DE202004009227U1

DE202004009227U1 - Leuchtvorrichtung mit einer Glas-Metall-Durchführung sowie Glas-Metall-Durchführung

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Publication number: DE202004009227U1
Application number: DE202004009227U
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-05-13
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2014-06-15

Abstract

Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung für eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einem Körper (2), insbesondere einer Platte, die aus einer Glas- oder Glaskeramikzusammensetzung besteht, wobei die Platte wenigstens einen
– Bereich (18) aufweist, durch den wenigstens ein Metallteil hindurchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) vollständig oder teilweise aus einer Glaskeramik besteht und
– das Material des Körpers im Bereich (18), in dem das Metallteil hindurchgeführt wird einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallteils entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glas/Glaskeramik-/Metall-Durchführung sowie eine Leuchtvorrichtung, insbesondere ausgehend von Glaskeramikgrünglas. Die Glaskeramiken, die aus dem Glaskeramikgrünglas erhalten werden, weisen bevorzugt die Form einer Platte auf. Der Einsatz kann in vielfältigen Anwendungsbereichen bzw. in vielfältigen Typen von Lampen erfolgen, beispielsweise im Bereich der allgemeinen Beleuchtung oder der Automobilbeleuchtung bzw. in Temperaturstrahlern, wie Halogenlampen oder Glühlampen bzw. in Hochdruck- oder Niederdruckentladungslampen. Insbesondere können die Glaskeramiken auch miniaturisiert zum so genannten „Backlighting" im Zusammenhang mit der Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen eingesetzt werden.
Bei herkömmlichen Beleuchtungsquellen wie Glühlampen, Halogenlampen und Gasentladungslampen haben die transparenten Kolben, bevorzugt aus Glas oder transluzenter Keramik in gestreckt zylindrischer oder gedrungen – bauchiger Form, im Wesentlichen zwei unterschiedliche Aufgaben, wie unten beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Lampen bzw. Anwendungen definiert, bei denen der Glaskolben als erste Umhüllende der lichtemittierenden Einheit, beispielsweise des Filamentes, und/oder als hermetisch dichter Körper für Schutz- bzw. Entladungsgase verwandt wird. Diese Anwendungen werden als Typ A-Anwendungen bezeichnet.
Anwendungen vom Typ A sind Anwendungen, bei denen die Glaskolben die erste Umhüllende der lichtemittierenden Einheit darstellen. Hierunter fallen insbesondere Lampen des Typs „Glühbirne" oder „Halogenstrahler" in denen eine stromdurchflossene und dadurch stark erhitzte Metallwendel Licht aussendet, beispielsweise Glühbirnen oder Halogenstrahler. Zur Erhöhung der Lebensdauer sowie Steigerung der Lichtausbeute werden bei derartigen Lampen die Kolben mit „schweren" Gasen wie Krypton, Argon oder Xenon befüllt. Im Falle von Halogenlampen sind dies Halogenide, welche sich mit von der Wendel abdampfendem Wolfram verbinden und an der heißesten Stelle der Wolframwendel wieder zersetzen, wodurch der Wendeldraht an der dünnsten Stelle einen Materialaufbau erfährt. Dies bezeichnet man als Halogenkreislauf. Mit Hilfe von Halogenzusätzen ist es möglich, innerhalb einer bestimmten Temperaturspanne die Kolbenschwärzung, bedingt durch abdampfendes und kondensierendes Wolfram, und die mit ihr einhergehende Lichtstromabnahme praktisch völlig zu unterbinden. Deshalb kann bei Halogen-Glühlampen die Kolbengröße stark verkleinert werden, wodurch einerseits der Füllgasdruck erhöht werden kann und andererseits der wirtschaftliche Einsatz der teuren Edelgase Krypton und Xenon als Füllgas ermöglicht wird.
In einer alternativen Ausgestaltung einer Anwendung vom Typ A bildet der Glaskolben den Reaktionsraum einer Gasentladung. Der Glaskolben kann zusätzlich als Träger von lichtkonvertierenden Schichten fungieren. Derartige Lampen sind beispielsweise Niederdruck-Fluoreszenzlampen sowie Hochdruck-Gasentladungslampen. In beiden Fällen werden flüssig oder gasförmig eingebrachte Stoffe – oftmals Quecksilber (Hg) und/oder Xenon (Xe) und/oder Neon (Ne), durch Bogenentladung zwischen zwei in den Kolben ragenden Elektroden angeregt und zu stimulierter Emission, meist im UV-Bereich gebracht. Bei Niederdrucklampen, beispielsweise bei Backlightlampen, werden die diskreten UV Linien durch Fluoreszenzschichten teilweise in sichtbare konvertiert. Bei Mitteldruck- und Hochdruckentladungslampen werden die Füllgase unter hohen Druck bis 100 bar oder mehr gesetzt. Durch Stosseffekte sowie Bildung von Molekülen, z. B. von Hg entarten die diskreten Linien zu Emissionsbanden mit der Konsequenz, dass quasi weißes Licht abgegeben wird. Hinzu kommen optisch aktive Stoffe, beispielsweise Halogenide der seltenen Erden, insbesondere Dysprosium – Halogenide welche fehlende spektrale Anteile auffüllen und die Farbechtheit erhöhen Die Abhängigkeit der Weißqualität vom Druck wird in Derra et al. in „UHP-Lampen: Lichtquellen extrem hoher Leuchtdichte für das Projektionsfernsehen", Phys. Bl. 54 (1998) Nr.9 817–820 beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Veröffentlichung wird vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mitaufgenommen.
Bei Anwendungen des Types B- dient der Glaskolben als zweite Umhüllende beispielsweise zur thermischen Kapselung der eigentlichen lichtemittierenden Einheit und/oder zum Bruch-/ Explosionsschutz bzw. zum Schutz von Materialien und dem Lampenanwender vor schädlichen Strahlen, insbesondere vor UV-Strahlen.
Anwendungen des Typs B finden sich beispielsweise in Hochdruckentladungslampen. Lampenkolben für Hochdruckentladungslampen werden auf möglichst hohen Betriebstemperaturen bis 1000°C bzw. darüber betrieben. Je höher die Betriebstemperaturen sind, desto höher ist der Farbwiedergabeindex und die Wirksamkeit und umso geringer sind Unterschiede der Lichtqualität von Lampe zu Lampe.
Zur thermischen Isolation des Entladungsgefäßes wird um den eigentlichen Reaktionskörper ein zweiter Glas-Hüllkolben gestülpt, wobei der Raum dazwischen meist evakuiert ist. Der Hüllkolben ist zudem mit UV blockenden Komponenten dotiert.
Soll eine Hochdruckentladungslampe ohne weitere Schutzvorkehrungen direkt in einer Lampenfassung betrieben werden, d. h. ist die Lampe nicht in eine Leuchte mit Abdeckscheibe integriert, wie von Aufbauten von Niedervolt-Halogenstrahlern bekannt, so werden zwischen Hüllkolben und Entladungskolben weitere zylindrische transparente Elemente, vorzugsweise aus Kieselglas, eingefügt die als Explosionsschutz dienen sollen. Diese zylindrischen, transparenten Elemente können aber auch aus Glaskeramik bestehen, beispielsweise aus ROBAX^®-Glaskeramik (ROBAX^® ist Marke der Anmelderin Schott-Glas, Mainz).
Aufgrund der unterschiedlichen Einsatzgebiete ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die verwendeten Kolbengläser für Gläser bei Typ A- und Typ B-Anwendungen.
Typ A-Anwendungen erfordern thermisch sehr stabile Materialien, beispielsweise Gläser, welche sich unter den Belastungen der räumlich nahen Wolframwendel bzw. den hohen Betriebstemperaturen unter Druck, insbesondere der hohe Druck, der sich bei HID (High intenisty discharge) ergibt, nicht verformen. Die Glaskolben stehen zudem unter Innendruck zwischen 2 und 25 bar bei Halogenlampen bzw. bis ca. 100 bar oder mehr bei HID-Lampen. Die Kolben müssen des Weiteren chemisch sehr inert sein, d. h., sie dürfen im Kontakt mit den Füllstoffen nicht reagieren. Dies bedeutet, dass keine Komponenten aus dem Glas an die Umgebung abgeben werden dürfen, insbesondere keine Alkalien oder OH-Ionen bzw. H₂O. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die transparenten Materialien dauerhaft hermetisch dicht mit den Zuführungsmetallen verschmolzen werden können. Insbesondere sollen die Glaskolben mit W oder Mo - Metall oder mit Kovar-Legierungen verschmolzen werden können. Des Weiteren sollen die derart verschmolzenen Durchführungen auch gegenüber Temperaturwechselzyklen stabil sein.
Kalte Lampentypen wie Niederdruck-Lampen erfordern vergleichsweise geringere thermische Belastbarkeiten der Durchführungen. Werden derartige Niederdruck-Lampen aber als „Backlight"-Lampenkörper eingesetzt, so ergeben sich besondere Anforderungen an die UV-Blockung.
„Backlight"-Lampen sind Niederdruck-Entladungslampen, die miniaturisiert in TFT („thin film transistor")-Flüssigkristall-Displays beispielsweise für Bildschirme, Monitore, TV-Geräte zur Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden können. Hierfür wurden bisher Multikomponenten-Gläser auf Silicatbasis eingesetzt. Bei Verwendung als „Backlight"-Lampe wird an das Abschirmen von UV-Licht durch das Glas der Lampe selbst hohe Anforderungen gestellt, da andere Komponenten insbesondere solche aus Kunststoff, in den Flachbildschirmen rasch altern und degenerieren.
Bei Typ B-Anwendungen sind die Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit und die chemische Zusammensetzung/Resistenz im Allgemeinen niedriger als bei Typ A-Anwendungen. So herrschen beispielsweise bei einer HID Lampe nur Außenkolbentemperaturen zwischen ca. 300–600°C. Wie oben beschrieben sollten diese Kolben eine hohe UV Blockung, insbesondere bei „Backlight"-Anwendungen, aufweisen. Weiterhin stellt sich auch hier das Problem der Dichtigkeit der Durchführung. Es ist jedoch nicht zwingend, dass die Durchführung gegenüber chemischen Reagenzien inert ist.
Als Materialien für Glaskolben bei Anwendungen vom Typ A werden im Stand der Technik abhängig von der Lampengrösse und des Lampentyps Weichglas, Hartglas oder Kieselglas, im Bereich Halogenlampen vorzugsweise alkalifreies Glas verwendet Diesbezüglich wird auf Heinz G. Pfaender: SCHOTT Glaslexikon, mvg-Verlag, Seiten 122–128 verwiesen oder auch die Patente DE 197 47 355 C1 , DE 197 58 481 C1 , DE 197 47 354 C1 deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird.
Höchstleistungsentladungslampen verwenden alternativ zu Kieselglas im Stand der Technik auch transluzentes Aluminiumoxid, welches bis 1100°C oder darüber belastbar ist. Betreffend Höchstleistungsentladungslampen wird beispielsweise auf die EP 0 748780 B1 oder Krell et al: Transparent sintered corundum with high Hardness and Strength in J. Am. Ceram. Soc. 86(4) 546–553 (2003) verwiesen, deren Offenbarungsgehalt voll umfänglich in die vorliegende Anmeldung mitaufgenommen wird:
In Niederdrucklampen kann als Glaskolbenmaterial vergleichsweise weiches Glas, beispielsweise Borosilicatglas, verwandt.
Als Materialien der Glaskolben für Typ B-Anwendungen kommt derzeit überwiegend Kieselglas bzw. Multikomponentengläser z. B. des Typs Suprax (z. B. SCHOTT Typ 8655 bzw. DURAN-Glass der Firma Schott-Glas Mainz) zum Einsatz. Bei großen Lampen, z. B Hochdruckentladungslampen für Straßenbeleuchtung, können die Außenkolben auch aus Weichglas gefertigt sein.
Glaskeramiken mit bevorzugten Eigenschaften zum gezielten Einsatz bei speziellen Anwendungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und beispielhaft seien die prominenten Marken der Anmelderin, Ceran^® und Robax^®, genannt. Glaskeramiken wie die genannten weisen ein unitäres Spektrum an Eigenschaften auf, welche aus gezielter, kontrollierter, temperaturgesteuerter, partieller Kristallisation resultieren. Abhängig von Zusammensetzung, Art und Weise der Herstellung des Ausgangsglases, das auch „Grünglas" genannt wird, und Anpassung des Temperaturregimes in der Heißnachverarbeitung können bei einer Glaskeramik unterschiedliche Kristallphasenarten, kristallographische Spezies mit verschiedener Kristallmorphologie und Größe sowie unterschiedliche Kristallmengen ausgeschieden werden. Dadurch lassen sich insbesondere die thermische Dehnung, mechanische Stabilitäten, der optische „Cut-off", insbesondere im UV-Bereich usw., einstellen. Eine herausragende grundlegende Eigenschaft einer Glaskeramik wie Robax^® oder einer Glaskeramik aus anderen chemischen Systemen stellt die hohe thermische Stabilität des Materials dar, welche wesentlich höher ist als die gängiger Multikomponentengläser.
Während Glaskeramiken bislang in scheibenartiger Form als Kochplatten und Scheiben für Öfen und Kamine Anwendung gefunden haben, gibt es bislang noch keine technische Lösung dafür, diese vorteilhaften Materialien in anderen komplexeren Formen zu fertigen und für andere Anwendungen einzusetzen.
Die Verwendung von Glaskeramiken im Lampenbau ist beispielsweise in GB 1,139,622 beschrieben. Hier wird eine Komposit-Lampe beschrieben, bestehend aus einem Glaskeramikteil sowie einem Kieselglas-Fenster. Die Teile sind mit einem Cu-haltigen Lotglas miteinander verbunden. In der GB 1,139,622 werden keine Angaben gemacht zur Herstellung von Grünglaskolben oder -körper bzw. deren Weiterprozessierung. Die Anwendung ist auf UV- und IR-Beleuchtungen beschränkt.
Die US 3,960,533 beschreibt die Anwendung von transluzent keramisierter Glaskeramik als Abschattung vor dem grellen Wolfram-Filament in einer Glühbirne.
Die US 4,045,156 beschreibt den Einsatz von partiell kristallisiertem Glas für Anwendungen in Photoflash- Lampen. Diese Lampen zeichnen sich durch eine höhere Temperaturbeständigkeit, höhere Thermoschockbeständigkeit sowie mechanischer Festigkeit als herkömmliche Glaskolbenlampen aus. Der Ausdehnungskoeffizient liegt bei ca. 8,0 – 9,5 ppm/K. Die Kristallite der Glaskeramik haben eine Größe im Bereich von 50 nm bis 10 μm. Die US 4,045,156 beschreibt weiterhin Verfahrensschritte von Schmelze, Rohrziehen bis hin zu Keramisierungsprozessen. Das voll keramisierte Rohr wird als ausreichend prozessierbar beschrieben. Eine Verfahrensführung zur Herstellung einer kompletten Lampe wird nicht beschrieben, insbesondere nicht, wie erreicht werden kann, dass im Bereich der Durchführung eine derartige Lampe ausreichende Dichtigkeit gewährleistet wird.
Die Verwendung von Glaskeramik im Lampenbau ist auch in US 4,047,960 beschrieben. Durch Auskristallisation von vorwiegend Aluminiumniobat- bzw. Tantalatkristallen aus einer silicatischen Matrix bei Temperaturen oberhalb 1000°C entsteht ein Material, welches 1000°C standhält bei hoher Transparenz. Die Kristalle sind durch eine thermische Vorbehandlung zur Kristallkeimbildung bei ca. 800°C in etwa gleich groß. Die Kristallphase nimmt weniger als 50 % des Volumens ein. In der US 4,047,960 werden keine Angaben gemacht zum Ziehen der Grüngläser in Rohre sowie deren Weiterverarbeitung zu einem Lampenkörper.
In GB 1260933 werden Glaskeramiken beschrieben die sich für Anwendungen in Na-Dampflampen eignen. Sie sind chemisch sehr stabil gegenüber Natriumdampf und können neben deren Verwendung als Verschlussmaterialien auch als Teile von Lampenkörper verwendet werden. Die Glaskeramik ist Si-frei mit den Hauptkomponenten CaO und Al₂O₃ und stabil bis ca. 900°C. Die in der GB 1260933 beschriebenen Glaskeramikkörper sind nicht für Na-Hochdrucklampen geeignet.
Aus der DE 100 17 696 A1 und DE 100 17 701 C2 ist die Verwendung von Glaskeramiken als Abdeckscheiben von Strahlungsquellen von Lampen, insbesondere Halogenstrahlern beschrieben.
Bei einigen aus dem Stand der Technik bekannten Lampentypen, so z. B. Halogenlampen oder HID-Lampen, besteht der innere und/oder äußere Lampenkolben aus Kieselglas. Die Durchführung besteht von außen nach innen gesehen aus W- bzw. Mo-Draht, welcher an eine Mo-Folie mit einer Dicke < 100 μm geschweißt ist sowie einem weiteren Schweißpunkt zu einem W-Draht, der ins Innere der Lampe, z. B. zum W-Filament oder zu W-Entladungselektroden führt.
Die Verwendung einer Mo-Folie mit einer Dicke < 100 μm ist im Stand der Technik notwendig, um Spannungen im Bereich der Glas-/Metall-Durchführung so gering wie möglich zu halten. Der eigentliche hermetische Verschluss erfolgt dabei über wenige mm² Kontaktfläche von Mo-Folie zum umgebenden Glas und ist damit sehr unzuverlässig.
Die Verwendung einer Mo-Folie hat aber die nachfolgend beschriebenen Nachteile:
Beim Einschmelzen der Durchführung neigt die Mo-Folie zum Verbrennen. Im Stand der Technik wird daher das Einschmelzen in einem Schutzgasstrom, insbesondere unter Argon, vorgenommen.
Die eingeschmolzenen Folien neigen im Betrieb zur Oxidation. Dies kann zu Undichtigkeiten und Ausfall der Lampe führen.
Die dünne Folie ermöglicht nur einen unzureichenden Energietransport in die Lampe.
Die Herstellung aufgrund des mehrfachen Zusammenschweißens von Metallbauteilen ist aufwendig und kostentreibend, außerdem wird aufgrund der langen Durchführung die Gesamtlänge der Lampe ungünstigerweise sehr hoch.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Insbesondere soll eine Glas-/Glaskeramik-/Metall-Durchführung sowie eine Leuchtvorrichtungen, mit einer derartigen Durchführung angegeben werden, wobei die Durchführungen hermetisch dicht sind. Insbesondere sollen im Bereich der Durchführung nur geringe Spannungen auftreten und die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen umfassend die möglichen Einzelprozessschritte vom Grünglas hin zu einem Lampenkörper, beschrieben werden. Die Schritte werden im Allgemeinen für spezifische Lampentypen aufgezeigt, beschränken sich aber nicht auf diese. Kombinationen der bei den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen Schritte können in geeigneter Weise zusammengesetzt werden zum Bau auch anderer Lampen als im Ausführungsbeispiel angegeben.
Es zeigen:
1a bis 1f: unterschiedliche Verfahrensschritte zur Herstellung einer Glaskeramik-Metall-Durchführung für Leuchtvorrichtungen.
2: Gesamtansicht einer Lampe bestehend aus einem Kieselglaskolben oder einem Glaskeramikkolben mit einer erfindungsgemäßen Glaskeramik-Metall-Durchführung
3: abgewandelte Ausführungsform der Erfindung
Mit den hier beschriebenen Herstellungsverfahren ist es möglich, glaskeramische Materialien im Lampenbau einzusetzen. Insbesondere ist es möglich, hochstabile, transparente und auf sonstige Anforderungen maßgeschneiderte Glaskeramiken zu verwenden, die im Einsatz befindliche herkömmliche Gläser bzw. Durchführungskonzepte gemäß dem Stand der Technik weit übertreffen. Dies ist neben anderen insbesondere der Fall bei Niederdrucklampen, z. B. Backlightlampen, bei denen Glaskeramiken bspw. Vorteile im Bereich der „UV-Blockung" bei hoher Gesamttransparenz bieten.
Insbesondere können bei Glaskeramiken Eigenschaftskombinationen genutzt werden, da Glaskeramiken kontrolliert partiell kristallisierte Gläser sind, welche die vorteilhaften Eigenschaften von Glas in Kombination mit Kristallen nutzen. Die Kristallite sind dabei bevorzugt so klein, beispielsweise < 1 μm, bevorzugt < 200nm, besonders bevorzugt < 100nm, so dass das Glaskeramikmaterial transparent wie Glas bleibt, jedoch eine Vielzahl verbesserter Eigenschaften hervorruft, wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe mechanische Festigkeit, hohe chemische Resistenz sowie hohe UV Blockung.
Weiterhin können in Abhängigkeit von der chemischen Ausgangszusammensetzung sowie der Führung der Keramisierung Art, Volumenanteil und Größenverteilung der Kristallite gezielt bezüglich anderer Eigenschaften eingestellt werden. Hierbei ist insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient zu nennen, der z. B an ein Durchführungsmaterial angepasst sein kann. So können mit erfindungsgemäßen Glaskeramik thermische Ausdehnungskoeffizienten α_20/300 zwischen 0 und 7 × 10^-6/K, bevorzugt zwischen 3 × 10^-6/K und 5 × 10^-6/K erreicht werden. Für Verschmelzungen mit Wolfram sind Ausdehnungskoeffizienten zwischen 3,5 × 10^-6/K und 4,3 × 10^-6/K und für Verschmelzungen mit Molybdän Ausdehnungskoeffizienten zwischen 4,5 × 10^-6/K und 5,0 × 10^-6/K besonders bevorzugt. So können beispielsweise Li₂O-SiO₂-Al₂O₃-Glaskeramiken so hergestellt werden, dass sie einen Ausdehnungskoeffizienten von 0 bis 2 ppm/K bzw. bevorzugt ≤ 1 ppm/K aufweisen. Diese Glaskeramik kann dann problemlos an gängige Lampenglasmaterialien wie SiO₂ angepasst d. h. mit letzterem verschmolzen bzw. gefrittet werden.
Die Temperaturstabilität von Glaskeramiken, die gemäß der Erfindung im Lampenbau eingesetzt werden, liegt im Allgemeinen höher als die von Hartglas. Grüngläser, z. B. solche aus dem Li₂O-SiO₂-Al₂O₃ System, erreichen bezüglich ihrer Transformationstemperaturen annähernd Hartglas, wobei Hartgläser Transformationstemperaturen (Tg) im Bereich von 750 bis 800°C aufweisen. Bei solchen Temperaturen liegt das Glas also noch in festem Zustand vor.
Da für Glaskeramiken keine Transformationstemperatur (Tg) bestimmt werden kann, ist es sinnvoll, einen von der Temperatur abhängigen, noch stabilen Zustand anhand der Viskosität der Glaskeramik in Abhängigkeit von der Temperatur zu bestimmen. Eine geeignete Glaskeramik sollte auch bei höheren Temperaturen nicht viskos fließen und Lampenbetriebstemperaturen von > 800°C, bevorzugt von > 900°C, und weiter bevorzugt von > 1000°C standhalten.
Idealerweise setzt das viskose Fließen einer im Lampenbau eingesetzten Glaskeramik erst bei höheren Temperaturen als bei Kieselglas ein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Glaskeramik ähnlich stabil oder noch stabiler als transluzente Keramiken, zum Beispiel solche auf Basis von Al₂O₃ ist.
Erfindungsgemäß soll die Glaskeramik mit den Metallteilen der Durchführungen gut verschmolzen sein, welche je nach Anwendung aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen wie Vacon 11^® der CRS Holdings Inc., die auch als „Kovar" bezeichnet wird, bestehen. Mit den angegebenen Herstellverfahren können derartige Glaskeramiken einen hermetisch dichten Verschluss einer elektrisch und thermisch leitenden Metalldurchführung sowie dem Kolbenmaterial ermöglichen und Probleme, die durch unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der thermischen Ausdehnung der Materialien Glas und Metall entstehen, können umgangen werden.
Bevorzugt ist in einer ersten Ausführungsform das Glaskeramikmaterial für die elektrische Durchführung so gestaltet, dass die thermische Ausdehnung des Elektrodenmaterials, bestehend aus Metall, angenähert wird. Es wird dann erreicht, dass auch bei Betriebstemperatur während des Lampenbetriebes keine Undichtigkeiten entstehen.
Für die Anwendung der Glaskeramiken im Lampenbau ist es vorteilhaft, wenn die Materialien chemisch resistent sind, so dass z. B. Vorgänge in einer Lampe dauerhaft nicht beeinflusst werden. Bei der Verwendung in Halogenlampen soll insbesondere eine Störung des Halogenkreislaufes vermieden werden. Die Materialien sollten nicht von Füllstoffen durchdringbar sein, also eine gute Langzeitdichtigkeit aufweisen. Auch sollten heiße, unter Druck stehende Füllstoffe keine Korrosion bedingen.
In einer besonderen Ausführungsform können die Glaskeramiken bei der Verwendung in Lampen zumindest in den obersten Schichten der Rohrinnenoberfläche, bevorzugt im gesamten Lampenkolbenkörper, alkalifrei sein und höchsten Anforderungen bezüglich der Reinheit entsprechen.
Bei der Verwendung von Glaskeramikmaterial bei der Herstellung von Leuchtmitteln, insbesondere Lampen, ist zu berücksichtigen, dass im Vergleich zu herkömmlichen Glaslösungen neben der Herstellung eines Glaslampenkolbens und dessen Verschmelzung mit dem Durchführungsmaterial noch ein zusätzliches Temperprogramm hinzukommt.
Die Keramisierung erfolgt prinzipiell in einem mehrstufigen Prozess, der durch Heizrampen und Haltezeiten gekennzeichnet ist. Die Maximalttemperatur liegt für erfindungsgemäße Glaskeramiken bei 1200°C, die Haltezeiten sind dem optimalen Kristallitwachstum – bezogen auf ein gegebenes Anforderungsprofil optischer und thermischer Zielgrößen – angepasst. Die Kristallitgröße liegt bevorzugt in der Größenordnung von 10 bis 200 nm, der Kristallphasenanteil beträgt bevorzugt mindestens 50 %, bevorzugt mehr als 60%, besonders bevorzugt mehr als 70 %.
Die Keramisierungsprogramme sind bezüglich der Temperatur- und Zeitregime angepasst und abgestimmt auf gewünschte Kristallphasen, ebenso abgestimmt auf das Verhältnis von Restglasphase und Kristallphasenanteil sowie Kristalllitgröße.
Ferner kann durch das Keramisierungsprogramm der Oberflächenmechanismus bzw. ein Tiefenprofil für bestimmte Elemente eingestellt werden, wodurch im Verlauf der Keramisierung in oberflächennahen Bereichen ein gewünschter Gehalt an Alkalien eingestellt werden kann, auch in Feineinstellung von „alkaliarm" bis „alkalifrei".
Während der Keramisierung kann auch ein Konzentrationsgradient für bestimmte Elemente aufgebaut werden, was durch deren Einbindung in die Kristallphase bzw. deren Verbleib oder Anreicherung in der Restglasphase bewirkt werden kann, insbesondere durch die Ausbildung einer glasigen Oberflächenschicht, deren Dicke durch die Zusammensetzung des Ausgangsglases und die Keramisierungsatmosphäre bestimmt werden kann.
Das Keramisierungsprogramm ist zudem, sofern erforderlich, bezüglich der Keimbildungs- bzw. Kristallentwicklungsregime an das gewünschte Maß der Abschirmung von UV-Strahlung angepasst.

Bevorzugt verwendet, insbesondere im Bereich der Halogenlampen und Gasentladungslampen, werden alkalifreie Glaskeramiken (GC), bezeichnet auch als „AF-GC" mit folgenden Zusammensetzungen in Gew-%:

35 – 70,	bevorzugt 35 – 60 SiO₂
14 – 40,	bevorzugt 16,5 – 40 Al₂O₃
0 – 20,	bevorzugt 4 – 20 MgO, besonders bevorzugt 6 – 20 MgO
0 – 15,	bevorzugt 0 – 9 ZnO, besonders bevorzugt 0 – 4 MgO
0 – 10,	bevorzugt 1 – 10 TiO₂
0 – 10,	bevorzugt 1 – 10 ZrO₂
0 – 8,	bevorzugt 0 – 2 Ta₂O₅
0 – 10,	bevorzugt 0 – 8 BaO
0 – 10,	bevorzugt 0 – 5 CaO
0 – 5,	bevorzugt 0 – 4 SrO
0 – 10,	bevorzugt > 4 – 10 B₂O₃
0 – 10	P₂O₅
0 – 5	Fe₂O₃
0 – 5	CeO₂
0 – 3	Bi₂O₃
0 – 3	WO₃
0 – 3	MoO₃
0 – 4	übliche Läutermittel sind z. B. SnO₂, SO₄, Cl, As₂O₃, Sb₂O₃

Die Zusammensetzungen der alkalifreien Glaskeramiken sind charakterisiert durch die Hauptkristallphasen Spinell, Sapphirin, Hochquarzmischkristall (HQMK), alpha-Quarz, Cordierit und entsprechende Mischkristalle (insbesondere Zn-Spinelle/Sapphirine; Mg/Zn-HQMK).

Als alkalihaltige Glaskeramiken, bezeichnet als „AH-GC", finden erfindungsgemäß beispielsweise folgende Zusammensetzungen (in Gew-%) Verwendung.

50 – 70	SiO₂
17 – 27	Al₂O₃
> 0 – 5	Li₂O
0 – 5	Na₂O
0 – 5	K₂O
0 – 5	MgO
0 – 5	ZnO
0 – 5	TiO₂
0 – 5	ZrO₂
0 – 8	Ta₂O₅
0 – 5	BaO
0 – 5	SrO
0 – 10	P₂O₅
0 – 5	Fe₂O₃
0 – 5	CeO₂
0 – 3	Bi₂O₃
0 – 3	WO₃
0 – 3	MoO₃
0 – 4	übliche Läutermittelsind z. B. SnO₂, SO₄, Cl, As₂O₃, Sb₂O₃

Die Zusammensetzungen der alkalischen Glaskeramiken sind charakterisiert durch die Hauptkristallphasen HQMK(Hochquarzmischkristall), Keatit.
Die nachfolgenden Zusammensetzungen sind als beispielhaft für die angegebenen Glaskeramiken anzusehen.
Beispiel 1:

Beispiel 1 beschreibt Zusammensetzungen von alkalihaltigen Glaskeramiken, die im Lampenbau Verwendung finden können:

Anteil [MA%]	Komponente
67,2	SiO₂
21,4	Al₂O₃
3,8	Li₂O
1,1	MgO
1,7	ZnO
2,2	TiO₂
1,7	ZrO₂
0,2	As₂O₃
0,1	K₂O
0,4	Na₂O
0,016	Fe₂O₃
Summe:	99,8
Thermische Ausdehnung:	3,9 (Ausgangsglas)
[ppm/K]	≤ 1 (keramisiert)

Durch Keramisierung ändert sich die thermische Ausdehnung von 3,9 ppm/K für das Grünglas auf einen Wert ≤ 1 ppm/K für das keramisierte Glas, d. h. die Glaskeramik.
Beispiel 2:
Beispiel 2 beschreibt Zusammensetzungen einer alkalifreien Glaskeramik, die für eine Verwendungen im Lampenbau geeignet ist:

Anteil [MA%] Komponente

58,5 SiO₂

20,3 Al₂O₃

4,2 MgO

8,4 ZnO

3,0 TiO₂

5,0 ZrO₂

0,5 As₂O₃

Summe: 99,9

Thermische Ausdehnung: 2,8 (Ausgangsglas)

[ppm/K] 3,8 (keramisiert)
Die thermische Ausdehnung ändert sich durch die Keramisierung von 2,8 ppm/K beim Grünglas auf 3,8 ppm/K bei der Glaskeramik.
Die oben angegebenen Zusammensetzungen sind Zusammensetzungen des Ausgangsglases, die aber auch nach der Keramisierung erhalten bleiben.
Die Ausgangsgläser der Glaskeramiken können mittels Einschmelzen bei einer Temperatur 1, Läutern bei einer Temperatur 2, wobei die Temperatur 2 höher als die Temperatur 1 ist, und anschließendes Ausarbeiten in einem Tiegel in einem einstufigen Verfahren hergestellt werden.
Möglich ist auch, nachdem Einschmelzen vorzuläutern und abzuschrecken.
Bevor die Herstellung einer kompletten Lampe nachfolgend beschrieben wird, wird zunächst die Herstellung einer erfindungsgemäßen Glas- bzw. Glaskeramik/Metall-Durchführung für Metallteile, vorzugsweise W-Drähte, die eine erfindungsgemäße Glaskeramik verwendet, beschrieben. Diese Beschreibung ist beispielhaft.
In ein Grünglas 1, das beispielsweise eine kreisrunde Form in Gestalt einer Scheibe 2 aufweist, werden, beispielsweise wie in 1a dargestellt, zwei Bohrungen 3, 5 eingebracht. In diese Bohrungen 3, 5 werden Drähte 7, 9 beispielsweise Wolfram-Drähte, eingelegt, wie in 1b gezeigt. Anstelle der Bohrungen können die W-Drähte auch durch Erweichen des Glases der Scheibe 2 im Bereich 18 durch die Scheibe 2 hindurchgeführt werden.
Der Durchmesser der Scheibe kann je nach Lampentyp variieren und beispielsweise < 60 mm, bevorzugt < 40 mm, besonders bevorzugt < 30 mm, ganz besonders bevorzugt < 20 mm sein. Die Drahtdicke ist bevorzugt größer als 100 μm und kann je nach notwendiger Leistungseinkopplung einen Durchmesser von 3 mm oder mehr aufweisen. Zur Befüllung bzw. Evakuierung kann je nach Lampentyp weiterhin eine Stelle vorhanden sein, an der ein Pumpstengel a(nicht gezeigt) angebracht ist oder W- oder Mo-Röhren eingeschmolzen sind. Dies ist in dieser Abbildung nicht dargestellt.
In den 1c und 1d werden für gleiche Bauteile wie in den 1a und 1b dieselben Bezugszeichen verwandt.
Die 1c und 1d zeigen vorteilhafte Maßnahmen, wenn nach Einbringen der Drähte 7, 9 zur partiellen Keramisierung des Randbereiches 20 der Scheibe vorteilhaft kIR-Strahlung, wie in den Anmeldungen DE 19938807 , DE 19938808 und DE 19938811 beschrieben, eingesetzt werden soll.
Bei einer partiellen Keramisierung des Randbereiches 20 mit kIR-Strahlung wird bevorzugt die Keramisierung in einem Strahlungshohlraum vorgenommen. Durch Blenden 29.1, 29.2, die auch als Abdeckungen bezeichnet werden, wird gewährleistet, dass „abgeschattete Bereiche" unverändert bleiben, d. h. nicht von der Strahlung erfasst werden, während offene frei durchstrahlbare Bereiche lokal schnell erhitzt werden und damit keramisiert werden. Der Bereich 18 der Durchführung verbleibt somit im glasigen Zustand.
Wie in den 1c und 1d gezeigt, ist der Bereich 18 der W-Einschmelzung beispielsweise durch Platten 29.1, 29.2 aus geeignetem Material und geeigneter Dicke abgeschattet. Das Material besteht vorzugsweise aus Quarzal, jedoch sind auch Materialien wie Aluminiumoxid, Spinell oder jede andere Art Keramik, beschichtete Keramiken, beschichtete und unbeschichtete Metalle, die gekühlt oder ungekühlt sein können, möglich. Auch aufgebrachte Schichten, z. B. aus Metallen, können die abschattende Wirkung erreichen. Auch ist es möglich, die zum Strahlungshohlraum hin abgeschatteten Stellen von der Gegenseite mit z. B. kalter Luft anzublasen, um die Wirkung der Abschattung, die unter anderem darin besteht, dass die abgeschatteten Stellen kühler bleiben und damit nicht keramisieren, durch eine zusätzliche Kühlung zu verstärken. Außerdem ist es möglich, die Stellen, die nicht keramisiert werden sollen, beidseitig oder einseitig mittels gekühlter Metallteile entsprechender Geometrie, abzudecken. Die Kühlung kann durch eine Wasserkühlung oder Luftkühlung oder jede andere Art von direkter und indirekter Kühlung mit entsprechenden Kühlmedien erfolgen. Dazu kann das Metallteil hohl sein, so dass das Kühlmedium durch das Metallteil hindurchfließt oder durch aufgebrachte Kühlschlangen etc. erfolgen. Die abschattende Wirkung der Metallteile spielt dann eine untergeordnete Rolle gegenüber der Kühlwirkung durch die Kühlung der Metallteile selbst. Bei dieser Art der Kühlung ist es auch vorstellbar, anstelle von kIR-Strahlung auch einen konventionellen elektrisch oder gasbeheizten Ofen zur Keramisierung zu verwenden.
Wie in 1c und 1d zu erkennen, kann die Blende 29.1, 29.2 abgeschrägte Seiten 31.1, 31.2 enthalten, die dazu dienen, den Übergangsbereich von Grünglas zur Glaskeramik und damit das Spannungsregime bzw. die räumliche Ausdehnung maßzuschneidern. Die dargestellte Platten bzw. Blenden 29.1, 29.2 sind an den Rändern konisch zu bzw. auslaufende Abschattungsplatten. Auch komplexere Randkonturen sind möglich.
Die Keramiserung kann recht rasch, d. h. bevorzugt in weniger als drei Stunden, erfolgen. Um zu verhindern, dass während der Zeitdauer des Keramisierens Bereiche 18, in denen die Drähte der Durchführung angeordnet sind, ankeramisiert werden, kann die Dicke der Abschattung variiert und/oder eine zusätzliche Kühlung der nicht zu keramisierenden Bereiche erfolgen, wie oben beschrieben.
In einem beispielhaften Versuch wird ein innerer Bereich 18 von ca. 30 mm Durchmesser einer Grünglasscheibe mit 120 mm Durchmesser mittels 6 kIR-Strahlern, die eine Farbtemperatur von 3000 K haben in einem Strahlungshohlraum mit Quarzalwänden für 90 Minuten mit entsprechender Temperatur-Zeitkurve bestrahlt. Es ergab sich ein durchkeramisierter Randbereich 20 und ein innerer, grüner Bereich 18.
Nachdem die Drähte 7, 9 in das Grünglas 1 eingelassen und mit demselben verschmolzen sind, z. B. durch Verwendung von Gasbrennern, optischen Heizelementen, Lasern etc. wird das Grünglas 1 wie oben beschrieben zur Glaskeramik keramisiert. Bevorzugt ist das Grünglas aus dem Glaskeramik System LAS gewählt wie in Beispiel 1 angegeben, da sich dieses durch gute Anpassung in der thermischen Dehnung an Wolfram auszeichnet. In den keramisierten Formen im Hochquarzmischkristall geht die Ausdehnung auf ca. 0 ppm/K herab, in der transluzenten Form unter Ausscheidung von Keatit beträgt diese ca. 1 ppm/K. Durch geeignete Wahl der Grünglaszusammensetzung sowie der Führung der Keramisierung sind auch Ausdehnungen dazwischen, d. h. um 0,5 ppm/K d. h. im Bereich der Dehnung von Kieselglas darstellbar.
Eine Ausdehnung von ungefähr 0,5 ppm/K entspricht der Ausdehnung von Kieselglas, das als Material für den Glaskolben eingesetzt werden kann.
Wird statt eines Kieselglaskolbens ein Glaskeramikkolben verwandt, so sind die Keramisierungsbedingungen des Kolbens und der Durchführungsrandbereiches der Platte derart aufeinander abgestimmt, dass die Dehnungen der Platte, die die Durchführung aufnimmt und der Glaskeramikkolben weitgehend gleich sind.
Wie oben aufgezeigt, kann die Glaskeramik-Metall-Durchführung die Form einer Scheibe mit ortsabhängiger Keramisierung aufweisen, d. h. die Scheibe ist wie zuvor beschrieben im Bereich 18 der eingelassenen Drähte 7, 9 glasig und zu den Rändern hin zunehmend keramisiert, beispielsweise in eine Hochquarzphase, Keatitphase oder eine Mischphase. Dieser Randbereich 20 kann dann, wie in 1f gezeigt, mit einem Kieselglaskolben oder einem Glaskeramikkolben 22 der Lampenvorrichtung verschweißt sein.
Da bei den meisten Lamptentypen die Temperatur an der Durchführung ca. 600°C nicht übersteigt, ist auch im Lampenbetrieb nicht mit einer nachträglichen Keramisierung der Glasscheibe bzw. der Glasplatte zu rechnen.
Die Platte kann auch semitransparent sein, so dass es auch möglich ist, CERAN^®-Glaskeramiken anstelle transparenter Glaskeramik des Typs ROBAX^® einzusetzen. Infolge der Eigenfärbung von CERAN^®, hervorgerufen durch die Zudotierung von färbenden Ionen, ist die Wechselwirkung des Ausgangsglases mit den durchlaufenden kIR-Strahlen höher, was in einem höheren Energieeintrag pro Dicken- bzw. Flächeneinheit resultiert. Damit können auch die Keramisierungszeiten verkürzt werden.
Bei einer Glaskeramik-Metall-Durchführung mit Grünglas im Durchführungsbereich ist für eine möglichst spannungsfreie Verschmelzung das Grünglas in seiner thermischen Ausdehnung an das Metall der Durchführung, – beispielsweise W oder Mo - angepasst, wie zuvor dargestellt.
Überraschender- und günstigerweise hat das Glas der Zusammensetzung, wie in Beispiel 1 oben angegeben, im Grünzustand eine an Wolfram angepasste thermische Ausdehnung und kann mit diesem daher spannungsfrei verschmolzen werden.
Wird das Grünglas keramisiert, so ändert sich der Ausdehnungskoeffizient, wie aus der Tabelle zu Ausführungsbeispiel 1 hervorgeht.
Bei nachträglicher radialer Teilkeramisierung, wie oben beschrieben, erfolgt die Keramisierung bevorzugt in den Bereichen, die nicht die Drähte 7, 9 aufnehmen, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Grünglases weitgehend dem des Metalles der Drähte entspricht. Allerdings bestehen bei Glas-/Glaskeramik-Durchführungen, die teilweise keramisiert sind und im Bereich der Drähte 7, 9 noch Grünglas aufweisen, am Übergang Grünglas/Glaskeramik Spannungen. Infolge des Kristallisationsschrumpfes sowie der Dehnungsabsenkung bei Überführung des Grünglases in den keramisierten Zustand im Randbereich ist dieser jedoch positiv, da der Druck radial nach innen gerichtet ist. Durch den radial nach innen gerichteten Druck, d.h. die radial nach innen gerichtete Druckspannung, wird die Platte stabilisiert und verfügt über eine hohe Festigkeit. Die Druckspannungen aufgrund des Glas-/Glaskeramik-Übergangs sind somit bei radialer Teilkeramisierung wie beschrieben weitgehend unbeachtlich.
Im Gegensatz hierzu müssen bei der axialen Teilkeramiserung, z. B. entlang eines Rohres diese Spannungen durch eine geeignete Prozessführung und Anpassung der Versuchsanordnung minimiert werden, dass die Durchführung weiterhin mechanisch beanspruchbar bleibt und ein Bruch vermieden wird.
Wird, wie beschrieben, nur partiell im Bereich außerhalb der Verschmelzungszone keramisiert, hat die Glas-/Glaskeramik-Durchführung im Bereich der Verschmelzung, d. h. der Drähte 7, 9, den Charakter eines Hartglases (Tg > 650°C); im heißen Bereich, jedoch die erforderliche sehr hohe Temperaturstabilität > 800°C und UV-Blockung, aufgrund der Tatsache, dass dort keramisiertes Material in Form einer Glaskeramik vorliegt.
Bevorzugt betragen bei der oben beschriebenen Keramisierung der Glas-/Glaskeramik-Durchführung die maximalen Keramisierungstemperaturen weniger als 1100°C.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird der Bereich der Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung in dem die Metallteile, hier die Drähte 7, 9, angeordnet sind, oder nur die Drähte während der Keramisierung z. B. durch Anblasen mit Kaltgas oder Einbettung in Kühleinrichtungen partiell gekühlt und der Bereich 18 damit im Grünzustand – gehalten.
Das Einschmelzen der Elektroden in dem Bereich 18 kann über einer Flamme erfolgen
Alternativ zum Einschmelzen von Elektroden über einer Flamme kann die Einschmelzung auch mittels Strahlung erfolgen. Strahlungsheizungen haben den Vorteil in sehr kurzer Zeit und lokal Glasposten zu erschmelzen, wobei die Erhitzung nicht über Oberflächenerhitzung und Wärmetransport über das Material selbst erfolgt, sondern dieses direkt im Volumen erhitzt wird. Dadurch werden insbesondere bei dicken Proben, Spannungen im Glasposten vermieden. Ein derartiges geeignetes Verfahren stellt die kIR-Technologie dar. Hierbei bezeichnet kIR kurzwellige Infrarot-Strahlung.
Der Stand der Technik zur Anwendung von kIR-Strahlung ist in einer Reihe von Schriften beschrieben. Die DE 199 38 807 beschreibt die Anwendung von kIR-Strahlung zur Formung von Glasteilen aus einem Glasposten, jedoch bevorzugt dargestellt an flachen Glasplatten. DE 19938808 , DE 19938811 sowie DE 10118260 beschreiben die Anwendung von kIR-Strahlung zum Erwärmen von semitransparenten Glaskeramik-Ausgangsgläsern, jedoch ohne Bezug auf runde Formen bzw. Glas-Metalleinschmelzungen.
Die Möglichkeit der Keramisierung von Grünglas mittels kIR-Strahlung wird in DE 10060987 beschrieben, in DE 10062187 unter zusätzlicher Verwendung einer Levitations-Einrichtung. Letztere verhindert Kratzer auf der Glaskeramik-Oberfläche, welche normalerweise – infolge der Relativbewegung der keramisierenden Platte zur Unterlage – entstehen.
Ein Vorteil der Anwendung von kIR-Strahlung im Vergleich zur Verwendung einer normalen Gasflamme im Zusammenhang mit der Herstellung von Glas-/Glaskeramik-Durchführungen, wie in dieser Anmeldung beschrieben, liegt in der sehr schnellen und lokalen Erwärmung der Glasposten. So kann beispielsweise sehr schnell und lokal eine einfache Einschmelzung beispielsweise der Drähte 7, 9 erfolgen, ohne dass störende und unkontrollierte Kristallausscheidungen erfolgen.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung von Strahlung, wie kIR-Strahlung beispielsweise im Bereich Lampenbau, liegt in der gezielten Einstellung von Spannungszuständen eines Glas-/Glaskeramik /Metall-Verbundes sowohl im Kaltzustand als auch im Betriebszustand. Eine konventionelle Verschmelzung erfolgt in der Weise, dass ein Durchführungsdraht oder -blech, wie auch das Glas über Gasbrenner auf eine Temperatur gebracht wird, die eine Verbindung der beiden Partner der Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung im niedrigviskosen Glaszustand ermöglicht. Der Verbund wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Falle der Glaskeramik erfolgt meist danach der Keramisierungsschritt bei einer höheren Viskositäts des Glases im Vergleich zur Einschmelzung.
Sowohl beim Glaseinschmelzen als auch beim Keramisieren können – sofern Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metall und dem Verschmelzungspartner vorliegen – Spannungszustände entstehen die sich in Bruch oder Undichtigkeiten der Verschmelzstelle äußern.
Unter Zuhilfenahme von kIR-Strahlung kann ein derartiger Spannungszustand weitgehend vermieden werden, da beim Bestrahlen eines Glas/Metall-Verbundes bzw. Glaskeramik/Metall-Verbundes, wie es ja die Durchführung darstellt, die kIR-Strahlung zwar den Glasposten/Glaskeramikposten unabhängig vom Metalldraht (z. B. Wolfram oder Molybdän) erhitzen kann, auf Grund des hohen Reflexionsgrades der Metalloberflächen. Außerdem kann der Metalldraht durch geeignete zusätzliche Maßnahmen gekühlt oder erwärmt werden wie z. B. durch das Verbinden eines Drahtendes mit einer gekühlten/beheizten Halterung, was auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Metalldrahtes zu dessen Kühlung/Erwärmung führt. Damit ist ein Freiheitsgrad gegeben der es ermöglicht die Spannungszustände gemäß der nachfolgenden Proportionalität
Spannung ~ Δ α * ΔT
über den Parameter ΔT einzustellen.
Hierbei bezeichnet
Δ α den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Verschmelzpartnern Glas bzw. Glaskeramik und Metall in [ppm/K]
sowie
Δ T die Differenz zwischen Endtemperatur und Starttemperatur [K] des Verschmelzungsprozesses.
Der Parameter ΔT ist hierbei der Unterschied der Temperaturen, der im Bereich des Verschmelzens der Durchführung auftritt. Wird zum Beispiel die Durchführung auf eine Temperatur T(verschmelzen) erhitzt und anschließend auf eine Temperatur T (kühlen) abgekühlt, so ist ΔT = T (verschmelzen) – T (kühlen).
Im Folgenden wird beschrieben, wie eine erfindungsgemäße Glaskeramik-Metall-Durchführung, die im Randbereich keramisiert ist, bei Raumtemperatur spannungsfrei am Beispiel einer Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung mit Wolfram-Draht als Durchführungsmaterial erhalten werden kann.
Um einen bei Raumtemperatur spannungsfreien Glas-/Glaskeramik-Metall-Verbund zu erhalten, wird ein Grünglasposten, welcher bereits eingeschmolzene Metalldrähte besitzt, einer Keramisierung unterzogen, wobei das Metall, hier der Wolfram-Draht sich kaum erhitzt bzw. extern gekühlt wird. Bei der Keramisierung geht das Grünglas in null- dehnende Glaskeramik über wobei ein Kristallisationsschrumpf in der Größenordnung von < 5 % einsetzt. Dieser Vorgang dauert idealerweise nur kurze Zeit vorzugsweise < 15 min an. Die Glaskeramik wird sehr schnell, idealerweise schockgekühlt, wobei am Ende des Prozesses ein spannungsfreier Metall-Glaskeramik-Verbund einer nullausdehnenden Glaskeramik mit einem W-Draht vorliegt, da der Wolframdraht während des gesamten Prozesses gekühlt wurde und somit keine Ausdehnung bzw. Schrumpf erfahren hat. Wird dieser Verbund auf Betriebsbedingungen erhitzt dichtet sich durch die Ausdehnung des W-Drahtes im Gegensatz zur Nullausdehnung der Glaskeramik der Verbund weiter ab und wird dadurch für unter Druck stehende Gase im Inneren eines Kolbens besonders dicht.
Ein weitere Vorteil der in dieser Anmeldung genannten Materialien, nämlich insbesondere der alkalihaltigen Glaskeramik (AH-GC), unter die auch Beispiel 2 fällt, ist, dass je nach Keramisierungsbedingungen unterschiedliche Kristallphasen (HQMK) und/oder Keatit bzw. Mischung dieser Phasen erhalten werden. Dies ermöglicht die Einstellung der thermischen Ausdehnung in einem Bereich von 0 bis 2 ppm/K. Auf diese Art ist es möglich, je nach Wahl der Keramisierungsbedingungen eine vorbestimmte Dehnung zu erhalten.
Wird anstelle der AH-GC Glaskeramik eine AF-GC Glaskeramik verwandt, unter die eine Glaskeramik gemäß Ausführungsbeispiel 2 fällt, so ist ebenfalls wieder möglich, aufgrund unterschiedlicher Keramisierungsbedingungen unterschiedliche Kristallphasen einzustellen und damit auch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen 2 bis 7 ppm/K.
In nachfolgendem Ausführungsbeispiel wird die Herstellung einer Lampe in einer Typ A-Anwendung, beispielsweise die Herstellung einer Halogenlampe, beschrieben, wobei die Leuchtvorrichtung eine Durchführung gemäß der Erfindung aufweist.
Eine solche Vorrichtung ist in 2 gezeigt. Die Lampe wird wie nachfolgend beschrieben hergestellt.
Gleiche Bezugsziffern, wie in den 1a – 1f, werden für gleiche Bauteile verwendet.
Wie zuvor beschrieben, wird die Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung dadurch hergestellt, dass in eine Scheibe 2 Wolfram -Drähte eingeschmolzen werden. Der gekühlte Verbund wird in einen kIR-Ofen gegeben. Die Verschmelzstelle der Durchführung ist mit einem kIR reflektierenden Material (z.B. Al₂O₃, BaF₂, BaTiO₃, CaF₂, CaTiO₃, MgO 3,5, Al₂O₃, MgO, SrF₂, SiO₂, SrTiO₃, TiO₂, Spinell, Cordierit, Cordierit-Sinterglaskeramik) überdeckt, wobei die Überdeckung grob den Bereich 18 des später noch grünen Glases umfasst. Die Keramisierung erfolgt dann im Wesentlichen nur in einem Ring 20 außerhalb der Grünzone 18 mit ins Zentrum reichenden Ausläufern.
Anschließend an die Herstellung der Durchführung wird im Außenbereich dann das Lampengehäuse 22 beispielsweise aus Kieselglas oder auch eines Glaskeramikkolbens thermisch angeschweißt
Um den Verschweißvorgang mit dem Kieselglaskolben zu vereinfachen, kann der Rand 20 der Scheibe 2 auch nach oben gezogen werden. Dies ist in 3 gezeigt. Gleiche Bauteile tragen wieder gleiche Bezugsziffern.
Es beschreibt 2 die vollständig oder teilkeramisierte Platte und 7 den W-Draht der Durchführung sowie 22 den angeschweißten Lampenkolben beispielsweise aus Kieselglas.
Anstatt die erfindungsgemäßen Durchführungen einzeln herzustellen, kann in einem vereinfachten Prozess vorgesehen sein, eine große Platte aus Grünglas, die eine Vielzahl von Durchführungen umfassen kann, mit Drähten der verschiedenen Durchführungen zu bestücken, anschließend die W-Drähte einzuschmelzen, hieran anschließend die Bereiche der W-Drähte geeignet vor zu hoher Erwärmung schützen wie weiter oben beschrieben, beispielsweise mit einer IR-reflektierenden Beschichtung oder anderer Kühlmaßnahmen und dann z. B. mit einer IR-Beheizung eine Teilkeramisierung der ganzen Platte durchzuführen. Im Anschluss daran können, z. B. mittels eines Hohlbohrers, aus der Platte verschiedenen Durchführungen mit gewünschten Durchmessern herausgetrennt werden.
Die Teilkeramisierung kann auch in einem Widerstandheizofen durchgeführt werden. Hier empfiehlt es sich, die Durchführungsmetalle lokal zu kühlen, z. B. durch Luft oder Wasser. Auch bei optischer Keramisierung mittels kIR kann zusätzlich gekühlt werden, wie weiter oben ausgeführt.
Neben Anwendungen in der Beleuchtung sind die Glas-/Glaskeramik-Metall-Durchführungen wie oben beschrieben auch in Anwendungen, in denen ein metallischer Draht oder auch ein metallisches Rohr in oder durch einen Glaskörper hindurchgeführt wird, vorteilhaft. Es kann auch sein, dass komplexere, spezielle Geometrien also oben beschrieben nötig sind, welche z. B. durch Vorformung des Grünglases aus Platten und/oder Rohren resultieren können. Mögliche Anwendungen sind Sichtfenster, Durchführungen, Abdichtungen und Verkapselungen mit elektrisch leitenden Durchführungen – z. B. für Sonden, Detektoren, Thermoelemente, pyroelektrische Aktoren (LEDs und andere elektronische Bauteile, in keramischen Apparaturen, z. B. Cordierit-Keramik-Reaktoren (Brennkammern), die ein Sichtfenster aus Glaskeramik aufweisen, das aufgesintert/-gekittet ist und durch das z. B. ein Thermoelement geführt ist.

Claims

Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung für eine Leuchtvorrichtung mit mindestens einem Körper (2), insbesondere einer Platte, die aus einer Glas- oder Glaskeramikzusammensetzung besteht, wobei die Platte wenigstens einen – Bereich (18) aufweist, durch den wenigstens ein Metallteil hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (2) vollständig oder teilweise aus einer Glaskeramik besteht und – das Material des Körpers im Bereich (18), in dem das Metallteil hindurchgeführt wird einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallteils entspricht.
Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil eine oder mehrere der nachfolgenden Materialien umfasst: Wolfram Molybdän, Niobmetall eine Kovarlegierung, eine Molekdenwanar-Legierung.
Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramisierte Bereich des Körpers eine Li₂O-Al₂O₃SiO₂-Glaskeramik umfasst mit einer Zusammensetzung aus dem folgenden Zusammensetzungsbereich (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 50 – 70 Al₂O₃ 17 – 27 Li₂O > 0 – 5 Na₂O 0 – 5 K₂O 0 – 5 MgO 0 – 5 ZnO 0 – 5 TiO₂ 0 – 5 ZrO₂ 0 – 5 Ta₂O₅ 0 – 8 BaO 0 – 5 SrO 0 – 5 P₂O₅ 0 – 10 Fe₂O₃ 0 – 5 CeO₂ 0 – 5 Bi₂O₃ 0 – 3 WO₃ 0 – 3 MoO₃ 0 – 3 sowie übliche Läutermittel mit einem Anteil von 0 – 4 Gew-%.
Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramisierte Bereich des Körpers eine MAS-Glaskeramik umfasst mit einer Zusammensetzung aus dem folgenden Zusammensetzungsbereich (in Gew.-% auf Oxidbasis): SiO₂ 35 – 70, bevorzugt 35 – 60 Al₂O₃ 14 – 40, bevorzugt 16,5 – 40 MgO 0 – 20, bevorzugt 4 – 20, besonders bevorzugt 6 – 20 ZnO 0 – 15, bevorzugt 0 – 9, besonders bevorzugt 0 – 4 TiO₂ 0 – 10, bevorzugt 1 – 10 ZrO₂ 0 – 10, bevorzugt 1 – 10 Ta₂O₅ 0 – 8, bevorzugt 0 – 2 BaO 0 – 10, bevorzugt 0 – 8 CaO 0 – 10, bevorzugt 0 – 5 SrO 0 – 5, bevorzugt 0 – 4 B₂O₃ 0 – 10, bevorzugt > 4 – 10 P₂O₅ 0 – 10 Fe₂O₃ 0 – 5 CeO₂ 0 – 5 Bi₂O₃ 0 – 3 WO₃ 0 – 3 MoO₃ 0 – 3 sowie übliche Läutermittel mit einem Anteil von 0 – 4 Gew-%.
Leuchtvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtvorrichtung mit einer Glas-/Glaskeramik/Metall-Durchführung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
Leuchtvorrichtungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtvorrichtung ein Temperaturstrahler ist.
Leuchtvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturstrahler eine Glühbirne oder ein Halogenstrahler ist.
Leuchtvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Lichtaussendung des Temperaturstrahlers von einer erhitzten Wendel aus Wolframmetall oder Wolframlegierung erfolgt, welche umgeben ist von Schutzgasen, insbesondere von Krypton, Argon, Xenon oder Halogeniden.
Leuchtvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Körpers der Leuchtvorrichtung ein Gasinnendruck von bis zu 25 bar im Betrieb aufgebaut ist.
Leuchtvorrichtungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtvorrichtung eine Entladungslampe ist.
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungslampe einen Entladungsraum umfasst und der Entladungsraum mit Entladungsstoffen wie Quecksilber und/oder Selten- Erdionen und/oder mit Xenon gefüllt ist
Leuchtvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Innenseite des Körpers eine Fluoreszenzschicht aufgebracht ist, die dazu dient, UV Anteile aus dem Entladungsprozess, insbesondere UV-Anteilen des Quecksilbers in sichtbares Licht zu konvertieren.
Leuchtvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Füllgas umfasst und das Füllgas unter einem Druck von bis zu 200 bar oder mehr als 200 bar steht.
Leuchtvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum einen Entladungskörper umfasst.