DE2512436C2

DE2512436C2 - Elektrische Hochleistungs- Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Kolben aus polykristallinem Aluminiumoxyd

Info

Publication number: DE2512436C2
Application number: DE2512436A
Authority: DE
Inventors: Michael Karl Cleveland Heights Ohio Levenson; Garland Elmo Willoughby Ohio Scott jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1985-09-19
Also published as: DE2560470C2; JPS58190882A; DE2512436A1; FR2265106A1; JPS6311316B2; DE2560471C2; GB1509561A; US4079167A; JPS50133207A; FR2265106B1; JPS6018630B2; JPS58190883A; CA1024581A; US3935495A

Description

drähte 6 und 7 erstrecken, die an ihren äußeren Enden mit der Gewindehülse 8 und dem Mittelkontakt 9 eines üblichen Schraubsockels verbunden sind.

Der innere Kolben 11 in Form eines Rohres ist aus einer gesinterten, polykristallinen Alumiraumoxidkeramik hoher Dichte hergestellt, wie in der US-PS 30 26 210 beschrieben, wobei man Jie Hauptoberflächen des Rohres chemisch behandelt hat, um die verbesserte optische Durchlässigkeit zu schaffen. Die Enden des Rohres sind durch haubenförmige Niob-Endkappen 12 und 13 /erschlossen, die mit Hilfe einer glasartigen Abdichtungsmasse hermetisch mit dem Aluminiumoxid-Entladungsrohr verbunden sind.

Das untere Rohr IS wird durchstoßen und während der Herstellung der Lampe als Entlüftungsrohr benutzt Nachdem die Gasfüllung und Natrium/Quecksilber-Amalgam in das Rohr 11 eingeführt worden sind, wird das Entlüftungsrohr durch eine Kaltschweißung hermetisch abgedichtet, wie sie bei 22 angegeben ist, und es dient danach als Reservoir für kondensiertes Natrium-Amalgam. Das obere Rohr 18' weist keine öffnung in dem Entladungsrohr auf und es enthält eine geringe Menge nicht dargestellten Yttriummetalles, das als Getter dient Das Ende des Rohres 18' wird durch eine Quetschstelle 23 verschlossen, die eine hermetische Dichtung bildet Die dargestellte Lampe wird nur mit dem Sockel nach unten betrieben, wobei das längere Entlüftungsrohr 18, welches der kälteste Teil des Entladungsrohres sein muß, damit das Amalgam sich darin kondensiert, am weitesten unten angeordnet ist.

Der Kolben U ist in dem äußeren Glaskolben 2 mit einer Aufhängevorrichtung gehalten, die einen einzelnen Stab 25 umfaßt, der sich durch die Länge des Außenkolbens von der Zuleitung 7 am Halterungsende bis zur Vertiefung 26 am Kuppelende erstreckt, an dem sie durch eine elastische Klammer 27 befestigt ist. Die Endkappe 13 des Rohres 11 ist mit der Aufhängevorrichtung durch das Band 29 verbunden, während die Endkappe 12 durch das Bimd 30 und den Stützstab 31 niit der Zuleitung 6 verbunden ist. Der Raum innerhalb des Außenkolbens 2 ist vo^rteilhafterweise evakuiert, um die Wärme zu konservieren, und dies wird vor dem Abdichten des AußenkolbenS ausgeführt. Ein Getter, geeigneterweise Barium/Aluminium-Legierungspulver, das in die mit Kanälen versehenen Ringe 32 gepreßt ist, wird nach dem Abdichten gezündet, um ein hohes Vakuum sicherzustellen.

Grundsätzlich sind die Hauptoberflächen des lichtdurchlässigen Kolbens aus polykristallinem Aluminiumoxid der Lampe nach der vorliegenden Erfindung mit einem geschmolzenen anorganischen Flußmittel behandelt, welches Aluminiumoxid mit einer mittleren Geschwindigkeit auflöst, bis die Oberflächenschicht der genannten Hauptoberflächen gelöst ist, um ein relativ glattes Aussehen zu schaffen. Es ist bei der Ausführung dieser Art chemischer Polierbehandlung wichtig, daß die Flußmittelzusammensetzung so ausgewählt ist, daß sie vorzugsweise die Oberflächenschicht der Aluminiumoxid-Körner oder Teilchen auflöst, weniger aber irgendwelches Material an den Korngrenzen.

Es kann der in F i g. 3 abgebildeten behandelten Aluminiumoxid-Oberfläche, verglichen mit der in F i g. 2 gezeigten unbehandelten Oberfläche, entnommen werden, daß durch das Flußmittel Oberflächenmaterial entfernt wird und dabei eine Glättungswirkung ausgeübt wird, welche die hohen Stellen der einzelnen Aluminiumoxid-Teilchen vermindert, ohne tiefe Stellen an den Kornerenzen einzuführen. Auf diesen Aufnahmen, die im reflektierten Licht gemacht wurden, kann auch beobachtet werden, daß die unbehandelte Oberfläche der F i g. 2 das Aussehen eines »dunklen« Feldes .gibt, da der größte Teil des Lichtes zerstreut ist

Die Auswahl der jeweiligen Fl-;8mittelzusammensetzungen, welche dieses bevorzugte Auflösen bewirken, kann routinemäßig erfolgen, indem man die mit einem ausgewählten Flußmittel auf die behandelten Aluminiumoxidoberflächen ausgeübten Wirkungen beobachtet,

ίο wobei das Flußmittel in geschmolzenem Zustand bei erhöhten Behandlungstemperaturen von bis zu etwa 1000° C stabil bleiben sollte. Bei noch höheren Temperaturen wurde beobachtet, daß ein unerwünschtes Korngrenzenätzen stattfindet wenn man das bevorzugte

Flußmittel Natriumborat verwendet, und dieses Ätzen an den Korngrenzen hängt weiter auch von der Behandlungszeit ab.

Brauchbare Flußmittel zur Schaffung einer relativ glatten Oberfläche auf die vorbeschriebene Weise sollten keine unlöslichen Reaktionsprodukte an der geschmolzenen flüssigen Grenzfläche bilden, da diese das Auflösen hindern oder eine optisch streuende Oberfläche mit geringer geradliniger Durchlässigkeit bilden. Die Alkalimetallsalze stellen eine allgemeine Klasse brauchbarer Flußmittel dar, die die vorgenannte thermische und chemische Stabilität in geschmolzenem Zustand aufweisen. Diese Klasse schließt die Alkalimetallborate, wie Natriumborat und Kaliumborat, zusammen mit anderen binären Oxidsystemen ein, die einen Alkalimetalloxid-Bestandteil aufweisen. Auch ternäre Oxidsysteme könnten das gewünschte gleichförmige und mäßig schnelle Auflösen bewirken, obwohl sie erhöhtere Temperaturen erfordern, um einen geschmolzenen Zustand zu erreichen, als dies für die bevorzugten Alkalimetallborate der Fall ist. Obwohl es bevorzugt ist, das Auflösen in Luft durch Eintauchen des Kolbens aus polykristallinem Aluminiumoxid in das geschmolzene Alkaiimetailboratbad bei mäßig erhöhten Temperaturen, die etwa 1000⁰C nicht übersteigen, auszuführen, damit keine übermäßige Verflüchtigung des Flußmittels stattfindet, wird auch einbezogen, daß -wegen der hochschmelzenden Natur des polykristallinen Aluminiumoxids noch höhere Temperaturen oder andere Betriebsbedingungen benutzt werden können.

Durch die Anwendung von Mkaiimetallborat-F!ußmittel erhält man auch eine glasartige Beschichtung auf dem behandelten Kolben aus Aluminiumoxid, die nachfolgend entfernt werden muß, um eine verbesserte geradlinige Durchlässigkeit zu erhalten. Die Beschichtung kann aufgelöst werden durch Waschen des behandelten Teiles in einer verdünnten Säurelösung, nachdem man es aus dem geschmolzenen Flußmittelbad herausgenommen und abgekühlt hat. Es ist auch erwünscht, den thermischen Schock minimal zu halten, der beim Her-

5^r> ausnehmen des behandelten Teiles aus dem geschmolzenen Flußmittelbad auftritt, und dies kann in üblicher Weise durch kontrolliertes Abkühlen bis auf Umgebungstemperaturen erfolgen.
Ein spezifisches Beispiel für die bevorzugte Ausführungsform des Behandlungsverfahrens, bei dem eine Alkalimetallborat-Verbindung als Flußmittel verwendet wird, wird im folgenden gegeben: Es wurde eine Reihe von polykristallinen Aluminiumoxidrohren in eine Natriumboratschmelze für verschiedene Zeiten bei erhöhten Temperaturen im Bereich von etwa 762 bis 857°C eingetaucht, um die Wirkung der chemischen Polierbehandlung auf die optische Gesamtdurchlässigkeit zu messen. Es wurde dabei als Flußmittel eine eutektische

Zusammensetzung des Natriumboratsalzes verwendet, die durch die chemische Formel Na^O · 2,28 B2O3 wiedergegeben werden kann, obwohl festgestellt wurde, daß auch andere Zusammensetzungen mit einem molaren Verhältnis im Bereich von bis zu vier Molen B2O3 pro Mol NajO ohne wesentliche Beeinflussung der erwünschten Ergebnisse verwendet werden können. Während der Behandlung wurden Zeit und Temperatur variiert und die erhaltenen Verbesserungen hinsichtlich der geradlinigen Durchlässigkeit sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt. Die optischen Durchlässigkeitsmessungen wurden im sichtbaren Teil des Lichtspektrums mit einem Beckman-Spektrophotometer, Modell DB, unter Anwendung eines Verfahrens, das in der US-PS 30 26 210 beschrieben ist, ausgeführt, und in der folgenden Tabelle sind die bei den verschiedenen Behandlungsbedingungen erhaltenen Durchschnittswerte aufgeführt.

Tabelle

Temperatur in ⁰C	Zeit in Minuten	Durchlässigkeits
		erhöhung in %
900	10	60
900	5	50
900	2	57
850	10	58
850	5	55
850	2	52
800	10	57
800	5	57
800	2	53
750	10	15
750	5	36
750	2	10,5

Es können selbstverständlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Abänderungen vorgenommen werden. So können hinsichtlich der chemischen Polierbehandlung Veränderungen vorgenommen werden, die zu vergleichbaren Ergebnissen führen, indem man die Polierbehandlung z. B. in einer neutralen Atmosphäre und nicht in !Luft ausführt. Auch kann man andere Bearbeitungsstufen anwenden, um die Beschichtungen zu entfernen, die an den Hauptoberflächen des Kolbens aus polykristallinem Aluminiumoxid der Behandlung mit dem geschmolzenen Flußmittel haften.

Aus den obigen optischen Durchlässigkeitswerten ergibt sich, daß eine wesentliche Verbesserung erhalten wird, verglichen mit unpolierten Aluminiumoxidrohren, und daß diese Verbesserung bei längeren Behandlungszeiten und höheren Behandlungstemperaturen größer ist Andererseits ist daran zu erinnern, daß bei Tempera turen, die 1000° C übersteigen, mit diesem Flußmittel ein bevorzugtes Ätzen an den Korngrenzen stattgefunden hat Vor der Ausführung der oben zusammengefaßten optischen Messungen war es erforderlich, eine glasartige Beschichtung von den behandelten Oberflächen zu entfernen, die durch die Einwirkung des geschmolzenen Flußmittels erzeugt worden war. Die so erhaltenen behandelten Kolben wurden in einer verdünnten Mineralsäurelösung gewaschen, um die genannte Beschichtung zu entfernen, nachdem man die Rohre nach dem Herausnehmen aus dem geschmolzenen Flußmittelbad hatte unter Umgebungsbedingungen abkühlen lassea

Es wurde eine Reihe von Hochdruck-Natriumdampflampen mit einer Leistung von 400 Watt der vorbeschriebenen Konstruktion hergestellt, und zwar einmal unter Verwendung der flußmittelpolierten inneren Kolben, und zum Vergleich wurden auch innere Kolben aus unpoliertem polykristallinen Aluminiumoxid verwendet Mit 28 Lampen, die mit den unpolierten Kolben hergestellt worden waren, erhielt man nach der üblichen Messung eine durchschnittliche Lichtausbeute von 117,7 Lumen/Watt Mit den Lampen, gemäß der vorliegenden es Erfindung, die unter Verwendung der flußmittelpolierten Kolben hergestellt waren, erhielt man als Mittel von 14 Lampen eine Lichtausbeute von 120,5 Lumen/Watt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 der US-PS 37 08 710 beschrieben. Patentansprüche: Es ist auch bekannt, lichtundurchlässige Gegenstände aus polykristallinem Aluminiumoxid chemisch in einem.

1. Elektrische Hochleistungs-Entladungslampe geschmolzenen Boraxbad zu polieren, wobei Versetmit einem lichtdurchlässigen Kolben aus polykristal- 5 zungen und Korngrenzen nicht bevorzugt geätzt werlinern Aluminiumoxid hoher Dichte, in dessen End- dtn. Die beobachtete Wirkung dieser Technik war eine stücke Elektroden abgedichtet eingebracht sind und glatte und stark reflektierende Oberfläche auf dem AIuder ein ionisierbares Entladungsmedium enthält, miniumoxidmateriaL Es ergab sich aus einer solchen Bedadurch gekennzeichnet, daß die Haupt- handlung auch eine verbesserte mechanische Festigkeit, oberflächen des Kolbens mit einem Flußmittel po- io wie sie in dem technischen Artikel »Chemical Polish and liert sind, um die hohen Stellen der einzelnen Alumi- Strength of Alumina« von A. G. King beschrieben ist, niumoxidkristalie zu verringern, ohne wesentlich die der in Band 3 des »Materials Science Research« (1966) Korngrenzen zu ätzen. veröffentlicht ist

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eleknet, daß das polykristalline Aluminiumoxid ein hoch- is trische Hochleistungs-Entladungslampe der eingangs reines Aluminiumoxid ist, das eine geringe, aber genannten Art zu schaffen, deren Kolben eine verbeswirksame Menge Magnesiumoxid von bis zu serte optische Durchlässigkeit hat

0,5 Gew.-% enthält Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- daß die Hauptoberflächen des Kolbens mit einem Flußnet daß der Magnesiumoxidgehalt hauptsächlich in 20 mittel poliert sind, um die hohen Stellen der einzelnen Form eines Aluminiumoxid/Magnesiumoxid-Spi- AluminiumoxidkristaUe zu verringern, ohne wesentJich nells vorhanden ist die Korngrenzen zu ätzen.

Es wurde in der vorliegenden Erfindung überraschen-

derweistf festgestellt daß die optische Durchlässigkeit

25 eines Kolbens aus lichtdurchlässigem, polykristallinem Aluminiumoxid, wie es in der US-PS 30 26 210 beschrie-

Die Erfindung betrifft eine elektrische Hochleistungs- ben ist durch eine Flußmittel-Polierbehandlung eben-

Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Kolben falls beträchtlich erhöht werden kann, und zwar zu ei-

aus polykristallinem Aluminiumoxid hoher Dichte, in nem Grade, das die Lichtabgabeeigenschaften von elek-

dessen Endstücke Elektroden abgedichtet eingebracht 30 trischen Entladungslampen hoher Intensität bei denen

sind und der ein ionisierbares Entladungsmedium ent- die polierten Kolben verwendet werden, verbessert

hält. sind. Die dabei erhaltene Lichtabgabe solcher Lampen

In der US-PS 32 48 590 sind Natriumdampflampen ist sehr viei größer, verglichen mit der gleichen Lampe, hoher Intensität mit den obigen Elektroden beschrie- in der ein Kolben verwendet wird, der aus dem üblicherben. Diese Lampen weisen weiter einen schlanken rohr- 35 weise erhältlichen polykristallinen Aluminiumoxyd herförmigen Kolben aus lichtdurchlässigem, polykristalli- gestellt ist Die Flußmittelbehandlung schafft augennen Aluminiumoxid hoher Dichte auf, der beständig ist scheinlich nicht nur eine glattere äußere Oberfläche mit gegen Natrium bei hohen Temperaturen. Ein besonders einer verbesserten geradlinigen Durchlässigkeit songeeignetes Aluminiumoxid holier Reinheit ist zusam- dem erhöht auch die gesamte optische Durchlässigkeit men mit Verfahren für seine Herstellung in der US-PS 40 durch Entfernen einer äußeren Schicht von dem Materi-30 26 210 beschrieben, wobei dieses Material eine ge- al. Das Endergebnis ist daß Lampen nach der vorliegenradlinige Durchlässigkeit von nicht weniger als 0,5% den Erfindung, welche einen Kolben aus dem verbesserpro Millimeter Rohrdicke für Strahlungsenergie aller ten polykristallinen Aluminiumoxyd verwenden, eine Wellenlängen im Wellenlängenbereich von etwa 03 bis leistungsfähigere Lichtquelle mit erhöhten Lumen/ etwa 6,6 Mikron aufweist und eine geradlinige Durch- 45 Watt-Werten ergeben.

lässigkeit von nicht weniger als 10% bei einigen Wellen- Das verbesserte Kolbenmaterial ist besonders längen innerhalb dieses Wellenlängenbereiches. Ein sol- brauchbar für Natriumdampflampen hoher Intensität in ches polykristallines Aluminiumoxid enthält im allge- denen selbsterhitzte Elektroden benutzt werden, die meinen eine geringe, aber wirksame Menge von bis zu durch die Entladung und nicht durch den Strom einer 0,5 Gew.-% Magnesiumoxid, um die optische Transpa- 50 äußeren Quelle erhitzt werden, renz zu erzeugen, wobei der Magnesiumoxidgehalt in Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausfüherster Linie als Aluminiumoxid/Magnesiumoxid-Spinell rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung vorhanden sein kann. Die Füllung in einer solchen Na- näher erläutert Im einzelnen zeigt triumdampflampe hoher Intensität umfaßt Natrium zu- F i g. 1 eine schematische Ansicht einer mit einem Ausammen mit einem Edelgas, wie Xenon, um das Zünden 55 ßenkolben versehenen Ausführungsform einer Hochzu erleichtern, und Quecksilber für eine verbesserte Lei- druck-Natriumdampflampe nach der vorliegenden Erstung. Die beiden Enden des Aluminiumoxidrohres sind findung,

durch Verschlußstücke aus hochschmelzendem Metall F i g. 2 eine Aufnahme unpolierten polykristallinen

abgeschlossen, und es werden geeigneterweise Niob- Aluminiumoxids mit zweihundertfacher Vergrößerung

Endkappen mit einem glasartigen Abdichtungsmaterial 60 und

mit dem Aluminiumoxidrohr verbunden. Jede Endkappe F i g. 3 eine Aufnahme polierten polykristallinen Aluträgt eine Elektrode, die sich entlang der Achse des miniumoxids in gleicher Vergrößerung. Rohres erstreckt, wie einen Wolframstab, um dessen In Fig. 1 ist mit 1 eine Natriumdampfentladungslaminneres Endstück eine Doppelwendel aus Wolframdraht pe hoher Intensität bezeichnet Diese Lampe 1 umfaßt gewickelt ist, und weiter sind die Elektroden mit einem 65 einen äußeren Glaskolben 2 langgestreckter, eiförmiger geeigneten Elektronen emittierenden Material be- Gestalt. Der Hals 3 des Glaskolbens ist durch eine einschichtet. Eine Lampe dieser Konstruktion sowie ein gestülpte Halterung 4 verschlossen, die eine Quetschgeeignetes Verfahren zu ihrer Herstellung ist auch in dichtung enthält, durch welche sich starre Zuleitungs-