aus Wolfram hergestellt und mit einem aus einer ein- oder zweischichtigen Wolframwendel
bestehenden Radiator versehen, der mit irgendeinem die Emission fördernden Material
überzogen ist. Eine an dem Niobdraht vorhandene Auspressung
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verhindert das Einrutschen der Stromeinleitung vor der Schweißung. Das Entladungsgefäß
11 ist mit dem Abschlußelement 2 und dieses mit der Stromeinleitung 3 durch Glasschmelze
8 verbunden, wodurch eine hermetische Absperrung des Gefässes besteht.
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Das Verfahren zur Herstellung der Lampe ist folgendes: Zuerst wird
zwischen dem Wolframelektrodenschaft 5 und der Niob-Stromeinleitung 3 eine Stumpfschweißung
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Dies kann durch beliebige an sich bekannte Stumpfschweißverfahren
durchgeführt werden.Erfahrungsgemäß ist es sehr zweckmäßig, diesen Verfahrensschritt
in Inert-Schutzgasatmosphäre und Anwendung eines Laserstrahles durchzuführen. Danach
wird der Niobstromeinleiter 3 durch die Öffnung des Sperrgliedes 2 gesteckt, wonach
die Auspressung 7 vorgenommen wird. Danach wird die Entladungsröhre 1 in ein geeignetes
Gestell eingesetzt und die aus dem Sperrglied 2, Niobstromeinleiter 3 und der Wolframelektrode
6 bestehende Montageeinheit 10 oben eingesetzt. Danach wird die Glasschmelze 8 (z.B.
Typ Corning X 909) in Form eines vorgepressten Ringes aufgebracht oder mit Pinsel
eine Suspension aufgetragen und eingetrocknet. Der obere Teil der Entladungsröhre
1 wird in einem mit Inert-Gas gespülten Raum oder im Vakuum bis zum Schmelzpunkt
der Glasschmelze 8 aufgeheizt, beispielsweise bis 1450-15000C, wonach man diesen
oberen Teil der Entladungsröhre 1 abkühlen läßt. Danach wird die Entladungsröhre
1 umgedreht und Natrium, Quecksilber und/oder Kadmium eingeführt (zweckmäßig in
ihrer Legierung z.B.
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einer 20 Gewichtsprozent natriumhaltigen Quecksilberlegierung), wonach
die andere Stromeinleitungselektrode in Form der Montageeinheit 10 in das obere
Ende der Entladungsröhre 1 eingepasst wird, und das oben erwähnte Verfahren wiederholt
wird, und zwar derart, daß vor der Aufschmelzung der
Glasschmelze
8 dafür gesorgt wird, daß in der Umgebung ein Edelgas vorhanden ist, das als endgültiges
Füllgas verwendet wird (zweckmäßig Xenon) mit einem Druck, der sichern kann, daß
nach Aufschmelzen der Glasschmelze 8 und ihrer Verstarrung der Gasdruck des im Entladungsgefäß
enthaltenen Gases nach der Abkühlung eben dem gewünschten Wert entspricht (zweckmäßig
2500-3500 pascal). Dieser Verfahrensschritt ist an sich bekannt und als saugrohrloses
Pumpenverfahren genannt. Die Montage des fertigen Entladungsgefässes 11 in dem Glaskolben
12, das Pumpenverfahren usw.
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ist völlig konventionell und wird an sich bekannterweise durchgeführt.
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Die Ausführung der Erfindung kann in sämtlichen Variationen realisiert
werden. So kann z.B. für die Stromeinleitung 3 statt reinem Niobdraht ein anderes
Metall verwendet werden, unter der Voraussetzung aber, daß dieses Metall den gleichen
Wärmedehnungskoeffizienten besitzt und daß dieses Metall zum Zwecke der Verbesserung
der Plastizität wenige andere Zusatzmetalle (z.B. ung. 1% Zirkonium) enthält. Statt
der Auspressung 7 kann aede beliebige andere Fixierung verwendet werden; so kann
z.B. auf die Stromeinleitung 3 in Querrichtung aufgeschweißter kurzer Niobdraht
verwendet werden, und eine andere Möglichkeit ist, den Stromeinleiter 3 einfach
zu verbiegen. Das Material der Entladungsröhre 1 kann ein kristallines Aluminiumoxyd
(synthetischer Saphir) sein. Statt des keramischen Absperrgliedes 2 kann ein aus
ähnlichem Material hergestellter Stöpsel oder Kappe, gegebenenfalls eine Scheibe
verwendet werden. Die Elektrode 6 und ihr Schaft 5 kann aus thoriumoxyCUialtigem
Wolfram hergestellt werden.