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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Lampe mit:
einem vakuumdicht
verschlossenen, lichtdurchlässigen
Lampengefäß, das eine
Quarzglas-Wandung umfasst, die einen Raum umgibt, wobei in dem genannten
Lampengefäß ein elektrisches
Element untergebracht ist;
einer vollständig in der Wandung eingebetteten
Metallfolie, die von Messerflächen
gebildete Schneiden aufweist;
zumindest einem inneren Stromleiter,
der mit der eingebetteten Metallfolie verbunden ist und in den Raum hineinragt;
zumindest
einem äußeren Stromleiter,
der mit der eingebetteten Metallfolie verbunden ist, aus der Wandung
des Lampengefäßes herausragt
und mit einer Beschichtung versehen ist;
wobei sich auf der
Metallfolie und dem äußeren Stromleiter
eine Schutzbeschichtung befindet, welche Schutzbeschichtung ein
niedrig schmelzendes Reaktionsprodukt der Beschichtung mit SiO2 umfasst.
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Eine
Lampe dieser Art ist aus
US 3.420.944 bekannt.
Beim Betrieb der bekannten Lampe hat ein Teil des äußeren Stromleiters
und der Metallfolie, im Allgemeinen aus Molybdän mit einem Additiv von beispielsweise
0,5 bis 1 Gew.-% Y
2O
3,
eine Temperatur von mehr als 450 °C.
Bei einer Lampe, in der keine Maßnamen getroffen waren, um
Korrosion des äußeren Stromleiters
und der Metallfolie zu verhindern, würden diese Metallteile infolge
der hohen Temperatur korrodieren, soweit die Metallteile mit der
Atmosphäre
außerhalb
der Lampe über
eine Kapillare um den äußeren Stromleiter
herum in einer offenen Verbindung stehen. Korrosion der Metallfolie
und/oder des äußeren Stromleiters
führt zum
Ausfall der Lampe infolge der Unterbrechung der Stromzufuhr. Die bekannte
Lampe wird gegen Korrosion geschützt,
indem vor ihrer Herstellung auf dem äußeren Stromleiter und zumindest
auf Teilen der Metallfolie der Schneiden und der Messerflächen eine
Chrombeschichtung aufgebracht wird. An Stellen, wo die Beschichtung
aufgebracht ist, ist nach der Herstellung der Lampe der Schutz intakt
geblieben, aber die Beschichtung ist teilweise in eine Chrom enthaltende Schutzbeschichtung
umgesetzt worden. Sowohl die Beschichtung als auch die Schutzbeschichtung
verzögern
während
des Betriebs der Lampe die Korrosion.
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Es
ist bekannt, dass es außer
der Korrosion der Stromdurchführung
als Grund für
einen vorzeitigen Ausfall der Lampe verschiedene andere Gründe für vorzeitigen
Ausfall gibt. Andere Gründe
können beispielsweise
Undichtigkeit des Lampengefäßes oder
beispielsweise eine Explosion der Lampe sein. Die Gefahr eines Ausfalls
der Lampe infolge dieser anderen Gründe hat sich in der Praxis
als klein erwiesen, wenn die Lampe kürzer als tausend Stunden betrieben
wurde.
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Der
Korrosionsschutz der Lampe, wie er aus
US 3.420.944 bekannt ist, hat den
Nachteil, dass dies zu einer so langen Lebensdauer der Lampe führt, beispielsweise
mehr als tausend Betriebsstunden, dass die Gefahr des Lampenausfalls
infolge einer Explosion der Lampe und die Gefahr eines Folgeschadens
unakzeptabel erhöht
sind. Die Beschichtung hat eine Beschichtungsdicke und ein Qualitätsniveau, das
den Korrosionsschutz bestimmt und die Lebensdauer der Lampe beeinflusst.
Das Qualitätsniveau und
die Beschichtungsdicke in der bekannten Lampe werden jedoch nicht
in einem solchen Ausmaß beherrschtt,
dass eine Lebensdauerbegrenzung auf tausend Betriebsstunden einstellbar
ist, was zu einer unakzeptabel großen Streuung der Lampenlebensdauer
führt.
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Ein
anderer Nachteil der bekannten Lampe ist, dass die Beschichtung
auf der Metallfolie aufgebracht werden muss. Infolge der zusätzlichen
Behandlungen mit der anfälligen
Metallfolie besteht ein großes
Risiko, dass die Schneiden der Metallfolie beschädigt werden. Die beschädigten Schneiden
der Metallfolie, die in der fertigen Lampe eingebettet ist, führen in
der Wandung des Lampengefäßes zu hohen
Spannungen, sodass die Gefahr eines Ausfalls bei der Herstellung
der Lampe oder infolge vorzeitiger Undichtigkeit des Lampengefäßes unakzeptabel erhöht ist.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine elektrische Lampe der
eingangs beschriebenen Art zu verschaffen, die einen einfachen Aufbau
hat, der leicht hergestellt werden kann und bei der die oben genannten
Nachteile vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass zumindest die Messerflächen
frei von der Schutzbeschichtung sind. Bei der Herstellung der Lampe
wird eine Dichtung hergestellt, in der eine oder mehrere der genannten
Metallfolien in der Wandung eingeschlossen sind. Während dieses
Vorgangs wird das Quarzglas an der Stelle er weicht, wo diese Dichtung
beim Vorhandensein der Metallfolie und des äußeren Stromleiters erzeugt
werden soll. Das Quarzglas nimmt dann eine Temperatur von mehr als
1900 °C
an. Sobald das Quarzglas mit dem äußeren Stromleiter in Kontakt
gerät,
werden dieser Leiter und die darauf aufgebrachte Beschichtung so heiß, dass
die Beschichtung schmilzt und aus dem Quarzglas und Teilen der Metallfolie
herausfließt.
Die geschmolzene Beschichtung reagiert nahezu unmittelbar und bildet
relativ niedrig schmelzende Reaktionsprodukte mit dem Molybdän des äußeren Stromleiters
und der Metallfolie und mit dem Quarzglas. Danach wird die so gebildete
Abdichtung abgekühlt. Infolge
ihres verhältnismäßig hohen
linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(ungefähr
50·10–7 K–1) zieht
sich der äußere Stromleiter
stärker
zusammen als das Quarzglas – Glas
das einen SiO2-Gehalt von zumindest 95 Gew.-%
aufweist (linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
von ungefähr
6·10–7 K–1)
-, in dem es eingebettet ist. Dies kreiert einen kapillaren Raum
um diesen Stromleiter herum. Um die Metallfolie herum wird wegen
der Form der Folie kein solcher kapillarer Raum erzeugt.
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Nach
einer gewissen Abkühlung
hat sich der kapillare Raum um den äußeren Stromleiter gebildet, aber
die niedrig schmelzenden Reaktionsprodukte sind noch einige Zeit
lang flüssig.
Infolge der Kapillarwirkung ziehen sich die niedrig schmelzenden
Reaktionsprodukte hauptsächlich
in Ecken und schmalen Abschnitten des kapillaren Raums zusammen,
wobei in der Kapillare ein großer,
nahezu zylindrischer hohler Raum zurückbleibt. Der hohle Raum steht
mit der Atmosphäre
außerhalb
der Lampe in einer offenen Verbindung. Die an die Kapillare grenzenden
Teile des Quarzglases, der äußere Stromleiter
und die Metallfolie sind jedoch von der Atmosphäre außerhalb der Lampe abgeschirmt,
indem die niedrig schmelzenden Reaktionsprodukte als dünne Schutzbeschichtung
auf den an die Kapillare grenzenden Teilen zurückgeblieben sind, wobei die
Schutzbeschichtung in den Ecken und den schmalen Abschnitten der Kapillare
relativ dick ist. Die Messerflächen,
vorzugsweise zumindest bis zu einem Abstand der Schneiden mit einer
größten Dicke
D der Metallfolie, und die Schneiden sind von der Schutzbeschichtung
frei geblieben.
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Korrosion
des äußeren Stromleiters und/oder
der Metallfolie führt
zu einer Ausdehnung und ist in den Ecken der Kapillaren am kritischsten.
In den Ecken der Kapillare führt
diese Ausdehnung schnell zu hohen Zugspannungen in dem Quarzglas, da
der Kapillare in den Ecken für
diese Ausdehnung nur wenig Raum zur Verfügung steht. Es besteht eine große Gefahr
eines Bruchs in dem Quarzglas, der von einer der Ecken der Kapillare
ausgeht. Wenn Korrosion der Metallfolie und des äußeren Stromleiters nahe den
Ecken der Kapillare auftritt, hat die zugehörige Ausdehnung einen Keileffekt.
Wegen der spitzen Winkel, unter denen das Quarzglas an der Metallfolie
anliegt, wird sich der Aufbau der Spannung in dem Quarzglas infolge
der Ausdehnung auf die spitzen Winkel der Kapillare in dem Quarzglas konzentrieren.
Das Risiko eines Brechens im Quarzglas, ausgehend von einer der
Ecken der Kapillare, wird dadurch weiter erhöht. Da bei der erfindungsgemäßen Lampe
insbesondere in den Ecken eine relativ dicke Schutzbeschichtung
vorliegt, sind diese Ecken gut gegen Korrosion geschützt und
es besteht eine geringe Gefahr, dass das oben genannte Phänomen zu
schnell auftritt. Jedoch tritt noch immer Korrosion der Metallfolie
und des äußeren Stromleiters
auf. Es hat sich gezeigt, dass der Moment des Ausfalls, beispielsweise
bei einer Lebensdauer von 800 bis 1000 Betriebsstunden, in der erfindungsgemäßen Lampe
genügend
gut einstellbar geworden ist, indem die Beschichtungsdicke der Beschichtung sich ändert. Dies
im Gegensatz zu der bekannten Lampe, bei der sich gezeigt hat, dass
das Qualitätsniveau
und die Beschichtungsdicke nicht so weit gesteuert werden können, dass
eine Lebensdauerbegrenzung auf tausend Betriebsstunden einstellbar
ist, was zu einer unakzeptabel großen Streuung der Lampenlebensdauer
führt.
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Infolge
dieses Korrosionsschutzes wird eine akzeptable lange Lebensdauer
der Lampe mit vernachlässigbar
geringem Risiko einer Explosion der Lampe erhalten, beispielsweise
800 Stunden bei einer Temperatur eines Teils des äußeren Leiters
und der Metallfolie von ungefähr
460 °C während des
Betriebs der Lampe.
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Bei
einer günstigen
Ausführungsform
umfasst die Schutzbeschichtung Chrom. Ein Vorteil, den Chrom offenbar
hat, ist, dass es sehr wirksam als Schutzbeschichtung auf Stromdurchführungen
aus Molybdän
und Wolfram in Quarzglas ist, wobei es relativ niedrig schmelzende
Reaktionsprodukte mit diesen Materialien bildet. Chrommetall schmilzt
bei einer Temperatur von 1890 °C.
Daher tritt beim Herstellen einer Durchführung das genannte Phänomen auf. Chrom
reagiert mit Sauerstoff zu Cr-Oxid, welcher Sauerstoff aus dem Quarzglas
erhalten wird, unter Bildung von SiO und/oder Si. Das Cr-Oxid bildet
niedrig schmelzende Reaktionsprodukte, wie z. B. Cr/Si-Oxid und/oder
eine Cr/Mo-Legierung und/oder eine Cr/Si/Mo-Phase mit Reaktionen
mit Metallteilen, die nahe der Kapillare luiegen, beispielsweise
mit der Molybdän-Metallfolie
und mit dem Quarzglas, beispielsweise SiO und/oder Si. Diese relativ
niedrig schmelzenden Reaktionsprodukte erweisen sich als Schutzbeschichtung
als effektiv.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
einer Lampe hat die Beschichtung eine Dicke von 4–6 μm. Die Dicke
der Beschichtung ist ein Parameter, der auch das Aus maß an Korrosionsschutz
bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass eine Dicke von 4–6 μm der Beschichtung
günstig
ist, um einen Korrosionsschutz zu erhalten, in dem die kritischen
Bereiche in der Kapillare ausreichend abgeschirmt sind. Wenn die
Dicke weniger als 4 μm
beträgt,
ist die erhaltene Schutzbeschichtung zu dünn und der Korrosionsschutz
ist unzureichend. Die Lampe hat dann eine unakzeptabel kurze Lebensdauer.
Bei einer Dicke von mehr als 6 μm
liegt überflüssiger Materialverbrauch
vor und die Lampe hat eine so lange Lebensdauer, dass ein unakzeptabel
großes
Risiko eine Explosion der Lampe besteht.
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US 3.991.337 offenbart eine
Lampe, in der versucht worden ist, Korrosion des äußeren Stromleiters
zu verhindern. Hierzu ist eine Beschichtung aus Nickel, Palladium,
Indium, Gold oder Platin auf dem äußeren Stromleiter angebracht.
Derartige Beschichtungen bilden bei der Herstellung der Lampe keine niedrig
schmelzenden Reaktionsprodukte mit SiO
2. Wenn
die Beschichtung in einer solchen Lampe auf dem äußeren Stromleiter aufgebracht
wird, aber nicht auf der Metallfolie, ist der äußere Stromleiter gegen Korrosion
geschützt,
aber die Metallfolie, von der einige Teile über die Kapillare mit der Atmosphäre außerhalb
der Lampe in offener Verbindung stehen, ist dies nicht. Es hat sich
gezeigt, dass die bekannte Lampe den Nachteil einer unakzeptabel
kurzen Lebensdauer infolge von Korrosion der Metallfolie aufweist,
was zu einer Unterbrechung des Stroms zum elektrischen Element führt, sodass
die Lampe nicht mehr zündet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Lampe
in Draufsicht;
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2 ein
Detail einer Abdichtung der Lampe von 1;
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3 einen
Querschnitt entlang der Linie I-I einer Abdichtung der Lampe von 1.
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In 1 ist
die elektrische Lampe eine Hochdruck-Gasentladungslampe, die ein
vakuumdicht verschlossenes Lampengefäß 1 aufweist, das
eine einen Raum 3 umgebende Quarzglas-Wandung hat. Das
elektrische Element 4, in der Figur ein Elektrodenpaar,
ist über
einen jeweiligen inneren Stromleiter 5 mit einer jeweiligen
der Metallfolien 6 verbunden, in der Figur aus Mo mit 0,5
Gew.-% Y2O3, welche Stromleiter
aus der Wandung 2 des Lampengefäßes 1 in den Raum 3 hineinragen.
Die Metallfolien 6 sind in die Wandung 2 des Lampengefäßes 1 eingebettet und
mit einem jeweiligen äußeren Stromleiter 7 aus Mo
in der Figur verbunden, beispielsweise geschweißt.
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Die
inneren Stromleiter 5 und das elektrische Element 4 sind
aus Wolfram hergestellt und können eine
geringe Menge das Kristallwachstum von Wolfram regelnden Mitteln
aufweisen, wie z. B. insgesamt 0,01 Gew.-% K, Al und Si und als
Zufügung
1,5 Gew.-% ThO2. In dem Raum 3 befindet
sich eine ionisierbare Füllung.
In der Figur ist das Lampengefäß 1 mit
Quecksilber, Edelgas und Halogeniden von Dysprosium, Holmium, Gadolinium,
Neodym und Cäsium
gefüllt.
Die in der Figur gezeigte Lampe verbraucht im Betrieb eine Leistung
von 700 W. Unter atmosphärischen
Bedingungen kann die Lampe ohne äußere Umhüllung arbeiten,
ohne dass eine solche Korrosion der Metallfolie 6 und des äußeren Stromleiters 7 auftritt,
dass die Lampe vorzeitig ausfällt.
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2 zeigt,
dass die äußeren Stromleiter 7 eine
Schutzbeschichtung 8a haben, in der Figur Cr-haltige Phasen,
die die äußeren Stromleiter 7 und eine
Kapillare 9 um die äußeren Stromleiter 7 voneinander
abschirmt, wobei diese Schutzbeschichtung 8a allmählich in
eine Beschichtung 8 übergeht,
die auf dem Teil des äußeren Stromleiters 7 aufgebracht ist,
der aus der Wandung 2 herausragt. Es ist angedeutet worden,
dass die Kapillare 9 an einem Ende 30 des äußeren Stromleiters 7 endet.
Es ist weiterhin angedeutet worden, dass sich am Kopfende 11 der Metallfolien 6 eine
Kapillare 10 befindet. Die Kapillare 9 und 10 stehen
mit der Atmosphäre
außerhalb
der Lampe in offener Verbindung, die Schutzbeschichtung 8a und
die Beschichtung 8 verhindern dabei eine zu schnelle Korrosion
der Metallfolie 6 und des äußeren Stromleiters 7.
Die Abdichtung ist an dem Ort der Metallfolie 6 in einer
Zone 31 zwischen dem äußeren Stromleiter 7 und
dem inneren Stromleiter 5 vakuumdicht.
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3 ist
ein Querschnitt der Dichtung von 2, entlang
der Linie I-I. Die Figur zeigt, dass die Metallfolie 6 eine
größte Dicke
D hat. An den von den Messerflächen 25 der
Metallfolie 6 gebildeten Schneiden 15 gibt es
keine Kapillaren. Die Kapillare 9 um den äußeren Stromleiter 5 herum
hat einen hohlen Raum 22, der mit der Atmosphäre außerhalb der
Lampe in Verbindung steht. Die Kapillare 9 ist teilweise
mit relativ niedrig schmelzenden Reaktionsprodukten gefüllt, beispielsweise
einer Cr/Mo-Legierung, einem Cr/Si-Oxid und einer Cr/Mo/Si-Phase, die
während
der Herstellung der Abdichtung mit Mo und/oder SiO2 die
Cr-Beschichtung gebildet hat. Das niedrig schmelzende Cr/Si-Oxid
und die Cr/Mo/Si-Phase befinden sich besonders in den Ecken 16 und 17 in
der Kapillare 9 und in dem von der Metallfolie 6 abgewandten
schmalen Teil 23 der Kapillare 9 um die äußeren Stromleiter 7 herum.
Die niedrig schmelzende Cr/Mo-Legierung ist insbesondere in dem
schmalen Teil 18 und als dünne Beschichtungen 19 und 20 auf
den Teilen des äußeren Stromleiters 7 und
der dem hohlen Raum 22 zugewandten und die Kapillare grenzenden
Metallfolie vorhanden. Die Schneiden 15 und die Messerflächen 25 sind
von der Schutzbeschichtung 8a frei geblieben. Auf der Oberfläche der
Quarzglas-Wandung 2, die die dem hohlen Raum 22 zugewandt
ist, befindet sich ein relativ dünner
Film aus einem niedrig schmelzenden Reaktionsprodukt 21 von
Cr/Si-Oxid.
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Insbesondere
die Ecken 16, 17 und 18 sind hinsichtlich
einer Korrosion der Metallfolie 6 und des äußeren Stromleiters 7 kritische
Bereiche. Bei diesen Stellen gibt es keine Möglichkeit der Ausdehnung in dem
hohlen Raum 22 infolge von Korrosion. Eine geringe Ausdehnung
der Metallfolie 6 und/oder des äußeren Stromleiters 7 in
den Ecken 16, 17 und 18 führt daher
zu hohen Zugspannungen in der Wandung 2. Darüber hinaus
haben die Korrosion der Metallfolie 6 und des äußeren Stromleiters 7 und
die zugehörige Ausdehnung
infolge der Spitzenwinkel, unter denen das Quarzglas gegen die Metallfolie 6 und
den äußeren Stromleiter 7 anliegt,
einen Keileffekt. Da eine relativ dicke Schutzbeschichtung 8a insbesondere
in die Ecken 16 und 17 gelangt ist und in die
schmalen Teile 18 und 23 der Kapillare, wird an
diesen Stellen ein ausreichender Korrosionsschutz der Metallfolie 6 und
des äußeren Stromleiters 7 erreicht.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
hat der äußere Stromleiter 7 eine
Dicke von ungefähr
1 mm. Die Beschichtung 8 hat eine Dicke von ungefähr 4,5 μm.