DE2154712C3

DE2154712C3 - Abdichtung für eine elektrische Lampe

Info

Publication number: DE2154712C3
Application number: DE2154712A
Authority: DE
Inventors: Peter Dexter Schenectady Johnson; Howard Anthony Elnora Poran
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-11-06
Filing date: 1971-11-04
Publication date: 1975-07-03
Also published as: US3659138A; GB1358737A; FR2113545A5; DE2154712A1; JPS5240157B1; DE2154712B2; NL7113609A; BE774469A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Abdichtung für eine elektrische Lampe zwischen einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd und einem Molybdänteil mit einem Abdichtungsglas mit einem Erweichungspunkt im Bereich von etwa 1400°C bis 1600⁰C.

Für elektrische Lampen mit einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd wird wegen des ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur Vermeidung von Spannungen und Beschädigungen des Aluminiumoxyd-Körpers eine darin abzudichtende metallische Durchführung vorzugsweise aus Niob hergestellt (vgl. DT-OS 1 639 086, S. 2, Absatz 3, in dem ausgeführt ist, daß sich insbesondere das Niob zum Gebrauch als Stromzuführungselement für einen aus dicht gesintertem Aluminiumoxyd bestehenden Lampenkolben eignet, da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Stoffe gut zueinander passen; DT-OS 2 001 425, S. 3, Absatz 3, Zeilen 1 bis 5, wo darauf hingewiesen ist, daß beim Abdichten eines Zuführungsdrahtes mit Slükken mit hohem Aluminiunioxydgehalt der Zuführungsdraht aus Niob bestehen kann). Nun ist aber Niob wegen seiner Sauerstoffdurchlässigkeit als Bestandteil einer elektrischen Lampe nicht ohne Nachteil. Seine Verwendung macht den Einsatz eines Getters in der Lampe erforderlich.

Es ist auch schon allgemein die Verwendung von Molybdän neben anderen Metallen zum Abdichten mit aluminiumoxydhaltigen Lampenkolben vorgeschlagen worden, allerdings ohne daß ein konkretes Beispiel für eine Abdichtung für eine elektrische Lampe zwischen einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd und einem Molybdänteil angegeben worden ist (vgl. die britische Patentschrift 1 019 821, S. 1, linke Spalte, Absätze 1 und 2; US-PS 3 281 309. Spalte 4, Zeilen 42 bis 58, wobei allerdings auch hier in den Zeilen 55 bis 58 die konkrete Abdichtung von Niob mit hochdichtem, polykristallinem Aluminiumoxyd genannt ist).

Obwohl das Molybdän wegen seiner Sauerstoffundurchlässigkeil in dieser Hinsicht dem Niob überlegen ist, bereitet seine Verwendung wegen des gegenüber der Aluminiumoxydkeramik unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten Schwierigkeiten. Dies mag der Grund sein, weshalb keine der im Prüfungsverfahren angezogenen Druckschriften ein konkretes Beispiel für eine Abdichtung zwischen einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd und einem Molybdänteil enthält.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, geeignete Maßnahmen zu finden, trotz der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen einem Molybdänteil und einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd die Verwendung eines Molybdänteiles für eine Abdichtung mit einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd für eine elektrische Lampe mit möglichst langer Gebrauchsdauer zu ermöglichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Abdichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Molybdänteil eine Materialstärke von maximal 0,5 mm aufweist und das Abdichtungsglas zwischen dem Aluminiumoxydkörper und dem Molybdänteil in einer beträchtlichen Menge eingefügt ist, die eine solche konkave Oberflächengestalt hat, daß mit beiden Teilen ein Berührungswinkel von weniger als 30° und dazwischen eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius vorhanden ist, der groß ist im Vergleich zur Materialstärke des Molybdänteils.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch die Entgegenhaltungen weder vorweggenommen noch durch diese nahegelegt, da in diesen Entgegenhaltungen für Abdichtungen zwischen Keramiken mit hohem Aluminiumoxydgehalt vor allem Niob empfohlen wird, demzufolge auch kein konkretes Beispiel für eine Abdichtung zwischen einer kristallinen Aluminiumoxydkeramik und einem Molybdänteil angegeben ist und noch weniger die erfindungsgemäßen Maßnahmen angedeutet sind. Dies gilt auch für die GB-PS 1 107 764, in der ausgeführt ist, daß es bei einer Abdichtung zwischen einem Kolben aus Oxydmaterial und einem Metallteil darauf ankommt, daß beide Ausdehnungskoeffizienten einander möglichst nahekommen (vgl. Patentanspruch 1 der genannten GB-PS). Es ist daher nur konsequent, daß gemäß Anspruch 3 dieser GB-PS bei einem Kolben aus einem Oxydmaterial mit einem Aluminiumoxydgehalt von mehr als 85% das damit abgedichtete Teil aus Niob besteht. Auch in der GB-PS 1 066 804 ist für Aluminiumoxydkolben vorzugsweise Niob und Molybdän erst an vierter Stelle als damit abzudichtendes Metallteil beschrieben (vgl. S. 1, rechte Spalte, Zeilen 77 bis 82).

Kristallines Aluminiumoxyd kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl polykristallines als auch monokristallines Aluminiumoxyd umfassen, wie Saphir.

Ein besseres Verständnis dieser und weiterer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergibt sich

aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Abbildungen.

F i g. 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt eines Bogenentladungsrohres einer Lampe gemäß der Erfindung;

F i g. 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Endes des Entladungsrohres der Fig. 1 mit weitere.i Einzelheiten und zeigt die Einführung des Elektrodentragteils durch die Wand des Lampenkolbens;

F i g. 3 ist eine stärker vergrößerte Ansicht der Abdichtung gemäß F i g. 2;

F i g. 4 zeig! eine vergrößerte Ansicht einer alternativen Struktur, in der ein hohles Rohr abgedichtet durch die Wand eines Kolbens aus kristallinem Aluminiumoxyd eingeführt ist;

F i g. 5 ist eine vergrößerte Darstellung einer anderen Endabdichtung für das Bogenentladungsrohr.

F i g. 1 zeigt ein Bogenentladungsrohr 10 einer elektrischen Gasentladungslampe gemäß dor Erfindung in einem schematischen Vertikalschnitt. Das Bogenentladungsrohr 10 enthält einen im wesentlichen zylindrischen Seitenwandteil 11 und ein Paar im wesentlichen scheibenförmig gestalteter Endwandteile 12, die an seinen gegenüberliegenden Enden angeschmolzen sind. Ein Paar Wendeln aus feuerfestem Metall, vorzugsweise Wolfram, bilden die Bogenentladungselektroden 13, welche an gegenüberliegenden Enden des Entladungsrohres 10 aufgehängt sind. Sie sind dort gehaltert durch ein Paar von Halterungsteilen 14, welche durch die Endwandteile 12 hindurchgehen und dort vakuumdicht durch Abdichtungsteile 15 abgedichtet sind.

F i g. 2 zeigt mit weiteren Einzelheiten den Aufbau eines Endes eines Bogenentladungsrohres 10 gemäß Fig. 1. Der Endwandteil 12 umschließt das Ende des Seitenwandteils 11 und der Halterungsteil 14 durchsetzt den Teil 12 und ist ihm gegenüber hermetisch abgedichtet mit dem Dichtungsteil 15. Der Bogenentladungselektrodenteil 13, welcher eine konventionelle Doppelwendelgasentladungselektrode aus Wolfram für hohe Dampfdrucke sein kann, ist vorzugsweise an dem innen herabhängenden Ende des Elektrodenhalterungsteils i4 befestigt und bildet mit diesrm einen guten elektrischen Kontakt.

Fig. 3 zei[-t die Abdichtung 15, die aus einer beträchtlichen Masse eines Abdichtungsglases besteht, welche in eine Ausnehmung 16 angebracht ist, die in der nach außen weisenden Oberfläche des Endwandleils 12 ausgespart ist. Die Bildung der Abdichtung 15 außerhalb des Endteils 12 isoliert die Abdichtung gegenüber den Auswirkungen der elektrischen Gasentladung. Die Dichtung 15 unterscheidet sich von Dichtungen gemäß vielen vorbekannten Anordnungen dadurch, daß eine beträchtliche Menge von Abdichtungsglas verwendet wird. Dies steht im Gegensatz zu einer sehr geringen Glasmenge, die in einigen vorbekannten Fällen unter der Einwirkung von Kapillarkräften zwischen die Teile der Dichtung eingesaugt wird. Die große Menge von Abdichtungsglas, welche die Dichtung 15 bildet, wird dadurch gewährleistet, daß eine große Vertiefung 16 in der äußeren Oberfläche des Endwandteils 12 gefordert wird, d. h. sie beträgt etwa das fünffache der Abmessung des Trägerteils 14. Die Dichtung 15 ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ihre Oberfläche kondav ist und einen Krümmungsradius besitzt, der sehr groß ist, beispielsweise beträgt er das zehnfache der Dicke des metallischen Teils 14, das durch die Dichtung 15 an dem kristallinen Endwandteil 12 abgedichtet ist. Eine weitere Charakterisierung des räumlichen Aufbaus des Dichtungsteils 15 ist dadurch gegeben, daß die konkave Oberfläche 19 sowohl mit dem metallischen Teil 14 als auch dem kristallinen Endwandteil 12 einen relativ kleinen Winkel bildet, der nicht größer ist als 30° und vorzugsweise weniger als 10° beträgt.

Wie bereits ausgeführt, besitzen kristalline keramische Körper sehr hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten, und es ist schwierig. Metalle zu finden, die mechanisch stabil angepaßt damit abgedichtet werden können. Niob ist ein Material, das eine solche Abdichtung liefert. Infolge seiner Permeabilität für Sauerstoff ist jedoch Niob nicht ideal, da man große Vorsichtsmaßnahmen treffen muß, um dann Sauerstoff im Innern des abgedichteten Kolbens zu gettern und ein Getter bereithalten muß für das Abziehen irgendwelcher Sauerstoffanteile, welche während des Betriebs eindringen können.

Es wurde gefunden, daß Molybdän ein ausgezeichnetes Metall für die Ausbildung der Abdichtungen ist und daß es hinreichend impermeabel gegenüber Sauerstoff ist, so daß Getter nicht erforderlich sind bei einer gleichen Umgebung, in der sie bei Niob notwendig sind. Weiterhin wurde gefunden, daß zwar Molybdän einen abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Bezug auf kristallines Aluminiumdioxid aufweist, wie er durch die jeweiligen Koffizienten von etwa 6 χ 10-⁶ für Molybdän bzw. 8 χ 10-⁶ für Aluminiumdioxyd gegeben ist, diese Effekte jedoch überwunden werden können.

Insbesondere war es möglich, die Ungleichheit der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Molybdän und kristallinem Aluminiumdioxid gemäß der Erfindung dadurch zu überwinden, daß die Forderung eingehalten wird, daß das Molybdänmaterial, welches durch den Endwandtei! abgedichtet eingeführt ist, eine maximale Dickenabmessung von nur etwa 0,5 mm besitzt. Weiterhin wird die Abdichtung mit einem Dichtungsglas geschaffen, welches verträglich ist mit dem Hochtemperaturbetrieb des Aluminiumdioxids, da es einen Erweichungspunkt zwischen 1400⁰C bis 1600"C und vorzugsweise zwischen etwa 1440⁰C und 1550"C besitzt. Ein weiteres Kennzeichen von Ausführungsformen der Abdichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine beträchtliche Masse von Dichtungsglas vorgesehen ist. Dadurch wird bewirkt, daß die Dichtung eine konkave äußere Oberfläche besitzt und mit dem Körper aus kristallinem Aluminiumdioxid und dem Molybdänkörper einen kleinen Winkel von weniger als 30° bildet. Wenn daher Wärmespannungen auftreten, wird die Spannung konzentriert in Bereichen, die von dem Teil der Dichtung abliegen, der mit dem kristallinen Aluminiumdioxid in Verbindung ist. Sie werden konzentriert bei dem Molybdänteil, welches infolge seiner geringen Abmessung in der Lage ist, sich anzupassen und ebenso infolge seiner höheren Duktilität und Verformbarkeit im Vergleich zu dem kristallinen Aluminiumdioxid. Obwohl die wichtigsten Kennzeichen in der räumlichen Ausgestaltung der Dichtung liegen und das für die Dichtung verwendete Material nicht neuartig ist, wurde gefunden, daß man optimale Ergebnisse erhält bei Verwendung eines Abdichtungsglases aus KaI-zium-Magnesium-Aluminat. Die Verwendung dieses Glases in der dargestellten und beschriebenen räumlichen Ausgestaltung ergibt einzigartige Abdichtungen, welche in der Lage sind, vakuumdichte Verbindungen mit Körpern aus kristallinem Aluminiumdioxid zu schaffen, die geeignet sind für den Betrieb bei Tempe*

raturen oberhalb 1000⁰C ohne Bruch oder Defekte.

Die F i g. 4 zeigt eine alternative Ausgestalltung von Lampendichtungen gemäß der Erfindung. Ein rohrförmiges Teil 20 mit einem Seitenwandteil 21 ist abgedichtet durch den Endwandteil 12 durch einen Dichtungsteil 15 eingeführt. Dieser bildet eine konkave Oberfläche 19, die kleine Winkel 17 und 18 mit der Molybdänwand

21 und dem Körper 12 aus kristallinem Aluminiumdioxyd bildet. Die rohrförmige Zuleitung, wie sie abgebildet ist, kann als Tragteil in einer elektrischen Lampe verwendet werden oder kann alternativ zur Begünstigung der Evakuierung und Füllung einer elektrischen Lampenstruktur verwendet werden. Rohre 20 mit einem Außendurchmesser von etwa 2,5 cm und einer Dicke der Wand 21 von etwa 0,25 mm oder darunter können leicht wie abgebildet durch die Endwandteile 12 hindurch abgedichtet geführt werden. Sie können bei Temperaturen oberhalb 1000°C betrieben werden ohne Verlust der vakuumdichten Eigenschaften der Abdichtung.

F i g. 5 zeigt als vertikalen Teilschnitt eine alternative Ausführungsform einer Lampendichtung, welche anwendbar ist für Gasentladungslampen gemäß F i g. 1. In der F i g. 5 besitzt das Seitenwandteil 11 einen Absatz

22 mit verringertem Durchmesser, der in den Endteil eingeschnitten ist und einen Ansatz erzeugt. Auf diesem wird ein tassenförmiger Endwandteil 24 aus Molybdän aufgesetzt, an dem der Elektrodenhalterungsteil 40 und der Bogenentladungselektrodenteil 13 befestigt sind. Der Molybdänteil 24 ist an dem Ansatz 23 des Seitenwandteils 11 durch eine Abdichtung 15 abgedichtet. Diese besitzt eine konkave äußere Oberfläche 19 und geringe Winkel 17 bzw. 18 mit dem Molybdän bzw. dem kristallinem Körper.

Die Abdichtungen gemäß der Erfindung können leicht dadurch hergestellt werden, daß der Molybdänteil und der kristalline Körper, wie in den Abbildungen dargestellt, zusammen mit einer Menge des erwünschten Abdichtungsglases in ihre Lage gebracht werden. Dieses wird als Fritte aufgebracht, und die ganze Anordnung in einen Vakuuimofen eingebracht. Die Anordnung wird schnell auf eine Temperatur erhitzt, die beispielsweise oberhalb des Erweichungspunktes des Abdichtungsglases liegt, während gleichzeitig der Druck auf einen niederen Wert von etwa 5 — 10~⁵ Torr gehalten wird. Die Maximultemperatur wird nur so lange

ίο aufrechterhalten, daß eine Erweichung und ein Fließen des Abdichtungsglases verursacht wird. Die bevorzugte Zeitdauer beträgt weniger als eine Minute. Danach wird die elektrische Leistung des Ofens abgeschaltet und man läßt die gesamte Anordnung abkühlen. Infolge der Menge des verwendeten Abdichtungsglases und der Ausgestaltung der Dichtungen gemäß der vorstehenden Beschreibung fuhren die natürlichen Eigenschaften des Glases beim Abkühlen dazu, daß es die erwünschte konkave Form einnimmt. Dies gibt äußerst starke Abdichtungen, die in der Lage sind, mechanischen und thermischen Schockbelastungen zu widerstehen, ohne zu zerbrechen und gemäß der Erfindung eine gute hermetische Abdichtung während der gesamten Betriebslebensdauer der Lampen beizubehalten.

Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsformen erläutert. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, daß viele Modifikationen und Abänderungen leicht vorgenommen werden können. Beispielsweise umfaßt die Erfindung auch Abdichtungen für nicht aus Lampen bestehende Anordnungen insbesondere solche Dichtungen, die dazu verwendet werden, ein Fenster aus Saphir abzudichten, beispielsweise zur Einführung in eine Umgebung mit hoher Temperatur oder bei Anordnungen, die ein Austrittsfenster für Strahlung im weiten Ultraviolett wie bei einer Standardlichtquelle erfordern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Abdichtung für eine elektrische Lampe zwischen einem Körper aus kristallinem Aluminiumoxyd und einem Moybriänteil mit einem Abdichtungsglas mit einem Erweichungspunkt im Bereich von etwa 1400°C bis 1600⁰C, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdänteil eine Materialstärke von maximal 0,5 mm aufweist und das Abdichtungsglas zwischen dem Aluminiumoxydkorper und dem Molybdänteil in einer beträchtlichen Menge eingefügt ist, die eine solche konkave Oberflächengestalt hat, daß mit beiden Teilen ein Berührungswinkel von weniger als 30° und dazwischen eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius vorhanden ist, der groß ist im Vergleich zur Materialstärke des Molybdänteils.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Winkel kleiner als 10° sind und der Krümmungsradius mehr als 0.1 mm beträgt.
Λ. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdichtungsglas Kalzium-Magnesiumaluminat ist.
4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenwand aus einem polykristallinen Aluminiumoxydkeramikmaterial besteht.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdänteil ein Elektrodenhalterungsteil (14) ist, an dem inneren Ende desselben eine Bogenentladungselektrode (13) befestigt ist.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumoxydkörper aus Saphir besteht.