DE2645732A1 - Fotoblitzlampe - Google Patents

Description

GTE-Sylvania Inc., LJ. S. A.

7. Oktober 1976

GTE-PA B2

PATENTANMELDUNG

Fotobli tzlampe

Die Erfindung betrifft eine Fotoblitzlampe, die ein brennbares Material in einem evakuierten Glaskolben sowie eine Sauerstoffüllung desselben enthält und bei der Verbrennung aktinisches Licht erzeugt , wobei die Zündung entweder durch elektrischen Strom oder durch mechanischen Schlag mittels entsprechenden Zündeinrichtungen erfolgt und die Zuleitungen hierfür bzw. die dazugehörige Zündröhre hermetisch dicht in der Verschlußzone des Glaskolbens eingepreßt sind.

Zunächst wurden für die Herstellung von Fotoblitzlampan Weichglasröhren verwendet mit Binem Wärmeausdehnungs-

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zwischen 2o°C

koeffizienten von 05 bis 95 χ Io ' pro I' ,und 3cm°i;. Für die Zuleitungen bzw. für die Zündröhre benutzte man ein Metall mit ähnlichem Wärmeaumiehnungskceffizienten.

Bei Zündung solcher Fotoblitzlampen tritt Bin heftiger Wärmeschock des Glaskolbens auf, weil dieser von Kügelchen aus geschmolzenem Metali und/oder i'¹eta 1 loxyd boinbadiert wird. Als Folge davon treten Rissp und Haarrisse auf und bei höherem Gasdruck auch ein Platzen des Glaskolbens, ein Containment-Versagen. Zur Verbesserung der Containment-Fähigkeiten hat nan deshalb drn Gl .iskulhnn mit verschiedenartigen Überzügen versehen.

Es wurden leistungsfähigere Fotoblitzlampen gefordert und um dies zu erreichen, die Füllgewichte mit zerschnitzelter Zirkoniumfolie erhöht bzw. heißer verbrennendes Hafnium vnrwendet. Die dadurch auftretenden Wc'irmnE chocks waren entsprechend größer. Deshalb wurde es notwendig bessere Sicherheitsgefäße (containment vessels) zu verwenden· Wie aus der US-PS 3.5o6.385 zu entnehmen ist, wurde die Verwendung von Hartglas, z.B. Brosilikatglas, vorgeschlagen. Zusätzlich sollte noch ein Schutzüberzug durch Tauchen in Zellulose-Azetat vorgenommen werden. Die hier beschriebene Fotoblitzlampe ist vom elektrisch zündbaren Typ und besitzt Rodar- oder Kovar-Zuleitungen. Dadurch sollte eine Preßung zum hermetischen Abschluß des Glaskolbens unter gleichzeitiger Einbettung und Halterung der Zuleitungen möglich sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Dorsi-

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likätgläsern liegt zwischen 4o und 5o χ 1o pro ⁰C, ein Glas vom Typ 7o52 hatte einen solchen von 47. Es wurde angenommen, daß Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem angegebenen Hereich tsrst mit uiner gewissen Verzögerung zu Rissen neigt. Man glaubte, daß wegen des Druckabfalls nach der Verbrennung in diesem Zn it:r\-iui'i uin günstigeres Containment erreicht werden könne-. Wie aber in Spalte 4, Zeilen 56 bis 65 ausgeführt wird, ist dieser Wärmeausdehnungsbereich als kritisch bezeichnet. Der Wärmeausdehnungskoeffizient soll hoch genug sein, um ein schieferartiges Abblättern der von glühenden Kügelchen getroffenen inneren Glasoberflache zu bewirken. So soll vermieden werden, daß Risse auftreten, die durch das Glas durchgehen, indem extreme thermale und mechanische Spannungen im Glas unterbleiben.

Es hat sich nunmehr bei Versuchen gezeigt, daß unter Verwendung dieser Glasart Abdichtungsprobleme in den Zonen der Berührung von Glas und Metall auftreten. Als Ursache dafür nahm man an, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Metalls nicht niedrig genug ist, um rißfreie Pressungen zu erzielen. Es hat sich aber gezeigt, JjD eine Unverträglichkeit dadurch zu entstehen scheint, weil bei der Erstarrungstemperatur des Glases, wie sie beim Abkühlen auftritt, sich das Metall mehr zusammenzieht als das Glas. Es entsteht eine Zone um das Metall, in der das Glas unter radialer Zugspannungen verbleibt. Bei Zugspannung aber wird Glas brüchig und int weniger fest. Bo kunnten die entstehenden Undichtigkeiten in der Verschlußzone durch unzählige feine Risse im Glas erklärt werden.

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Hier ist noch zu erwähnen, daß die US-PS 3.Θ32.124 eine Lösung vorsieht, bei der ein ähnliches Mißverhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Glas und Netall in Kauf genornrriRn wird, indem am /ünclrnhi chnn nin rniirnn ΓΓτπ i y,p.v Reifen vorgesehen ist, der außen gegen die Oberfläche des Glases sich anpreßend liegt. Gas verwendete Glas hat einen noch niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als vorher erwähnt. Hier wird erreicht, daß das Glas, dort wo der Reifen anliegt, unter einer radial wirkenden Druckspannung verbleibt, wenn das Glas nach der Preßung abkühlt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, daß bekanntlich Glas unter Druckspannung bei überschreiten des Erstarrungspunktes bei der Abkühlung wesentlich fester wird. So entsteht trotz der Fehlanpassung der- Wärmeausdehnunrskoe Γ Fizien ten ein guter Verschluß mit der Preßunr.. Es ist aber nachteilig, daß das Zündrübrchen aufwendiger herzustellen ist.

Gemäß der US-PS 3.771.941 wurde auch ein abgestufter Verschluß einer Preßung versucht, wobei eine Perle von ringwulstförmiger Ausbildung zwischen dem Glaskolben in der Preßung und der Zündröhre zur Anwendung kam. Die Glasperle wurde dabei aus einer Glassorte mit mittlerem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Es wurde Hartglas für die Glasröhre mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 32 χ 1o pro ⁰C verwendet, während die entsprechenden Werte für die Glasperle 46 und das Zündröhrchen 5o waren. Obwohl die Verhältnisse ähnlich wie bei dem weiter oben erwähnten Beispiel waren, hatte der Verschluß nicht die Risse an der Verbindungsstelle zwischen Glas und Metall. Wahrscheinlich war dies dor foil, wr i 1 clnr· oligu.·; tu f tn Aufbau keine hohen Beanspruchungen auftreten ließ.

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Diese Herstel lungsmethode war aber zu kostspielig urn sich durchsetzen zu können.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Containment-Eigenschaften einer Fotoblitzlampe zu verbessern, indem unter Verwendung von Hartglas, wie Borsilikatglas, ein Verschluß durch Preßung zu erstellen war, der eine wirtschaftliche Fertigung erlaubt.

Diese Aufgabe wird für den eingangs genannten Oberbegriff erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des ersten Anspruchs gelöst.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung zu entnehmen.

Indern nach der Erfindung ein Borsilikatglas für den Glaskolben verwendet wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient eindeutig größer ist, als der der Zuleitungen resp. des Zündröhrchens, wird ziemlich unerwarteterwRiss erreicht, daß die Containment-Eigenschaften der Umhüllung der Fotoblitzlampe gut sind. Es wurde nämlich festgestellt, daß sich das Borsilikatglas nach Fertigstellung des Verschlusses durch Preßung in der kritischen Zone der Berührung mit dem Metall der Zuleitungen resp. des Zündröhrchens im Zustand radialer Druckspannung befindet und verbleibtt Damit steht gemäß der Aufgabe Bine Lösung zur Verfugung,

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die eine wirtschaftlich vorteilhafte f!erstellung, insbesondere auch bei weitgehend automatischer Massen-Fertigung ermöglicht.

Insbesondere muß hervorgehoben werden, daß diese Lösung ohne spezifischen Aufbau oder zusätzliche Verfahren zu Umhüllungen von Fotcblitzlainpsn führt, die widerstandsfähiger und zuverlässiger sind und nicht zu Undichtigkeiten durch Risse oder Haarrisse neigen. Hierdurch wird die Ausschußquote in der Fabrikation erheblich reduziert.

Es soll noch erwähnt werden, daß sich ein weiterer Herstellungskostenvorteil durch die Verwendung des Borsilikatglaoen rnit höh «rom W'in'in-'nnrinhnunesknp Γ f ί ζ i nntnn Rrgibt. Dieses erlaubt nämlich das Abtrennen von Glasrührenabschnitten nach der billigeren, konventionellen Methode des Ankratzens und Stoßtrennans (Beraten and shock cutting). Bei Borsilikatglas mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist es erforderlich, das teurere und aufwendigere Verfahren des tiefen Einritzens, Abbrechens und Flammenpolierens [process of scoring, breaking and flame-polishing) anzuwenden.

Im folgenden werden Einzelheiten und AusführungsbeispielB anhand der Zeichnung beschriebenj diese zeigt in

Figur 1 eine vergrößerte schematische Teildarstellung eines axialen Längsschnittes durch die Preßung einer schlagzündbaren Fotoblitzlampe}

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Figur 2 ein vergrößerter, teilweiser, axialer Längsschnitt durch eine schlagzündbare Fotoblitzlampe}

Figur 3 ein vergrößerter, teilweiser, axialer Längsschnitt durch eine elektrisch zündbare Fotoblitzlampe}

Figur 4 eine Darstellung der Abhängigkeit der Ausdehnung -t~ von dor Temperatur T (°C) Tür IJorsi 1 i k-itglns mit großem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Kurve A, für Rodar oder Kovar mit Kurve B und für Borsilikatglas mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten mit Kurve C.

Die überraschend verbesserten Containment-Eigenschaften der Glas-Metall-Verbindung in der Preßung einer Fotoblitzlampe mit eingebettetem Zündrohr ist in Γίp.ur 1 schematisch dargestellt. Der Glaskolben 12 ist nur teilweise dargestellt Er nimmt die Zündröhre 1o in der Zone der Preßung auf, wobei die innere Randzone 1oa etwas konisch erweitert ist, um sich optimal an das Glas anzulegen. Nach der Preßung tritt während der Abkühlung eine radiale Druckspannung auf, die mit den kleinen Pfeilen angedeutet ist. Sie führt zur Verdichtung des Glases in dieser Zone durch Druck gegen die Zündröhre 1o.

In den beiden Figuren 2 und 3 sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der beiden genannten Fotoblitzlampen dargestellt.

Figur 2 zeigt eine schlagzündbare Fotoblitzlampe mit dem Glaskolben 22, der Absaugspitze 24, der als Preßung ausgeführten Verschlußzone 26 und mit der Zündeinrichtung 2B. Nach dur Erfindung ist der Glaskolben 22 aus Borsilikat-

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glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 52 bis 55 χ 1o~⁷ pro ⁰C zwischen O⁰C und 3oo°C. Die Zündeinrichtung 28 besteht aus der Zündröhre 3o, einem DrahtamboB 32 und einer Ladung mit Explosi vzündrnaterial 34, Im evakuierten Glaskolben 22 befindet sich eine bestimmte Menge (etwa 16 mg) zerschnitzelter Zirkon- oder Hafniumfolie 36 und eine bestimmte Menge eines die Verbrennung unterstützendes Gases, wie '.iouerstof F, mit einem Druck von etwa 5oo cm Hg. Die äußere Oberfläche des Glaskolbens ist mit einem Schutzüberzug 37 versehen, der gestrichelt angedeutet ist. Dieser Sc:hu';.:üburzug 3/ künn untwi'ijur >.iu!3 Zellulcseazetatlack oder irr. Vakuum cerornt^r Thermop lastik Fo hergestellt sein. Die Zündröhre 3o aus Kovar oder Rodar hat einen WarmeausdshrungskGSffizienten von etwa 5o χ 1c~' pro ^GC zwischen 25⁰C und 3oo°C. Der Drahtamboß 32 wird innerhalb der Zündröhre 3c durch die Einschnürung 38 und die ringwulstartige Verdickung 42 zentrisch gehalten. E:ine schwerschmelzbare oder metallische Perle 44 ist auf dem Drahtamboß 32 oberhalb der Öffnung drcr Zündröhre 3o im Glaskolben 22 angeordnet, urn ein Durchbrennen der Zündröhre 3o zu vermeiden und gleichzeitig die aus der Zündröhre 3o im Moment der Zündung hervortretenden heißen Gase abzulenken und zu steuern. Am unteren Ende der Zündröhre 3o ist eine AbschluBwölbung vorgesehen, die den Kopf (head) 4o . umgibt.

ist Eine elektrisch zündbare Fotoblitzlampe in Figur 3 gezeigt und besitzt einen Glaskolben 52 mit Preßung als VerschluB-zone 5A, in der die Zuleitungen 58 und Bo aus Kovar oder Rodar eingebettet sind. Die Absaugspitze 56 befindet sich

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am oberen Ende. Zwischen den beiden innerhalb des Glaskolbens 52 endenden Zuleitungen 50 und Hu ist ein Wolframdraht G2 gespannt und mit diesen verschweißt. Je eine Perle oder ein Tropfen aus Zündmasse 64 und 66 ist auf den Schweißstellen auf gebracht;. Der Glaskolben 52 ist aus Borsilikatglas hergestellt, das nach der Erfindung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 52 bis 55 χ Ιο"'⁷ pro ⁰C zwischen O⁰C und 3oo°C hat und die Zuleitungen besitzen einen solchen von 5o χ 1o"7 pro ⁰C zwischen 25⁰C und 3oo°C. Wie bei der zuvor beschrinbsrmn Fotoblitzlampe ist ein Überzug 67 vorgesehen. Die Explosivzündmasse 68 besteht aus Folienschnitzelnaus Zirkonium oder Hafnium und im evakuierten Glaskolben 52 ist Sauerstoff "Ut ainum Druck van mindestens 5oo cm Hg. Die Explosivzündmasse hat ein Gewicht von 18 mg.

Die Angaben den Wärmeausdehnungskoeffizienten betreffend werden nur für den Bereich bis 3ao°C veröffentlicht, weil es sehr schwierig ist,oberhalb von 3oo°C die entsprechenden Messungen durchzuführen. Das gilt ganz besonders für Temperaturen in der Nähe des Erstarrungspunktes. Die Werte für diese Temperaturen werden meist durch Extrapolation aus den Werten zwischen O⁰C bis 3oo°C ermittelt.

Nun wurde ermittelt, daß der Erstarrungspunkt des Borsilikatglases, wie es erfindungsgemäß verwendet wird, erheblich höher liegt als für das sich wen if, nusdshnende Metall Kovar oder Rodar. Hierdurch tritt bei der Abkühlung nach der Preßung im Glas an der VerschlußzonB eine Zusammenpressung

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durch radiale Druckspannung auf. Das lüßt sich anhand der Kurven der Figur 4 pjrliiutRrn, die die relative Längenausdehnung i__r.)ls Funktion der TBf[H::rutup Γ zoiyt.

Die Kurve A gilt für Borsilikatglas vo-'¹ Typ 7o73 von Corning wie es für die beiden Ausführungsbeispiele verwendet wurde. Zur Erläuterung ist auch die Kurve C für Corning Glas von der Type 7o52 mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 47 χ 1o ' pro ⁰C, wie es als typisch im US-PS 3.5o6.385 genannt wurde, eingezeichnet. Schließlich ist Kovar resp. Rodar mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 5o χ 1o~7 ρ_ΓΟ o^ eingezeichnet [Kurve B).

Wie Figur 4 erkennen läßt liegt der Erstarrungspunkt für das Glas der Kurve A bei 4G5°C, was aus dem Handbuch der Materialien und Techniken für Vacuurn-Gerate (von W. H. Kohl, Reinhold Publishing Corp., N.Y.) 1967, Seite 395 zu entnehmen ist. Der sogenannte Spannungspunkt (strain point) für diese Glassortß liegt bei 4Go⁰C. [Ii β Lrstarrungspunkt-Temperatur von 465⁰C ist mit einer gestrichelten Linie markiert. Mit G ist der Wert der Zusammenziehung für dissa Glassorte bei der Abkühlung vom Erstarrungspunkt bis zur Zimmertemperatur bezeichnet. Der entsprechende Wert für das Metall ist mit M bezeichnet. Die Differenz D=G-M kennzeichnet nach Betrag und Richtung die endgültigen Spannungswirkungen im Glas, bzw. die durch sie verursachten respektive η Zusammenziehungen. Win aus dr?r Figur 4 unschwer deut-

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ZIt'.' ιίΓιΐΠίΜ'ΡΠ

lieh wird, zieht sich das Glas der Kurve A mehl- /als das Metall der Kurve B wegen des wesentlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases am Erstarrungspunkt im Vergleich zum Metall. Das bewirkt die Zusammenpreßung des Glases unmittelbar am Metall in der kritischen Verschlußzone .

Hingegen zieht sich das Metall (Kurve B) vergleichsweise schneller zusammen als das Glas der Kurve C, üas eine Erstarrungspunkt-Temperatur von 44o°C hat, so daß bei dessen Verwendung in der kritischen Verschlußzone die Dehnungs- oder Zugspannung auftritt, die die Risse und Haarrisse verursachte, welche bislang Anlaß für Mangel und Ausschuß waren.

An einer Reihe von Muster Fotoblitzlampen, die mit beidsn Glasarten hergestellt wurden, konnten Gp..irinungomessungBn. beweisen, wie erheblich der Unterschied zwischen den Druck- und den Zugspannungen ist. Es ergab sich eine Druckspannung unter Verwendung des Glases der Kurve A von 6,o32 mbar

und eine Zugspannung bei Verwendung des Glases der Kurve C von 9,15 mbar. Diese Werte belegen die erzielte Verbesserung des Versch luiisen und rlnr Ptinttii nrnnnt-F.iganschaften, wie sie gemäß der Erfindung möglich sind.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als Einschränkung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auf nur diese beiden Arten von Fotoblitzlampe zu verstehen. Vielmehr sind auch andere Arten von elektrisch zündbaren Lamp,en die Preßungen uder Quetschverschlüsse mit Durch-

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führungen oder Einbettungen von Metallen mit ähnlichen
Eigenschaften mit gleichem Vorteil E2ntsnrechend der Erfindung auszustatten und dadurch zu verbessern.

Für den Fachmann sind sicher noch andere Modifikationen und Änderungen denkbar, din jedoch den F'r rindunpcnp.ncicinken nicht verlassen.

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Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ./Fotoblitzlampe, die ein brannbares HatRrial in einem evakuierten Glaskolben sowie eine Oaucrstoffüllung desselben entlvilt und h.u der Verbrennung aktinis cn Eis Licht erzeugt, wobni die Züntiunj·. entweder durch elektrischen Strom odnr durch mpch.inischen Schlag mittels entsprechenden i'iinÜH i iir i ch tungini erfolgt und die Zuleitungen hierfür bzw. die dazugehörige Zündröhre hermetisch dicht in der Vsrschlußzone des Glaskolbens eingepreßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß für den Glaskolben (22, 52) ein Borsilikatglas verwendet wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der bei dem Erstarrungspunkt eindeutig höher ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls, das für die Zuleitungen (58, 6o) bzw, die Zündröhre (3o) verwendet wird.
2. 2. Fotoblitzlampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Borsilikatglases zwischen 52 und 55 χ 1o pro ⁰C im Bereich von O⁰C bis 3oo°C und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metalls, beispielsweise Rodar oder Kovar, 5o χ 1o ' pro ⁰C zwischen 25⁰C bis 3oo°C liegt.
3. 3. Fotoblitzlampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Borsilikatglas folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozenten hat:

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   zwischen G3 und 66 "s GiU^

   zwischen 16,5 und 18,α \ B2O3

   zwischen 7 und 9 % AL2Q3

   zwischen 8,0 und 0,6 % Summe aller Alkalioxyde zwischen 0 und 3 % BaO,

   ausgenommen zufällige Verunreinigungen, zurückbleibende Flußmittel und Veredelungsmittel,

   und daß sein Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 53,5x1o~' pro ⁰C zwischen 0⁰C und 3oooC ist.
4. 4. Fotoblitzlampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Metall für die Zuleitungen (58 und 60) bzw. für die Zündröhre (3o) Folgende Legierungsbestandteile aufweist: Eisen, Nickel und Kobalt, und daß sein Wärmeausdehnungskoeffizient 5ox1o~'⁷ pro ⁰C zwischen 25⁰C und 3oo°C ist

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