DE4327535A1 - Hochdruckentladungslampe mit keramischem Entladungsgefäß - Google Patents

Description

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

Es handelt sich hierbei im wesentlichen um Metall­ halogenid-Entladungslampen, deren Farbwiedergabe dadurch verbessert ist, daß ein keramisches Entla­ dungsgefäß 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 Glimm­ phase verbleibt. Ursache ist, daß der Entladungsbo­ gen 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 verhin­ dert wird. Problematisch ist jedoch die Befestigung der Platte.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Hochdruck­ entladungslampe 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.

Erfindungsgemäß ist der Elektrodenschaft von einer Hülse aus hochschmelzendem Material als Abschirmung umgeben. Insbesondere eignet sich Keramik (Al₂O₃), aber auch unter bestimmten Umständen Quarzglas oder auch Hartglas als Material. Bevorzugt ist die Hülse in eine entladungsseitige Vertiefung, insbesondere ein Sackloch oder eine Bohrung, des Stopfens einge­ paßt und dadurch fixiert. Die Vertiefung dient u. U. gleichzeitig für die Aufnahme der Durchführung.

Vorteilhaft 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 abge­ deckt, so daß das Ansetzen des Entladungsbogens am Schaft ausgeschlossen ist. Diese vollständige Überdeckung des im Entladungsvolumens befindlichen Schaftbereichs ist jedoch nicht unbedingt erforder­ lich. Es kann auch in Kopfnähe eine kleine Lücke verbleiben.

Der Innendurchmesser der Hülse wird normalerweise so gewählt, daß er dem Durchmesser des Elektroden­ schafts 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 Durchfüh­ rung 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 hinte­ ren Ende des Elektrodenkopfes (i.a. eine Wendel) ansetzen. Dadurch wird erreicht, daß die Elektro­ denspitze schneller aufgeheizt wird, so daß wiederum der Entladungsbogen schneller an der Elektrodenspitze ansetzt. Außerdem wird das Zurück­ schlagen des Entladungsbogens hinter den Elektro­ denkopf sowie eine vorzeitige Schwärzung vermieden. Schließlich werden auch damit zusammenhängende Undichtigkeiten im Durchführungsbereich vermieden. Bei einer speziellen Ausführungsform werden zusätz­ lich 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. Dies wird dadurch realisiert, daß die Durchführung (insbeson­ dere ein Niobstift) von der Entladung möglichst weit zurückgezogen ist und nur im entfernten Teil der Stopfenbohrung vertieft eingeschmolzen ist. Bei dieser Technik füllt die Hülse den größten Teil des Ringspalts in der Stopfenbohrung aus. Auf diese Weise wird erreicht, daß nur eine kleine Menge Füllungsbestandteile in der Stopfenbohrung auskon­ densieren kann. Die Bohrung kann auch durch Glaslot vollständig verschlossen werden, so daß die Durch­ führung, insbesondere wenn sie aus korrosionsanfäl­ ligem Niob besteht, gut abgeschirmt ist.

Die Technik der zurückgezogenen Einschmelzung läßt sich noch extremer gestalten, indem man sehr lange Stopfen verwendet, die aus dem Brenner ziemlich weit herausstehen. Die Durchführung (insbes. aus Niob) wird nur am äußeren Ende dieses Stopfens eingeschmolzen. In diesem Fall kann der lange Ringspalt zur Entladung hin sehr gut mit einem Keramikrohr, das den Elektrodenschaft ummantelt, ausgefüllt werden. Die verbleibenden kleinen Hohl­ räume im Stopfenbereich sind bis zu einer Stelle im Entladungsraum mit Füllung aufgefüllt, an der Temperatur und Dampfdruck hoch genug sind, um eine für gute Lichtwerte ausreichende Dampfdichte zu erzeugen. Die hinten im Stopfen liegende konden­ sierte Füllung reagiert wegen der niedrigen Tempera­ tur dort wenig oder gar nicht mit Glaslot und Niob.

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 mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Metallhalogenidentladungslampe, teil­ weise geschnitten

Fig. 2 den Durchführungsbereich der Lampe im De­ tail, teilweise im Schnitt

Fig. 3 die Herstellung eines Elektrodensystems gemäß Fig. 2

Fig. 4 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele des Durchführungsbereichs der Lampe im Längs­ schnitt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Metallhalogenid- Entladungslampe mit einer Leistung von 150 W darge­ stellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden zylindrischen Außenkolben 1 aus Quarzglas, der zweiseitig gequetscht 2 und gesoc­ kelt 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 be­ steht neben einem inerten Zündgas, z. B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden. Die erste Durchführung 9a ist am ersten Ende 6a ange­ ordnet, das als Pumpende beim Füllen der Lampe dient. Sie hält im Innern des Entladungsgefäßes eine Elektrode 11, bestehend aus einem Elektroden­ schaft 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 Niob­ stift, der in die Bohrung des Endstopfens vertieft eingesetzt ist.

Zum Zweck des Evakuierens und Füllens ist bei­ spielsweise 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 Öff­ nung 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 Durchmes­ ser 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 be­ steht, 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 Einsetz­ tiefe 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 Keramik­ hülse 17 werden zusammen als eine Baueinheit einge­ schmolzen. 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 aufge­ schoben 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 Elektro­ densystems benetzt das Glaslot 14 den Niobstift 9 und auch die Hülse 17, so daß die Hülse in der bereits vorhandenen Stopfenbohrung mit eingeschmol­ zen wird (s. Fig. 1).

In einem weiteren Ausführungsbeispiel für 250 W (das jedoch auch für kleinere Leistungsstufen geeignet ist) besitzt gemäß Fig. 4 das Entladungs­ gefäß 4′ verjüngte Enden 6′. Der Stopfen 10′ be­ sitzt 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 Entladungsgefä­ ßes herausragt. Ein Niobstift 9 mit einem Durchmes­ ser 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 ange­ schweißt, 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 1,15 mm, einen Innendurchmesser 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 Ausführungs­ beispiel. Es ist daher nicht notwendig, den ganzen verbleibenden Ringspalt der Bohrung 32 im Stopfen­ bereich, 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 Fül­ lungskondensat (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 weiteres Ausführungsbeispiel 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, Wolfram oder Niob mit einem Durchmesser von 0,3 mm direkt eingesintert. Innerhalb des Entladungsvolumens ist am Stift 22 ein Elektroden­ schaft 25 mit einem Durchmesser von 0,5 mm seitlich mittels einer Abschrägung 26 des Schaftes befe­ stigt. 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 Ahnlichkeit im thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten von Hülse und Stopfen möglich.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. 6), das weitgehend dem in Fig. 5 gezeigten entspricht und für gleiche Teile gleiche Bezugsziffern verwendet, ist das Konzept der Hülse noch weiter vereinfacht. Der Stopfen 21 besitzt kein Sackloch. Die Hülse 31 ist zwischen der planen, entladungsseitigen Endflä­ che 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.

Claims (10)

1. Hochdruckentladungslampe mit einem - insbesonde­ re in einem Außenkolben (1) befindlichen - kerami­ schen Entladungsgefäß (4), das ein Entladungsvolu­ men sowie eine ionisierbare Füllung, insbesondere mit Metallhalogeniden, enthält, wobei das Entla­ dungsgefäß (4) zwei Enden (6) mit Öffnungen be­ sitzt, und wobei zwei Elektroden (11), bestehend aus Schaft (12) und Kopf (13; 20) mit außen befind­ lichen Stromzuführungen (7) über Durchführungen (9) verbunden sind, und wobei jeweils die Durchführung vakuumdicht in einer Endöffnung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der überwie­ gende Teil des Elektrodenschafts (12) innerhalb des Entladungsvolumens von einer Hülse (17; 29) aus hochschmelzendem Material umgeben ist.

2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Enden des Entladungs­ gefäßes durch Stopfen (10) verschlossen sind, wobei die Durchführungen in Öffnungen der Stopfen (10) eingesetzt sind.

3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17) in eine Vertiefung (28) an der entladungsseitigen Endfläche (30) des Stopfens eingesetzt ist.

4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hülse (17; 29) aus Keramik gefertigt ist.

5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse am Elektro­ denkopf (13) anliegt.

6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (29; 31) auch einen Teil der Durchführung (22) umgibt.

7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hülse an den Durchmesser des Elektrodenschafts angepaßt ist.

8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Hülse mehr als 200 µm größer als der Durchmes­ ser des Elektrodenschafts ist und gleichzeitig kleiner als die Querabmessung des Elektrodenkopfes ist.

9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung ein Niobstift (9) ist, der in die Bohrung (32) des Stopfens mittels Glaslot (14) eingeschmolzen ist, wobei die Hülse (17) in die Bohrung (32) eingesetzt ist und am Niobstift (9) anliegt.

10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (10′) an seiner von der Entladung abgewandten Seite verlän­ gert ist, wobei sich die Hülse (17) über mehr als 50% der Länge der Bohrung in diese hinein er­ streckt.