DE10017696A1 - Transparente Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen - Google Patents

Transparente Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen

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Abstract

Derartige Abdeckdungen sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt und erfordern daher den Einsatzu von Spezialgläsern, wie Borosilicatglas oder einer Glaskeramik. DOLLAR A Ohne zusätzliche Poliermaßnahmen, die das Produkt verteuern, weisen die bekannten Abdeckungen eine hohe Oberflächenrauheit auf, die sich ungünstig auf das Streuverhalten und die Reinigungsfreundlichkeit der Abdeckung auswirkt. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, die Abdeckung aus einem Glaskörper aus thermisch vorspannbarem, gefloateten Aluminosilicatglas oder einer darauf keramisierten gefloateten Glaskeramik mit einer Oberflächen-Rauheit von R¶a¶ 0,02 mum und/oder R¶q¶ 0,01 mum herzustellen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine transparente Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen, einschließlich von Leuchten.
Als transparente Abdeckung von Lampen wird typischerweise gemäß dem Stand der Technik Ca/Na-Glas, Borosilicatglas oder Glaskeramik eingesetzt. Die Wahl des Glases bzw. der Glaskeramik richtet sich nach den jeweiligen thermischen und mechanischen Anforderungen, die an das Material gestellt werden.
Ca/Na-Glas wird als thermisch bzw. chemisch vorgespanntes Glas eingesetzt. Ist die maximale Temperaturbelastung größer als 280°C oder gibt es einen großen Temperaturgradienten im Glas, der zu hohen Spannungen mit Bruchfolge führen kann, so wird Borosilicatglas verwendet. Borosilicatglas läßt sich auch thermisch vorspannen. Durch das thermische Vorspannen wird die mechanische Festigkeit erhöht, als auch die Beständigkeit gegen Temperaturgradienten. Das Borosilicatglas hat eine höhere Temperaturbelastbarkeit in thermisch vorgespannter und nicht vorgespannter Form als das chemisch oder thermisch vorgespannte Ca/Na-Glas. Die maximale Temperaturbelastbarkeit von Borosilicatglas liegt kurzzeitig bei bis zu 500°C. Die maximale Temperaturbelastbarkeit von thermisch vorgspanntem Kalk-Natron-Glas liegt hingegen bei ca. 350°C, da die Vorspannung durch hohe Temperaturen wieder abgebaut wird.
Ist ein thermisch vorgespanntes Glas, z. B. ein Sicherheitsglas, das seine Eigenschaften auch noch bei maximalen Temperaturen < 350°C behält, erforderlich, so kann ein thermisch vorgespanntes Alumosilicatglas diese Anforderung erfüllen. Bei Temperaturbelastungen, die durch Borosilicatglas oder vorgespanntes Alumosilicatglas nicht erfüllt werden können, ist eine Glaskeramik notwendig. Diese kann völlig transparent oder auch eingefärbt sein.
Die Oberfläche eines Alumosilicatglases, das zur Glaskeramik umgewandelt werden kann, ist bedingt durch das Walzen beim Herstellungsprozeß strukturiert und uneben. Sie ähnelt der einer Orangenhaut. In dieser makroskopischen Struktur befinden sich vereinzelt kleine Löcher oder Erhebungen von einem Durchmesser bis zu 0,5 mm. In den Vertiefungen, als auch hinter den Erhebungen der Oberfläche setzt sich der Schmutz fest und läßt sich mechanisch schwer oder sogar nicht mehr entfernen. Speziell Reinigungsschaber und Schwämme sind bei diesem Einsatz in ihrer mechanischen Reinigungsweise beschränkt wirksam. Dabei ist gerade der Schwamm und der Schaber oftmals das Reinigungsmittel, das den besten Reinigungsgrad erzielt. Die Oberflächenstruktur eines gewalzten Alumosilicatglases beeinflußt auch die Qualität einer Beschichtung auf diesem Glas/Glaskeramik in der Form, daß unerwünschte Oberflächenfehler auftreten. Um dies zu vermeiden, wird das Glas/Glaskeramik vor dem Beschichten auch je nach Anwendungsfall poliert. Eine glatte Oberfläche eines Glases bzw. einer Glaskeramik kann z. B. durch Schleifen mit anschließender Politur erreicht werden. Typischerweise wird mit einem Korn von ca. 100 µ vorgeschliffen. Es folgt das Schleifen mit einem Korn von 12-15 µ. Die Feinpolitur erfolgt dann mit einem feinerem Korn. Eine glatte Oberfläche nach dem Polieren kann auch durch eine Beschichtung, wie z. B. mit SnO2, erzeugt werden.
Die vorstehenden bekannten Methoden zur Erzeugung einer hochtemperaturbeständigen transparenten Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen mit einer glatten Oberfläche, benötigen jedoch zusätzliche Schritte nach der Herstellung der Glas-/Glaskeramikabdeckung, was deren Herstellungskosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine transparente Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen aus Alumosilicatglas zu schaffen, die ohne nachträgliche Arbeitsschritte eine glatte Oberfläche besitzt.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch eine transparente Abdeckung nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Abdeckung, die je nach den thermischen Anforderungen aus dem gefloateten Alumosilicatglas, bei gefordertem Sicherheitsglas in thermisch vorgespannter Form, oder aus der daraus gefloateten Glaskeramik besteht, besitzt eine Oberflächenqualität, die derjenigen eines Kalk-Natron- Floatglases gleicht. Durch die beim Floaten entstehende, und ggf. bei der Keramisierung aufrecht erhaltene glatte Oberfläche sind keine zusätzlichen, polierenden Schritte nach der Herstellung des Glases bzw. der Glaskeramik notwendig. Die Oberfläche ist dadurch leicht zu reinigen und eignet sich ohne Politur zum Beschichten.
Ferner ist das Streuverhalten geringer und die Abdeckung weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf.
Die Abdeckung kann dabei sowohl als planer Glas-/Glaskeramikkörper oder in verformter Konfiguration vorliegen.
Enthält der Glaskörper, wie später noch dargestellt wird, einen Keimbildner in Form von TiO2, so weist die Abdeckung mit Vorteil einen integrierten UV- Schutz auf. Diese UV-Strahlen können somit ohne zusätzliche Filter die Personen, die sich im Strahlungsbereich der Lampen aufhalten, nicht schädigen.
Die Begriffe der Oberflächenrauheit werden insbesondere in der DIN 4762 näher erläutert. So ist der Mittenrauhwert Ra das arithmetrische Mittel von den absoluten Höhenabweichungen der mittleren Ebene der arithmetrische Mittelwert der absoluten Beträge der Abstände des Istprofils vom mittleren Profil. Dieses mittlere Profil ergibt sich dadurch, daß man durch das Istprofil innerhalb einer Bezugsstrecke ein Profil so legt, daß die Summe der werkstofferfüllten Flächenstücke des Istprofils oberhalb und die Summe der werkstofffreien Flächenstücke unterhalb gleich groß sind. In Anlehnung an DIN 4762 wird der Rq = quadratische Mittenrauhwert mittels Weißlicht- Interferenz-Mikroskopie (Meßfläche: 0,6 × 0,5 mm) bestimmt. Formelmäßig drückt sich dies aus wie folgt:
Das Herstellen von flachen Glaskeramikkörpern durch Floaten ist an sich bekannt.
Um die Herstellung solcher Glaskeramiken bei einem gefloateten Ausgangsglas zu vereinfachen, hat man dabei versucht, die für das Erzeugen der Glaskeramik notwendige Kristallisation bereits im Floatbad durchzuführen, um so die Glaskeramiken direkt zu erhalten. Hinweise auf die Vermeidung von Glasfehlern, insbesondere Oberflächenkristallen während des Floatens, werden dabei jedoch nicht gegeben.
Die US 4 231 776 beschreibt das Floaten einer BaO-SrO-TiO2-SiO2- Glaskeramik. Während des Floatprozesses wird durch ein heißes Floatbad und eine kalte Glasoberfläche ein Temperaturgradient über die Dicke des Glasbandes erzeugt, woraus asphärisch wachsende Kristalle senkrecht zur Oberfläche resultieren. Durch die Kristallisation während des Floatens werden bestimmte mechanische, magnetische Eigenschaftsanisotropien generiert.
Die GB 1 383 201 beschreibt das Floaten von Li2O-Al2O3-SiO2-Glaskeramiken mit TiO2, ZrO2 oder P2O5 als Keimbildnern, die durch die Temperaturführung während des Floatens auf dem flüssigen nicht benetzenden Metall (Zinn) kristallisiert werden. Diese Druckschrift beschreibt die erforderliche Temperaturführung im Floatteil, nämlich zunächst schnelle Abkühlung und anschließende Temperaturerhöhung, um zuerst Keimbildung und dann Kristallisation durchzuführen. In der Floatanlage werden zum Erreichen der hohen Heiz- und Abkühlraten senkrechte Abtrennungen von der Decke des Floatbades bis knapp oberhalb des Glases geführt, um verschiedene Temperaturzonen kammerartig zu trennen. Die unterschiedlichen Zonen sind im Zinnbad und oberhalb des Glasbandes beheizt.
Prinzipiell können alle bekannten gefloateten Glaskeramiken für die Herstellung des erfindungsgemäßen, reinigungsfreundlichen Glaskeramikkörpers verwendet werden.
Um eine besonders hohe Oberflächenqualität und damit eine entsprechend hohe Reinigungsfreundlichkeit zu erzielen, wird als Ausgangsglas für die Glaskeramik ein floatbares, thermisch vorspannbares und in eine Glaskeramik mit Hochquarz-Mischkristallen oder Keatit-Mischkristallen als Hauptkristallphase umwandelbares Glas verwendet, bei dem die Entstehung störender Oberflächendefekte beim Floaten durch die Begrenzung der Gehalte von Pt auf < 300 ppb, Rh auf < 3,0 ppb und ZnO auf < 1,5 Gew.-%, sowie SnO2 auf < 1 Gew.-% vermieden, sowie indem das Glas bei der Schmelze ohne Verwendung der üblichen Läutermittel Arsen- oder Antimonoxid geläutert und die Formgebung durch Aufgießen auf ein flüssiges Metall in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen wird.
Diese Gläser zeichnen sich somit durch eine Zusammensetzung aus, welche es erlaubt, die Entstehung störender Oberflächendefekte beim Floaten zu vermeiden. Floatanlagen bestehen üblicherweise aus der Schmelzwanne, in der das Glas geschmolzen und geläutert wird, einem Interface, welches den Übergang von der oxidischen Atmosphäre in der Schmelzwanne in die reduzierende Atmosphäre des nachfolgenden Anlageteils, des Floatteils, gewährleistet, in dem die Formgebung des Glases durch Aufgießen auf ein flüssiges Metall, meist Sn, in einer reduzierenden Atmosphäre von Formiergas, vorgenommen wird. Die Formgebung des Glases erfolgt durch Glattfließen auf dem Sn-Bad und durch sogenannte Top-Roller, die auf die Glasoberfläche eine Kraft ausüben. Während des Transportes auf dem Metallbad erkaltet das Glas und wird am Ende des Floatteiles abgehoben und in einen Kühlofen überführt.
Während der Bildung der Glasoberfläche und des Transportes im Floatbad können Wechselwirkungen zwischen Glas und Floatatmosphäre oder dem Sn- Bad zu störenden Oberflächendefekten führen.
Wenn das Glas mehr als 300 ppb Pt oder mehr als 30 ppb Rh in gelöster Form enthält, können sich durch die reduzierenden Bedingungen in der Glasoberfläche metallische Ausscheidungen von Pt- oder Rh-Partikeln bilden, die als wirksame Keime für große, bis 100 µm große, Hochquarz- Mischkristalle dienen und so eine störende Oberflächenkristallisation bewirken. Verwendung finden diese Materialien insbesondere als Elektroden, Auskleidung, Rührer, Transportrohre, Schieber, usw.. Bei Anlagen zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung vorgenannter Glaskeramik werden daher zur Vermeidung der Entstehung von Oberflächenkristallen Einbauten von Werkstoffen aus Pt bzw. Rh weitgehend vermieden und durch keramische Materialien ersetzt bzw. wird deren Belastung in der Schmelzwanne bzw. Interface so gestaltet, daß die genannten Gehalte nicht überschritten werden.
Der ZnO-Gehalt ist auf 1,5 Gew.-% begrenzt. Es hat sich gezeigt, daß unter den reduzierenden Bedingungen des Floatens das Zink in der Oberfläche des Glases verarmt. Es wird dabei angenommen, daß das Zink an der Glasoberfläche teilweise reduziert wird, wodurch es aufgrund des höheren Dampfdruckes von Zn gegenüber dem Zn2+ in die Floatatmosphäre verdampft. Neben der für den Betrieb der Floatanlage unerwünschten Verdampfung und Abscheidung des Zn an kälteren Stellen, ist die ungleichmäßige Verteilung des Zn im Glas an der Entstehung von kritischen oberlächennahen Kristallbändern beteiligt. Diese Kristallbänder aus großen Hochquarz-Mischkristallen entstehen in Oberflächennähe dort, wo der Zn-Gehalt im Glas wieder nahezu auf den Ausgangswert angestiegen ist. Es ist daher zweckmäßig, den Ausgangswert von Anfang an klein zu halten.
Der Gehalt des Glases an SnO2 ist auf weniger als 1 Gew.-% begrenzt. Durch Einwirkung der reduziernden Bedingungen im Floatteil wird das SnO2 nämlich in der Glasoberfläche z. T. reduziert. Es bilden sich überraschenderweise Kügelchen aus metallischen Sn im Glas in der unmittelbaren Glasoberfläche, die sich beim Abkühlen oder Reinigen zwar leicht entfernen lassen, jedoch kugelförmige Löcher in der Glasoberfläche zurücklassen, die für die Anwendung äußerst störend sind.
Diese Kügelchen können vermieden werden, wenn der Gehalt an SnO2 sehr gering ist.
Die vorgenannten Ausgangs-Gläser werden ohne Verwendung der für Gläser aus dem Li2O-Al2O3-SiO2-System üblichen Läutermittel Arsen- und/oder Antimonoxid geläutert. Unter der Einwirkung der reduzierenden Bedingungen beim Floaten werden nämlich die genannten Läutermittel unmittelbar an der Glasoberfläche reduziert und bilden störende und visuell auffällige metallische Beläge. Die Entfernung dieser für die Anwendung störenden und toxikologisch bedenklichen Beläge durch Schleifen und Polieren ist aus wirtschaftlichen Gründen unvorteilhaft. Um die Beläge zu vermeiden, wird daher zweckmäßig zum Erreichen einer geringen Blasenzahl wenigstens ein alternatives chemisches Läutermittel, wie z. B. SnO2, CeO2, Sulfatverbindungen, Chloridverbindungen, bevorzugt 0,2-0,6 Gew.-% SnO2 der Glasschmelze zugesetzt ist. Alternativ kann die Glasschmelze auch physikalisch, z. B. mittels Unterdruck oder mittels Hochtemperatur < 1750°C geläutert werden. Somit kann die erforderliche Blasenqualität über alternative Läutermittel und/oder alternative Läuterverfahren sichergestellt werden.
Bei dem Keramisieren ist dabei dafür Sorge zu tragen, daß die durch das Floaten erzielten niedrigen Rauhigkeitswerte nicht beeinträchtigt werden, indem z. B. die Keramisierung hängend oder durch eine Luftkissenkeramisierung erfolgt, d. h. generell ohne Berührung des zu keramisierenden Glaskörpers mit einer Unterlage.
Besondere Vorteile hinsichtlich einer sehr kleinen Rauhigkeit der Oberfläche der Glaskeramik werden durch ein gefloatetes, keramisiertes Aluminosilicatglas mit nachstehender Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis erzielt.
Li2O 3,2-5,0
Na2O 0,0-1,5
K2O 0,0-1,5
ΣNa2O + K2O 0,2-2,0
MgO 0,1-2,2
CaO 0,0-1,5
SrO 0,0-1,5
BaO 0,0-2,5
ZnO 0,0-< 1,5
Al2O3 19,0-25
SiO2 55,0-69
TiO2 1,0-5,0
ZrO2 1,0-2,5
SnO2 0,0-< 1,0
ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2 2,5-5,0
P2O5 0,0-3,0
Gemäß einer zweiten Weiterbildung weist das Glas in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Zusammensetzung auf, in Gew.-% auf Oxidbasis von:
Li2O 3,5-4,5
Na2O 0,2-1,0
K2O 0,0-0,8
ΣNa2O + K2O 0,4-1,5
MgO 0,3-2,0
CaO 0,0-1,0
SrO 0,0-1,0
BaO 0,0-2,5
ZnO 0,0-1,0
Al2O3 19,0-24
SiO2 60,0-68
TiO2 1,0-2,0
ZrO2 1,2-2,2
SnO2 0,0-0,6
ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2 3,0-4,5
P2O5 0-2,0
Dieses Glas wird mit besonderem Vorteil zum Herstellen des erfindungsgemäßen Glaskeramikkörpers verwendet, weil die entsprechende Oberfläche sehr reinigungsfreundlich ist.

Claims (13)

1. Transparente Abdeckung der Strahlungsquelle von Lampen, bestehend aus einem Glaskörper aus thermisch vorspannbarem, gefloatetem Alumosilikatglas oder einer daraus keramisierten, gefloateten Glaskeramik, der eine Oberflächenstruktur mit einer Rauheit bestimmt durch den Mittenrauhwert Ra ≦ 0,02 µm und/oder den quadratischen Mittenrauhwert Rq ≦ 0,01 µm aufweist.
2. Abeckung nach Anspruch 1, hergestellt aus einem Ausgangsglas das floatbar, thermisch vorspannbar und in eine Glaskeramik mit Hochquarz-Mischristallen oder Keatit-Mischkristallen umwandelbar ist, das einen Gehalt von weniger als 300 ppb Pt, weniger als 30 ppb Rh, weniger als 1,5 Gew.-% ZnO und weniger als 1 Gew.-% SnO2 aufweist, das bei der Schmelze ohne Verwendung der üblichen Läutermittel Arsen- und/oder Antimonoxid geläutert ist und das seine Formgebung durch Aufgießen auf ein flüssiges Metall in einer reduzierenden Atmosphäre erhalten hat.
3. Abdeckung nach Anspruch 2 mit einem gefloateten Aluminosilicatglas als Ausgangsglas.
4. Abdeckung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung des Ausgangsglases (in Gew.-% auf Oxidbasis) von: Li2O 3,2-5,0 Na2O 0,0-1,5 K2O 0,0-1,5 ΣNa2O + K2O 0,2-2,0 MgO 0,1-2,2 CaO 0,0-1,5 SrO 0,0-1,5 BaO 0,0-2,5 ZnO 0,0-< 1,5 Al2O3 19,0-25 SiO2 55,0-69 TiO2 1,0-5,0 ZrO2 1,0-2,5 SnO2 0,0-< 1,0 ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2 2,5-5,0 P2O5 0,0-3,0
ggf. mit Zusatz färbender Kompomenten, wie V, Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Cu-, Ni-, Se-, Cl-Verbindungen.
5. Abdeckung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung des Ausgangsglases (in Gew.-% of Oxidbasis) von: Li2O 3,5-4,5 Na2O 0,2-1,0 K2O 0,0-0,8 ΣNa2O + K2O 0,4-1,5 MgO 0,3-2,0 CaO 0,0-1,0 SrO 0,0-1,0 BaO 0,0-2,5 ZnO 0,0-1,0 Al2O3 19,0-24 SiO2 60,0-68 TiO2 1,0-2,0 ZrO2 1,2-2,2 SnO2 0,0-0,6 ΣTiO2 + ZrO2 + SnO2 3,0-4,5 P2O5 0,0-2,0
mit Zusatz färbender Kompomenten, wie V, Cr-, Mn-, Fe-, Co-, Cu-, Ni-, Se-, Cl-Verbindungen.
6. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß für das Ausgangsglas zur Vermeidung der Entstehung eines schädlichen oberflächennahen Kristallbandes beim Floaten die Beziehung (in Gew.-%): 3,2 × ZnO + TiO2 ≦ 4,3 gilt.
7. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Gehalte von weniger als 200 ppb Fe2O3 und weniger als 2,5 Gew.-% TiO2 im Ausgangsglas, um einer störenden Einfärbung im glasigen Zustand entgegenzuwirken und um eine Lichttansmission bei 4 mm Dicke von < 89% bevorzugt, < 90% zu erreichen.
8. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsglas technisch frei von BaO ist.
9. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α20/300, zwischen 3,5 und 5,0 × 10-6/K, eine Transformationstempertur Tg zwischen 600 und 750°C und eine Verarbeitungstemperatur VA der Glaskeramik unter 1350°C.
10. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen Wärmeausdehungskoeffizienten der Glaskeramik mit Keatit- Mischkristallen als vorherrschende Kristallphase von weniger als 1,5 × 10-6/K.
11. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen Wärmeausdehungskoeffizienten der Glaskeramik mit Hochquarz- Mischkristallen als vorherrschende Kristallphase von (O ± 0,3) × 10-6/K, bevorzugt (O ± 0,15) × 10-6/K und eine Lichttransmission von < 80%.
12. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß zum Erreichen einer geringen Blasenzahl wenigstens ein alternatives chemisches Läutermittel, wie z. B. SnO2, CeO2, Sulfatverbindungen, Chloridverbindungen, bevorzugt 0,2-0,6 Gew.-% SnO2 der Glasschmelze zugesetzt ist.
13. Abdeckung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß zum Erreichen einer geringen Blasenzahl die Glasschmelze physikalisch, z. B. mittels Unterdruck oder mittels Hochtemperatur < 1750°C geläutert ist.
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