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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Halogenmetalldampflampe
mit:
einem abgedichteten lichtdurchlässigen Entladungsgefäß, das gegenüber liegende
Abdichtungen aufweist und einen Entladungsraum umhüllt, der
eine Edelgas und Metallhalogenide umfassende Gasfüllung hat;
Wolfram-Elektroden,
die in dem Entladungsraum gegenüber
liegend angeordnet sind;
Stromdurchführleitern, die in einer jeweiligen
Abdichtung des Entladungsgefäßes liegen
und aus dem Entladungsgefäß heraustreten;
an
je einem der genannten Durchführleiter
befestigten Elektrodenstäben,
die in den Entladungsraum eintreten und j e eine der genannten Elektroden
tragen.
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Eine derartige Lampe ist aus US-A-5.424.609
bekannt.
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Die bekannte Lampe hat ein keramisches Entladungsgefäß, Stromdurchführleiter
aus z. B. Niobium oder Tantal und eine Gasfüllung aus Edelgas, Quecksilber
und einer Mischung von Metalliodiden einschließlich Seltenerdmetalliodiden,
d. h. den Iodiden der Lanthanide, Scandium und Yttrium, als Metallhalogenide.
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In keramischen Entladungslampen
erstrecken sich die Stromdurchführleiter
im Allgemeinen in den Entladungsraum hinein, wobei sie einem Angreifen
durch die Metallhalogenide ausgesetzt sind. In der bekannten Lampe
sind die inneren Enden der Stromdurchführleiter in keramisches Abdichtungsmaterial
der Abdichtungen eingebettet und ein jeweiliger Leiter, der zumindest
an seiner Oberfläche
halogenidbeständig
sein soll, tritt aus den Abdichtungen heraus und verbindet die Durchführleiter
mit Wolfram-Elektrodenstäben.
Die genannten Leiter bestehen zumindest an ihrer Oberfläche aus
Wolfram, Molybdän,
Platin, Iridium, Rhenium, Rhodium oder einem elektrisch leitenden
Silicid, Carbid oder Nitrid.
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Es zeigte sich, dass die bekannte
Lampe infolge einer Schwärzung
des Entladungsgefäßes, die durch
die Abscheidung von Wolfram bewirkt wird, das aus den Elektroden
und den Elektrodenstäben stammt,
unter abnehmender Lichtausbeute leidet.
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Eine einfach gesockelte Quarzglas-Halogenmetalldampflampe
ist aus EP-A 0.343.625 bekannt, wobei die Gasfüllung aus Edelgas, Quecksilber
und einer Mischung aus Metalliodiden und Metallbromiden besteht.
Beide Durchführleiter
sind nebeneinander in der einen Abdichtung des Entladungsgefäßes eingebettet
und die Elektrodenstäbe
erstrecken sich nebeneinander in den Entladungsraum. Infolge der erhöhten Temperatur
der Elektrodenstäbe
im Betrieb und ihres kurzen gegenseitigen Abstandes kann in einer
solchen Lampe der Entladungsbogen von den Elektroden auf die Elektrodenstäbe überspringen, wobei
er dem Entladungsgefäß nahe kommt
und bewirkt, dass es überhitzt
wird. Das Überspringen
des Entladungsbogens bewirkt jedoch auch, dass die Elektrodenstäbe noch
stärker überhitzt
werden, örtlich
verdampfen und dadurch das Entladungsgefäß schwärzen und selbst brechen. Außerdem bewirkt der
kurze Abstand in der Art Lampe zwischen den Elektrodenstäben und
dem Abschnitt des Entladungsgefäßes, der
beim Herstellen der Abdichtung während
der Fertigung der Lampe zum Erweichen erwärmt wird, dass die Wolfram-Elektrodenstäbe oxidieren,
was im Betrieb zu einer schnellen Schwärzung des Entladungsgefäßes führt.
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Bei der Lampe von EP-A 0.343.625
werden Oxidation der Elektrodenstäbe und ein Überspringen des Entladungsbogens
vermieden, indem die Elektrodenstäbe zumindest an ihrer Oberfläche aus
Rhenium oder einer Rhenium-Wolfram-Legierung bestehen. Diese Elektrodenstäbe ragen
an ihren Enden im Entladungsraum durch eine Wolfram-Elektrodenspule.
Rhenium wird weniger leicht oxidiert und hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit,
wodurch ein Rhenium-Elektrodenstab im Betrieb eine niedrigere Temperatur
annehmen würde.
Rhenium-Wolfram-Legierungen, die 3 bis 33 Gew.-% Rhenium enthalten,
werden bevorzugt, weil Rhenium ein kostspieliges Metall ist. Es
zeigte sich jedoch, dass die Lampe den ernsthaften Nachteil hat,
dass sie infolge der Verdampfung von Rhenium und Abscheidung von
Rhenium auf dem Entladungsgefäß unter
einer schnellen Schwärzung
leidet.
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Eine gleichartige einfach gesockelte
Quarzglas-Lampe und eine zweifach gesockelte Quarzglas-Lampe sind
aus US-A-5.510.675 bekannt. Diese Lampen haben eine Gasfüllung aus
Edelgas, Quecksilber und einer Mischung aus Metalliodiden und -bromiden.
Ihre Elektrodenstäbe
haben an ihrem Ende in dem Entladungsraum eine Umwicklung aus Wolframdraht
und einen verschmolzenen kugelförmigen
Wolfram-Elektrodenkopf.
Der Zweck hiervon ist, Flackern zu beseitigen, das durch Wanderung
des Entladungsbogens bewirkt wird. Die Elektrodenstäbe können aus
Rhenium statt aus Wolf ram bestehen. Es zeigte sich, dass die Lampe
mit Rhenium-Elektrodenstäben
infolge der Verdampfung von Rhenium und Abscheidung von Rhenium
auf dem Entladungsgefäß unter
einer schnellen Schwärzung
leidet. Falls die Elektrodenstäbe
aus Wolfram bestehen, kann infolge von Verdampfung von Wolfram aus
den Elektrodenstäben
und den Elektroden sowie Abscheidung auf dem Entladungsgefäß Schwärzung des
Entladungsgefäßes auftreten.
Außerdem
können
in diesem Fall die Elektrodenstäbe örtlich immer
dünner werden,
was zu einem relativ frühen
Zeitpunkt zum Bruch der Stäbe
führt.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine
Hochdruck-Halogenmetalldampflampe der eingangs erwähnten Art
zu verschaffen, bei der Schwärzung
des Entladungsgefäßes und
Bruch der Elektrodenstäbe
vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Lampe
dadurch gelöst,
dass die Gasfüllung
im Lampenbetrieb Metalloxyhalogenide enthält und nahezu frei von Verbindungen
von Seltenerdmetallen ist, die Elektrodenstäbe neben der Elektrode einen ersten
Abschnitt aus Wolfram haben, der an einer Stelle, die im Betrieb
eine Temperatur im Bereich von 1900–2300 K hat, in einen zweiten
Abschnitt mündet, der
zweite Abschnitt einen Kern aus Wolfram und eine Außenhaut
aus zumindest 90 Gew.-% Rhenium und dem Rest Wolfram hat und an
einem jeweiligen Stromdurchfiihrleiter befestigt ist.
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Die Erfindung beruht auf einer Erkenntnis
mit mehreren Aspekten.
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Das Entladungsgefäß kann durch einen schnell
wirkenden regenerativen Zyklus, mit dem verdampftes Wolfram zu den
Elektroden als Wolframoxyhalogenid, z. B. Oxybromid, transportiert
wird, klar gehalten werden. Wolframoxyhalogenid zerfällt nahe den
Elektroden und Wolfram wird auf den Elektroden abgeschieden. Freies
Halogen, z. B. Brom oder Iod, und Sauerstoff in der Gasatmosphäre der betriebenen
Lampe sind für
einen schnellen Transport essentiell. Seltenerdmetalle haben eine
hohe Affinität
zu Sauerstoff, was zu stabilen Oxiden führt und das Vorhandensein von
freiem Sauerstoff in der Gasatmosphäre ausschließt. Daher
dürfen
nahezu keine Seltenerdmetalle vorhanden sein.
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Rhenium hat einen Dampfdruck, der
bei zunehmender Temperatur ziemlich steil ansteigt. Rhenium kann
nicht mit Hilfe von Halogen zu den Elektrodenstäben zurückgebracht werden, da Rhenium nicht
mit Halogen oder mit Halogen und Sauerstoff reagiert. An Stellen,
die im Betrieb eine relativ hohe Temperatur haben, muss Rhenium
vermieden werden.
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Halogen, insbesondere Brom, und Sauerstoff
bilden zusammen wirksame Mittel, um Wolfram von Stellen mit relativ
niedriger Temperatur, wie z. B. von der Wandung des Entladungsgefäßes aus
zur Elektrode zu transportieren. Die Elektrodenstäbe haben
jedoch auch Stellen mit einer Temperatur, bei der Wolfram mit Sauerstoff
und Halogen reagiert, um flüchtige
Verbindungen zu bilden. Das Vorhandensein von Sauerstoff und Halogen
in der Gasatmosphäre
einer betriebenen Lampe bewirkt, dass die Elektrodenstäbe örtlich dünner werden,
bis Brechen auftritt.
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In eine Lampe dosiertes Halogen als
das einziges absichtlich zugefügtes
Wolframtransportmittel könnte
das Entladungsgefäß durch
Zusammenwirkung mit unabsichtlich, als Verunreinigung, zugefügtem Sauerstoff
ohne übermäßigen Transport
von Wolfram zu den Elektrodenstäben
klar halten. In diesem Fall können
jedoch andere Verunreinigungen in der Gasfüllung, auf den Elektroden und
ihren Stäben und
auf dem Entladungsgefäß, wie z.
B. Kohlenstoff, Eisen, Phosphor und Wasserstoff, einen starken Einfluss
auf den Transport von Wolfram entweder zum Entladungsgefäß oder zur
Elektrode haben.
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Indem dafür gesorgt wird, dass die Wolfram-Elektrodenstäbe in ihrem
zweiten Abschnitt eine Außenhaut
aufweisen, die im Wesentlichen aus Rhenium beseht, werden Reaktionen
dieses Abschnitts mit Brom und Sauerstoff vermieden. Indem der erste Abschnitt
der Elektrodenstäbe
aus Wolfram hergestellt wird, wird vermieden, dass eine starke Verdampfung
auftritt, was der Fall sein würde,
wenn der erste Abschnitt aus Rhenium besteht. Die Temperatur der
gemeinsamen Grenze des ersten und des zweiten Abschnitts wird etwa
so hoch gewählt
wie die Temperatur, bei der sowohl der Rhenium-Dampfdruck bei höheren Temperaturen
als auch die Summe aus dem Wolfram-Dampfdruck und den Drücken von
Wolframverbindungen bei angrenzenden niedrigeren Temperaturen als
die Grenztemperatur wesentlich höher
wären.
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In Gegensatz zu dem, was in dem oben
erwähnten
EP-A-0 343 625 als für
den darin beschriebenen Zweck wirksam offenbart wird, erwies sich eine
Rhenium/Wolfram-Legierung,
die mehr als 95% oder sogar 67 Gew.-% Wolfram enthält, als
unwirksam. In der genannten Außenhaut
sollte vorzugsweise nicht mehr als 10 Gew.-%, vorzugsweise nicht mehr
als 5 Gew.-% Wolfram vorhanden sein.
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Die Elektrodenstäbe können aus Wolframstäben erhalten
werden, die in ihrem erstem Abschnitt blank bleiben und in ihrem
zweiten Abschnitt beschichtet sind, z. B. durch Umwickeln mit einem Draht
oder einer Folie oder durch Abscheiden von Rhenium oder einer Wolfram/Rhenium-Mischung,
z. B. durch Sputtern oder Dampfabscheidung. Auch kann ein erster
Wolframstab an einen zweiten Wolframstab mit einer Außenhaut
aus Rhenium oder Rheniumlegierung geschweißt, z. B. stumpfgeschweißt werden,
z. B. durch Widerstandsschweißen oder
Laserschweißen.
Um die geringere Wärmeleitfähigkeit
von Rhenium zu kompensieren: SRe ≈ 0,3 Sw,. kann der zweite Stab auf Wunsch geringfügig, z. B.
10 bis 15%, dicker gewählt
werden.
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Die gemeinsame Grenze des ersten
und des zweiten Abschnitts liegt an einer Stelle mit einer Temperatur
von 1900–2300
K im Betrieb. Diese Temperatur kann für einen speziellen Lampentyp
in Abhängigkeit
von der Gasfüllung
und der Qualität
des Fertigungsprozesses gewählt
werden, was bewirken könnte,
dass die Lampe mehr oder weniger Verunreinigungen enthält, die
den gesamten Dampfdruck von Wolfram und Wolframverbindungen beeinflussen. Für jeden
Lampentyp kann die optimale Temperatur der genannten gemeinsamen
Grenze in einer kleinen Serie von Testlampen durch Überwachen
der Lichtausbeute der Lampen während
ihrer Lebensdauer in einfacher Weise bestimmt werden. Im Allgemeinen
ist es günstig,
wenn die Grenze bei einer Temperatur im Bereich von 2100– 2300 K
liegt.
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Die Gasfüllung kann außer Bromiden
wie Natriumbromid, Thalliumbromid, Indiumbromid oder anderen Nicht-Seltenerdmetallbromiden,
Metalliodide enthalten, wie z. B. Natriumiodid und Zinniodid. Sauerstoff
kann in das Entladungsgefäß z. B.
in Beimischung mit Edelgas oder als eine Verbindung, z. B. als ein
Oxyhalogenid oder als Wolframoxid eingebracht worden sein. Im Betrieb
der Lampe werden Metalloxyhalogenide, insbesondere Wolframoxyhalogenide,
wie z. B. WOI2, WO2Br2 und WOBr2 gebildet.
Wenn sie nicht betrieben wird, kann die Lampe einen Niederschlag
von Wolframoxid auf der Wandung des Entladungsgefäßes aufweisen.
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Die Elektroden können die Spitzen der Elektrodenstäbe sein,
d. h. die Spitzen der ersten Elektrodenstababschnitte, oder gesonderte,
an den Elektrodenstäben
befestigte Körper
oder verschmolzene Endabschnitte der Elektrodenstäbe. Nahe
den Elektroden kann eine Drahtwicklung, im Allgemeinen aus Wolframdraht,
vorhanden sein, um z. B. ihre Temperatur einzustellen.
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Das Entladungsgefäß kann aus Keramik bestehen,
z. B. aus mono- oder polykristallinem Aluminiumoxid, oder aus Glas
mit hohem Siliciumoxidgehalt, z. B. Quarzg1as. Das Entladungsgefäß kann auf Wunsch
von einer Außenhülle umgeben
sein. Eine Außenhülle kann
mit Edelgas gefüllt
oder evakuiert sein. Die Lampe kann gesockelt sein, z. B. an einem Ende
oder an ihren beiden Enden.
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Die Lampe der Erfindung kann z. B.
mit Faseroptik, als Projektionslampe usw. verwendet werden und insbesondere
in solchen Anwendungen, bei denen ein ungehinderter Lichtstrahlengang
vom Entladungsbogen bis außerhalb
des Entladungsgefäßes oder
lange Lebensdauern und ein guter Lichtstromfaktor gefordert werden.
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Eine Ausführungsform der Lampe der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1 die
Lampe in Seitenansicht;
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2 einen
Elektrodenstab in Querschnittsansicht;
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3 eine
graphische Darstellung von Dampfdrücken.
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Die Hochdruck-Halogenmetalldampflampe von 1 hat ein abgedichtetes
lichtdurchlässiges Entladungsgefäß 1,
in der Figur aus Quarzglas, aber alternativ auch aus mono- oder
polykristalliner Keramik, das gegenüber liegende Abdichtungen 2 aufweist
und einen Entladungsraum 3 umhüllt. Der Entladungsraum hat
eine Edelgas und Metallhalogenide umfassende Gasfüllung. Wolfram-Elektroden 5 sind in
dem Entladungsraum 3 gegenüber liegend angeordnet. Die
in 1 gezeigte Lampe
ist eine Wechselstromlampe, aber Gleichstromlampen fallen ebenso
in den Bereich dieser Erfindung. Stromdurchführleiter 6 liegen
in einer jeweiligen Abdichtung 2 des Entladungsgefäßes 1 und
treten aus dem Entladungsgefäß heraus.
In der Figur sind die Stromdurchfiihrleiter je aus einer Metallfolie 6a,
z. B. aus Molybdän,
die vollständig
innerhalb einer jeweiligen Abdichtung liegt, und aus einem Metallstab 6b,
z. B. aus Molybdän,
der sich bis außerhalb
des Entladungsgefäßes 1 erstreckt,
zusammengesetzt. Elektrodenstäbe 7 sind
mit jeweils einem der genannten Durchführleiter 6 verbunden – in der
Figur, indem sie an die Metallfolien 6a geschweißt sind
-, gelangen in den Entladungsraum 3 und tragen jeweils
eine der genannten Elektroden 5.
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Die Gasfüllung enthält Metalloxyhalogenide und
ist nahezu frei von Verbindungen von Seltenerdmetallen. Die Elektrodenstäbe 7 haben
einen ersten Abschnitt 71 aus Wolfram neben der Elektrode 5,
der an einer Stelle 73, die im Betrieb eine Temperatur
im Bereich von 1900–2300
K, insbesondere 2100–2300 K,
in der Figur 2100 K hat, in einen zweiten Abschnitt 72 mündet. Der
zweite Abschnitt 72 hat eine Außenhaut aus zumindest 90 Gew.-%,
vorzugsweise zumindest 95 Gew.-% Rhenium, Rest Wolfram. In der Figur
haben die zweiten Abschnitte 72 der Elektrodenstäbe 7 einen
Durchmesser von 1 mm und sind dicker als die ersten Abschnitte 71,
die einen Durchmesser von 0,8 mm haben. Die Elektroden 5 in
der Figur sind freie Endabschnitte der ersten Elektrodenstababschnitte 71.
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In 1 haben
die Elektrodenstäbe 7 am ersten
Abschnitt 71 eine Umwicklung 74 von Wolframdraht
nahe den Elektroden 5, um die Temperatur der Elektroden
einzustellen.
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Die Lampe von 1 verbraucht eine Leistung von 200 W.
Die Lampe, mit einem Volumen von 0,7 cm3 und
einem Elektrodenabstand von 3 mm, war mit 0,87 mg NaI, 0,45 mg SnI2, 0,76 mg NaBr, 0,21 mg TlBr, 0,17 mg HgI2, 2666 Pa O2, 44
mg Hg und 10 000 Pa Ar gefüllt.
Beim Einschalten der Lampe reagiert der Sauerstoff und bildet Oxyhalogenide.
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Nach 1600 Betriebsstunden, in denen
die gemeinsamen Grenzen der ersten und der zweiten Elektrodenstababschnitte
auf einer Temperatur von etwa 2100 K lagen, war das Entladungsgefäß noch völlig klar
und die Lampe hatte das Ende ihrer Lebensdauer noch nicht erreicht.
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Dies im Gegensatz zu einer Testlampe,
in der einer der Elektrodenstäbe
den in 1 gezeigten Entwurf
hatte und der andere aus Wolfram bestand. Der Elektrodenabstand
betrug 5 mm. Die Lampe hatte eine Füllung von 0,89 mg SnI2, 0,14 mg HgI2,
0,13 mg WO3, 39 mg Hg und 10 000 Pa Ar.
Nach 125 Betriebsstunden bei einer Leistung von 200 W brach der Wolfram-Elektrodenstab
zusammen und bewirkte dadurch das Ende der Lebensdauer der Lampe,
während
keinerlei Zeichen für
eine Änderung
des anderen Elektrodenstabes sichtbar waren. Das Lampengefäß war noch
sauber. Wenn die Lampe erstmals betrieben wurde, reagierte das Wolframoxid
mit Halogen zu Oxyhalogenid.
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In 2 hat
der Elektrodenstab 7 einen ersten Abschnitt 71 und
eine Drahtwicklung 74 aus Wolfram und einen zweiten Abschnitt 72 aus
Wolfram mit einer Außenhaut 72' aus Rhenium
bis zur Stelle 73.
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In 3 gibt
die Kurve W die Summe aus dem Druck von Wolframdampf und den Drücken von Wolframverbindungen
in einer Lampe in Abhängigkeit
von der Temperatur an, während
die Kurve Re den Rhenium-Dampfdruck bei verschiedenen Temperaturen
darstellt.
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Zu sehen ist, dass der Rhenium-Dampfdruck mit
zunehmender Temperatur ansteigt. Somit verdampft Rhenium umso schneller,
je höher
seine Temperatur ist.
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Auch ist erkennbar, dass die Summe
der Wolframdrücke
bei etwa 1500 K am höchsten
und bei etwa 2250 K am niedrigsten ist. Das bedeutet, dass eine
Wolframober fläche
von 1500 K Wolfram verliert, und zwar durch Verdampfung und durch
chemische Reaktionen, die flüchtige
Produkte ergeben, die transportiert werden und an einer Oberfläche von etwa
2250 K oder höher
infolge schnellerer Zersetzungsreaktionen bei höheren Temperaturen, 2300–2500 K,
abgeschieden werden. Diese Prozesse sind unerwünscht, weil sie Wolfram von
einem Wolfram-Elektrodenstab zur Elektrode transportieren würden und
dadurch bewirken, dass der Stab dünner wird und bricht.
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Jedoch ist auch zu sehen, dass die
Wolframdrücke
bei etwa 1150 K, d. h. an der Wandung des Entladungsgefäßes, relativ
hoch sind. Wolfram wird auch von Stellen mit dieser Temperatur zu
Stellen von etwa 2200 K oder höher
transportiert werden. Dieser Transport ist erwünscht, da er die Wandung klar
lässt.
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In der Figur schneiden sich die beiden
Kurven bei etwa 2000 K. In einer Lampe, in der die Verunreinigungen,
die die Flüchtigkeit
von Wolframverbindungen beeinflussen, die W-Kurve so aussehen lassen,
wie abgebildet, ist die Temperatur des Schnittpunkts der Kurven
die Eigentemperatur der gemeinsame Grenze an der Stelle
73 des
ersten
71 und des zweiten Elektrodenstababschnitts
72.
Wenn in der Lampe die Temperatur der genannten gemeinsamen Grenze
höher wäre als die
gezeigte, wäre
die höchste
Rheniumtemperatur in der Lampe höher
und es gäbe
eine höhere
Rheniumverdampfung. Wenn in der gleichen Lampe die Temperatur der
gemeinsamen Grenze niedriger wäre,
wäre die
höchste
Rheniumtemperatur niedriger und folglich wäre der Rheniumdampfdruck niedriger,
aber die Wolframdrücke
an der Grenze wären
höher und
daher würde
ein Transport von Wolfram von dieser Stelle zu Stellen mit höherer Temperatur
erfolgen, wo die W-Kurve ein Minimum hat. Bei anderen Verunreinigungsgraden
in der Lampe verschiebt sich die W-Kurve nach rechts und die beiden Kurven
schneiden sich bei höherer
Temperatur. In einer Lampe ohne wesentliche Verunreinigungen werden
sich die Kurven bei etwa 1900 K schneiden. INSCHRIFT
DER ZEICHNUNG
FIG. 3
pressure | Druck |
temperature | Temperatur |