EP0639853B1 - Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäss - Google Patents

Description

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

Es handelt sich hierbei im wesentlichen um Metallhalogenid-Entladungslampen, deren Farbwiedergabe dadurch verbessert ist, daß ein keramisches Entladungsgefäß benutzt wird. Typische Leistungsstufen sind 50 bis 250 W. Eine Anwendung ist auch bei Natriumhochdrucklampen möglich.

Eine derartige Lampe ist aus der EP-A 472 100 bekannt. Bei diesem Aufbau ist die Durchführung aus Niob gefertigt und vertieft im Stopfen eingesetzt. Es hat sich gezeigt, daß während des Zündens der Lampe der Entladungsbogen sehr lange in der Glimmphase verbleibt. Ursache ist, daß der Entladungsbogen zunächst in der Vertiefung des Stopfens an der Niobdurchführung ansetzt, und zwar an der Stelle, an der das Glaslot bzw. die Schmelzkeramik endet. Aufgrund der hohen Belastung kann an dieser Stelle metallisches Niob abgesputtert werden, das zur frühzeitigen Schwärzung des Entladungsgefäßes führt. Ein zusätzlicher Nachteil ist, daß dieser Mechanismus auch die Abdichtung beeinträchtigen kann, indem das Glaslot beschädigt wird. Letzteres führt zur Undichtigkeit des Entladungsgefäßes und damit zur Verkürzung der Lebensdauer.

Das Problem der verlängerten Glimmphase tritt mehr oder weniger ausgeprägt auch bei anderen Typen von Metallhalogenid-Entladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß auf. Für Lampen mit Cermet-Stopfen (EP-A 160 445) wurde vorgeschlagen, einen nach innen gewandten, in Achsnähe befindlichen Vorsprung des Stopfens zu verwenden, der den Elektrodenschaft umgibt. Die Herstellung eines derartigen Stopfens ist jedoch sehr aufwendig.

Aus dem JP-GM 49-14449 ist eine Metallhalogenid-Entladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß bekannt, bei der eine Abschirmung in Gestalt einer kreisförmigen Quarzglasplatte direkt hinter der Elektrode angebracht ist und dadurch das Ansetzen des Bogens am Elektrodenschaft und als deren Folge eine Beschädigung der Glasloteinschmelzung verhindert wird. Problematisch ist jedoch die Befestigung der Platte.

Aus der GB-PS 1 240 253 ist eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß aus Quarzglas bekannt. Eine Hülse aus Quarzglas ist über den Elektrodenschaft geschoben um das Quarzglas am Ansatz der Baueinheit aus Elektrode und Durchführung gegen Korrosion durch Natrium zu schützen.

Aus der EP-A 264 764 ist eine Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß aus Keramik bekannt. Die Durchführung aus Niob, die mittels Glaslot eingeschmolzen ist, besteht aus einer äußeren Stromzuführung und einer Dichtungsscheibe. Die Durchführung und das Glaslot werden gegen Angriffe der Füllungskomponenten dadurch geschützt, daß der Elektrodenschaft von einem Rohr aus Aluminiumoxidkeramik umgeben ist.

Schließlich ist aus der EP-A 523 782 eine Natriumhochdrucklampe bekannt, bei der die Durchführung aus Niob mittels Glaslot in einem Keramikstopfen abgedichtet ist. Der Elektrodenschaft ist, vom Kopf der Elektrode her kommend, entweder teilweise oder vollständig mit einem Gewendel aus Metall bedeckt. Damit wird bei Elektroden ohne Emitter das Zündverhalten verbessert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Phase der Glimmentladung möglichst kurz zu halten.

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

Der Elektrodenschaft ist von einer an sich bekannten Hülse aus hochschmelzendem Material als Abschirmung umgeben. Erfindungsgemäß ist die Hülse in eine entladungsseitige Vertiefung, insbesondere ein Sackloch oder eine Bohrung, des Stopfens eingepaßt und dadurch fixiert. Die Vertiefung dient u.U. gleichzeitig für die Aufnahme der Durchführung, die aus Molybdän oder Wolfram besteht. Insbesondere eignet sich Keramik (Al₂O₃), aber auch Quarzglas, Hartglas oder hochschmelzendes Metall (z.B. Wolfram) als Material für die Hülse. Eine Hülse aus Metall läßt sich insbesondere durch eine kompakte Wendel bilden, deren Windungen sich berühren.

Beim Stand der Technik schließt die Hülse entladungsseitig am Elektrodenkopf ab. Dieser kann beispielsweise eine Wendel oder eine Kugel sein. Da der Elektrodenkopf gegenüber dem Elektrodenschaft verbreitert ist, bildet er einen natürlichen Anschlag für die Hülse, die dadurch fixiert ist. Außerdem ist dann der Elektrodenschaft vollständig von der Hülse abgedeckt, so daß das Ansetzen des Entladungsbogens am Schaft ausgeschlossen ist. Es hat sich aber herausgestellt, daß diese vollständige Überdeckung des im Entladungsvolumens befindlichen Schaftbereichs nicht unbedingt erforderlich ist. Es kann erfindungsgemäß in Kopfnähe eine kleine Lücke verbleiben.

Der Innendurchmesser der Hülse wird normalerweise so gewählt, daß er dem Durchmesser des Elektrodenschafts in etwa angepaßt ist. Er kann jedoch auch merklich größer als der Schaftdurchmesser gewählt werden. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Elektrodenschaft nicht stumpf an der Durchführung ansetzt, sondern mittels eines seitlichen Verlängerungsstücks. Der Innendurchmesser der Hülse sollte jedoch vorteilhaft kleiner sein als die Querabmessung des Elektrodenkopfes, um das Ansetzen des Bogens am Elektrodenschaft zuverlässig zu verhindern.

Durch die Verwendung der Hülse kann der diffuse Entladungsbogen, der sich zunächst beim Zünden der Lampe ausbildet, nicht weiter hinten als am hinteren Ende des Elektrodenkopfes (i.a. eine Wendel) ansetzen. Dadurch wird erreicht, daß die Elektrodenspitze schneller aufgeheizt wird, so daß wiederum der Entladungsbogen schneller an der Elektrodenspitze ansetzt. Außerdem wird das Zurückschlagen des Entladungsbogens hinter den Elektrodenkopf sowie eine vorzeitige Schwärzung vermieden. Schließlich werden auch damit zusammenhängende Undichtigkeiten im Durchführungsbereich vermieden. Bei einer speziellen Ausführungsform werden zusätzlich die Stabilität der Brennspannung und der Lichtwerte verbessert, indem die Einschmelzstelle auf eine möglichst tiefe Temperatur gelegt wird. Dahinter steckt die Überlegung, daß Glaslot bei tiefen Temperaturen erheblich weniger mit den Halogeniden der Lampenfüllung reagiert.

Die Enden des Entladungsgefäßes sind bevorzugt mit separaten Stopfen verschlossen. Sie können jedoch auch integrale Verengungen aufweisen anstelle separater Stopfen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1

eine an sich bekannte Metallhalogenidentladungslampe, teilweise geschnitten

Fig. 2

den Durchführungsbereich der Lampe im Detail, teilweise im Schnitt

Fig. 3

die Herstellung eines Elektrodensystems gemäß Fig. 2

Fig. 4, 6, 7

weitere Ausführungsbeispiele des Durchführungsbereichs der Lampe im Längsschnitt

Fig. 5

den Durchführungsbereich einer erfindungsgemäßen Lampe im Detail, teilweise im Schnitt

In Fig. 1 ist schematisch eine an sich bekannte Metallhalogenid-Entladungslampe 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 Al₂O₃-Keramik ist in der Mitte 5 ausgebaucht und besitzt zylindrische Enden 6. Es kann jedoch z.B. auch aus einem zylindrischen Rohr bestehen. 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 Durchführungen 9 verschweißt, die jeweils in einem keramischen Endstopfen 10 des Entladungsgefäßes mittels Glaslot 14 eingeschmolzen sind. Die Endstopfen sind ebenfalls aus Al₂O₃ gefertigt. Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem inerten Zündgas, z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden. Die erste Durchführung 9a ist am ersten Ende 6a angeordnet, das als Pumpende beim Füllen der Lampe dient. Sie hält im Innern des Entladungsgefäßes eine Elektrode 11, bestehend aus einem Elektrodenschaft 12 aus Wolfram und einem Elektrodenkopf, der von einer am entladungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 13 gebildet wird. Der Elektrodenschaft 12 ist von einer keramischen Hülse 17 eng umgeben.

Die zweite Durchführung 9b ist am zweiten Ende 6b angeordnet, das als Blindende angelegt ist. Beide Durchführungen 9 bestehen aus einem massiven Niobstift, der in die Bohrung des Endstopfens vertieft eingesetzt ist.

Zum Zweck des Evakuierens und Füllens ist beispielsweise in der Nähe des Pumpendes 6a eine Füllbohrung 15 angebracht, die nach dem Füllen durch ein Glaslot oder eine Schmelzkeramik 16 verschlossen wird. Eine andere Möglichkeit ist, die Öffnung für eine Durchführung als Füllbohrung zu verwenden und dann die Durchführung in diese Öffnung einzusetzen und abzudichten.

Fig. 2 zeigt den Durchführungsbereich an einem Ende des Entladungsgefäßes im Detail. Der Niobstift 9 mit einem Durchmesser von 1,2 mm ist in einem keramischen Stopfen 10 mit 5 mm Länge eingesetzt und weist eine Länge von 12 mm auf. An seinem entladungsseitigen Ende ist der Elektrodenschaft 12 aus Wolfram stumpf angeschweißt, dessen Durchmesser 0,5 mm und dessen Länge 6,5 mm beträgt. An seiner Spitze ist eine Wendel 13 mit einem äußeren Durchmesser von 1,1 mm, die aus 9 Windungen besteht, angebracht. Der Überstand des Schaftes an der Spitze 13 beträgt 0,5 mm. Die keramische Schutzhülse 17 ist zwischen Wendel 13 und Niobstift 9 fixiert. Ihr Außendurchmesser beträgt 1,1 mm, ihr Innendurchmesser 0,6 mm. Die Gesamtlänge ist 4 mm, wovon ein Abschnitt (2 mm) in der Bohrung des Stopfens 10 vertieft eingesetzt ist, während der Niobstift 9 sich über die restlichen 60 % der Bohrung nach außen erstreckt. Die richtige Einsetztiefe des Niobstiftes wird durch einen außen am Stopfen befindlichen Anschlag, hier ein Stoppdraht 18 aus Niob, gewährleistet. Der Außendurchmesser des Stopfens ist 3,3 mm und der Durchmesser der Stopfenbohrung ist 1,2 mm.

Auf diese Weise verbleibt eine Kapillare zwischen Bohrungswand und Niobstift bzw. Keramikhülse, die mit Glaslot 14 über die gesamte Länge der Bohrung abgedichtet ist. Der Niobstift 9 und die Keramikhülse 17 werden zusammen als eine Baueinheit eingeschmolzen. Die Herstellung der Baueinheit (Fig. 3) erfolgt, indem der Elektrodenschaft 12 und der Niobstift 9 zunächst stumpf aneinandergeschweißt werden. Dann wird über den Schaft 12 die Hülse 17 geschoben, die entweder stumpf an den Niobstift 9 anstößt (Fig. 3a) oder ein kurzes Stück weit auf einen angefeilten Ansatz 19 des Niobstifts aufgeschoben wird (Fig. 3b). Die Außendurchmesser des Niobstifts und der Hülse sind etwa gleich groß. Die Hülse wird nun durch Aufschieben der Wendel 13 (Pfeil) fixiert. Bei der Einschmelzung des Elektrodensystems benetzt das Glaslot 14 den Niobstift 9 und auch die Hülse 17, so daß die Hülse in der bereits vorhandenen Stopfenbohrung mit eingeschmolzen wird (s. Fig. 1).

In einem weiteren nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel für 250 W (das jedoch auch für kleinere Leistungsstufen geeignet ist) besitzt gemäß Fig. 4 das Entladungsgefäß 4' verjüngte Enden 6'. Der Stopfen 10' besitzt einen Außendurchmesser von 5 mm und eine Länge von 12 mm. Der Durchmesser der Stopfenbohrung ist 1,2 mm. Der Stopfen 10' ist an seiner von der Entladung abgewandten Seite so weit verlängert, daß er zu etwa 50 % aus dem Ende 6' des Entladungsgefäßes herausragt. Ein Niobstift 9 mit einem Durchmesser von 1,2 mm und einer Länge von 12 mm ist 3 mm tief in das äußere Ende des Stopfens eingesetzt. An ihn ist ein Elektrodenschaft 12 mit einer Länge von 18 mm und einem Durchmesser von 0,6 mm stumpf angeschweißt, der an seiner Spitze einen kugelförmigen Kopf 20 trägt. Eine Hülse 17 aus Keramik ummantelt den Elektrodenschaft 12 über seine ganze Länge. Sie hat einen Außendurchmesser von 0,8 mm und eine Länge von 15 mm. Der Niobstift 9 ist mittels Glaslot 14 in das äußerste Ende des Stopfens eingeschmolzen. In diesem Fall ist die Temperaturbelastung in der Nähe des Niobstifts relativ gering. Sie ist um ca. 150 bis 200 Grad niedriger als im ersten Ausführungsbeispiel. Es ist daher nicht notwendig, den ganzen verbleibenden Ringspalt der Bohrung 32 im Stopfenbereich, soweit die Hülse darin aufgenommen ist, mit Glaslot zu füllen. Der verbleibende Ringspalt der Bohrung ist im Betrieb der Lampe vom äußeren Ende her bis zu einer bestimmten Stelle mit Füllungskondensat (Halogenidsumpf) aufgefüllt. Diese Stelle muß eine Temperatur aufweisen, bei der der Dampfdruck ausreichend hoch ist, um eine für gute Lichtwerte notwendige Dampfdichte zu erzeugen. Deshalb muß die Größe des Ringspalts bei der Menge der Füllungsdosierung berücksichtigt werden. Das entladungsfern im Ringspalt liegende Kondensat reagiert wegen der niedrigen Temperatur kaum mit dem Glaslot und der Niobdurchführung.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 5. Hier ist in den Stopfen 21 (Durchmesser 3,5 mm) aus Keramik oder einem Material, das hauptsächlich aus Keramik besteht (z.B. ein Cermet), ein Stift 22 aus Molybdän oder Wolfram mit einem Durchmesser von 0,3 mm direkt eingesintert. Innerhalb des Entladungsvolumens ist am Stift 22 ein Elektrodenschaft 25 mit einem Durchmesser von 0,5 mm seitlich mittels einer Abschrägung 26 des Schaftes befestigt. Er trägt als Kopf eine Wendel 27 mit einem Außendurchmesser von 1,6 mm. Der Stopfen 21 besitzt an seiner der Entladung zugewandten Fläche ein Sackloch 28 mit einem Durchmesser von 1,4 mm und einer Tiefe von 1 mm, in das eine keramische Hülse 29 von insgesamt 3,5 mm Länge eingesetzt ist, das den Elektrodenschaft 25 und einen Teil des Stiftes 22 locker (Abstand ca. 100 µm) umgibt. Die Hülse besitzt einen Außendurchmesser von 1,4 mm und einen Innendurchmesser von 1 mm. Sie sitzt nicht direkt an der Wendel auf, sondern hat hierzu einen Abstand von wenigen Zehntelmillimetern; sie wird durch direkte Einsinterung im Sackloch 28 gehalten. Dies ist wegen der Ähnlichkeit im thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Hülse und Stopfen möglich.

In einem nicht beanspruchten Ausführungsbeispiel (Fig. 6), das weitgehend für gleiche Teile gleiche Bezugsziffern wie in Figur 5 verwendet, besitzt der Stopfen 21 kein Sackloch. Die Hülse 31 ist zwischen der planen, entladungsseitigen Endfläche 30 des Stopfens und der Wendel 27 eingespannt. Ihre Länge ist auf 2,5 mm reduziert bei sonst unveränderten Abmessungen. In diesem Fall kann die Hülse auch aus Quarzglas bestehen.

Ein weiteres nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel (Fig. 7) ist ähnlich Fig. 6 aufgebaut. Die kugelige Elektrode 20 ist am Schaftende mit dem Durchführungsstift 22 stumpf verschweißt. Die Hülse 40 ist eine Wendel aus Wolframdraht, deren einzelne Windungen sind berühren. Die Durchführung 22 ist direkt in den Stopfen 21 eingesintert. Die Hülse sitzt in einer flachen Vertiefung 41 des Stopfens.

Claims (7)

1. Hochdruckentladungslampe mit einem - insbesondere in einem Außenkolben (1) befindlichen - keramischen Entladungsgefäß (4), das ein Entladungsvolumen sowie eine ionisierbare Füllung, insbesondere mit Metallhalogeniden, enthält, wobei das Entladungsgefäß (4) zwei Enden (6) mit Öffnungen besitzt, und wobei zwei Elektroden (11), bestehend aus Schaft (12) und Kopf (13; 20), mit außen befindlichen Stromzuführungen (7) über stiftförmige Durchführungen (9) verbunden sind, und wobei jeweils die Durchführung vakuumdicht in einer Endöffnung befestigt ist, wobei die Enden des Entladungsgefäßes durch Stopfen (10) verschlossen sind, und wobei die Durchführungen in Öffnungen der Stopfen eingesetzt sind, wobei ein Teil des Elektrodenschafts innerhalb des Entladungsvolumens von einer Hülse (17; 29) aus hochschmelzendem Material umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungen (9) aus Wolfram oder Molybdän bestehen, und daß die Hülse (17,29) eine Vertiefung an der entladungsseitigen Endfläche (30) des Stopfens eingesetzt ist, wobei ein überwiegender Teil des Elektrodenschafts (12), ausgehend vom Stopfen, von der Hülse bedeckt ist, wobei die Hülse (29) beabstandet vom Kopf der Elektrode ist.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hülse mehr als 200 um größer als der Durchmesser des Elektrodenschafts ist.
3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung in den Stopfen direkt eingesintert ist.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17; 29) aus Keramik, Quarzglas oder hochschmelzendem Metall gefertigt ist.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse auch einen Teil der Durchführung umgibt.
6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hülse an den Durchmesser des Elektrodenschafts angepaßt ist.
7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse durch eine kompakte Wendel (40) aus hochschmelzendem Metall gebildet ist.

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