ES2209436T3 - Lampara de descarga de gas de alta presion. - Google Patents
Lampara de descarga de gas de alta presion.Info
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Abstract
Lámpara de descarga de gas de alta presión que comprende: un recipiente (1) de lámpara que está cerrado de manera hermética al vacío y que tiene una pared (2) de cristal de cuarzo que encierra un espacio (3) de descarga; unas hojas (4) metálicas empotradas en la pared del recipiente de lámpara, conectadas cada una a un respectivo conductor (5) de corriente externo; unas varillas (6) de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una respectiva de dichas hojas metálicas y que se proyectan desde la pared del recipiente de lámpara al espacio de descarga; un relleno ionizable en el espacio de descarga; estando definida la lámpara por la siguiente relación, finw >= 40% en la que: finw = fracción de longitud de la varillas de electrodo encerradas en la pared del recipiente de lámpara, caracterizada porque las varillas (6) de electrodo tienen unas primeras partes (7a) que se proyectan en el espacio de descarga, primeras partes que al menos están hechas sustancialmente de tungsteno, y unas segundas partes (7b) encerradas al menos parcialmente en la pared, segundas partes que tienen un espesor que oscila entre 250m y 350 m y al menos una envoltura (7c) de renio, contactando y estando conectadas dichas primera y segunda partes entre sí a través de los extremos (7d) enfrentados.
Description
Lampara de descarga de gas de alta presión.
La invención se refiere a una lámpara de descarga
de gas de alta presión que comprende:
- un recipiente de lámpara que está cerrado de manera hermética y tiene una pared de cristal de cuarzo que encierra un espacio de descarga;
- hojas metálicas empotradas en la pared del recipiente de lámpara y cada una conectada a un respectivo conductor de corriente externo;
- varillas de electrodo de volframio conectadas cada una a una respectiva de dichas hojas metálicas, y que se proyectan desde la pared del recipiente de lámpara al el espacio de descarga;
- un relleno ionizable en el espacio de descarga;
- estando definida la lámpara por la siguiente relación
f_{inw} >=
40%
- en la que:
- f_{inw} = fracción de longitud de la varilla de electrodo encerrada en la pared del recipiente de lámpara.
Del documento EP 0 581 354-A1 se
conoce una lámpara de descarga de gas de alta presión de este tipo.
La lámpara conocida es apropiada para el uso como faro de vehículo
y tiene unas varillas de electrodo de un espesor de 250\mum que
pueden tener o no una envoltura en sus extremos, y pueden fabricarse
en, por ejemplo, tungsteno toriado.
Se imponen unos requisitos estrictos a la
velocidad con que la lámpara, tras haberse encendido, proporciona
una fracción grande del flujo luminoso durante el funcionamiento
estable. También es necesario que la lámpara pueda encenderse
mientras todavía está caliente debido a un periodo previo de
funcionamiento. La lámpara se enciende a una tensión de varios kV y
a una frecuencia de varios kHz con el fin de cumplir con los
requisitos.
En la fabricación de la lámpara conocida, se hace
un cierre hermético en el que una o varias de dichas hojas
metálicas se encierran en la pared. Durante esta operación, el
cristal de cuarzo se ablanda en la zona donde debe crearse este
cierre en presencia de la hoja metálica, el conductor de corriente
externo y la varilla de electrodo. Posteriormente, la lámpara, o la
futura lámpara, se enfría. Debido a su coeficiente de expansión
térmica lineal relativamente elevado (aproximadamente 45*10^{-}7
K^{-1}), la varilla de electrodo se contrae entonces con más
intensidad que el cristal de cuarzo en el que está empotrada. El
cristal de cuarzo es un vidrio que tiene un contenido de SiO_{2}
de al menos un 98% en peso, el coeficiente de expansión del vidrio
es aproximadamente 6*10^{-}7 K^{-1}. Para una buena adherencia
entre la varilla y el cristal de cuarzo, obtenida mediante un
aditivo en el tungsteno de la varilla de electrodo, tal como óxido
de torio, se obtiene una capa de cristal de cuarzo alrededor de la
varilla que no tiene conexión mecánica con el cristal de cuarzo de
la pared. Si la varilla de electrodo y el cristal de cuarzo se
adhieren entre sí insuficientemente, se crea un espacio capilar
debido a la contracción alrededor de esta varilla. Alrededor de la
hoja metálica, frecuentemente una hoja de molibdeno, no se crea tal
espacio capilar debido a la forma de la hoja.
En la lámpara conocida, a menudo hay una buena
adhesión entre la varilla y el cristal de cuarzo y, por tanto,
existe un recubrimiento del cristal de cuarzo alrededor de la
varilla. El cristal de cuarzo que recubre las varillas de electrodo
en la lámpara conocida mejora su capacidad térmica (la energía que
se necesita para el mismo incremento de temperatura) y también
aumenta su conductancia térmica (la cantidad de calor que puede
reducirse por unidad de tiempo). Por otra parte, su conductividad
eléctrica no se ve afectada. La mayor capacidad térmica retrasa el
aumento de la temperatura de las varillas durante el encendido de
la lámpara, de manera que el contacto permanente con la hoja
metálica empotrada permite que el cristal de cuarzo de la pared
alcance una temperatura más elevada y se expanda, también gracias
al calor desarrollado en esta hoja debido al paso de corriente.
Se ha hallado que los recubrimientos de los
espacios de un tipo de lámpara pueden tener longitudes alternas.
Esto puede deberse a pequeñas variaciones de temperatura en el
cristal de cuarzo cuando se está realizando el cierre hermético.
Una desventaja es que la ausencia de revestimiento o un
revestimiento insuficiente resulta en artículos defectuosos durante
la fabricación de lámparas y en que la lámpara conocida tenga sólo
una vida útil corta cuando no hay o no es suficiente el
revestimiento de cristal de cuarzo y cuando esta lámpara se enciende
y se apaga con frecuencia tras un periodo de funcionamiento
corto.
Cuando se enciende una lámpara sin revestimiento
de ese tipo, la temperatura de las varillas de electrodo se eleva
considerablemente debido a la elevada corriente que circula por
ellas, y debido a la transferencia de calor procedente de la
descarga. Al cristal de cuarzo no le sucede este aumento de
temperatura de manera instantánea. Debido a su temperatura más
elevadas y a sus mayores coeficientes de expansión, las varillas
entrarán en contacto con el cristal de cuarzo y ejercerán presión
sobre él. Se halló que entonces se producían daños, tales como
microfisuras, en el cristal de cuarzo, microfisuras que
generalmente aumentan en número y tamaño durante los periodos de
encendido posteriores. Esto conduce a un fin (prematuro) de la vida
útil de la lámpara debido a la fuga, haciendo que los componentes
del relleno se escapen, de manera que la lámpara ya no se enciende
o el recipiente de lámpara se rompe.
Las lámparas que cumplen la relación f_{inw}
>= 40% tienen un mayor riesgo de incidencia de los fenómenos
perjudiciales mencionados anteriormente, a menos que se creen
circunstancias especiales, por ejemplo un revestimiento de cristal
de cuarzo alrededor de la varilla de electrodo.
Otro inconveniente es que el revestimiento
produce reflejos molestos e indeseados de la luz generada en la
descarga.
El documento US 5.510.675-A
describe electrodos, una parte de los cuales está hecha de renio y
tiene un espesor de 400 \mum. Sin embargo, la parte hecha de
renio se proyecta muy lejos en el espacio de descarga y sólo está
dotada con una cabeza en su extremo último, con un espesor de, por
ejemplo, 1 mm, o con un devanado envolvente de tungsteno. Sin
embargo, esta cabeza grande produce el efecto negativo de parpadeo
de la lámpara, es decir, el punto de contacto del arco voltaico de
descarga se desplaza repentinamente sobre la cabeza.
Es un objeto de la invención proporcionar una
lámpara de descarga de gas de alta presión del tipo descrito en el
párrafo inicial, que tenga una construcción sencilla y que
contrarreste dichos inconvenientes.
Según la invención, este objeto se logra porque
las varillas de los electrodo tienen unas primeras partes que se
proyectan en el espacio de descarga, primeras partes que están
hechas al menos sustancialmente de tungsteno, y unas segundas
partes encerradas al menos parcialmente en la pared, segundas
partes que tienen un espesor que oscila entre 250\mum y 350 \mum
y al menos una envoltura de renio, contactando y estando conectadas
dichas primeras y segundas partes entre sí a través de los extremos
enfrentados.
Dado que los electrodos se componen de una
primera y una segunda parte, es posible adaptar los electrodos a
las circunstancias. La primera parte está realizada de acuerdo con
el extremo del electrodo de la lámpara conocida que se proyecta en
el espacio de descarga, de manera que pueda soportar el calor
desarrollado por las elevadas corrientes eléctricas iniciales y la
descarga durante la vida útil de la lámpara. La primera parte del
electrodo está hecha de tungsteno, de manera que se evita una
fuerte evaporación del material de los electrodos, tal como
sucederá si la primera parte está compuesta de renio. La segunda
parte está diseñada de tal manera que el problema de la fuga o
rotura de la lámpara debido a la expansión y, consiguientemente, al
ejercicio de presión sobre el cristal de cuarzo por la varilla de
electrodo al (re)encenderse la lámpara ya no se produce más
al menos de manera sustancial. La primera y la segunda parte del
electrodo pueden fijarse la una a la otra según técnicas
convencionales, tales como la soldadura por láser.
En las segundas partes que tienen una envoltura
relativamente gruesa de renio o que están completamente hechas de
renio, se necesita un espesor mayor que cuando esta segunda parte
está hecha, por ejemplo, de tungsteno que tiene una envoltura fina
de renio debido al menor coeficiente de conductancia térmica del
renio comparado con el tungsteno, S_{Re} \sim 0,3*S_{W}. Los
experimentos han demostrado que se necesita un espesor mínimo de 250
\mum para las segundas partes hechas sustancialmente de renio con
el fin de garantizar una reducción suficiente de calor.
Se ha hallado que en las lámparas que cumplen la
relación f_{inw} >= 40% no se producen, al menos
sustancialmente, los problemas dados de fugas para espesores
relativamente pequeños de las segundas partes de las varilla de los
electrodo encerrados en la pared. El riesgo de fuga o rotura de la
lámpara se reduce considerablemente si se elige que el espesor de
estas segundas partes sea menor de 350 \mum. El uso con éxito de
espesores relativamente grandes en las segundas partes que tienen
al menos una envoltura de renio se basa en la ductilidad del renio.
Cuando se ejerce presión sobre el cristal de cuarzo debido a la
expansión de los electrodos, esta presión se distribuirá más
uniformemente debido a la deformación del renio relativamente dúctil
que cuando se emplean electrodos que están hechos de, por ejemplo,
tungsteno, que es mucho menos dúctil. Si se usan electrodos que
tienen al menos una envoltura de renio, se producirán así menos
concentraciones de tensiones en el cristal de cuarzo, de manera que
es posible el uso de espesores mayores que en electrodos de
tungsteno similares.
Una ventaja importante de la medida según la
invención es que proporciona la posibilidad de usar material de
varilla del electrodo que no tenga torio sin influir negativamente
en la vida útil de la lámpara.
Los espacios capilares que se han formado durante
el empotramiento de la varilla del electrodo en el cristal de
cuarzo son relativamente pequeños en las segundas partes que tienen
espesores de menos de 350 \mum. Por tanto, en estos espacios
capilares no pueden acumularse cantidades grandes de sales, sales
que, de otro modo, se habrían extraído de la descarga. En los
espacios capilares relativamente pequeños, la segunda parte de la
varilla del electrodo hace contacto localmente permanente con la
pared del recipiente de lámpara, de manera que se obtiene una
reducción satisfactoria.
Debido a la conductancia térmica relativamente
baja en las segundas partes que están hechas en gran parte o
completamente de renio, también es ventajoso que las primeras
partes cerca de su transición a las segundas partes estén en
contacto permanente con la pared del recipiente de lámpara, por
ejemplo, parcialmente encerradas en la pared, por ejemplo en una
longitud de 0,1-1,0 mm. De esta manera, la reducción
de calor del electrodo compuesto se mejora aún más.
Debido a las altas corrientes iniciales al
encenderse de la lámpara y el calor desarrollado como resultado de
la descarga, no sólo se producen temperaturas relativamente altas
en las segundas partes sino también en las primeras partes de los
electrodos. En las primeras partes que tienen un espesor de menos
de 250\mum, existe un riesgo relativamente grande de fusión. Los
electrodos que tienen las primeras partes con un espesor de más de
250\mum tienen una conductancia térmica suficiente de manera que
el riesgo de fundido se reduce muy considerablemente. Además, las
primeras partes tienen preferiblemente un espesor de menos de
400\mum. Apenas hay entonces riesgo de que se produzca un efecto
negativo de parpadeo de la lámpara.
Las longitudes de las primeras y segundas partes
también están determinadas por la longitud total del electrodo
completo. En una realización ventajosa, el electrodo completo tiene
una longitud de 4,5 a 7,5 mm, preferiblemente 6 mm. La elección de
la longitud de las partes por separado es tal que la conexión de la
primera parte a la segunda parte está situada, al menos
sustancialmente, en la superficie límite entre la pared y el
espacio de descarga, en la ubicación donde el electrodo se proyecta
en el espacio de descarga.
La lámpara de descarga de gas de alta presión
según la invención puede usarse, por ejemplo, como un faro de
vehículo o en un sistema óptico de distinta clase. Con este fin, la
lámpara puede estar dotada con un casquillo y puede estar o no
rodeada por una envoltura exterior. Un casquillo de lámpara puede o
no estar integrado con un reflector.
Las hojas metálicas pueden estar empotradas unas
cerca de otras en una zona de la pared o en zonas situadas a una
distancia unas de otras, por ejemplo, opuestas entre sí. Las
primeras partes de las varillas de electrodo pueden o no tener un
devanado envolvente en sus extremos en el espacio de descarga. Las
primeras partes de las varillas de electrodo pueden estar hechas de
tungsteno sin dopar, por ejemplo tungsteno ZG, o con tungsteno
dopado, por ejemplo W con 1,5% por peso de Th.
Cuando se usa tungsteno dopado, puede añadirse un
pequeño contenido de medio regulador del crecimiento de cristales,
tal como 0,01% por peso total de K, Al y Si con el fin de influir
en el tamaño de grano del tungsteno. Las segundas partes pueden
estar hechas de renio sin dopar o de renio dopado, por ejemplo,
dopado con Mo y/o W, normalmente con una concentración de dopante de
menos de un 10% por peso total.
El relleno ionizable puede comprender, entre
otros, un gas inerte, mercurio y una mezcla de halogenuros
metálicos, por ejemplo halogenuros de tierras raras que son los
halogenuros de los lantánidos, el escandio y el itrio.
Estos y otros aspectos son evidentes en y se
aclararán, a título de ejemplo no limitativo, con referencia a las
realizaciones descritas de aquí en adelante.
En los dibujos:
la figura 1 muestra una lámpara en alzado
lateral;
la figura 2 muestra un detalle de la figura 1 a
gran escala;
la figura 3 muestra la lámpara de la figura 1 con
un casquillo de lámpara en alzado lateral.
En la figura 1, la lámpara de descarga de gas de
alta presión tiene un recipiente 1 de lámpara, que está cerrado de
manera hermética al vacío, y una pared 2 de cristal de cuarzo que
encierra un espacio 3 de descarga. Unas hojas 4 metálicas, en la
figura de Mo con 0,5% por peso de Y_{2}O_{3}, conectadas cada
una a respectivos conductores 5 de corriente externos, de Mo en esta
realización, están empotradas en la pared del recipiente de lámpara.
Unas varillas 6 de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una
respectiva de dichas hojas 4 metálicas, se proyectan desde la pared
del recipiente de lámpara en el espacio de descarga. Un relleno
ionizable está presente en el espacio 3 de descarga.
Las varillas 6 de electrodo, conectadas a las
hojas 4 metálicas con los conductores 5 externos fijos a las
mismas, están parcialmente encerradas en la pared del recipiente de
lámpara, y la pared está fusionada con los conductores en la zona
de estos conductores, o la pared se ha aplanado, con el fin de
realizar un cierre por pellizco.
En la figura, el recipiente de lámpara está
rodeado por una envoltura 9 exterior y acoplado a la misma. La
lámpara puede estar sujeta por un casquillo de lámpara en un
manguito 10 metálico de fijación.
La lámpara descrita tiene un relleno de mercurio,
yoduro de sodio y yoduro de escandio, y xenón, por ejemplo xenón a
una presión de 7 bar a temperatura ambiente, y consume una energía
de 35 W durante el funcionamiento a una tensión nominal.
La figura 2 muestra que las varillas 6 de
electrodo están encerradas en la pared 2 del recipiente 1 de
lámpara en una fracción f_{inw} de longitud de aproximadamente el
75%, de manera que la lámpara cumple la relación f_{inw} >=
40%. Las varillas 6 de electrodo, que tienen cada una longitud de
aproximadamente 6 mm cada una, tienen una primera parte 7a y una
segunda parte 7b con una longitud de aproximadamente 1,5 mm y
aproximadamente 4,5 mm, respectivamente, que son adyacentes por los
extremos 7d de la primera y de la segunda parte y están conectadas
entre sí en una superficie 7 de contacto. La superficie 7 de
contacto está situada cerca de la pared 2 del recipiente 1 de
lámpara. La primera parte 7a está en contacto permanente con la
pared 2 del recipiente 1 de lámpara, en la zona 6b de contacto, no
obstante, sin riesgo de fuga o rotura de la lámpara. Las varillas 6
de electrodo tienen cada una la segunda parte 7b con una envoltura
7c en la pared 2, al menos próxima a la hoja 4 metálica relevante,
segunda parte que no está mecánicamente conectada al vidrio de la
pared.
En la realización mostrada en la figura 2, la
primera parte 7a de la varilla 6 de electrodo tiene un espesor de
300 \mum y está hecha de tungsteno, y la segunda parte 7b de la
varilla 6 de electrodo tiene un espesor de 300 \mum y está hecha
de renio. La figura muestra que la segunda parte 7b y el capilar 6a
alrededor de ésta terminan en la soldadura 4a de la varilla en la
hoja. El cierre 2a es hermético al vacío en una zona entre el
conductor 5 de corriente externo y la varilla 6 de electrodo.
En la figura 3, el recipiente 1 de lámpara está
encerrado en una envoltura 9a exterior distinta y acoplada a la
misma. El recipiente de lámpara está fijo en un casquillo 8 de
lámpara de tipo bayoneta, dotado con un contacto 11 central de
clavija y con un contacto 12 de anillo, que están conectados a las
varillas 6 de electrodo respectivas, el contacto de anillo a través
de un conductor 13 de conexión. El recipiente 1 de lámpara dotado
de un casquillo 8 de ese tipo es sumamente adecuado como faro de
vehículo.
Claims (5)
1. Lámpara de descarga de gas de alta presión que
comprende:
- un recipiente (1) de lámpara que está cerrado de manera hermética al vacío y que tiene una pared (2) de cristal de cuarzo que encierra un espacio (3) de descarga;
- unas hojas (4) metálicas empotradas en la pared del recipiente de lámpara, conectadas cada una a un respectivo conductor (5) de corriente externo;
- unas varillas (6) de electrodo de tungsteno conectadas cada una a una respectiva de dichas hojas metálicas y que se proyectan desde la pared del recipiente de lámpara al espacio de descarga;
- un relleno ionizable en el espacio de descarga;
- estando definida la lámpara por la siguiente relación,
f_{inw} >=
40%
- en la que:
- f_{inw} = fracción de longitud de la varillas de electrodo encerradas en la pared del recipiente de lámpara,
caracterizada porque las varillas (6) de
electrodo tienen unas primeras partes (7a) que se proyectan en el
espacio de descarga, primeras partes que al menos están hechas
sustancialmente de tungsteno, y unas segundas partes (7b)
encerradas al menos parcialmente en la pared, segundas partes que
tienen un espesor que oscila entre 250\mum y 350 \mum y al
menos una envoltura (7c) de renio, contactando y estando conectadas
dichas primera y segunda partes entre sí a través de los extremos
(7d) enfrentados.
2. Lámpara de descarga de gas de alta presión
según la reivindicación 1, caracterizada porque las primeras
partes (7a) de las varillas (6) de electrodo están en contacto
permanente con la pared (2) del recipiente (1) de lámpara en una
zona (6b) de contacto.
3. Lámpara de descarga de gas de alta presión
según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las
primeras partes (7a) de las varillas (6) de electrodo tienen un
espesor de 250\mum a 400\mum.
4. Lámpara de descarga de gas de alta presión
según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizada porque las
varillas (6) de electrodo tienen una longitud de entre 4,5 mm y 7,5
mm.
5. Lámpara de descarga de gas de alta presión
según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizada porque la lámpara está dotada con un casquillo
(8) de lámpara.
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