DE2501432A1

DE2501432A1 - Vakuumdichte elektrode und rohrabschliesskappe sowie verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2501432A1
Application number: DE19752501432
Authority: DE
Inventors: Ferenc Puskas
Original assignee: Chemokomplex Vegyipari Gep es Berendezes Export Import Vallalat
Current assignee: Chemokomplex Vegyipari Gep es Berendezes Export Import Vallalat
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-07-17
Also published as: HU179748B; CH580867A5; NL7500485A; US4092560A

Description

Vakuumdichte Elektrode und Rohrabschließkappe sowie Verfah-ren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (insbesondere Kathode) und Rohrabschließkappe auf Metall/Keramikmaterial- -Basis (Germetbasis), insbesondere für Entladungsrohre von Hochdrucknatriumdampflampen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die zeitgemäße Beleuchtungstechnik verlangt Beleuchtungskörper mit immer höherer Lichtstärke beziehungsweise Leuchtkraft und Lebensdauer. Eine wichtige Grundforderung ist ferner die Steigerung der Energieausnutzung, das heißt, daß die neuen Lichtquellen bei gleichem Energieaufwand eine größere Lichtstärke sicherstellen beziehungsweise mit geringerer

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Energie "betrieben mit derselben Lichtstärke leuchten sollen wie die bekannten Lichtquellen. Den erhöhten Anforderungen entsprechen die Halogenlampen, die Quecksilberdampflampen und die Hochdrucknatriumdampflampen. Die beste Energieausnutzung haben gegenwärtig die Natriumdampflampen und deren Licht-Zusammensetzung kommt dem natürlichen Sonnenlicht am nächsten.

Trotz der gegebenen Vorteile geht die Verbreitung der Hochdrucknatriumdampflampen ziemlich langsam vor sich. Dessen Ursache liegt zum Teil in der Herstellung der sogenannten Leuchtrohre der Lampen und im Abschließen der Leuchtrohre mit den Elektroden. Die Leuchtrohre bestehen aus lichtdurchlässigen verdichteten polykristallinen Aluminiumoxydkeramikrohren.

Zum Abschließen der Beleuchtungsrohre der Hochdrucknatriumdampflampen mit Elektroden werden mit aus Elektrodenmetallplatten beziehungsweise -blechen, hauptsächlich Niobplatten beziehungsweise -blechen, gefertigte Abschließelektrodenkappen verwendet. Das Formen der Platten ist außerordentlich schwierig beziehungsweise umständlich, da das Metall spröde und brüchig ist. Die Fertigung der Rohrabschließkappen beziehungsweise ihr Zusammenbau mit dem Leuchtrohr ist dadurch erschwert, daß das Füllen des mit den Elektroden zugeschmolzenen Rohres mit der die Ionisation fördernden und die entsprechende Lichtzusammensetzung und Lichtstärke sicherstellenden Natriumiodid- und Quecksilberfüllung und die Errichtung des Vakuums in ihm mittels eines an die eine Elektrode angeschweißten sogenannten Saugrohres durchgeführt wird. Das Material des Saugrohres ist ein weniger sprödes Metall und stellt eigentlich nach der Errichtung des Vakuums im Leuchtrohr auch dessen Abschließen dadurch sicher, daß es nach dem bei der Fertigung angewandten Zusammenpressen vakuumdicht wird. Die Fertigung der Elektroden, das Abschließen und Füllen des· Leuchtrohres sowie die Errichtung

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des Vakuums in ihm und sein vakuumdielites Verseilließen ist ein kompliziertes technisches Problem. Die bekannten Verfahren umfassen schematisch die folgenden verfahrenstechnischen Stufen:

1.) Das Ausstanzen der Elektrodenabschließkappen aus einer Platte (mit Bohrung und gegebenenfalls Flansch).

2.) Das Zuschneiden des Saugrohres aus einem Rohrbaustoff.

$.) Das Verschweißen der Elektrodenabschließkappe

mit dem Saugrohr, hauptsächlich durch Elektronenstrahlschweißen.

M-,) Das Aktivmetallisieren der Enden des Keramikrohres bei hoher Temperatur.

5.) Das Verschmelzen oder Verkitten des Leucht-. rohres und der Elektrodenabschließkappe mit der durch das Aktivmetallisieren aufgebrachten Schicht. '

6.) Das Einbringen der Ionisationsfüllung.

7·) Das Errichten des Vakuums im Leuchtrohr durch das Saugrohr.

8.) Das Sicherstellen des Vakuumverschlusses durch Zusammenpressen des Saugrohres.

Ein anderes Problem beim Abschließen von Leuchtrohren mit Elektroden.aus Metallplatten und ganz allgemein aus Metallmaterial ist der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten· Das Material der Elektrodenmetallplatten kann

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nämlich nur aus sehr feinen Kristallen zusammengesetzt sein, weil anderenfalls die Verarbeitung zu den Elektroden wegen der erhöhten Sprödigkeit und Brüchigkeit unmöglich würde. Die Metalle von feiner Struktur haben aber bekanntlich einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die von grobkristalliner Struktur. Infolge der Betriebsbedingungen bei den Lampen erleiden die Leuchtrohre bei jedem Schalten eine Temperaturänderung. Beim Einschalten erwärmen sie sich auf eine Temperatur von etwa 800⁰C, während sie sich beim Ausschalten auf die Umgebungstemperatur abkühlen. Die Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten lösen eine ?/ärmebewegung aus und daher springen beziehungsweise brechen die Leuchtrohre auf der Grundlage eines keramischen Materiales häufig. Es wurde danach getrachtet, dieses Problem damit zu beseitigen, daß Kitt- oder Verschmelzmaterialien mit solchen Y/ärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wurden, daß sie unter Bildung eines Überganges zwischen den zwei miteinander zu verbindenden Materialien die vom Unterschied zwischen den Wärme aus dehnung skoeffizienten herrührenden Spannungen ausglichen.

Nach einer zuletzt entwickelten Verfahrenstechnik werden die Elektroden aus demselben lichtdurchlässigen dichten polykristallinen Aluminiumoxydkeramikmaterial hergestellt wie die abzuschließenden Rohre. So sind auch die Wärmeausdehnungskoeffizienten identisch. Da jedoch das Aluminiumoxyd ein Isoliermaterial ist, mußte das Problem des Durchleitens des elektrischen Stromes gelöst werden, damit die Elektroden ihre Wirkung entfalten konnten. Daher wurde die Kathode auf Keramikmaterialbasis mit einer Wolframschicht überzogen. Die Dicke der durch Aufdampfen oder in anderer Weise aufgebrachten Wolframschicht reicht aus, um die erforderliche Stromstärke hindurchzuleiten, und es tritt sogar auch keine durch Wärmedehnung verursachte schädliche Spannung auf, so daß bei dieser Lösung die Ausgleichsfunktion des Kitt- beziehungsweise Verschmelzmateriales überflüssig ist. Auch das Füllen der Eohre und die Errichtung des Vakuums in ihnen sowie das Verschließen derselben erfordern nicht mehr die komplizierten Verfahren

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mit Saugrohren. Die eine der mit dem Kittmaterial versehenen Elektroden wird nämlich am unteren Ende des Keramikrohres angebracht und am offenen oberen Ende wird die Ionisationsfüllung eingebracht, worauf auch auf das obere Bohrende eine Elektrode aufgesetzt wird. Danach wird das Rohr in einen Vakuumofen eingebracht, in welchem das Errichten des Vakuums und das Kitten in einem Arbeitsgang erfolgen. Dieses Verfahren ermöglicht auch das Automatisieren des Füllens des Rohres, des Errichtens des Vakuums in ihm und des Verschließens desselben.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß nach der Herstellung einer Aluminiumoxydkeramikelektrode aus Aluminiumoxydpulver, das heißt dem Formen des Aluminiumoxydes und Brennen desselben in mehreren Stufen, von welchen das Schlußbrennen bei einer Temperatur um 1 94-0⁰C unter Vakuum oder in einer Wasserstoffgasatmosphäre durchgeführt werden muß, die Aluminiumoxydkeramikelektrode in einer weiteren verfahrenstechnischen Stufe mit dem Elektrodenmetall, beispielsweise durch Aufdampfen, überzogen werden und anschließend die aufgebrachte Metallschicht durch ein weiteres bei hoher Temperatur erfolgendes Brennen fixiert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Behebung der Nachteile des Standes der Technik Elektroden und Rohrabschließkappen bester Qualität, insbesondere für Hochdrucknatriumdampflampen, und zwar von solchen, welche alia optimalen Eigenschaften der bekannten Elektroden und Rohrabschließkappen einschließlich derer aus keramischem Material mit einem Elektrodenmetallüberzug in sich vereinigen und deren Herstellung mit weniger Aufwand und Schwierigkeiten verbunden ist als die der bekannten Elektroden und Rohrabschließkappen, zu schaffen. Ferner richtet sich die Erfindung auf die Herstellung dieser Elektroden und Rohrabschließkappen auf pulvermetallurgischem Wege.

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Gegenstand der Erfindung ist eine vakuumdichte Elektrode und Rohrabschließkappe auf der Basis eines keramischen Materiales aus mindestens einem Metalloxyd, gegebenenfalls AIuminiumoxyd, mit mindestens einem Elektrodenmetall, gegebenenfalls Y/olfram, insbesondere für Ilochdrucknatriumdampflampen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß ihr ganzer Querschnitt aus einer, zweckmäßigerweise durch Sintern hergestellten, elektrisch leitenden vakuumdichten Masse, welche das Elektrodenmetall oder die Elektrodenmetalle und das keramische Material aus dem Metalloxyd oder den Metalloxyden enthält, besteht.

Vorzugsweise sind das Elektrodenmetall beziehungsweise die Elektrodenmetalle Niob, Molybdän, Rhenium, Wolfram oder !Tantal oder ein Gemisch derselben und das Metalloxyd beziehungsweise die Metalloxyde des keramischen Materiales Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Zirkondioxyd oder Titandioxyd oder ein Gemisch derselben.

Vorteilhafterweise weist die Elektrode und Rohrabschließkappe ein an das Ende des Leuchtrohres der Hochdrucknatriumdampflampe passendes Befestigungselement, zweckmäßigerweise eine Hut oder Schulter, eine in das Entladungsrohr reichende Elektrodenspitze, und ein äußeres Befestigungselement, zweckmäßigerweise eine Ausnehmung oder einen Zapfen, auf.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden und Rohrabschließkappen, insbesondere solchen nach der Erfindung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein Elektrodenmetall beziehungsweise Oxyd eines solchen mit mindestens einem zur Herstellung von keramischem Material geeigneten Oxyd in Pulverform vermischt und die Mischung durch spanloses beziehungsweise plastisches Formen, vorteilhafterweise Pressen oder Spritzgießen, in die gewünschte Form gebracht wird und der so erhaltene Formkörper,

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gegebenenfalls nach, einem Vorbrennen bei einer Temperatur von 1 000 bis 1 360⁰G, unter Eeduktion bei einer Temperatur von Ί 800 bis 2 200⁰G in einer Gasatmosphäre oder unter Vakuum mittels einer Sinterungsh.itzebehandlung mit mindestens 5 Minuten langem Heißhalten zu einem vakuumdichten elektrisch leitenden polykristallinen Formkörper gesintert wird.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Elektrodenmetalle in Oxydform in einer dem Metalläquivalentgewicht entsprechenden Menge verwendet und bei der Sinterungshitzebehandlung, also der reduzierenden Hitzebehandlung, die Elektrodenmetalloxyde zu den entsprechenden Metallen reduziert werden.

Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren die Elektrodenmetalle beziehungsweise keramischen Oxyde in Form von Pulvern mit durchschnittlichen Korngrößen unter 50 pm, insbesondere 5 p&» verwendet.

Die erfindungsgemäße Elektrode und Rohrabschließkappe kann an die aus lichtdurchlässigem vakuumdichtem polykristallinen! Aluminiumoxydkeramikmaterial bestehenden Entladungsrohre von Hochdrucknatriumdampflampen durch Verschmelzen (Zerstäuben) beziehungsweise Verkitten befestigt werden und so kann das Entladungsrohr verschlossen werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrode und Rohrabschließkappe sind in den beiliegenden Figuren 1 bis 6 dargestellt. In diesen sind:

1 = Die an das Ende des Entladungsrohres

passende Nut der Elektrode.

2 = Die an das Ende des Entladungsrohres

passende Schulter der Elektrode.

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3 «= Die in das Entladungsrohr reichende Spitze der Elektrode.

4· β Die äußere 'Befestigungsausnehmung der Elektrode.

5 = Der äußere Befestigungszapfen der Elektrode.

Von den erfindungsgemäßen Elektroden auf Metall/Eferamikmabecial- -Basis sind diejenigen Zusammensetzungen, welche nur beim Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur elektrisch leitend werden, von besonderer Bedeutung. Bei der Verwendung von solchen Elektroden (wie Kathoden) kann nämlich das Verdampfen der Ionisationsfüllung ohne eigene Zündvorrichtung durchgeführt werden. Dies stellt eine außerordentlich bedeutende Weiterentwicklung in der Beleuchtungstechnik dar, was auch die Verkleinerung der Abmessungen (Miniaturisieren) fördert. So ist die Verbreitung von Hochdrucknatriumdampflampen (Tageslichtbrennern) auch für die Innenbeleuchtung von Gebäuden möglich geworden.

Die Vorteile der Erfindung sind zusammengefaßt wie folgt:

1.) Durch die Herstellung der Elektrode und Rohrabschließkappe auf pulvermetallurgischem Wege können Formkörper von den praktischen Anforderungen am besten entsprechenden Formen und Abmessungen hergestellt werden.

2.) Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Elektrode und Rohrabschließkappe aus Metall und keramischem Material ist geringer als der der üblichen Elektrodenmetalle und er kann mit den entsprechenden Parametern des Leuchtrohres abgestimmt werden.

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3·) Bei der Herstellung der Elektrode kann ein Metallpulver/Metalloxydpulver-Gemiseh mit den vom technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkt optimalsten Eigenschaften bereitet werden.

4.) Die Elektrode aus Metall und keramischem Material vereinigt in sich die vorteilhaften Eigenschaften der aus Metallplatten hergestellten Elektroden und der aus keramischem Material hergestellten Elektroden; so können "beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit mit den entsprechenden Eigenschaften der aus Metallplatten hergestellten Elektroden übereinstimmend ausgebildet werden und andererseits können die Vorteile der aus keramischem Material hergestellten Elektroden bei der Fertigung von Beleuchtungsrohren, das heißt das Füllen, das Errichten des Vakuums und das vakuumdichte Verschließen ohne Saugrohr sichergestellt werden. Gegenüber den nur aus keramischem Material hergestellten und mit einer Metallschicht überzogenen Elektroden besteht der Vorteil, daß das Aufbringen eines eigenen Metallüberzuges nicht erforderlich ist, da die Elektrode aus Metall und keramischem Material den elektrischen Strom ähnlich leitet wie die aus Metallplatten hergestellten Elektroden.

5·) Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Verwendung der Elektrode aus Metall und keramischem Material das Füllen der Entladungsrohre beziehungsweise Leuchtrohre der Hochdrucknatriumdampflampen mit der Ionisationsfüllung, die Errichtung des Vakuums in

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■ihnen und das vakuumdicht machende Verkitten oder Verschmelzen derselben vollumfänglich mittels automatischer Fertigung durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden nicht als Beschränkung aufzufassenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Zur Herstellung der Elektrode (Kathode) und Rohrabschließkappe wurde ein Materialgemisch der folgenden Zusammensetzung verwendet:

25 Gew.-% Niobmetall, gegebenenfalls in Form von Nioboxyd mit denselben Ifiobäquivalentgewichtsprozenten, mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 10 um

35 Gew.-% Wolframmetall, gegebenenfalls in Form von Wolframoxyd mit denselben Wolframäquivalentgewichtsprozenten, mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 5 pa

Gew.-% Aluminiumoxyd mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 2

um

Das obige Pulvergemisch wurde mit 3 Gew.-% vorher in Benzin gelöstem Paraffin vermischt. Danach wurde das Benzin aus dem paraffinhaltigen Pulvergemisch in einem Thermostaten mittels eines Verdampfungstrockners entfernt und das benzinfreie Pulver wurde in ein Granulat mit Korngrößen von 0,5 bis 1 mm überführt. Das granulierte Pulver aus Metall

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und keramischem Material wurde in einer automatischen Presse

mit einem spezifischen Druck von 1 t/cm mit Hilfe eines Stahlwerkzeuges zu beliebigen geeigneten Formen, beispielsweise solchen nach den Figuren 1 bis 6, geformt.

Der rohe Formkörper aus Metall und keramischem Material wurde in Kunstkohlengrieß oder 'Aluminiumoxydpulver eingebettet und in einem Ofen mit Wasserstoffschutzgasatmosphäre bei 1 000°C ausgeglüht. Die paraffinfreien Elektroden wurden in einem Ofen mit Wasserstoffschutzgasatmosphäre oder einem Vakuumofen bei einer Temperatur um 2 000 C gesintert.

Die gesinterte Kathode aus Metall und keramischem Material wurde in der Kittnut oder -schulter mit einer, gegen Natrium-odid- und Quecksilberdämpfe bei hoher Temperatur beständigen glasförmigen vakuumdichten Kittschicht versehen. Als Kittmaterial wurde ein nach der britischen Patentschrift 961 670 oder nach der US-Patentschrift 3 825 645 hergestelltes Produkt verwendet.

Danach wurde mit einer der mit Kittmaterial versehenen Elektroden das untere Ende des senkrecht gestellten Leuchtrohres auf Keramikbasis abgeschlossen, worauf durch das obere freie Ende des Leuchtrohres die Ionisationsfüllung eingebracht und schließlich an das obere Ende des Leuchtrohres eine andere mit Kittmaterial versehene Elektrode angesetzt wurde. Daraufhin wurde das Leuchtrohr unter Vakuum gesetzt und die Rohrenden wurden auf die Abbindetemperatur des Kittmateriales erhitzt. Die so verschlossenen Entladungsrohre konnten als fertige Beleuchtungskörper verwendet werden.

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Beispiel 2

Es wurden 35 Gew.-% Niob- oder Rheniummetall beziehungsweise ihre Oxyde mit denselben Iquivalentgewichtsprozenten mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 10 um, 60 Gew.-% Wolfram- oder Molybdänmetall beziehungsweise ihre Oxyde mit denselben Metalläquivalentgewichtsprozenten mit einer .durchschnittlichen Korngröße unter 5 pm und 5 Gew.-% Aluminiumoxyd mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 2 um mit 3 Gew.-% vorher in Benzin gelöstem Paraffin vermischt· Die Herstellung der Kathode und Eohrabschließkappe aus diesem Gemisch wurde wie im Beispiel 1 beschrieben durchgeführt.

Beispiel 3

Es wurden 5 Gew.-% Niob- oder Eheniummetall beziehungsweise ihre Oxyde mit denselben Metalläquivalentgewichtsprozenten mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 10 mn, 15 Gew.-% Wolfram-, Molybdän- oder·Tantalmetall beziehungsweise ihre Oxyde mit denselben Metalläquivalent gewichtsprozenten mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 5/im und 80 Gew.-% Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd oder Zirkondioxyd beziehungsweise eines Gemisches aus 98 Gew.-% Aluminiumoxyd und 2 Gew.-% Titandioxyd mit einer durchschnittlichen Korngröße unter 2 um mit 10 Gew.-% vorher in Benzol gelöstem Paraffin vermischt. Danach wurde das Pulvergemisch nach der Verfahrensweise des Beispieles 1 aufgearbeitet. Diese einen Gehalt an mehr als 50 Gew.-% keramischem Oxyd aufweisende Elektrode konnte als Heizkathode (Zündkathode) in Hochdrucknatriumdampf lampen verwendet werden.

Patentansprüche

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Claims

250H32 t I * 1 - 13 - Patentansprüche

1.) Vakuumdichte Elektrode und Rohrabschließkappe auf der Basis eines keramischen Materiales aus mindestens einem Metalloxyd, gegebenenfalls Aluminiumoxyd_; mit mindestens einem Elektrodenmetall, gegebenenfalls Wolfram, insbesondere für Hochdrucknatriumdampflampen, dadurch gekennzeichnet, daß ihr ganzer Querschnitt aus einer, zweckmäßigerweise durch Sintern hergestellten, elektrisch leitenden vakuumdichten Masse, welche das Elektrodenmetall oder die Elektrodenmetalle- und das keramische Material aus dem Metalloxyd oder den Metalloxyden enthält, besteht. '

2.) Elektrode und Rohrabschließkappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmetall beziehungsweise die Elektrodenmetalle Niob, Molybdän, Rhenium, Wolfram oder Tantal oder ein Gemisch derselben und das Metalloxyd beziehungsweise die Metalloxyde des keramischen Materiales Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Zirkondioxyd oder Titandioxyd oder ein Gemisch derselben sind.

3·) Elektrode und Rohrabschließkappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein an das Ende des Leuchtrohres der Hochdrucknatriumdampflampe passendes Befestigungselement, zweckmäßigerweise eine Nut (1) oder Schulter (2), eine in das Entladungsrohr reichende Elektrodenspitze (3)* und ein äußeres Befestigungselement, zweckmäßigerweise eine Ausnehmung (4·) oder einen Zapfen (5), aufweist. '

4-.) Verfahren zur Herstellung von vakuumdichten Elektroden und Rohrabschließkappen, insbesondere nach Anspruch 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens ein Elektrodenmetall beziehungsweise Oxyd eines solchen

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mit mindestens einem zur Herstellung von keramischem Material geeigneten Oxyd in Pulverform vermischt und die Mischung durch spanloses beziehungsweise plastisches • Formen, vorteilhafterweise Pressen oder Spritzgießen, in die gewünschte !Form bringt und den so erhaltenen Formkörper, gegebenenfalls nach einem Vorbrennen bei einer Temperatur von 1 000 bis 1 36O⁰C, unter Reduktion bei einer Temperatur von 1 800 bis 2 200⁰C in einer Gasatmosphäre oder unter Vakuum mittels einer Sinterungshitzebehandlung mit mindestens 5 Minuten langem Heißhalten zu einem vakuumdichten elektrisch leitenden polykristallinen Formkörper sintert.

5·) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrodenmetalle in Oxydform in einer dem Metalläquivalentgewicht entsprechenden Menge verwendet und bei der Sinterungshitzebehandlung die Elektrodenmetalloxyde zu den entsprechenden Metallen reduziert.

6·) Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrodenmetalle beziehungsweise keramischen Oxyde in Form von Pulvern mit durchschnittlichen Zorngrößen unter 50 pm, insbesondere 5 pn» verwendet. '

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