EP0887841B1 - Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäss - Google Patents

Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäss Download PDF

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EP0887841B1
EP0887841B1 EP98110787A EP98110787A EP0887841B1 EP 0887841 B1 EP0887841 B1 EP 0887841B1 EP 98110787 A EP98110787 A EP 98110787A EP 98110787 A EP98110787 A EP 98110787A EP 0887841 B1 EP0887841 B1 EP 0887841B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
discharge vessel
inner part
metal
halide lamp
vessel according
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98110787A
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English (en)
French (fr)
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EP0887841A3 (de
EP0887841A2 (de
Inventor
Roland Hüttinger
Stefan Dr. Jüngst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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Publication of EP0887841A2 publication Critical patent/EP0887841A2/de
Publication of EP0887841A3 publication Critical patent/EP0887841A3/de
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Publication of EP0887841B1 publication Critical patent/EP0887841B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/36—Seals between parts of vessels; Seals for leading-in conductors; Leading-in conductors
    • H01J61/366—Seals for leading-in conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/36—Seals between parts of vessels; Seals for leading-in conductors; Leading-in conductors
    • H01J61/361—Seals between parts of vessel
    • H01J61/363—End-disc seals or plug seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr

Definitions

  • the present application is closely related to the following applications: internal reference 97P5540, 97P5541, 97-1-001, 93-1-430.
  • the invention relates to a metal halide lamp with ceramic discharge vessel according to the preamble of claim 1.
  • a metal halide lamp with ceramic discharge vessel according to the preamble of claim 1.
  • Such a lamp is in EP 0 215 524 A disclosed.
  • These are in particular lamps with a discharge vessel, the operating temperature is relatively high, and in the order of up to 1000 ° C.
  • a metal halide lamp with a ceramic discharge vessel in which a two-part implementation in an elongated stopper capillary is sealed by means of glass solder at the discharge-distal end of the plug.
  • the outer part of the bushing is made of permeable Material (niobium pin), the inner part of halide-resistant material (for example, tungsten or molybdenum pin).
  • the inner part can according to Fig. 2 have a sheath made of another halide-resistant metal.
  • Another possibility is to wrap the pin with a helical part (FIG. 8).
  • the concept presented in this document is only suitable for smaller powers up to a maximum of 150 W.
  • Fig. 1 indicated a lamp with a power of 70 W, the implementation of which is a molybdenum pin with a diameter of 0.7 mm.
  • a metal halide lamp with ceramic discharge vessel is known in which the electrode itself within a long plug part ( Fig. 4 ) is encased by a sleeve of alumina. As a result, the ignition behavior of the lamp is improved.
  • the diameter of the electrode shaft is specified there as 1.2 mm.
  • the discharge vessel is a metal halide lamp with ceramic discharge vessel made of alumina, wherein the discharge vessel has two ends which are closed with ceramic plugs, each containing a long drawn capillary tube (hereinafter referred to as plug capillary), and through this plug capillary an electrically conductive feedthrough which is based on the discharge of an inner pin-shaped part and an outer part, is passed vacuum-tight.
  • the bushing is sealed on the outside of the plug by glass solder.
  • An electrode with its shaft, which projects into the interior of the discharge vessel, is fastened to the bushing on the inside.
  • the inner part of the bushing is a pin of a halide-resistant metal whose diameter is at most 0.4 mm, and which is surrounded by a tubular sheath of ceramic or metallic material (hereinafter called casing tube).
  • the material of this ceramic jacket tube contains aluminum. Preferably it consists of alumina (Al 2 O 3). But aluminum nitride (AlN) or aluminum oxynitride (AlON) can also be used, as these materials are particularly resistant to halides. Tungsten is particularly suitable as the metallic material.
  • the jacket tube can also be combined in particular of a plurality of ceramic and / or metallic parts.
  • the outer part of the bushing is sealed with glass solder via its length in the plug capillary.
  • a subsequent region of the inner part of the passage over a length which is at least a small part of the length (about 1 to 2 mm) of the jacket tube enclosed, sealed by glass solder It has been found to be essential for a long life, that the inner part is such a thin pin that it survives the thermal cycling well despite the lack of adaptation to the thermal behavior of the aluminum-containing material without cracks and cracks in the ceramic as well as in Glass solder occur. As a result, the corrosion-prone niobium of the outer part is reliably protected.
  • the power of the lamp is between 150 and 400 W, but smaller powers are possible.
  • a stop device for the jacket tube is mounted on the discharge side, which is intended to prevent a downward displacement during the melting process.
  • This may consist of a bend of the inner part, a transverse piece of wire, a weld bead or similar. consist.
  • a long step at the end of the electrode shaft can also be used as a stop device. It is important to avoid that the jacket tube is overheated by the hot electrode.
  • the jacket tube should have the smallest possible axial distance (typically between 0.1 and 0.5 mm) to the outer part (niobium pin). According to the claim, the distance between the jacket tube and the shaft of the electrode is at least 0.5 mm, preferably more than 1 mm, for the above reasons.
  • the jacket tube consists of at least two axially successively arranged sections.
  • the small gap between the outer and inner portions stops the flow of the glass solder.
  • the inner end of the outer portion of the jacket tube thus defines the Einschmelzfur for the glass solder on the outside Casing pipe.
  • the glass solder is unintentionally sucked into the interior of the casing tube until it is carried out.
  • the strong capillary forces in the jacket tube can then suck the glass solder forward to the vicinity of the electrode.
  • a very particular advantage of a two-part axial jacket tube is that the outer portion of the jacket tube also acts as a barrier for this internal glass solder.
  • the inner, high temperature loaded section of the jacket tube is thus always free of solder glass.
  • the outer part of the implementation discharge side has a holding means for the inner part, in particular a step, a transverse slot or a blind hole.
  • the entire outer part of the passage is formed as a tube (in particular of niobium).
  • the diameter of the inner part is significantly (more than 50%) smaller than the diameter of the outer part.
  • the diameter of the inner part is so dimensioned that the current density through the inner part is a maximum of 80 A / mm 2 .
  • the current density through the inner part is a maximum of 80 A / mm 2 .
  • the jacket tube is constructed in one or two parts from concentric tubes. Its length is preferably on the order of at least 60%, preferably 80 to 90%, of the length of the inner part of the bushing to have its ends free for the electrical connections.
  • the dead volume in the front region of the inner part of the passage is advantageously filled by a close-fitting helix of tungsten or molybdenum.
  • the present invention uses a two-part bushing made up of an outer part adapted to thermal expansion to the alumina ceramic (in particular a niobium pin or tube, but also the use of tantalum is possible), which is covered and sealed with glass solder, and an inner part Part which is resistant to halogenides and which is only partially covered and sealed with glass solder at its outer end.
  • the inner part is a very thin wire made of molybdenum or, in particular, of the higher-melting tungsten.
  • the tungsten may have a rhenium additive, either as an alloy or as a plating on the surface. The rhenium enhances the high temperature strength and corrosion resistance of tungsten.
  • the inner part is connected on one side to the outer part (niobium pin) and on the other side to the electrode.
  • a jacket tube is drawn, consisting of one or more thin aluminum-containing capillary tubes whose outer diameter is as equal as possible to that of the outer part.
  • the considerable dead volume in the annular gap of the stopper capillary, in which filling components can condense is reduced.
  • the smallest possible annular gap causes an improvement in the melting by glass solder.
  • the outer diameter of the jacket tube leaves only a capillary gap to the stopper capillary. The gap is about 30 microns wide.
  • the outer diameter of the jacket tube can be chosen to be just the inside diameter of the stopper capillary (to a few microns), thereby minimizing the dead volume.
  • the plug can be made in one piece, but also in several parts. For example, in a manner known per se, a plug capillary can be surrounded by an annular plug part.
  • the outer part is completely melted into the glass solder via its length in the plug capillary tube, the tungsten wire (and the jacket tube) over a length of about 1 to 2 mm at its outer end. It is important that the niobium pin is completely covered by glass solder because of the corrosive attack of the filling on niobium.
  • the advantage of the inner part is that even with the use of relatively thick Niobstiften (up to 2 mm), only a thin molybdenum or tungsten wire is melted with. As a result, stresses caused by the imperfect adjustment of the coefficient of thermal expansion between molybdenum and Al 2 O 3 , greatly reduced since the absolute extent is small. As is known, niobium, unlike tungsten or molybdenum, is well adapted to the thermal expansion of alumina.
  • Tungsten is advantageous as a wire material over molybdenum, especially if the electrode is relatively short (shorter than the inner part). Because of the lower melting point of molybdenum (compared to tungsten), the danger is greater that the weld and the molybdenum pin behind the weld will be overheated by the proximity to the hot electrode. This would cause the weld to dislodge or cause the molybdenum pin to soften and bend under the weight of the electrode causing the electrode touches the wall of the discharge vessel and locally overheated. In addition, tungsten is more corrosion resistant than molybdenum.
  • tungsten is much better suited than molybdenum, since molybdenum reacts with bromine.
  • an integral piece of tungsten wire can be used, which takes over both the task of the inner part of the implementation and the electrode shaft. This can be dispensed with a welded joint.
  • the cross section of a 0.4 mm thick wire allows a starting current of up to about 10 A. This corresponds to a maximum current density of 80 A / mm 2 . Only above this value does a critical ohmic heating occur. Thus, the present invention enables a lamp power of up to 400 W.
  • the sheath of the inner part is a concentric double tube made of ceramic. This has manufacturing advantages. Furthermore, the material of the inner and outer part of the jacket tube may also be slightly different (for example, alumina with different doping).
  • FIG. 1 schematically a metal halide lamp with a power of 150 W is shown. It consists of a lamp axis defining cylindrical outer bulb 1 made of quartz glass, the two sides squeezed (2) and socketed (3).
  • the axially arranged discharge vessel 4 made of Al 2 O 3 ceramic is cylindrical or bulbous and has two ends 6. It is held in the outer bulb 1 by means of two power supply lines 7, which are connected to the base parts 3 via foils 8.
  • the power supply lines 7 are welded to bushings 9, 10, which are each fitted in an end plug 12 at the end 6 of the discharge vessel.
  • the plug part is designed as an elongated capillary tube 12 (plug capillary). The end 6 of the discharge vessel and the stopper capillary 12 are directly sintered together.
  • the bushings 9, 10 each consist of two parts.
  • the outer part 13 is designed as a niobium pin and protrudes into about a quarter of the length of the capillary tube 12 into this.
  • the inner part 14 extends within the capillary tube 12 towards the discharge volume. It holds electrodes 16 on the discharge side, consisting of an electrode shaft 15 made of tungsten and a coil 17 pushed on the discharge end.
  • the inner part 14 of the leadthrough is welded to the electrode shaft 15 as well as to the outer part 13 of the leadthrough.
  • the filling of the discharge vessel is in addition to an inert ignition gas, such as argon, from mercury and additives to metal halides.
  • an inert ignition gas such as argon
  • the use of a metal halide filling without mercury, with a high pressure is selected for the ignition gas xenon.
  • a passage 9 is a system consisting of a niobium pin as the outer part 13 with a diameter of 1.1 mm and a thin tungsten pin (diameter 0.25 mm) as the inner part 14, on the two well-fitting as a casing tube Al 2 O 3 Kapillarrschreibchen 20th , 21 are pushed.
  • the outer tube 21 has an outer diameter of 1.1 mm and an inner diameter of 0.62 mm
  • the inner tube 20 has an outer diameter of 0.58 and an inner diameter of 0.3 mm.
  • the total length of the capillary tube 12 is about 17 mm, that of the tungsten pin 14 about 15 mm, and that of the electrode about 5 mm with a diameter of the shaft 15 of 0.5 mm.
  • the niobium pin is ground on the discharge side a step 22.
  • the tungsten pin 14 is fixed with a resistance weld 19.
  • the step is so high that it gives the tungsten pin 14 sufficient guidance so that it sits exactly in the middle. This is important so that the entire system is centrally aligned and can be well inserted into the two-piece jacket tube (capillary tubes 20, 21).
  • the electrode shaft 15 On the discharge side of the tungsten pin is welded in the same way to the electrode shaft 15, wherein also the electrode shaft 15 has a step for the same reasons as above.
  • the niobium pin 13 is inserted about 3 mm deep into the stopper capillary 12 and sealed by means of glass solder 18.
  • the jacket tubes 20, 21 terminate close to the niobium pin (distance 0.1-0.5 mm), so that the glass solder can easily wet this gap, and so the niobium is completely covered and thus the beginning of the inner part (1 to 2 mm) still from the glass solder is covered.
  • a stop device In order to prevent the tubes from sliding downwards by gravity during vertical melting, they must be held in position by a stop device. This is solved in this case by a curved deflection 23 of the tungsten pin.
  • the end of the tungsten pin 14 may also be bent into a helix. Preferably, one to two turns suffice.
  • the niobium pin 13 has a diameter of 1.3 mm.
  • the tungsten pin 14 has a diameter of 0.35 mm.
  • the inner capillary tube 20 has an outer diameter of 0.8 mm, the outer capillary tube 21 has an outer diameter of 1.2 mm.
  • the total length of the tungsten pin is 14.5 mm, that of the electrode 3.5 mm with a diameter of 0.7 mm.
  • the distance of the capillary tubes 20, 21 from the niobium pin and from the electrode is 0.5 mm in each case.
  • the capillary tube 12 of the plug has a length of about 18 mm.
  • the niobium pin sits in it about 2.5 mm deep.
  • the niobium pin 13 has on the discharge side a blind hole 24 in which the tungsten pin 14 is inserted and welded.
  • the stopping device here is a piece of wire 25, which is attached to the tungsten pin in the vicinity of the discharge-side end of the tungsten pin transversely to the lamp axis. It has been found that the jacket tube should not have direct contact with the electrode, because the heat load may otherwise lead to a reaction of the alumina with the components of the filling. Therefore, in general, a minimum distance of the capillary tubes to the electrode of at least 0.5 is recommended. Preferably, the distance is greater than 1 mm.
  • the stop device may also be a flattening or bead of sweat or the like. be on tungsten feedthrough pin.
  • niobium tube As the outer part.
  • the inner diameter of the niobium tube is chosen so that the inner part (tungsten pin) fits well into the inner bore of the tube.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of an end region of a discharge vessel with a power of 70 W is shown.
  • a simply designed jacket tube 30 (outer diameter 0.6 mm) encloses a tungsten pin 31 with a diameter of 0.2 mm.
  • the three-part jacket tube is formed from two axially successively arranged outer sections 30a, 30b and an inner helical part 34.
  • the short outermost portion 30b serves as a barrier to penetration of the glass solder 18.
  • the tungsten pin 31 is fixed to a step 32 of the electrode shaft 33.
  • the step 32 which is at least 0.5 mm high, simultaneously serves as a stop device for the middle section 30a of the jacket tube 30.
  • the dead volume in the area near the discharge before the long inner middle section 30a of the jacket tube 30 is filled by the coil section 34 made of molybdenum.
  • the outer part is here a niobium tube 13 'with a bore 29, in the front end of the tungsten pin 31 is inserted as an inner part and welded there.
  • the tungsten pin extends over the entire length of the niobium tube and is welded thereto at one end of the niobium tube.
  • the jacket tube is either a sleeve of alumina or a helix of rhenium doped tungsten.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Manufacture Of Electron Tubes, Discharge Lamp Vessels, Lead-In Wires, And The Like (AREA)

Description

  • Die vorliegende Anmeldung steht in engem Zusammenhang mit folgenden Anmeldungen: internes Aktenzeichen 97P5540, 97P5541, 97-1-001, 93-1-430.
    • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung geht aus von einer Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Lampe ist in EP 0 215 524 A offenbart. Es handelt sich dabei insbesondere um Lampen mit einem Entladungsgefäß, dessen Betriebstemperatur relativ hoch ist, und in der Größenordnung von bis zu 1000 °C liegt.
    • Stand der Technik
  • Das entscheidende Problem bei derartigen Lampen ist die dauerhafte Abdichtung der Durchführung im keramischen Entladungsgefäß mittels eines keramischen Stopfens. Hierfür sind bereits viele Lösungsvorschläge angeboten worden. Häufig wird dabei ein Rohr oder Stift aus Metall (Wolfram oder Molybdän) als Durchführung in einem Stopfen aus Keramik eingelötet oder eingesintert.
  • Aus der EP-A 587 238 ist eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß bekannt, bei der eine zweiteilige Durchführung in einer langgestreckten Stopfenkapillare mittels Glaslot am entladungsfernen Ende des Stopfens abgedichtet ist. Der äußere Teil der Durchführung besteht aus permeablem Material (Niobstift), der innere Teil aus halogenidresistentem Material (beispielsweise Stift aus Wolfram oder Molybdän). Der innere Teil kann gemäß Fig. 2 eine Umhüllung aus einem anderen halogenidresistentem Metall aufweisen. Eine weitere Möglichkeit ist, den Stift mit einem Wendelteil zu umwickeln (Fig. 8). Das in diesem Dokument vorgestellte Konzept eignet sich jedoch nur für kleinere Leistungen bis maximal 150 W. Denn die mangelhafte Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt bei hohen Leistungen und dementsprechend hoher Temperaturwechselbelastung oft zu Sprüngen in der Wandung des keramischen Kapillarrohrs. Diese Sprünge nehmen mit steigendem Durchmesser des Molybdänstifts zu. Als Beispiel ist in Fig. 1 eine Lampe mit einer Leistung von 70 W angegeben, deren Durchführung ein Molybdänstift mit einem Durchmesser von 0,7 mm ist.
  • Aus der EP-A 639 853 ist eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß bekannt, bei der die Elektrode selbst innerhalb eines langen Stopfenteils (Fig. 4) von einer Hülse aus Aluminiumoxid ummantelt ist. Dadurch wird das Zündverhalten der Lampe verbessert. Der Durchmesser des Elektrodenschafts ist dort mit 1,2 mm angegeben.
    • Darstellung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Durchführung so konzipiert ist, daß sie nicht nur für kleine, sondern insbesondere auch für größere Wattstufen (typisch 150 bis 400 W) geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Mit zunehmender Wattstufe nimmt normalerweise auch der Durchmesser der Durchführung und somit auch der Innendurchmesser der Stopfenkapillare zu. Um Sprünge im Abdichtungsbereich trotzdem zuverlässig zu verhindern, wurde daher eine andere Lösung entwickelt.
  • Im einzelnen handelt es sich um eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß aus Aluminiumoxid, wobei das Entladungsgefäß zwei Enden besitzt, die mit keramischen Stopfen verschlossen sind, die jeweils ein langgezogenes Kapillarrohr (im folgenden Stopfenkapillare genannt) enthalten, und wobei durch diese Stopfenkapillare eine elektrisch leitende Durchführung, die bezogen auf die Entladung aus einem inneren stiftförmigen Teil und einem äußeren Teil besteht, vakuumdicht hindurchgeführt ist. Die Durchführung ist außen am Stopfen durch Glaslot abgedichtet. An der Durchführung ist innen eine Elektrode mit ihrem Schaft befestigt, die in das Innere des Entladungsgefäßes hineinragt.
  • Der innere Teil der Durchführung ist ein Stift aus einem halogenidresistentem Metall, dessen Durchmesser maximal 0,4 mm beträgt, und der von einer rohrförmigen Ummantelung aus keramischem oder metallischem Material (im folgenden Mantelrohr genannt) umgeben ist. Das Material dieses keramischen Mantelrohrs enthält Aluminium. Bevorzugt besteht es aus Aluminiumoxid (Al2O3). Aber auch Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxinitrid (AlON) kann verwendet werden, da diese Materialien besonders halogenidresistent sind. Als metallisches Material eignet sich insbesondere Wolfram. Das Mantelrohr kann auch insbesondere aus mehreren keramischen und/oder metallischen Teilen kombiniert werden.
  • Der äußere Teil der Durchführung ist über seine in der Stopfenkapillare befindlichen Länge mit Glaslot abgedichtet. Zusätzlich ist ein daran anschließender Bereich des inneren Teils der Durchführung über eine Länge, die zumindest noch einen kleinen Teil der Länge (ca. 1 bis 2 mm) des Mantelrohrs einschließt, durch Glaslot abgedichtet. Dabei hat sich als wesentlich für eine lange Lebensdauer herausgestellt, daß das innere Teil ein derartig dünner Stift ist, daß er die thermische Wechselbelastung trotz fehlender Anpassung an das thermische Verhalten des aluminiumhaltigen Materials gut übersteht, ohne daß Sprünge und Risse in der Keramik sowie auch im Glaslot auftreten. Dadurch wird das korrosionsanfällige Niob des äußeren Teils zuverlässig geschützt.
  • Bevorzugt beträgt die Leistung der Lampe zwischen 150 und 400 W, aber auch kleinere Leistungen sind möglich.
  • Am inneren Teil der Durchführung ist entladungsseitig eine Stoppvorrichtung für das Mantelrohr angebracht, die ein Verschieben nach unten während des Einschmelzvorgangs verhindern soll. Diese kann aus einer Biegung des inneren Teils, einem quer liegenden Drahtstück, einer Schweißperle o.ä. bestehen. Bei kleinwattigen Lampen und gleichzeitiger Verwendung von ausreichend langen Elektrodenstiften (mehr als 3 mm lang) kann auch eine lange Stufe am Ende des Elektrodenschafts als Stoppvorrichtung verwendet werden. Wichtig ist zu vermeiden, daß das Mantelrohr durch die heiße Elektrode überhitzt wird.
  • In jedem Fall sollte das Mantelrohr einen möglichst geringen axialen Abstand (typisch zwischen 0,1 und 0,5 mm) zum äußeren Teil (Niobstift) besitzen. Anspruchsgemäß beträgt der Abstand des Mantelrohrs zum Schaft der Elektrode aus obigen Gründen mindestens 0,5 mm, bevorzugt mehr als 1 mm.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Mantelrohr aus mindestens zwei axial hintereinander angeordneten Abschnitten. Die zwischen dem äußeren und inneren Abschnitt befindliche kleine Lücke stoppt den Fluß des Glaslots. Das innere Ende des äußeren Abschnitts des Mantelrohrs definiert somit die Einschmelzlänge für das Glaslot außen am Mantelrohr. In der Praxis hat sich außerdem gezeigt, daß das Glaslot unbeabsichtigt auch bis zur Durchführung im Innern des Mantelrohrs hinein gesaugt wird. Die starken Kapillarkräfte im Mantelrohr können dann das Glaslot bis in die Nähe der Elektrode nach vorne saugen. Ein ganz besonderer Vorteil eines axial zweigeteilten Mantelrohrs ist, daß der äußere abschnitt des Mantelrohrs auch für dieses innen befindliche Glaslot als Barriere wirkt.
  • Der innere, hochtemperaturbelastete Abschnitt des Mantelrohrs ist somit immer frei von Glaslot.
  • Vorteilhaft besitzt das äußere Teil der Durchführung entladungsseitig ein Haltemittel für das innere Teil, insbesondere eine Stufe, einen querliegenden Schlitz oder ein Sackloch. In einer weiteren Ausführungsform ist der ganze äußere Teil der Durchführung als Rohr (insbesondere aus Niob) ausgebildet.
  • In allen Ausführungen ist der Durchmesser des inneren Teils wesentlich (mehr als 50%) kleiner als der Durchmesser des äußeren Teils.
  • Besonders lange Lebensdauern lassen sich erzielen, wenn der Durchmesser des inneren Teils so bemessen ist, daß die Stromdichte durch das innere Teil maximal 80 A/mm2 beträgt. Dadurch wird eine zu starke Erwärmung des inneren Teils und insbesondere des Mantelrohrs vermieden.
  • Bei höherwattigen Lampen müssen größere Elektroden durch ein Kapillarrohr mit notwendigerweise größerem Innendurchmesser eingebracht werden. Zur Ausfüllung des Totvolumens ist es hier oft vorteilhaft, wenn das Mantelrohr ein- oder zweiteilig aus konzentrischen Rohren aufgebaut ist. Seine Länge liegt bevorzugt in der Größenordnung von mindestens 60 %, bevorzugt 80 bis 90 %, der Länge des inneren Teils der Durchführung, um dessen Enden frei für die elektrischen Anschlüsse zu haben. Das Totvolumen im vorderen Bereich des inneren Teils der Durchführung ist vorteilhaft durch eine eng anliegende Wendel aus Wolfram oder Molybdän ausgefüllt.
  • Die vorliegende Erfindung verwendet eine zweiteilige Durchführung, bestehend aus einem in der thermischen Ausdehnung an die AluminiumoxidKeramik angepaßten äußeren Teil (insbesondere Stift oder Rohr aus Niob, aber auch die Verwendung von Tantal ist möglich), der mit Glaslot bedeckt und abgedichtet ist, und einem inneren Teil, der halogenidresistent ist und der nur teilweise an seinem äußeren Ende mit Glaslot bedeckt und eingeschmolzen ist. Der Innenteil ist ein sehr dünner Draht aus Molybdän oder insbesondere aus dem höherschmelzenden Wolfram. Das Wolfram kann einen Rheniumzusatz aufweisen, entweder als Legierung oder als Plattierung an der Oberfläche. Das Rhenium erhöht die Hochtemperaturbelastbarkeit und Korrosionsbeständigkeit des Wolfram.
  • Der Innenteil ist auf einer Seite mit dem äußeren Teil (Niobstift) und auf der anderen Seite mit der Elektrode verbunden. Über diesen Draht ist ein Mantelrohr gezogen, bestehend aus einem oder mehreren dünnen aluminiumhaltigen Kapillarrohren, dessen Außendurchmesser möglichst gleich dem des äußeren Teils ist. Auf diese Weise wird das erhebliche Totvolumen im Ringspalt der Stopfenkapillare, in dem Füllungsbestandteile kondensieren können, verringert. Zusätzlich hat sich gezeigt, daß ein möglichst kleiner Ringspalt eine Verbesserung der Einschmelzung durch Glaslot bewirkt. Des weiteren ist von Vorteil, daß der Außendurchmesser des Mantelrohrs nur einen kapillaren Spalt zur Stopfenkapillare beläßt. Der Spalt ist etwa 30 µm breit. Dies liegt an der gewählten Abmessung des inneren Teils (≤ 0,45 mm) und daran, daß für das Mantelrohr insbesondere das gleiche Material wie für die Stopfenkapillare verwendet wird (Aluminiumoxid). Der Außendurchmesser des Mantelrohrs kann daher so gewählt werden, daß er gerade dem Innendurchmesser der Stopfenkapillare (auf wenige um) angepaßt ist, wodurch das Totvolumen minimiert wird.
  • Der Stopfen kann einteilig, aber auch mehrteilig ausgeführt sein. Beispielsweise kann in an sich bekannter Weise eine Stopfenkapillare von einem ringförmigen Stopfenteil umgeben sein.
  • Schließlich spielt es im Gegensatz zum Stand der Technik keine Rolle, wie tief das äußere Teil in die Stopfenkapillare eingesetzt ist. Es ist lediglich eine Mindesttiefe von 2 mm für eine zuverlässige Abdichtung notwendig. Die maximale Einsetztiefe sollte aus thermischen Gründen 50 % der Länge der Stopfenkapillare nicht überschreiten.
  • Der äußere Teil wird über seine in der Stopfenkapillare befindliche Länge vollständig in das Glaslot eingeschmolzen, der Wolfram-Draht (und das Mantelrohr) über eine Länge von etwa 1 bis 2 mm an seinem äußeren Ende. Wichtig ist, daß der Niobstift wegen des korrosiven Angriffs der Füllung auf Niob vollständig von Glaslot bedeckt ist.
  • Der Vorteil des inneren Teils ist, daß auch bei Verwendung von relativ dikken Niobstiften (bis 2 mm) nur ein dünner Molybdän- oder Wolfram-Draht mit eingeschmolzen wird. Dadurch werden Spannungen, hervorgerufen durch die unvollkommene Anpassung des thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen Molybdän und Al2O3, stark vermindert, da die absolute Ausdehnung gering ist. Bekanntlich ist Niob im Gegensatz zu Wolfram oder Molybdän an die thermische Ausdehnung von Aluminiumoxid gut angepaßt.
  • Wolfram ist als Drahtmaterial vorteilhaft gegenüber Molybdän, insbesondere, wenn die Elektrode relativ kurz ist (kürzer als das Innenteil). Denn wegen des niedrigeren Schmelzpunkts von Molybdän (verglichen mit Wolfram) ist die Gefahr größer, daß die Schweißstelle und der Molybdänstift hinter der Schweißung durch die Nähe zur heißen Elektrode überhitzt wird. Dies hätte zur Folge, daß die Schweißung sich löst oder daß der Molybdänstift weich wird und sich verbiegt unter dem Gewicht der Elektrode, so daß die Elektrode die Wandung des Entladungsgefäßes berührt und diese lokal überhitzt. Außerdem ist Wolfram korrosionsbeständiger als Molybdän. Weiterhin hat sich überraschend gezeigt, daß bei bromhaltigen Füllungen (mit einem molaren Anteil des Broms am Halogen (Brom, Jod) von mindestens 10 %) Wolfram wesentlich besser geeignet ist als Molybdän, da Molybdän mit Brom reagiert. Vorteilhaft kann ein integrales Drahtstück aus Wolfram verwendet werden, das sowohl die Aufgabe des inneren Teils der Durchführung als auch die des Elektrodenschafts übernimmt. Dadurch kann auf eine Schweißverbindung verzichtet werden.
  • Es hat sich gezeigt, daß sich Molybdän- oder Wolframdrähte bis zu einem Durchmesser von etwa 0,4 mm gut in ein Keramikrohr aus Aluminiumoxid einschmelzen lassen. Bei größeren Durchmessern ist der Absolutwert der Ausdehnung so groß, daß Sprünge und Undichtigkeiten auftreten können.
  • Andererseits erlaubt der Querschnitt eines 0.4 mm dicken Drahtes einen Anlaufstrom von bis zu etwa 10 A. Dies entspricht einer maximalen Stromdichte von 80 A/mm2. Erst oberhalb dieses Wertes tritt eine kritische ohmsche Erwärmung auf. Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Lampenleistung von bis zu 400 W.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Ummantelung des Innenteils ein konzentrisches Doppelrohr aus Keramik. Dies hat herstellungstechnische Vorteile. Des weiteren kann das Material des inneren und äußeren Teils des Mantelrohrs auch leicht unterschiedlich sein (beispielsweise Aluminiumoxid mit unterschiedlicher Dotierung).
    • Figuren
  • Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen schematisch:
    • Figur 1
    eine Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß
    Figur 2
    den Endbereich der Lampe der Figur 1 im Detail
    Figur 3
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endbereichs
    Figur 4
    ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endbereichs.
    Beschreibung der Zeichnungen
  • In Figur 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe 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 zylindrisch oder bauchig geformt und besitzt zwei 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 sind mit Durchführungen 9, 10 verschweißt, die jeweils in einem Endstopfen 12 am Ende 6 des Entladungsgefäßes eingepaßt sind. Das Stopfenteil ist als ein langgezogenes Kapillarrohr 12 (Stopfenkapillare) ausgeführt. Das Ende 6 des Entladungsgefäßes und die Stopfenkapillare 12 sind miteinander direkt versintert.
  • Die Durchführungen 9, 10 bestehen jeweils aus zwei Teilen. Der äußere Teil 13 ist als Niobstift ausgeführt und ragt bis etwa in ein Viertel der Länge des Kapillarrohr 12 in dieses hinein. Der innere Teil 14 erstreckt sich innerhalb des Kapillarrohrs 12 zum Entladungsvolumen hin. Er haltert entladungsseitig Elektroden 16, bestehend aus einem Elektrodenschaft 15 aus Wolfram und einer am entladungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 17. Der innere Teil 14 der Durchführung ist jeweils mit dem Elektrodenschaft 15 sowie mit dem äußeren Teil 13 der Durchführung verschweißt.
  • Die Füllung des Entladungsgefäßes besteht neben einem inerten Zündgas, z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden. Möglich ist beispielsweise auch die Verwendung einer Metallhalogenid-Füllung ohne Quecksilber, wobei für das Zündgas Xenon ein hoher Druck gewählt wird.
  • In Fig. 2 ist ein Endbereich des Entladungsgefäßes im Detail gezeigt. Als Durchführung 9 dient ein System, bestehend aus einem Niobstift als Außenteil 13 mit einem Durchmesser von 1,1 mm und einem dünnen Wolframstift (Durchmesser 0.25 mm) als Innenteil 14, über den als Mantelrohr zwei gut ineinander passende Al2O3-Kapillarröhrchen 20, 21 geschoben sind. Das äußere Röhrchen 21 hat einen Außendurchmesser von 1,1 mm und einen Innendurchmesser von 0,62 mm, das innere Röhrchen 20 hat einen Außendurchmesser von 0,58 und einen Innendurchmesser von 0,3 mm. Die Gesamtlänge des Kapillarrohrs 12 beträgt etwa 17 mm, die des Wolframstifts 14 etwa 15 mm, und die der Elektrode etwa 5 mm bei einem Durchmesser des Schafts 15 von 0,5 mm.
  • Dem Niobstift ist entladungsseitig eine Stufe 22 angeschliffen. An der Stufe 22 wird der Wolframstift 14 mit einer Widerstandsschweißung 19 befestigt. Die Stufe ist so hoch, daß sie dem Wolframstift 14 genügend Führung verleiht, so daß er genau in der Mitte sitzt. Das ist wichtig, damit das gesamte System mittig fluchtet und gut in das zweiteilige Mantelrohr (Kapillarrohre 20, 21) eingeführt werden kann.
  • Auf der Entladungsseite ist der Wolframstift in gleicher Weise an den Elektrodenschaft 15 angeschweißt, wobei auch der Elektrodenschaft 15 aus den gleichen Gründen wie oben eine Stufe besitzt.
  • Der Niobstift 13 ist etwa 3 mm tief in die Stopfenkapillare 12 eingesetzt und mittels Glaslot 18 abgedichtet. Die Mantelrohre 20, 21 enden nahe an dem Niobstift (Abstand 0.1 - 0.5 mm), damit das Glaslot diesen Spalt leicht benetzen kann, und so das Niob vollständig bedeckt wird und damit auch der Anfang des Innenteils (1 bis 2 mm) noch vom Glaslot abgedeckt ist.
  • Um zu verhindern, daß sich die Röhrchen beim senkrechten Einschmelzen durch die Schwerkraft nach unten verschieben, müssen sie durch eine Stoppvorrichtung in Position gehalten werden. Das ist in diesem Fall durch eine kurvenförmige Ausbiegung 23 des Wolframstiftes gelöst. Das Ende des Wolframstifts 14 kann aber auch zu einer Wendel gebogen sein. Bevorzugt genügen ein bis zwei Windungen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel einer 250 W-Lampe gemäß Figur 2 hat der Niobstift 13 einen Durchmesser von 1,3 mm. Der Wolframstift 14 hat einen Durchmesser von 0,35 mm. Das innere Kapillarrohr 20 hat einen Außendurchmesser von 0,8 mm, das äußere Kapillarrohr 21 einen Außendurchmesser von 1,2 mm. Die Gesamtlänge des Wolframstifts ist 14,5 mm, die der Elektrode 3,5 mm bei einem Durchmesser von 0,7 mm. Der Abstand der Kapillarrohre 20, 21 vom Niobstift und von der Elektrode ist jeweils 0,5 mm. Das Kapillarrohr 12 des Stopfens hat eine Länge von etwa 18 mm. Der Niobstift sitzt darin etwa 2,5 mm tief.
  • In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Hier besitzt der Niobstift 13 entladungsseitig ein Sackloch 24, in dem der Wolframstift 14 eingesetzt und verschweißt ist. Diese Anordnung sichert eine exakte Zentrierung. Die Stoppvorrichtung ist hier ein Drahtstück 25, der in der Nähe des entladungsseitigen Endes des Wolframstifts quer zur Lampenachse am Wolframstift befestigt ist. Es hat sich gezeigt, daß das Mantelrohr keinen direkten Kontakt mit der Elektrode haben sollten, weil die Wärmebelastung sonst zu einer Reaktion des Aluminiumoxid mit den Bestandteilen der Füllung führen kann. Daher empfiehlt sich ganz allgemein ein Mindestabstand der Kapillarrohre zur Elektrode von mindestens 0,5. Bevorzugt ist der Abstand größer als 1 mm.
  • Die Stoppvorrichtung kann auch eine Anflachung oder Schweißperle o.ä. am Durchführungsstift aus Wolfram sein.
  • Eine weitere Möglichkeit einer exakten Zentrierung des inneren Durchführungsteils ergibt sich durch Verwendung eines Niobrohrs als äußeres Teil. Der Innendurchmesser des Niobrohrs ist so gewählt, daß das innere Teil (Wolframstift) gut in die Innenbohrung des Rohrs hineinpaßt.
  • In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endbereichs eines Entladungsgefäßes mit einer Leistung von 70 W gezeigt. Dabei ummantelt ein einfach ausgeführtes Mantelrohr 30 (Außendurchmesser 0,6 mm) einen Wolframstift 31 mit einem Durchmesser von 0,2 mm. Das dreiteilige Mantelrohr ist aus zwei axial hintereinander angeordneten äußeren Abschnitten 30a, 30b und einem inneren Wendelteil 34 gebildet. Der kurze äußerste Abschnitt 30b dient als Sperre für das Eindringen des Glaslots 18.
  • Der Wolframstift 31 ist an einer Stufe 32 des Elektrodenschafts 33 befestigt. Dabei dient die Stufe 32, die mindestens 0,5 mm hoch ist, gleichzeitig als Stoppvorrichtung für den Mittelabschnitt 30a des Mantelrohrs 30. Das Totvolumen im entladungsnahen Bereich vor dem langen inneren Mittelabschnitt 30a des Mantelrohrs 30 ist durch das Wendelteil 34 aus Molybdän ausgefüllt.
  • Eine derartige Technik ist jedoch nur bei kleinerer Leistung (unter 100 W) möglich, weil sonst der Wärmefluß zum Mantelrohr zu hoch würde. Außerdem ist die Verwendung von langen Elektrodenstiften (typischer Wert 5 mm Länge) ratsam.
  • Das äußere Teil ist hier ein Niobrohr 13' mit einer Bohrung 29, in deren vorderes Ende der Wolframstift 31 als inneres Teil eingeführt und dort verschweißt ist.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel ähnlich Figur 4 erstreckt sich der Wolframstift über die ganze Länge des Niobrohrs und ist mit diesem an einem Ende des Niobrohrs verschweißt. Das Mantelrohr ist entweder eine Hülse aus Aluminiumoxid oder eine Wendel aus rheniumdotiertem Wolfram.

Claims (12)

  1. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß (4) aus Aluminiumoxid, wobei das Entladungsgefäß zwei Enden (6) besitzt, die mit keramischen Stopfen verschlossen sind, die jeweils ein langgezogenes Kapillarrohr (12) -im folgenden Stopfenkapillare genannt- enthalten, und wobei durch diese Stopfenkapillare (12) eine elektrisch leitende Durchführung (9,10), die bezogen auf die Entladung aus einem stiftförmigen inneren (14) Teil und einem äußeren Teil (13) besteht, hindurchgeführt und außen mit Glaslot abgedichtet ist, wobei an der Durchführung eine Elektrode (16) mit einem Schaft (15) befestigt ist, die in das Innere des Entladungsgefäßes hineinragt, wobei der innere Teil (14) ein Stift aus einem halogenidresistentem Metall ist, dessen Durchmesser maximal 0,4 mm beträgt, und der von einer rohrförmigen Ummantelung (20,21) -im folgenden Mantelrohr genannt- aus metallischem oder keramischem Material, das Aluminium enthält, umgeben ist, wobei das äußere Teil (13) zumindest über seine im Stopfen befindliche Länge und ein daran anschließender Bereich des inneren Teils (14) über eine Länge, die mindestens einen kleinen Teil der Länge des Mantelrohrs (20,21) einschließt, mittels Glaslot (18) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (20,21;30) einen Mindestabstand von 0,5 mm zum Schaft der Elektrode besitzt.
  2. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (14) aus Wolfram, dem evtl. Rhenium zugesetzt ist, besteht und daß der äußere Teil (13) aus Niob besteht.
  3. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (20,21; 30) sich über mindestens 60% der Länge des inneren Teils (14) erstreckt.
  4. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr aus mehreren axialen Abschnitten besteht.
  5. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Teil entladungsseitig eine Stoppvorrichtung (23,25) für das Mantelrohr (20,21;30) angebracht ist.
  6. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (20,21;30) einen Abstand von mehr als 1 mm zum Schaft der Elektrode besitzt.
  7. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (13) der Durchführung ein Rohr (13') ist, in dessen Bohrung (29) der innere Teil (14) gehaltert ist.
  8. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil (13) der Durchführung ein Stift ist, der entladungsseitig ein Haltemittel für den inneren Teil (14) besitzt, insbesondere eine Stufe (22), einen Schlitz oder ein Sackloch (24).
  9. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Teil (14) aus Wolfram besteht, wobei die Füllung als Halogen mehr als 10 Mol-% Brom enthält.
  10. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des inneren Teils (14) weniger als 50% des Durchmessers des äußeren Teils (13) beträgt.
  11. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des inneren Teils (14) so bemessen ist, daß die Stromdichte durch das innere Teil maximal 80 A/mm2 beträgt.
  12. Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (20,21;30) ein- oder zweiteilig aus konzentrischen Rohren aufgebaut ist.
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