CZ291434B6

CZ291434B6 - Výbojková trubice pro vysokotlakou sodíkovou lampu a opticky průsvitné polykrystalické slinuté tělo na bázi oxidu hlinitého jako meziprodukt pro výrobu výbojkové trubice

Info

Publication number: CZ291434B6
Application number: CZ19972222A
Authority: CZ
Inventors: George C. Wei; Arlene Hecker; David Goodman
Original assignee: Osram-Sylvania Inc.
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 2003-03-12
Also published as: TW396147B; CN1182951A; CN1106676C; JPH1092380A; CA2211225C; DE69704817T2; EP0822575A3; CA2211225A1; EP0822575A2; DE69704817D1; US5682082A; CZ222297A3; EP0822575B1

Abstract

Opticky pr svitn polykrystalick slinut t lo na b zi oxidu hlinit ho je v podstat tvo°eno oxidem hlinit²m, oxidem ho°e nat²m, oxidem yttrit²m a oxidem zirkoni it²m, p°i em oxid ho°e nat² je p° tomen v mno stv p°edstavuj c m 0,020 % hmotn. a 0,050 % hmotn., oxid yttrit² je p° tomen v mno stv dosahuj c m 0,035 % hmotn. a oxid zirkoni it² je p° tomen v mno stv 0,018 % hmotn. V²bojkov trubice pro vysokotlakou sod kovou lampu vyroben z t to kompozice m podstatn vyÜÜ odolnost proti ztr t sod ku, jej m pr vodn m jevem je ztemn n vn jÜ m pl Üt m, a zv²Üen² sv teln² v²kon.\

Description

Výbojková trubice pro vysokotlakou sodíkovou lampu a opticky průsvitné polykrystalické slinuté tělo na bázi oxidu hlinitého jako meziprodukt pro výrobu výbojkové trubice

Oblast techniky

Vynález se týká průsvitné keramiky, zejména na bázi vysokohustotního polykrystalického oxidu hlinitého (PCA), která, pokud se použije pro výrobu výbojkových trubic pro vy sokotlaké sodíkové lampy, potorn vykazuje zvýšenou odolnost proti ztrátám sodíku, jejichž průvodním jevem je nižší procento zachycení vyzařovaného světla vnějším obalem a současně vyšší účinnost lampy plynoucí z provozu při vyšších teplotách stěny této trubice.

Dosavadní stav techniky

Průsvitná tělesa tvořená polykrystalickým oxidem hlinitým jsou v současné době známa. Coble navrhuje v patentu US 3 026 210 přidat do oxidu hlinitého oxid hořečnatý v množství 0,0625 % hmotn. až 0,5 % hmotn., a tím eliminovat zbytkovou pórovitost, přičemž oxid hořečnatý působí tak, že se zachytí v pórech uvnitř zrn oxidu hlinitého v pozdějších stadiích slinování, v okamžiku kdy hustota přesáhne 98 %, kontroluje růst těchto zrn.

Charles a kol. navrhují v patentu US 4 285 732 přidat do keramických materiálů na bázi oxidu hlinitého a oxidu hořečnatého malá množství oxidu zirkoničitého a/nebo oxidu hafničitého s cílem kontrolovat tvorbu druhé fáze, zpravidla spinelu, tj. hlinitanu hořečnatého. MgAl₂O₄, která se může v případě, kdy obsah oxidu hořečnatého vzroste nad mez rozpustnosti, tvořit. Velikosti zrn ve slinutých tělesech dosahují 20 pm až 50 pm. Dopující přísady jsou v uvedených materiálech zastoupeny v následujících rozmezích: 0,030% hmotn. až 0,150% hmotn. oxidu hořečnatého a 0,002 % hmotn. až 0,070 % hmotn. oxidu zirkoničitého a/nebo hafničitého.

McVey v patentu US 4 567 396 uvádí, že kompozice popsaná ve výše zmíněném patentu US 4 285 732 může být použita ve vysokotlaké sodíkové lampě se zvýšenou účinností, protože umožňuje minimalizovat sodíkové ztráty a výbojková trubice vyrobená z této kompozice může pracovat při vyšších teplotách stěny.

Patent US 3 377 176 popisuje kompozici oxidu hlinitého použitou pro výrobu výbojkových trubic a obsahující 0,05 % hmotn. oxidu hořečnatého a 0,35 % hmotn. oxidu yttritu.

Maekawa a kol. v evropské patentové přihlášce EP 657 399 popisují trojici přísad dopujících oxid hlinitý, které zahrnují 0,010% hmotn. až 0,080% hmotn. oxidu hořečnatého, 0,001 % hmotn. až 0,030 % hmotn. oxidu yttritého a 0,020 % hmotn. až 0,120 % hmotn. oxidu zirkoničitého. První popsaný příklad obsahoval 0,020 % hmotn. oxidu hořečnatého, 0,002 % hmotn. oxidu yttritého a 0,040 % hmotn. oxidu zirkoničitého.

Přestože výkon všech těchto materiálů lze považovat za dobrý, dochází u nich po celou dobu jejich životnosti k určité ztrátě svítivosti způsobené stěnou vnějšího pláště, která toto světlo pohlcuje. Kromě toho se zjistilo, že vyšší procenta oxidu zirkoničitého poškozují cihly vypalovacích pecí.

Z výše uvedeného vyplývá, že by bylo výhodné vyvinout lampy, které by vykazovaly vysokou účinnost a menší ztemnění způsobené stěnami vnějšího obalu a které by současně zachovávaly původní transmitanci.

Podstata vynálezu

Jak již bylo uvedeno, cílem vynálezu je zkvalitnit výrobu průsvitné keramiky, kterou by bylo možné použít jako meziprodukt pro výrobu výbojkové trubice.

Dalším cílem vynálezu je vyrábět průsvitnou keramiku, která má při optimální hustotě malou velikost zrna a menší sklon tlumit světlo vnějším obalem.

Cílem vynálezu je rovněž poskytnout výbojkové trubice pro vysokotlakou sodíkovou lampu, 10 která má vyšší účinnost a lépe udržuje světlo.

Vynález tedy poskytuje opticky průsvitné polykrystalické slinuté tělo, které je v podstatě tvořeno 0,020% hmotn. až 0,050% hmotn. oxidu hořečnatého, 0,018% hmotn. oxidu zirkoničitého a 0,35 % hmotn. oxidu yttritého.

Způsob výroby tohoto opticky průsvitného polykrystalického slinutého těla zahrnuje následující kroky: vytvoření vodné suspenze s cílem získat výše popsanou kompozici a následné přidání kyseliny dusičné s cílem nastavit pH hodnotu na 4,6, následné přidání vodného pojivá a plastifikačního činidla v množství 2,5 % hmotn. sušiny a sušení suspenze rozprašováním. 20 Výrobek se vyrobí tvářením za konstantního tlaku v mokrém vakuu a získaný výrobek se předběžně vypaluje na vzduchu při teplotě přibližně 1325 °C po dobu 2 h a následně po dobu 3 h slinuje ve vodíku při teplotě přibližně 1830 °C.

²⁵ Stručný popis obrázků

Obr. 1 znázorňuje nárysný pohled na vysokotlakou sodíkovou lampu, kterou lze použít v rámci vynálezu, obr. 2 znázorňuje graf výbojkové trubice podle vynálezu a kontrolního vzorku, který vyjadřuje závislost ztemnění způsobeného vnějším pláštěm na čase, a obr. 3 znázorňuje graf výbojkové trubice podle vynálezu a kontrolního vzorku, který vyjadřuje závislost světelného výkonu v tisících lumenů v závislosti na čase.

K lepšímu porozumění vynálezu poslouží následující podrobný popis, jehož součástí jsou odkazy na výše popsané doprovodné obrázky.

Vysokotlaká sodíková lampa 100 má skelný vnější obal 6 se standardní závitovou paticí 4 40 přichycenou ke konci nožky 8, která je znázorněna v nejspodnější části obrázku. Z této nožky 8 vybíhá pár relativně těžkých vodičů 10 a 12. jejichž vnější konce jsou připojeny k závitové objímce 17 a kroužku 18.

Lampa 100 má vnitřní obal neboli výbojkovou trubici 14, která je umístěna uvnitř vnějšího obalu 45 6, a to v jeho středové části. Výboj ková trubice 14 je vyrobena z keramického materiálu s dlouhým světelným přenosem, který je tvořen průsvitným polykrystalickým keramickým materiálem na bázi oxidu hlinitého. Výbojková trubice 14 obsahuje náplň tvořenou odpařitelným kovem, který může obsahovat další kovový pufrovací plyn (např. rtuť) pracující v prostředí 0,01 MPa až 0,5 MPa, a u níž dochází k emisi sodíkových kousků při provozním tlaku 0,45 MPa 50 nebo vyšším. Horní konec výbojkové trubice 14 je uzavřen keramickou ucpávkou 20 na bázi oxidu hlinitého, ze které vybíhá niobová průchodka 26 a která nese horní elektrodu (není znázorněna) v uvedené výbojkové trubici 14. Spodní konec výbojkové trubice 14 má uzávěr, který zahrnuje keramickou ucpávku 21. kterou prochází tenkostěnná niobová průchodka 26.

-2 CZ 291434 B6

I

Niobová průchodka 26 slouží jako průchodka pro výbojkovou trubici 14. Dřík spodní elektrody (není znázorněn) výbojkové trubice 14 vybíhá do niobové průchodky 26 aje přidržován na místě zamáčknutím niobové průchodky 26 okolo spodní elektrody v oblasti 25. Zmíněná lampa má okolo výbojkové trubice 14 navinuté wolframové vlákno 50. Toto vlákno 50 je spojeno s jedním koncem elektrod pomocí tepelného spínače 52 aje umístěno mezi elektrodami vmiste, kde se dosahuje nejnižšího průrazného napětí. Jakmile se lampa zahřeje, tepelný spínač se rozepne, čímž se minimalizují elektrická pole na trubicové stěně.

Vynález se týká zejména výbojkové trubice 14, která má výbojkovou komoru 40 definovanou stěnou 42. Tato výbojková trubice obsahuje oxid hořečnatý v množství přibližně 0,020 % hmotn. až 0,050% hmotn., 0,018% hmotn. oxidu zirkoničitého a přibližně 0,035 % hmotn. oxidu yttritého a rovnovážné množství oxidu hlinitého.

Ukázalo se, že zahrnutí oxidu zirkoničitého do kompozice inhibuje během provozu lampy tvorbu spinelu, čímž snižuje ztráty sodíku a současně umožňuje zvýšit teplotu stěn. Je známo, že vysokotlaké sodíkové lampy mohou při zvýšení teploty stěny o 50 °C zvýšit svou svítivost o 2 % až 3 %.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Dávka práškového oxidu hlinitého obsahujícího 0,02% hmotn. MgO, 0,018% hmotn. ZrO₂, 0,035 % hmotn. oxidu yttritého a 2,5% hmotn. organického pojivá a plastifikačního činidla, např. 2,0 % hmotn. polyethylenglykolu a 0,5 % hmotn. polyvinilalkoholu, se připravila dispergací 500 g 0,3pm 65 % alfa- a 35 % gama- oxidu hlinitého ve vodě (40 % obsah sušiny), do které byl přidán kvantitativně analyzovaný vodný roztok Mg(NO₃)₂ a dusičnan zirkoničitý a dusičnan yttritý. Od společnosti Alfa Aesar se získal dusičnan terbitý s čistotou 99,99 %. Do suspenze se přidala kyselina dusičná s cílem nastavit pH hodnotu na 4,6. Vodné plnivo, např. polyvinylalkohol, a plastifikační činidlo, např. polyethylenglykol, se přidaly v množství 2,5 % hmotn. sušiny. Získaná suspenze se míchala a následně sušila rozprašováním a výsledný prášek se použil pro výrobu produktů, k jejichž výrobě se použilo tváření za mokra a za konstantního sníženého tlaku. Výrobek se následně předběžně 2 h vypaloval na vzduchu při teplotě 1325 °C a následně slinoval v suchém dusíku a přibližně 3 h ve vodíku při teplotě přibližně 1830 °C.

Ve všech případech představovaly získané slinované produkty výbojkové trubice vhodné pro vysokotlaké sodíkové lampy. Tyto výbojkové trubice byly navrženy pro provoz 200 W sodíkových lamp, vestavěny do těchto lamp a testovány za provozu při 400 W. Tento test prokázal zvýšenou sodíkovou reakci. U sodíkových lamp podle vynálezu došlo v průběhu 2000 h k více reakcím než u běžných lamp v průběhu 24 000 h.

Pro kontrolní účely se rovněž připravily a testovaly následující kompozice spadající do dosavadního stavu techniky.

Příklad 2

V tomto příkladu se použil stejný postup jako v příkladu 1 s tou výjimkou, že množství oxidu hořečnatého činilo 0,02 % hmotn., množství oxidu zirkoničitého 0,040 % hmotn. a množství oxidu yttritého 0,002 % hmotn. Tato kompozice je popsaná v již zmiňované evropské patentové přihlášce EP 657 399.

Příklad 3

V tomto příkladu se použil stejný postup jako v příkladu 1 stou výjimkou, že množství oxidu hořečnatého činilo 0,050 % hmotn. a 0,040 % hmotn. oxidu zirkoničitého. Tento materiál je popsán v patentu US 4 285 732. Slinovací cyklus probíhal 3 h při teplotě 1880 °C v dusíku. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1

Počáteční přenos výbojkové trubice (%)

Test	Celkem	V řadě	klumen	%T	Watt
Příklad 1	96,4	4,5	46,6	83,0	395
Příklad 2	96,3	5,4	44,3	77,8	398
Příklad 3	95,8	H,3	41,1	55,4	405
Kontrolní	96,4	6,0	32,1	35,3	378

Výraz klumen ve výše uvedené tabulce reprezentuje tisíce lumenů a % T reprezentuje procento průchodnosti vnějším pláštěm. Výraz v řadě označuje světelný paprsek, který prostupuje stěnu výbojky bez rozptýlení, tj. který opouští stěnu výbojky v přímce (toto chování se označuje jako in-line transmise neboli transmise v řadě).

Jako kontrolní vzorek se použila standardní kapsle, obsahující jako aditiva 0,5 % hmotn. MgO a 0,035% hmotn. Y₂O₃. Závislosti osvětlení na čase a ztemnění vnějším pláštěm na čase jsou vyneseny v grafech znázorněných na obr. 2 a obr. 3.

Z těchto grafů jsou zcela zřejmé přednosti kompozic podle vynálezu v porovnání se známými kompozicemi, takže zde popsaná kompozice poskytuje opticky průsvitná polykrystalická slinutá těla na bázi oxidu hlinitého, která mají větší odolnost proti reakcím sodíku než současně používané kompozice.

V závěru je třeba uvést, že výše popsané příklady mají pouze ilustrativní charakter a nikterak neomezují rozsah vynálezu.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Výbojková trubice pro vysokotlakou sodíkovou lampu, vyznačená tím, že je tvořena oxidem hořečnatým v množství 0,020 % hmotn. až 0,050 % hmotn., oxidem zirkoničitým v množství 0,018% hmotn. a oxidem yttritým v množství 0,035% hmotn., přičemž zbývající hmotnostní procenta kompozice tvoří v podstatě čistý oxid hlinitý.

2. Opticky průsvitné polykrystalické slinuté tělo na bázi oxidu hlinitého jako meziprodukt pro výrobu výbojkové trubice podle nároku 1, vyznačené tím, že je v podstatě tvořeno oxidem hlinitým, oxidem hořečnatým, oxidem yttritým a oxidem zirkoničitým, přičemž oxid hořečnatý je přítomen v množství 0,020 % hmotn. až 0,050 % hmotn., oxid yttritý je přítomen v množství dosahujícím 0,035% hmotn. a oxid zirkoničitý je přítomen v množství 0,018% hmotn.