CN110858533A - 主体，尤其是灯体，以及用于形成气密密封的方法 - Google Patents

主体，尤其是灯体，以及用于形成气密密封的方法 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种灯体，其包括：管状元件，其中，将至少一个导体引入到该管状元件中；以及玻璃材料，其包围导体。本发明的特征在于，玻璃材料在管状元件和导体之间形成密封；并且玻璃材料包括烧结玻璃，尤其是烧结玻璃环，其优选地完全包围导体。

Description

主体，尤其是灯体，以及用于形成气密密封的方法
技术领域
本发明涉及一种主体，尤其是一种灯体，其包括：管状元件，其由玻璃或玻璃陶瓷材料制成，在该管状元件中引入至少一个导体；以及另一玻璃材料，其包围导体并且与管状元件连接。另外，本发明还涉及一种用于在管状元件和导体之间形成气密密封的方法。
背景技术
在高温光源中，一般存在以下问题：阳极导体和阴极导体都必须以气密密封的方式引入到一般为管状的填充元件中，该填充元件优选由石英玻璃制成并且容纳灯。由于石英玻璃的热膨胀小，所以必须使用膨胀系数介于填充元件的膨胀系数和导体的膨胀系数之间的密封材料，对导体进行气密密封。为此目的，现有技术一般使用由特定玻璃材料制成的玻璃珠。作为玻璃珠的玻璃材料，US5,979,187B通过示例的方式公开了GS10密封玻璃的用途，该密封玻璃例如可以从Transition Glass Products Ltd，Unit 1Globe Court,Coalpit Road,Denaby Industrial Estate,Denaby,South Yorkshire,United Kingdom获得。在这方面，例如请参考www.transitionglass.com/products/gs10-graded-seal-glass-rod/。GS10玻璃是一种硼硅酸盐玻璃，其SiO2含量为84.8重量％，Bi2O3含量为10重量％，Al2O3含量为4.7重量％，BaO含量为0.45重量％以及Fe2O3含量为0.01重量％。在50℃-400℃的温度范围内，GS10玻璃的膨胀系数在9.5*10-7 1/K至11.5*10-7 1/K的范围内。在EP1 598 845 A2中还公开了由GS10玻璃制成的玻璃珠。在EP1 598 845 A2和US 5,979,187 B中，导体材料是钨，并且管状灯体优选由石英玻璃制成，导体插入该管状灯体中并且灯也布置在该管状灯体中。US 5,979,187 B涉及一种闪光灯或激光灯。密封玻璃也称为中间玻璃并且优选为GS10玻璃，其通过将棒熔化到旋转电极上而应用。US 5,979,187 B构成了最接近的现有技术，EP 1 598 845 A1也是如此。
针对放电灯中的玻璃/钨熔合，US 2,316,999 B公开了手动熔合由密封玻璃制成的玻璃珠，该密封玻璃的膨胀系数介于导体的膨胀系数和填充玻璃的膨胀系数之间。
DE 886 043 C也示出了与US 2,316,999 A类似的布置，但没有给出关于如何产生玻璃熔合珠的启示。
JP2012/199153 A2还公开了一种具有石英玻璃容纳部和钨电极的闪光灯，其中使用圆柱形玻璃珠并将其熔合到钨电极上。
从EP 1006560 B1中，公开了一种已知用于带有主体的高压放电灯的馈通装置。根据EP 1006560 B1的主体的管状元件是陶瓷材料。根据EP 1006560 B1的陶瓷材料包括钇铝石榴石(YAG)，其不是玻璃陶瓷体系，而是结晶化合物。
EP 0982278 B1公开了一种用于高压放电灯的主体。根据EP 0982278B1的放电灯外壳也是陶瓷外壳。
作为高压放电灯的密封材料，使用陶瓷密封复合材料或Al2O3-SiO2-Dy2O3软陶瓷。在Liu Yuzhu,Geng Zhiting,Zhuang Weidong,He Huaqiang的“Study on thermalexpansion behavior of Dy2O3-Al2O3-SiO2glass”，Journal of Rare earth,26(2008)85-88中描述了这种陶瓷密封复合材料的热行为。这种密封材料与玻璃材料完全不同。
现有技术中已知的所有方法的缺点在于，由于存在大量的方法步骤，这些方法非常繁复费力。例如，现有技术中通常对玻璃和电极进行预热。然后由预热的玻璃形成玻璃珠，玻璃珠在冷却后被手动应用到各个导体上，以便与导体一起插入到灯壳中或者灯体的填充元件中，并随后使用密封玻璃或中间玻璃，与灯壳或填充元件熔合在一起。根据现有技术的所有玻璃珠生产方法都存在以下缺点：玻璃珠只能手工生产，导致制造起来非常费力。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的缺点，尤其是详细说明一种替代方法和一种易于生产的替代主体。
该目的是通过一种主体，尤其是一种灯体来实现的，该主体包括由玻璃或玻璃陶瓷材料制成的管状元件，其中，将导体引入到该管状元件中，该导体具有包围其的另一玻璃材料。与EP 1006560 B1相反，该管状元件不是由陶瓷材料制成，而是由玻璃或玻璃陶瓷材料制成。尤其优选使用石英玻璃。使用石英玻璃具有高透明度的优点，尤其对可见光具有高透明度。然后，根据本发明的另一玻璃材料在由玻璃或玻璃陶瓷材料制成的管状元件和导体之间形成气密密封。根据本发明，预想的是，该另一玻璃材料不是传统的玻璃，而是烧结玻璃，优选由玻璃粉末制成的烧结玻璃。举例来说，烧结玻璃采用烧结玻璃环的形式，并且像现有技术的玻璃珠一样，将烧结玻璃环应用到导体上。如果然后将导体与烧结的玻璃环一起插入到管状元件中并与烧结的玻璃材料熔合，则会在管状主体和导体之间提供气密密封。令人惊讶的是，在将烧结玻璃材料与导体和/或管状元件的玻璃材料一起熔合之后，烧结的玻璃材料实现了充分的气密性(即，不透气性)，即使在高于600℃、优选高于800℃、特别是高于1000℃、最高至2000℃(特别是1500℃)的高温下，亦是如此。这种高温例如出现在大功率灯体中，诸如电影灯。在本申请中，“气密密封”或“不透气”应理解为在1bar的压力差下，氦气泄漏率至少小于1*10-8mbar s-1。特别优选地，氦气泄漏率可至少小于1*10-9mbars-1。
使用烧结玻璃作为密封材料，与EP 1006560 B1或DE 69931877 T2中已知的陶瓷密封材料完全不同。使用烧结玻璃作为密封材料的区别在于包含了一定量的空气，这抑制了裂纹扩展。烧结玻璃是通过将玻璃粉末烧结成多孔玻璃而制成的。烧结应理解为在高压下将粉末压实起来。对于烧结玻璃，尤其可以使用含硼硅酸盐的玻璃。
例如，对于碱金属硼硅酸盐玻璃，如果经热处理，则其可能分离成可溶相(富钠硼酸盐相)和不可溶相(硅酸盐＝基质)。通过无机酸萃取，可以除去可溶相并保留硅酸盐网状结构。通过后续的烧结工艺，可以制备出硅酸盐烧结玻璃，该玻璃在性质上与石英玻璃仅略有不同。
同样令本领域技术人员惊讶的是，该玻璃材料具有非常高的转变温度Tg，其转变温度大于500℃，优选大于550℃，尤其是大于570℃；并因此在粘度为η＝107.6dPa·s的情况下，伴有高软化温度，其软化温度大于800℃，优选大于900℃；该玻璃材料可以经过烧结得到玻璃环，该玻璃环在与导体和/或管状元件熔合后，作为密封材料具有充分的气密性，即，不透气性。由于在高于800℃的温度下处理玻璃材料存在问题，所以情况更是如此。
与现有技术中使用的作为密封玻璃的具有高透明度的玻璃珠相比，烧结玻璃环不是透明玻璃，而是浑浊的乳白色。因此，由于其不同的光学特性，可以轻松地将烧结玻璃环识别出来。因此，与现有技术中的玻璃珠相比，烧结玻璃环的不同生产方式会导致明显不同的烧结玻璃环形式的玻璃密封。与现有技术的玻璃珠相比，烧结玻璃体由于引入了气泡而是不透明的，并且可以和现有技术中的玻璃珠明显区分开。当将烧结玻璃环熔融以形成灯体和导体的不透气连接时，也保留了烧结玻璃的不同的光学性质。
为了弥合管状元件的玻璃材料和插入到管状元件中的导体材料之间在膨胀系数上的巨大差异，并因此保证如前所述的气密性(即，不透气性)，有利的是，要使用作密封玻璃的另一玻璃材料的膨胀系数介于管状元件的玻璃或玻璃陶瓷材料的膨胀系数和导体的膨胀系数之间。如果密封玻璃的另一玻璃材料的热膨胀系数被确定为α1，管状元件的玻璃或玻璃陶瓷材料的热膨胀系数被确定为α2并且导体的膨胀系数被确定为α3，因此，有利的是，如果第一膨胀系数α1的值介于α2的值和α3的值之间。这种密封被称为“直接密封”。
然而，也可以想到的是，密封元件不是由单个玻璃组成，而是由多种具有阶梯式膨胀系数α1至αn的玻璃材料组成，并且对于管状元件的玻璃材料，其膨胀系数的值为αn+1。导体的膨胀系数的值是αn+2。然后，膨胀系数α1至αn的值介于管状元件的玻璃材料的膨胀系数αn+1的值与导体的膨胀系数αn+2的值之间。这种密封玻璃被称为“分级密封(graded seal)”，并且主要在需要将大电流传导至灯体中时使用，其中，传导大电流会使灯体和供电线路(优选由钨制成)的温度升高超过800℃。在导体直径较大的情况下，可能无法通过直接密封弥合导体和灯泡之间的膨胀差异。在这种情况下，则使用分级密封，这弥补了膨胀的差异。
与现有技术相比，灯体(尤其是管状灯体)不包括陶瓷材料，而是包括玻璃材料或玻璃陶瓷材料。玻璃材料以及玻璃陶瓷材料具有高透明度，尤其是在可见光波长区域以及UV和IR区域中具有高透明度。
用于灯体的玻璃材料优选为石英玻璃，其在190nm-3500nm区域中具有高透明度，并且特别是对UV光透明。
作为管状主体玻璃的石英玻璃的膨胀系数为0.5*10-6K-1至0.6*10-6K-1。优选由钨制成的导体的膨胀系数为4.4*10-6K-1。用于烧结玻璃环的本发明的示例性的玻璃材料的膨胀系数介于中间，如下表所示。
表1：示例性的所用玻璃的膨胀系数
Figure BDA0002179118110000051
如果烧结的玻璃体由单个密封玻璃(例如，GS10)组成，这被称为直接密封。相反，如果烧结的玻璃体由多个密封玻璃组成，这被称为分级密封。对于分级密封，首先将玻璃粉末单独压制，随后将压块烧结在一起，从而实现分级密封。
直接密封和分级密封的示例如下：
直接密封：钨-GS10-石英玻璃
分级密封：钨-GS30-GS25-GS20-GS10-石英玻璃
如果石英玻璃用作管状元件的玻璃材料，那么石英玻璃由于其软化温度高而进一步允许高的灯工作温度。石英玻璃的膨胀极小是另一个优点，从而实现了耐高温冲击性。
如前所述，所使用的密封玻璃例如是硼硅酸盐玻璃，诸如密封玻璃GS10、GS15、GS20、GS25、GS30。肖特玻璃8228、8229和8230也可以用作替代玻璃。关于这些玻璃的性质，请参考www.schott.com/tubing/german/products/properties/matched-sealing.html。肖特玻璃8228、8229和8230是可以和其他玻璃熔合的中间玻璃。
为了识别具有颜色的烧结玻璃环形式的玻璃珠，有利的是，可以向密封玻璃添加颜色组分，例如CoO、Fe2O3、CrO2。优选地，在烧结玻璃环之前将颜色组分添加到玻璃粉末中。
用于导体的材料特别为钨，但也可以是钼或可伐合金。优选使用具有尽可能接近灯泡热膨胀的热膨胀系数的材料，以便要求通过密封玻璃弥合尽可能小的热膨胀差异。
除了根据本发明的主体、尤其是灯体之外，本发明还详细说明了一种用于生产玻璃材料的方法，该玻璃材料在管状元件和导体之间形成密封。本发明的方法的特征在于：对玻璃材料进行研磨、干压和烧结。
与常规工艺相比，根据本发明的用于生产烧结玻璃环的方法明显不那么繁复费力，并且允许并行生产许多玻璃环，从而导致制造费用降低并且尤其是成本降低。
根据本发明的方法的另一个优点在于：使用该烧结玻璃环可以以低公差实现玻璃环的实际一致的尺寸。因此，可以排除例如用户在玻璃珠生产期间对质量的任何影响。在该方法的另一个实施例中，设想通过颜色识别作为玻璃珠的烧结玻璃环。这可以通过向玻璃粉末中添加颜色组分，并将其烧结在玻璃材料中来实现。颗粒和玻璃粉末的平均粒度例如在25至150μm的范围内。烧结温度在玻璃的软化温度的范围内，该软化温度是以粘度为107.6dPa·s限定的。所用的玻璃的软化温度优选大于850℃，特别是大于900℃，并且在850℃-1500℃、特别是是900℃-1400℃的范围内。
与现有技术相比，由烧结玻璃制成的玻璃珠用作密封材料具有以下进一步的优点：烧结体可以具有一定比例的内含气泡。该比例在5体积％至20体积％的范围内。这种气泡具有抑制玻璃中裂纹扩展的优点。玻璃中的裂纹在其尖端处的半径非常窄。如果裂纹处于拉伸应力下，由于尖端处半径窄，则会产生非常大的切口效应，这会使裂纹向前扩展。如果这种裂纹遇到气泡，气泡的直径现在限定了造成切口效应的裂纹尖端处的半径。然而，由于这些气泡的半径远远大于传统裂纹的半径，因此减小了切口效应，裂纹停止。因此，烧结玻璃环为密封玻璃提供了明显更小的裂纹以及更小的裂纹的发生概率。当烧结玻璃与导管和/或管状元件的玻璃或玻璃陶瓷材料一起熔合时，气泡也仍然存在于烧结玻璃中。
与EP 1006560 B1相比，将玻璃珠作为密封材料置于灯体上，而在EP 1006560B1中，将密封材料引入灯体和电极之间。此外，现有技术中尤其是EP 1006560B1中的密封材料是陶瓷或软瓷，其与作为密封材料的烧结玻璃完全不同。
附图说明
下面将基于附图通过示例的方式对本发明进行描述，但并不限于此。在附图中：
图1示出了根据现有技术的灯体；以及
图2示出了根据本发明的用于生产本发明的密封玻璃环的方法的各个步骤。
具体实施方式
图1示出了由管状元件1组成的灯体，在管状元件1中插入优选由钨制成的导体3。在将导体插入管状灯体的位置处，设置了根据现有技术的作为密封玻璃的玻璃珠5，其中玻璃珠的玻璃材料的热膨胀系数介于导体材料的热膨胀系数和管状灯体的膨热膨胀系数之间。通过使用玻璃珠作为密封玻璃或作为中间玻璃进行熔合，由于对密封玻璃的膨胀系数的选择，以气密密封(即，不透气)的方式在密封玻璃和包封玻璃材料之间插入了导体，基本上没有应力进入管状元件。
虽然在现有技术中应用玻璃珠优选采用繁复费力的工艺进行，但本发明设想使用(如图2所示)由玻璃粉末通过随后的烧结而获得的根据本发明的烧结玻璃环作为密封玻璃，而不是使用在繁复费力的工艺中应用于导体的玻璃珠。
图2详细示出了根据本发明的方法的各个工艺步骤。
首先，如步骤100所示，对具有高Tg和高加工温度的玻璃材料(诸如，例如肖特玻璃8228、8229、8230)进行研磨，得到玻璃粉末。在此之后，按照步骤102将玻璃粉末转化成颗粒。为了实现明确识别，可以在转化成颗粒之前，将颜色组分添加到玻璃粉末中。然后如步骤104所示，对颗粒进行干压，以形成玻璃环。在干压成玻璃环之后，按照步骤106对玻璃环进行烧结。然后，将烧结的玻璃环引导到导体或电极上，并且以这种方式将其应用或安装在导体或电极上。这在步骤108中示出。然后，在步骤110中，将烧结玻璃环形式的密封玻璃熔合到导体或电极上，并且随后，通过再次将具有烧结密封玻璃的导体与灯体的玻璃或玻璃陶瓷材料一起熔合，对灯体进行气密密封。将压块首次熔合到销上，就已经完成了对导体和玻璃珠之间的过渡部分的气密密封。因此，玻璃珠本身也变得不透气。在此之后，如前所述，与管状灯体的玻璃或玻璃陶瓷材料一起熔合。
下面将基于示例性实施例，对该方法进行更详细的描述，但并不限于此。
根据本发明的方法，首先将玻璃材料研磨成玻璃粉末。研磨可以例如在陶瓷桶中进行，并添加陶瓷研磨石。通常寻求10微米(μm)级的粉末平均粒度。接下来，根据需要以0.5-5体积％、优选0.5-2体积％的比例，添加粉状彩色颜料，例如，CoO、Fe2O3或CrO2。将粉末与有机粘合剂(例如，购自Synthomer(www.synthomer.com)的Plextol)混合，并借助喷嘴在所谓的喷雾塔中进行雾化。液体有机粘合剂的表面张力导致形成圆形液滴，该液滴由于在塔中喷雾期间进行干燥，然后形成圆形、自由流动的微粒，即，颗粒。在研磨并形成颗粒之后，对颗粒进行干压，以形成玻璃环。为此，在机械压力机中，填充并机械压制对应于待成型部件的负极的空腔。随后，将该压块去除有机粘合剂，并在烘箱处理中对压块进行烧结。有机粘合剂在第一阶段在200-300℃的温度下从压块中排出，并在该过程中燃烧。随后，压块穿过一个区域进行烧结。这里的烧结温度是相应玻璃的软化温度。软化温度是通过107.6dPa·s的玻璃粘度限定的。对于用于密封玻璃的玻璃材料，例如，肖特玻璃8228、8229、8230，软化温度在900℃-1200℃的范围内。在软化温度或接近软化温度下的烧结持续时间为5-30分钟。
烧结提供了机械性能稳定的成形体。然后在导体上设置作为密封玻璃的烧结玻璃环。在进一步的热处理中，然后将该烧结体或烧结玻璃环熔合到导体上。该熔合的温度处于玻璃粘度为106dPa·s至104dPa·s的范围内。对于所使用的玻璃材料，例如肖特玻璃8228、8229、8230，在106dPa·s至104dPa·s的粘度范围内的加工温度处于1200℃和1800℃之间。在熔合期间，由于粘性玻璃的表面张力，在烧结玻璃环上形成了与导体牢固熔合的圆形玻璃珠。这一过程的持续时间再次为5-30分钟。通过使用不会被液态玻璃润湿的温度稳定的模具(例如石墨或氮化硼)将组件保持在该处理中。
可将如上所述获得的导体和中间玻璃的复合物随后插入到例如管状石英玻璃体中，并且在与灯体熔合之后，允许借助玻璃环或玻璃珠在导体材料和管状主体之间进行密封，并经由玻璃环或玻璃珠以气密密封的方式将石英玻璃体连接到导体上。
与常规方法相比，根据本发明的主体和用于生产烧结玻璃环形式的密封玻璃的方法具有以下优点：可生产性更高、玻璃珠质量高、尺寸和公差可再现、并且可以添加颜色组分。玻璃珠进一步的区别特征还在于避免了裂纹。
本发明的另一个优点在于：可以将颜色或隐藏标记结合到烧结玻璃中，并且可以使用颜色或隐藏标记实现产品的明确识别，并且因此可以通过该新型方法防止产品被伪造。

Claims (17)

1.一种主体，尤其是灯体，其包括：
-管状元件(1)，其由玻璃或玻璃陶瓷材料制成，其中，将至少一个导体，优选金属导体(3)，引入到所述管状元件(1)中；以及
-至少一种另一玻璃材料，其包围所述导体并连接到所述管状元件；
其特征在于，所述另一玻璃材料(5)在所述管状元件(1)和所述导体、优选金属导体(3)之间形成气密密封；并且所述另一玻璃材料(5)包括烧结玻璃，尤其是烧结玻璃环，其在熔合到所述金属导体上之后完全包围所述金属导体，并将所述金属导体与所述管状元件形成气密密封。
2.根据权利要求1所述的主体，其特征在于，
所述另一玻璃材料具有第一膨胀系数α1，并且所述管状元件包括具有第二膨胀系数α2的玻璃或玻璃陶瓷材料；所述导体具有第三膨胀系数α3，并且所述第一膨胀系数α1的值介于所述第二膨胀系数α2的值和所述第三膨胀系数α3之间。
3.根据权利要求1或2所述的主体，其特征在于，
提供有多种具有阶梯式膨胀系数α1至αn的另一玻璃材料，并且所述管状元件包括具有第二膨胀系数αn+1的玻璃或玻璃陶瓷材料；所述导体具有第三膨胀系数αn+2，并且所述阶梯式膨胀系数α1至αn的值介于所述第二膨胀系数αn+1的值和所述第三膨胀系数αn+2之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的主体，其特征在于，
所述另一玻璃或玻璃陶瓷材料的根据ISO 7884-8的转变温度Tg大于500℃，优选大于550℃，尤其是大于570℃。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的主体，其特征在于，
在所述玻璃材料的粘度为107.6dPa·s下，所述另一玻璃或玻璃陶瓷材料的根据ISO7884-3的软化温度优选大于850℃，尤其是大于900℃。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的主体，其特征在于，
所述另一玻璃材料的所述热膨胀系数α1至αn在1.1*10-6K-1至4.0*10-6K-1的范围内。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的主体，其特征在于，
所述管状元件的所述玻璃或玻璃陶瓷材料是石英玻璃。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的主体，其特征在于，
所述烧结玻璃的所述另一玻璃材料是以下玻璃材料中的至少一种或多种：
GS10、GS15、GS20、GS25、GS30，
或
肖特玻璃8228、8229、8230。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的主体，其特征在于，
所述另一玻璃材料包括颜色组分。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的主体，其特征在于，
所述金属导体的所述材料是以下材料中的一种：
-钨，
-钼，
-可伐合金。
11.一种在用于灯体的由玻璃或玻璃陶瓷材料制成的管状元件和具有烧结玻璃形式的另一玻璃材料的导体之间形成气密密封的方法，其包括以下步骤：
-研磨所述另一玻璃材料以得到玻璃粉末(100)；
-由所述研磨的玻璃粉末形成颗粒(102)；
-对所述颗粒进行干压处理以形成玻璃环(104)；
-对所述玻璃环进行烧结(106)；
-为所述导体提供所述玻璃环(108)；
-将所述玻璃环熔合到所述导体上；以及
-通过熔合用所述玻璃环对所述导体和所述管状元件进行气密密封(110)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
将颜色组分添加到所述玻璃粉末中。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其特征在于，
在研磨所述玻璃粉末之后并且在形成所述颗粒之前，向所述玻璃粉末提供有机粘合剂并随后对其进行雾化。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征在于，
将所述玻璃粉末研磨至5-20μm的平均粒径；和/或由所述研磨的玻璃粉末获得的所述颗粒具有25-150μm的平均粒径。
15.根据权利要求11至14中至少一项所述的方法，其特征在于，
将所述另一玻璃材料在所述另一玻璃材料的烧结温度下优选烧结5-30分钟，在所述烧结温度下，所述玻璃材料的粘度在1*107dPa·s至1*108dPa·s的范围内。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，
在烧结之后，将所述玻璃环装配到所述导体上，并且在进一步的热步骤中将烧结体熔合到所述导体上。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，
在10-3dPa·s至10-6dPa·s的粘度下，将所述玻璃环熔合到所述导体上持续5-30分钟。
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