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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung geht aus von einem keramischen Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Derartige Entladungsgefäße sind insbesondere für Hochdruckentladungslampen
für Allgemeinbeleuchtung
geeignet. Es handelt sich dabei insbesondere um Entladungslampen
wie Metallhalogenidlampen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein
Verfahren zur Herstellung eines Entladungsgefäßes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
6.
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Stand der Technik
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Aus
der
EP-A 887 840 ist
eine gattungsgemäße Lampe
bekannt, bei der die Abdichtung der Durchführung im keramischen Entladungsgefäß als Direkteinsinterung
mittels eines Stopfens aus verschweißbarem Material erfolgt. Dabei
wird ein mehrteiliger Stopfen verwendet, der aus einzelnen Lagen eines
Cermets besteht, in dem verschiedene Anteile Metall-Keramik vorliegen.
Ein derartiger Stopfen muss jedoch extra vorher hergestellt werden
und ist teuer. Außerdem
ist er relativ lang, da mindestens vier Schichten notwendig sind.
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Darstellung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein keramisches Entladungsgefäß gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bereitzustellen, das eine lange Lebensdauer besitzt.
Insbesondere soll der Abdichtungsbereich vakuumdicht und hochtemperaturbeständig und
nicht korrosionsanfällig
sein.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die
Verschlusstechnik für
das keramische Entladungsgefäß von Hochdruckdampflampen
ist bisher nicht zufrieden stellend gelöst. Für die Abdichtung werden Mo-Röhrchen als
Durchführung
in einen zylindrischen Stopfen aus einem Cermet, das zumindest AlN
und Al2O3 enthält, beispielsweise
ein AlN-Mo-Al2O3-Cermet,
zentrisch verpresst und anschließend in das rohrartige Ende
des Entladungsgefäßes, also
gewissermaßen
ein Hohlzylinder aus transparentem Al2O3, gesteckt. Die gasdichte
Anbindung des Cermets an die Innenwand des Al2O3-Endes erfolgt bevorzugt über die
Zugabe eines Glaslots, welches bei etwa 1600°C schmilzt. Typisch ist ein Wert
zwischen 1500 und 1700°C.
Das Glaslot wird außen
auf die Endfläche
des Stopfens aufgetragen und bewirkt eine feste Grenzflächenverbindung.
Dagegen ist die Grenzflächenverbindung
zwischen Mo-Röhrchen
und Stopfen aus Mo-Al2O3-Cermet weiterhin unzureichend, da das inerte
Molybdän
der Durchführung
weder eine Reaktion mit dem Mo-Al2O3-Cermet, noch mit dem hoch schmelzenden
Glaslot eingeht. Eine Verbesserung der Haftfähigkeit an der Grenzfläche Durchführung-Stopfen
mit den Materialien Mo/Mo-Al2O3-Cermet unter Berücksichtigung der Anpassung
des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist wünschenswert, da eine Fehlanpassung
an dieser Schwachstelle bisher immer noch zu häufigen Lampenausfällen führt.
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Die
Anbindung des inerten Mo-Röhrchens an
das Mo-Al2O3-Cermet
erfolgte bisher allein über ein
Glaslot, welches bei etwa 1600°C
geschmolzen wird und eine feste Grenzflächenverbindung bildet. Da das
Glaslot auch gegenüber
dem Mo-Röhrchen keine
Reaktion zeigt, besteht zwischen dem Mo-Röhrchen und dem Cermet lediglich
eine physikalische Bindung mit schlechter Haftwirkung. In Temperatur-Lastwechsel-Zyklen
kommt es dann aufgrund der schlechten Haftfestigkeit zur Bildung
von Rissen, die letztendlich zum Leck in der Abdichtung führen.
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Die
schlechte Haftwirkung des Mo-Röhrchens
gegenüber
dem Cermet wird erfindungsgemäß durch
eine Aktivierung der Röhrchenoberfläche erreicht.
Mittels eines Alitierungsprozesses wird Aluminium über die
Gasphase in die Oberfläche
des Mo-Röhrchens übertragen,
ein Diffusionsprozess der temperatur- und zeitabhängig ist.
Dafür werden
derartige Mo-Röhrchen
in eine Al-haltige Pulverbettmischung gelegt und bei Temperaturen
zwischen 800 und 1200°C
in Schutzgasatmosphäre
geglüht.
Dabei entsteht ausgehend von der Oberfläche in Richtung zum Inneren
des Mo-Grundwerkstoffs hin ein Gradienten-Gefüge aus einer Al-reichen Al8Mo3-Phase, gefolgt
weiter innen von einer Al-ärmeren AlMo3-Phase,
die schließlich
in das reine Mo-Gefüge des Röhrchens übergeht.
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In
einem weiteren Schritt werden die alitierten Mo-Röhrchen
bei Temperaturen zwischen 1200 und 1500°C in N2-Atmosphäre nitridiert. Dabei kommt
es zur Reaktion zwischen der außen
befindlichen Al8Mo3-Phase und dem Stickstoff, die zur Bildung einer
korrosionsbeständigen
und in Bezug auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut angepassten
AlN-Schicht auf der Oberfläche
des Mo- Röhrchens
führt.
Bei einer unvollständigen
Umsetzung des Al8Mo3 bildet das AlN eine zusätzliche Schicht über der
Al8Mo3-Schicht.
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Typische
Schichtdicken sind wie folgt: die Wandstärke des Mo-Röhrchens
beträgt
etwa 0,3 bis 3 mm, die Schichtdicke der AlMo3-Phase liegt bei typisch
1 bis 25 μm,
die der anschließenden Al8Mo3-Phase
liegt etwa bei 1 bis 15 μ und
die der außen
befindlichen AlN-Schicht bei etwa 1 bis 10 μm.
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Der
Vorteil dieser Technik ist die Verbesserung der Grenzflächenfestigkeit
zwischen Mo-Röhrchen
und Mo-Al2O3-Cermet
bzw. AlN-Al2O3-Cermet. Sie wird gewährleistet durch die Bildung
eines intermetallischen Gefüges,
welches sich über
eine Gradientenstruktur vom Mo-Grundmaterial
bis in das Cermet hinein bildet. Die verbesserte Grenzflächenhaftfestigkeit
führt zu
einer deutlichen Reduzierung von Rissen, die bisher ihren Ursprung
in der schlechten Haftung im Bereich der Grenzfläche Röhrchen/Cermet hatten.
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Des
weiteren wird durch die Bildung der AlN-Schicht ein abgestuft nach
außen
zunehmender thermischer Ausdehnungskoeffizient (TAK) realisiert, der
vom Mo-Röhrchen
(TAK=5.3·10-6 K-1) über die AlN-Schicht
(TAK=5.6·10-6 K-1), das Cermet (TAK=6.0–7.0·10-6 K-1) bis zur PCA
(TAK=8.0·10-6 K-1) kontinuierlich
zunimmt. Dadurch werden thermomechanische Spannungen reduziert bzw.
weitgehend vermieden, die sonst zu einer Rissbildung führen können. Somit
wird mittels eines Alitierungsverfahrens die Oberfläche der
Durchführung,
also des Mo-Röhrchens,
chemisch aktiviert. Durch eine anschließende Nitridierung der Mo-Röhrchen wird
eine AlN-Schicht gebildet, die gegenüber dem Mo-Röhrchen
einen gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK)
hat.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
lässt sich
der Verbund zwischen der außen
liegenden AlN-Schicht des Mo-Röhrchens
und einem Stopfen aus ursprünglich
Al/Al2O3-Cermet noch weiter
stabilisieren, und zwar sogar unter Berücksichtigung der noch besseren
Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dies wird durch
Zugabe an Al in das Material des Stopfens erreicht. Durch eine Nitridierung
bildet sich im Stopfen AlN aus dem Al-Anteil. Das sowohl AlN-haltige als auch
Al2O3-haltige Cermet führt
zu einer deutlichen Verbesserung der Haftfestigkeit am Interface
zwischen Mo-Röhrchen
und Cermet.
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Demgemäß ist es
auch möglich
einen zweigeteilten Stopfen, oder auch mehrere Lagen davon zu verwenden.
Der innere, der Durchführung
benachbarte Teil des Stopfens enthält dabei soviel AlN, das ursprünglich aus
dem Al-Anteil gebildet wurde, dass er dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
Durchführung
gut angepasst ist, der zweite und evtl. weitere außen liegende
Teile enthalten weniger AlN oder auch der äußerste Teil enthält überhaupt kein
AlN, er ist also ein konventionelles Al2O3-Cermet. In der Praxis genügen meist
zwei bis drei Teile, die konzentrische Ringe bilden.
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Die
Haftwirkung an der Grenzfläche
des Mo-Röhrchens,
die von dessen AlN-Oberfläche,
hergestellt durch Alitierung und anschließende Nitridierung gebildet
wird, und dem Stopfen wird durch die Anwesenheit von AlN im Cermet
ver bessert. Das AlN wird durch Nitridierung aus dem Al-Anteil gebildet.
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Typisch
ist für
einen Stopfen eine Mischung von 50 Vol.-% Al und 50 Vol.-% Al2O3,
zumindest für einen
Stopfen, der einteilig ist. Mehrteilige Stopfen können Ringe
aufweisen, deren Zusammensetzungen eine stufenweise Anpassung der
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Al2O3 des Entladungsgefäßes und
der AlN-Schicht des alitierten Mo-Röhrchens ermöglichen.
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Für das Cermet
wird zunächst
eine Mischung aus Al- und Al2O3-Pulver angesetzt (Partikelgröße = 1–30 μm). Die Mischungsverhältnisse
beider Pulver sind dem thermischen Ausdehnungskoeffizient der Endprodukte
entsprechend angepasst. Das Al/Al2O3-Cermet wird anschließend in einer reaktiven Stickstoffatmosphäre nitridiert,
wobei sich dass Al in AlN umwandelt. Die Umwandlung des Al in AlN
ist mit einer Volumenkontraktion von 20–25% verbunden und führt schließlich zu
einem gasdichten Gefüge des
Cermets.
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Die
Vorteile des reaktiven Cermets sind:
- a) die
Reaktionsprodukte AlN und Al2O3 sind
korrosionsstabil gegen die aggressive Gasfüllung des Entladungsgefäßes;
- b) der thermische Ausdehnungskoeffizient des reaktiven Cermets
kann je nach Füllstoffverhältnis der
Endprodukte AlN und Al2O3 zwischen
5.6 und 8.0·10-6 K-1 angepasst
werden. Typische relative Verhältnisse
sind 50:50 Vol.-%.
- c) das AlN des Cermets ist kompatibel zur AlN-Oberfläche des
Mo-Röhrchens,
hingegen ist das Al2O3 kompatibel
zum PCA des Endes des Entladungsgefäßes.
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Punkt
c) gewährleistet
die Verbesserung der Grenzflächenhaftfestigkeit
zwischen Mo-Röhrchen und
Cermet-Stopfen. Die verbesserte Grenzflächenhaftfestigkeit führt zu einer
deutlichen Reduzierung von Rissen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Die Figuren zeigen:
Im folgenden soll die Erfindung anhand
mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Metallhalogenidlampe mit keramischem Entladungsgefäß, teilweise
im Schnitt;
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2 bis 4 ein
Detail des Endbereichs des keramischem Entladungsgefäßes in verschiedenen
Ausführungsbeispielen.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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In 1 ist
schematisch eine Metallhalogenidlampe mit einer Leistung von 150
W dargestellt. Sie besteht aus einem eine Lampenachse definierenden
zylindrischen Außenkolben 1 aus
Quarzglas, der zweiseitig gequetscht (2) und gesockelt
(3) ist. Das axial angeordnete Entladungsgefäß 4 aus
Al2O3-Keramik ist
in der Mitte ausgebaucht und besitzt zwei zylindrische Enden 6.
Es ist mittels zweier Stromzuführungen 7,
die mit den Sockelteilen 3 über Folien 8 verbunden
sind, im Außenkolben 1 gehaltert.
Die Stromzuführungen 7 sind
mit Durchführungen 9 verschweißt, die
jeweils in einem Stopfen 11 am Ende 6 des Entladungsgefäßes eingepasst
sind.
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Die
Durchführungen 9 sind
gemäß 2 Röhrchen aus
Molybdän
mit einem Durchmesser von ca. 2 mm.
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Im
einfachsten Fall stehen beide Durchführungen 9 außen am Stopfen 11 über und
haltern entladungsseitig Elektroden 14, bestehend aus einem Elektrodenschaft 15 aus
Wolfram und einer am entladungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 16.
Die Durchführung 9 ist
jeweils mit dem Elektrodenschaft 15 sowie mit der äußeren Stromzuführung 7 stumpf verschweißt.
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Alternativ
sind – wie
in 2 gezeigt – beide Durchführungen 9 im
Stopfen 11 vertieft eingesetzt. Das Mo-Rohr mündet in
eine Tülle 33,
die entladungsseitig die Elektrode 14 haltert, bestehend
aus einem Elektrodenschaft 15 aus Wolfram und einer am
entladungsseitigen Ende aufgeschobenen Wendel 16. Die Durchführung 9 ist
mit der äußeren Stromzuführung 7 aus
Niob stumpf verschweißt.
Der Stopfen 11 und das Mo-Rohr 9 sind mit Glaslot 19 zusätzlich abgedeckt
und dadurch im Ende 6 abgedichtet. Die Anbindung des alitierten
Mo-Röhrchens
an das Ende des Entladungsgefäßes aus
PCA erfolgt über das
Mo/Al2O3-Cermet als Stopfen. Die Abdichtung wird durch eine Schicht
aus Glaslot auf dem Stopfen noch zusätzlich gesichert. Der Stopfen
ist vertieft im Ende des Entladungsgefäßes eingesetzt.
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Die
Füllung
des Entladungsgefäßes besteht neben
einem inerten Zündgas,
z.B. Argon, aus Quecksilber und Zusätzen an Metallhalogeniden. Möglich ist
beispielsweise auch die Verwendung einer Metallhalogenid-Füllung ohne
Quecksil ber, wobei für
das Zündgas
Xenon ein hoher Druck gewählt wird.
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Die
Endstopfen 11 bestehen aus Cermet, also einer Mischung
eines Metalls und einer Keramik. Das Cermet ist nichtleitend und
besteht aus etwa 50 Vol.-% AlN, Rest Aluminiumoxid.
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Die 3 zeigt
im Detail ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel,
nämlich
den Schichtverbund eines alitierten Mo-Röhrchens, welches anschließend nitridiert
wurde. Die Anbindung des alitierten Mo-Röhrchens 9 an das Ende 6 des
Entladungsgefäßes aus
PCA erfolgt über
das AlN/Al2O3-Cermet als Stopfen 11. Der Stopfen ist vertieft
im Ende des Entladungsgefäßes eingesetzt.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Mo-Röhrchen ist bis zum PCA stufenweise über den
Schichtverbund abgestimmt.
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Die
Anbindung des alitierten Mo-Röhrchens an
den Stopfen 11 bewerkstelligt ein Schichtensystem an der
Oberfläche
des Röhrchens,
das von innen nach außen
aus einer Schicht 35 aus AlMo3, aus einer Schicht 36 aus
Al8Mo3 und einer Schicht 37 aus AlN gebildet wird. Dieses
Schichtsystem hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
5,3 × 10-6
/K für
das eigentliche Mo-Röhrchen 9,
von 5,6 × 10-6
/K für
die AlN-Schicht, von etwa 6,5 bis 7 × 10-6 /K für das Cermet und von 8 × 10-6 /K
für das
Ende 6 des Entladungsgefäßes aus PCA.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Stopfen aus einem Mo-AlN/Al2O3-Cermet gebildet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Mo-Röhrchen
ist damit bis zum PCA noch besser stufenweise abgestimmt. Er liegt
bei etwa 6,2 × 10-6
/K.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einem mehrteiligen Stopfen. Er kann zweiteilig sein, und ist
dann bevorzugt verzahnt, siehe obere Hälfte. Der Stopfen 11 kann
zur noch besseren graduellen Anpassungen auch dreiteilig sein, siehe
untere Hälfte,
er hat dann ein Innenteil aus AlN/Al2O3-Cermet, an das sich außen ein Mittelteil aus Mo/AlN/Al2O3 anschließt und an
das sich schließlich
ein Außenteil
aus Mo/Al2O3 anschließt.
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Eine
alternative Ausführungsform
verwendet ein Innenteil aus AlN-reicheres/Al2O3-Cermet, ein Mittelteil
aus AlN-ärmeres/Al2O3-Cermet
sowie ein Außenteil
aus reinem Al2O3-Cermet. Der Anteil des AlN kann beim Innenteil
bei 55 bis 65 Vol.-% liegen, beim Mittelteil bei 35 bis 50 Vol.-%.
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Die
Abdichtung erfolgt durch das Sintern. Der Stopfen ist direkt, also
ohne Glaslot, in das Ende
6 eingesintert. Glaslot kann
zur zusätzlichen
Abdichtung verwendet werden. Bei der Direkteinsinterung ist das
Entladungsgefäß zunächst noch
im grünen Zustand,
wenn der Stopfen in das Ende eingesetzt wird und schrumpft während des
Endsinterns auf den Stopfen auf. Typische Temperaturen des Sinterns
liegen bei 1500 bis 2000°C.
Diese Technik ist an sich bekannt, siehe
EP-A 887 839 . Die Schrumpfung
liegt in der Größenordnung
von einigen Prozent, maximal bis zu 20 Prozent.
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Die
Umsetzung des Al im Cermet zu AlN kann auch unvollständig sein.