DE102005058895A1

DE102005058895A1 - Metallhalogenidlampe

Info

Publication number: DE102005058895A1
Application number: DE102005058895A
Authority: DE
Inventors: Roland Hüttinger; Stefan Dr. Jüngst; Khanh Dr. Pham-Gia; Steffen Dr. Walter
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1958238B1; JP4773527B2; US20090134796A1; US7863819B2; DE502006005007D1; WO2007065819A2; ATE444562T1; CA2631372A1; CN100578726C; JP2009518792A; CN101322221A; EP1958238A2; WO2007065819A3

Abstract

Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß, bei dem eine Durchführung aus MoV mit einem PCA-Teil über eine spezielle Haftschicht verbunden ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Metallhalogenidlampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich dabei um Lampen mit keramischem Entladungsgefäß, die insbesondere Anwendung in der Allgemeinbeleuchtung finden.

Stand der Technik

Aus der US-B 6 590 342 ist bereits eine Metallhalogenidlampe bekannt. Die Durchführung ist mittels Glaslot in einem Stopfen abgedichtet. Um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten besser anzupassen, wird dort eine Schicht aus Molybdänaluminid, Mo3Al, auf die Durchführung aufgebracht. Auch andere intermetallische Komponenten werden für die Schicht vorgeschlagen.

Die Durchführung ist ein Stift, dessen innerer Teil aus Molybdän besteht. Dabei hat die Schicht auch den zusätzlichen Zweck, besonders resistent gegen Halogene der Füllung zu sein.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Abdichtung der Durchführung möglichst dauerhaft zu gestalten und eine verbesserte Haftung zwischen Durchführung und Umgebung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Die Verschlusstechnik für Hochdruckentladungslampen mit keramischem Entladungsgefäß war bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Für den Verschluss werden jetzt Durchführungen aus einer MoV-Legierung als Rohr oder Stift direkt in das Ende eines Entladungsgefäßes aus Al₂O₃ eingesetzt. Dabei bedarf es jetzt keines Stopfens aus einem Cermet mehr, das aus Anteilen Mo und Al₂O₃ besteht.

Bevorzugt wird als Durchführung ein Rohr verwendet, da es mehr elastische Eigenschaften besitzt als ein Stift. Wesentlich ist, dass die Durchführung ein MoV-Teil besitzt, wobei die Durchführung auch noch andere Teile aufweisen kann, beispielsweise ein Niobteil als Außenteil oder ein Kernstück aus einem anderen Material. Das MoV-Teil wird mittels eines Alitierungsprozesses behandelt. Anschließend wird dieses System direkt in das offene Ende eines Grünkörpers aus PCA eingesetzt. Das PCA-Teil ist entweder ein Stopfen oder das direkte Ende eines Entladungsgefäßes aus transparentem Al₂O₃ o.ä. ggf. kann es auch ein Cermet-Teil aus den Komponenten Mo und Al₂O₃ sein.

Dagegen ist bei der bisherigen Technik unter Verwendung von Glaslot die Grenzflächenverbindung zwischen einer Molybdän-Durchführung, insbesondere einem Rohr, und einem Stopfen oder Ende des Entladungsgefäßes unbefriedigend, weil das inerte Molybdän keine Reaktion mit Glaslot eingeht. Somit besteht zwischen einer Molybdän-Durchführung und einem Glaslot lediglich eine physikalische Bindung mit schlechter Haftwirkung. Im ständigen Temperaturwechsel zwischen Betriebszustand und ausgeschalteter Lampe kommt es daher zur Bildung von Rissen, die letztendlich zur Undichtigkeit und damit zum Lampenausfall führt.

Erfindungsgemäß wird an dieser Stelle jetzt auf Glaslot oder Schmelzkeramik verzichtet. Eine bessere Haftwirkung der Durchführung gegenüber dem gegenüber dem PCA-Teil, insbesondere dem Ende des keramischen Entladungsgefäßes, wird – ggf. unter Verzicht auf einen Cermet-Stopfen- durch eine spezielle Haftschicht, die auf der Aktivierung der Oberfläche der Durchführung beruht, erreicht. Mittels eines Alitierungsprozesses, auch Alumetierungsprozess genannt, wird Aluminium reaktiv, insbesondere über die Gasphase, in die Oberfläche der Durchführung aus Molybdän-Vanadium-Legierung übertragen. Dabei bildet sich zunächst eine hoch Al-haltige Schicht, im folgenden vereinfacht als (MoV)3Al8-Schicht bezeichnet. Dies geschieht in einem Diffusionsprozess, der temperatur- und zeitabhängig ist. Dafür werden insbesondere MoV-Rohre in einer Al-haltigen Pulverbettmischung gelegt und bei Temperaturen zwischen 800 und 1200 °C in Schutzgasatmosphäre geglüht. Dabei entsteht in der Oberfläche der Durchführung außen ein Gradientengefüge aus einer Al-reichen AlxMoyVz-Phase, ähnlich einer Al8Mo3-Phase, an die sich weiter innen Al-ärmere Phasen AlwMoyVz-Phase, ähnlich wie Mo3Al, anschließen, die weiter innen schließlich in das MoV-Gefüge des Röhrchens übergeht. Dabei ist der Index w deutlich kleiner als x. Das Aluminium aus dieser oberflächennahen äußeren Phase ist imstande, bei der Direktsinterung des Grünkörpers, bei der eine Schrumpfung des Grünkörpers in der Größenordnung von etwa 10 bis 30 % erreicht wird, – was die Durchführung provisorisch abdichtet –, infolge der Wärmebehandlung bei der Direktsinterung eine Reaktion mit dem Sauerstoff des PCA-Teils, also des Stopfens oder bevorzugt des Endes des Entladungsgefäßes, die jeweils überwiegend aus Al₂O₃ (PCA) bestehen, einzugehen und damit eine feste Verbindung zwischen Stopfen bzw. Ende des Entladungsgefäßes und der Durchführung zu schaffen. Dabei wandelt sich die Haftschicht teilweise oder vollständig in ein Cermet aus Mo, V und Al₂O₃ um.

Im Prinzip lässt sich diese Art der Abdichtung auch für ein System aus MoV-Teil der Durchführung und einem Cermet-Stopfen aus Mo und Al₂O₃ verwenden, wobei zur Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Anteile Mo:V anders zu wählen sind als bei einem reinen Al₂O₃-Stopfen. im folgenden wird jedoch für all diese Varianten den Begriff PCA-Teil verwendet.

Auf diese Weise wird die Abdichtung zwischen der MoV-haltigen Durchführung bzw. dem MoV-Teil der Durchführung und dem PCA-Teil, insbesondere Stopfen bzw. Ende des Entladungsgefäßes, entscheidend verbessert. Bevorzugt ist der Haftpartner das direkte Ende des Entladungsgefäßes, weil dann eine völlig glaslotfreie einfache und sichere Verbindung möglich wird, die eine zuverlässige Abdichtung durch die Kombination einer Direkteinsinterung mit zusätzlicher Haftschicht ermöglicht.

Besonders bevorzugt wird während des Direktsintervorgangs ein Schutzgas aus Inertgas wie insbesondere Argon und/oder Stickstoff N2 verwendet, das in einer speziellen Ausführungsform einen geringen Anteil von 20 bis 200 ppm Sauerstoff O2 enthält. Dieser verbessert die Umsetzung in der Haftschicht. Je nach Verfahrensführung besteht daher die Haftschicht entweder nur teilweise oder auch mehr oder weniger vollständig aus einem Cermet aus Mo, V und Al₂O₃, wobei Anteile der zunächst vorhandenen MoxAlyVz-Schichten mit Gradientengefüge erhalten bleiben können.

Da es bei der Verwendung von unlegierten reinen Mo-Rohren als Durchführung aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nach dem Sinterprozess trotz guter Haftung zur Rissbildung kommt, wird statt Mo eine MoV- Legierung im Abdichtungsbereich der Durchführung verwendet. Die Legierung ist so eingestellt, dass ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient bei etwa 8 × 10*^–6 K^–1 liegt. Damit ist er dem von sog. PCA, also polykeramischem Al₂O₃, ideal angepasst. Die Legierung lässt sich aber auch so einstellen, dass durch Erhöhung des Mo-Anteils eine Anpassung an einen Cermet-Stopfen möglich wird.

MoV lässt sich ähnlich gut wie reines Mo alitieren. Dabei reagiert der Al-Anteil der Legierung ausreichend gut, um eine haftfähige Schicht zu bewerkstelligen. Dieser Alitierungsprozess ist zeit- und temperaturabhängig, so daß sich zunächst in der Haftschicht ein Gradientengefüge mit Al-reicheren und Al-ärmeren Phasen ausbildet.

Der Anteil des Vanadiums in der Molybdän-Vanadium-Legierung (MoV), sollte die Anpassung an reines PCA unter 50 Gew.-% liegen. Bevorzugt ist ein Anteil des Vanadiums im Bereich von 20 bis 40 Gew.-%, da dann die relativen Ausdehnungsunterschiede genügend klein gehalten werden können. Im Falle der Anpassung an ein Cermet aus Mo und Al₂O₃ sollte der Anteil des Vanadiums deutlich kleiner im Bereich von beispielsweise etwa 8 bis 25 Gew.-% liegen, da der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Vanadium in der Größenordnung von 9,6 × 10*^–6 K^–1 liegt. Dagegen ist der von Molybdän deutlich kleiner, er liegt bei etwa 5,7 × 10*^–6 K^–1.

Die gute Haftung wird durch die vorübergehende Bildung eines intermetallischen Gefüges, welches sich als Gradientenstruktur vom Mo-Anteil des Grundmaterials der Durchführung bis in die Keramik hinein bildet, erreicht. Die Bildung von Rissen, die ihren Ursprung bisher an der Grenzfläche Durchführung/Keramik hatten, wird dadurch deutlich reduziert.

Die Rohrabmessungen der MoV-haltigen Durchführung können konventionell sein, wie beispielsweise in EP-A 528 428 dargelegt. Bevorzugt ist insbesondere die Durchführung ein Rohr mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3 mm. Die Wandstärke ist beispielsweise 100 bis 300 μm.

Die außen an der Durchführung aus MoV befindliche bzw. dort überwiegend vorhandene "(MoV)3Al8"-Schicht reagiert bei der hohen Temperatur der Direktsintervorgangs von typisch 1700 bis 1900 °C mit dem Sauerstoff an der Oberfläche der Keramik, so dass in dieser Schicht das Al in Al₂O₃ umgewandelt wird, wobei aus dem ursprünglichen (MoV)3Al8 eine an Al ärmere Phase wird. Dieses dabei entstehende Cermet Mo-Al2O3 bildet bei seiner Reaktion eine verzahnte Schicht, die besonders gute Haftung gewährleistet. Die Reaktion im Cermet-Stopfen läuft vor allem an der Oberfläche größerer Körner aus Al₂O₃ ab, wo das Al sehr reaktiv ist.

Die Behandlung zur Erzeugung des reaktiven Sauerstoffs wird insbesondere gefördert durch Verwendung eines Schutzgases während der Direktsinterung, bestehend aus einem Inertgas-Sauerstoffgemisch, wobei nur geringe Mengen an Sauerstoff dem Inertgas, bevorzugt Argon und/oder Stickstoff, zugegeben werden dürfen. Diese liegen in der Größenordnung eines Partialdrucks von 20 bis 200 ppm, insbesondere höchstens 100 ppm. Gibt man mehr Sauerstoff zu, oxidiert das Molybdän an der Oberfläche zu MoO2 oder MoO3. Diese Substanzen sind leicht flüchtig und eignen sich nicht zur Verbesserung der Haftung.

Figuren
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Metallhalogenidlampe, im Schnitt, schematisch;
2 eine Darstellung des Verbindungsmechanismus, schematisch;
3 ein Detail aus 1, schematisch.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
In 1 ist schematisch eine Metallhalogenidlampe gezeigt mit einem Außenkolben 1 aus Hartglas oder Quarzglas, der eine Längsachse besitzt und einseitig durch eine Tellereinschmelzung 2 verschlossen ist. An der Tellereinschmelzung 2 sind zwei Stromzuführungen nach außen (nicht sichtbar) geführt. Sie enden in einem Sockel 5. Im Außenkolben ist ein zweiseitig abgedichtetes keramisches Entladungsgefäß 10 aus Al₂O₃ (PCA) mit einer Füllung aus Metallhalogeniden axial eingesetzt. Das Entladungsgefäß 10 kann zylindrisch oder innen kugelförmig oder elliptisch sein mit Kapillarenden 21.
In das Entladungsgefäß ragen Elektroden 3, die an Durchführungen aus MoV befestigt sind. Die Durchführung ist bevorzugt ein Rohr, kann aber auch ein Stift sein.
Insbesondere kann die Durchführung auch zweigeteilt sein und nur das vordere Ende der Durchführung aus MoV bestehen.
Es befindet sich ein zündfähiges Gas aus der Gruppe der Edelgase im Entladungsgefäß. Des weitern befindet sich in dem Entladungsgefäß eine Mischung von Metallhalogeniden wie an sich bekannt, beispielsweise Jodide des Na Tl und Dy sowie ggf. Quecksilber. Auch Ca kann als Halogenid verwendet werden.
In 2 ist schematisch die Verbindung zwischen MoV-Rohr und einem Al₂O₃-Stopfen im Detail gezeigt. Dabei ist die Durchführung 6 aus einer Molybdän-Vanadium-Legierung mit 30 Gew.-% Vanadium als ein Grundmaterial 11 gezeigt, an deren Oberfläche eine dünne erste Schicht 12 aus AlxMoyVz mit hohem Anteil Al ausgebildet ist. Diese Schicht wird durch einen Alitierungsprozess gebildet. Unter geeignet gewählten Reaktionsbedingungen diffundiert das Aluminium in tiefere Schichten der Durchführung ein, so dass eine oder mehrere dünne Schichten 13 aus AlxMoyVz entstehen, die weniger Anteil Al enthalten, und die zwischen der dünnen ersten Schicht und dem Grundkörper aus MoV ausgebildet ist. Diese Schichtenfolge wird durch die Diffusion des Aluminiums in die Oberfläche des MoV-Rohrs erzielt. Die Alitierung erfolgt bei 700 bis 1200 °C über eine Dauer, die in der Größenordnung einiger Stunden liegt. Je nach Verfahrensführung entstehen bis zu sechs analytisch nachweisbar unterschiedliche Schichten, die mehr oder weniger kontinuierlich ineinander übergehen können. Ein typisches Beispiel sind vier Schichten, die eine mittlere empirische Formel für AlxMoyVz mit der Normierung x + y + z = 1 von Al0,71V0,12Mo0,17 für die erste Schicht, Al0,66V0,07Mo0,27 für die zweite Schicht, Al0,40V0,34Mo0,26 für die dritte Schicht und Al0,22V0,31Mo0,47 für die vierte Schicht aufweisen.
Das alitierte MoV-Rohr wird nun in den grünen Stopfen eingesetzt und direkt versintert. Das Aluminium aus der an der Oberfläche der Durchführung befindlichen Schicht aus AlxMoyVz reagiert bei der Direkteinsinterung mit dem Sauerstoff-Anteil des Stopfens 14 aus Al₂O₃, so dass sich an der Oberfläche des Stopfens über dem Grundkörper 15 eine dünne Haftschicht 20 ausbildet. Diese entsteht durch teilweise oder vollständige Umwandlung der intermetallischen AlxMoyVz-Phasen des MoV-Rohrs und schafft so eine chemische, dauerhafte Verbindung. Die Schichten 12, 13 aus den intermetallischen Phasen bilden zusammen die neue Haftschicht 20, die teilweise, überwiegend oder vollständig aus einem Cermet aus Mo und Al₂O₃ besteht.
Real bildet sich dabei keine glatte Grenzfläche, sondern ein allmählicher Gradient, wobei diese Schichten fließend ineinander übergehen. Insbesondere ist die Grenzfläche gleicher Konzentration sprunghaft schwankend, so dass eine enge Verzahnung entsteht, ähnlich wie in 3 schematisch dargestellt.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein MoV-Rohr direkt in das Ende 21 eines keramischen Entladungsgefäßes eingesetzt ist. Es ist darin durch Direktsinterung gehaltert, ähnlich wie bei 2 beschrieben. Dabei ist die Durchführung als MoV-Rohr 11, dargestellt, an den nach außen das Ende 21 über die neuartige Haftschicht 20 angebunden ist. Die Verzahnung ist dabei nicht maßstäblich dargestellt.
Die Durchführung muss dabei nicht vollständig aus Molybdän-Vanadium-Legierung bestehen. Es genügt wenn sie teilweise, im abzudichtenden Teil, aus MoV besteht. Beispielsweise kann ein hinteres Teil der Durchführung aus Niob bestehen, wie an sich bekannt oder das MoV-Teil kann einen Kern aus anderem Material besitzen, wie ebenfalls an sich bekannt.
Das PCA-Teil, in dem die Durchführung direkt eingesintert ist, kann beispielsweise ein Stopfen, oder das Ende des Entladungsgefäßes, oder auch ein anderes Zwischenteil sein. PCA steht für polykeramisches Al₂O₃, wie an sich bekannt.

Claims

Metallhalogenidlampe, die ein lichtdurchlässiges keramisches Entladungsgefäß aus Al₂O₃ (PCA) umfasst, wobei Durchführungen in das Entladungsgefäß durch Öffnungen an seinen Enden hineinragen, wobei jede Durchführung zumindest teilweise aus Molybdän-Vanadium-Legierung gefertigt ist, im folgenden als MoV-Teil bezeichnet, und eine Elektrode trägt, wobei die Durchführung in der Öffnung abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das MoV-Teil der Durchführung über eine Haftschicht, die gleichzeitig Al und Mo enthält, in einem PCA-Teil abgedichtet ist.
Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht zum Teil aus einer intermetallischen Schicht AlxMoyVz aufgebaut ist, die einen Gradienten aufweist.
Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung ein Rohr ist.
Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung mit dem PCA-Teil, das entweder ein Stopfen oder direkt das Ende des Entladungsgefäßes ist, verbunden ist, bevorzugt unter Anwendung einer Direktsinterung.
Metallhalogenidlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht teilweise oder vollständig aus einem Cermet aufgebaut ist, das Mo, V und Al₂O₃ enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Metallhalogenidlampe gemäß Anspruch 1, wobei eine Verbindung zwischen einem PCA-Teil und dem MoV-Teil der Durchführung durch folgende Schritte erzielt wird: (a) mittels eines Alitierungsprozesses wird Al in die Oberfläche des MoV-Teils eindiffundiert; (b) das alitierte MoV-Teil wird in das grüne PCA-Teil eingesetzt; (c) Direkteinsinterung unter Wärmebehandlung, ggf. unter Zufuhr eines Schutzgases, das insbesondere einen geringen Anteil Sauerstoff von höchstens 200 ppm aufweist, wobei sich eine Haftschicht im Bereich der Alitierung ausbildet.