DE3736887A1

DE3736887A1 - Dichtungsglas und lampe damit

Info

Publication number: DE3736887A1
Application number: DE19873736887
Authority: DE
Inventors: George Linzie Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1988-06-16
Anticipated expiration: 2007-10-31
Also published as: GB2198126B; KR880006753A; DE3736887C2; JPS63156035A; GB2198126A; KR930003061B1; JPH0471856B2; US4737685A; GB8725777D0; JPH05182642A; JPH0695455B2

Description

In der US-PS 42 38 705 ist eine Zusammensetzung eines Aluminiumsilikatglases beschrieben, das in bei hoher Temperatur betriebenen Lampen brauchbar ist und im wesentlichen aus Oxiden in den folgenden etwaigen Gew.-% besteht: 54 bis 71 SiO₂, 12 bis 18 Al₂O₃, 4 bis 8 CaO, 10 bis 23 BaO und 0 bis 3 R₂O, worin R ein Alkalimetallion ist, zusammen mit untergeordneten Mengen an üblichen Verunreinigungen, restlichen Fluß- und Läuterungsmitteln. Der gemeinsame Gehalt des bekannten Glases an SiO₂ und Al₂O₃ liegt im Bereich von etwa 73 bis 83 Gew.-%, der gemeinsame Gehalt an BaO und CaO liegt im Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% und das Gewichtsverhältnis zwischen BaO und CaO liegt im Bereich von etwa 2,3 bis 3,5, um die Beständigkeit beim Wiedererhitzen (reboil resistance) zu verbessern. Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient des bekannten Glases im Temperaturbereich von 0 bis 300°C liegt zwischen etwa 37 × 10^-7 bis etwa 50 × 10^-7 cm/cm/°C zum direkten Abdichten des Lampenglaskolbens mit den Lampenzuleitungen, die entweder Wolfram- oder Molybdänmetall sein können. Die in dieser PS beschriebene Lampe mit regenerativem Halogenzyklus offenbart weiter die Verwendung von Zuleitungen größeren Durchmessers, die im Bereich der Preßdichtung mit den Lampenzuleitungen aus Wolfram oder Molybdän verbunden sind, um die mechanische Abstützung der Lampe zu verbessern.

Es wurde nun festgestellt, daß diese Glühlampe weiter verbessert werden kann, wenn man eine relativ geringfügige Änderung an der Glaszusammensetzung vornimmt. Mehr im besonderen wurde festgestellt, daß eine relativ geringe Menge an ZrO₂ in der Glaszusammensetzung eine merkliche Verminderung der Zahl der Kristallkeime des geschmolzenen Glases erzeugt, wenn dieses geläutert und anschließend zu Rohren gezogen wird, wodurch die mechanische Festigkeit und optische Klarheit des Lampenglaskolbens, der die modifizierte Glaszusammensetzung benutzt, verbessert wird. Diese Wirkung war überraschend, da ZrO₂ bisher nicht als Läuterungsmittel für Glas benutzt worden ist. Die Zugabe an ZrO₂ in geringen Mengen zu diesem Aluminosilikatglas erhöht weiter die untere Entspannungstemperatur in erwünschter Weise, ohne in unangemessener Weise während der Glasformung seine Entglasung zu verursachen. Die Erhöhung der unteren Entspannungstemperatur ist erwünscht, da der Glaskolben einer bei hoher Temperatur betriebenen Lampe permanente Spannungen beim Erhitzen und Abkühlen während der An- und Aus-Zyklen des Lampenbetriebes entwickeln kann. Da sich diese Lampen während des Betriebes üblicherweise unter einem Druck von mehreren Atmosphären befinden, vermindert eine höhere untere Entspannungstemperatur des Lampenglaskolbens die Aussichten des mechanischen Versagens aufgrund von permanenter Spannung, die beim Betrieb der Lampe entsteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine verbesserte Dichtungsglas-Zusammensetzung, die sich als besonders brauchbar erwiesen hat, die hermetische Abdichtung für eine Glühlampe zu liefern, die bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, die häufig 500°C und mehr übersteigen. Diese Art von Glühlampen erfordert ein transparentes Kolbenmaterial, das diesen erhöhten Temperaturen widerstehen kann und das auch hermetisch mit den elektrischen Zuleitungen abgedichtet ist. Zu dieser Art von Lampen gehört eine Lampe mit einem regenerativen Halogenzyklus, bei der ein Widerstandsglühfaden, der die Lichtquelle der Lampe bildet, an jedem Ende mit einer Zuleitung verbunden ist, wobei beide Zuleitungen direkt in den Lampenglaskolben eingeschmolzen sind. Lampen mit dieser Struktur werden nun sehr weitgehend bei einer Vielfalt von Beleuchtungsanwendungen benutzt, einschließlich Projektorlampen, Fahrzeugscheinwerfern und selbst Haushaltsbeleuchtungsquellen. Bei diesen Anwendungen kann die Lampe mit regenerativem Halogenzyklus in einem äußeren Reflektorteil montiert, sie kann aber auch einfach innerhalb eines äußeren Glaskolbens enthalten sein.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Aluminosilikat-Dichtungsglas zu schaffen, das besonders geeignet ist, als Kolbenmaterial bei Lampen, die bei hoher Temperatur betrieben werden. Weiter soll das verbesserte Aluminosilikatglas einfacher hergestellt und anschließend als Dichtungsglas von Zuleitungen aus Molybdän oder Wolfram benutzt werden, und dabei weniger thermische Spannungen entwickeln. Und schließlich soll eine verbesserte Glühlampe mit diesem Aluminosilikatglas geschaffen werden, die einem mechanischen Versagen besser widersteht, indem die Kristallkeime oder Blasen vermieden werden, die in den Glaszusammensetzungen nach dem Stande der Technik auftreten.

Die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung besteht gemäß Berechnung aus der Mischung von Ausgangsmaterialien im wesentlichen aus Oxiden in den folgenden etwaigen Gew.-%: 52 bis 72 SiO₂, 12 bis 17 Al₂O₃, 10 bis 23 BaO, 4 bis 8 CaO, und sie enthält weiter von einer geringfügigen Menge bis zu etwa 3 Gew.-% ausreichend ZrO₂, um die Anzahl der Kristallkeime in der Glaszusammensetzung zu verringern, zusammen mit untergeordneten Mengen an üblichen Verunreinigungen, restlichen Fluß- und Läuterungsmitteln. Die genannte Dichtungsglaszusammensetzung hat eine untere Entspannungstemperatur von mindestens 730°C, eine Liquidustemperatur, die 1320°C nicht übersteigt und einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 bis etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C. SiO₂ und Al₂O₃ zusammen sind in der Glaszusammensetzung in einem Bereich von etwa 70 bis 83 Gew.-% enthalten. BaO und CaO zusammen sind in der Glaszusammensetzung in einem Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% enthalten. Das Gewichtsverhältnis von BaO und CaO in diesem Glas liegt im Bereich von etwa 2,3 bis 2,5, um eine verbesserte Beständigkeit beim Wiedererhitzen zu gewährleisten, wenn während der nachfolgenden Herstellung der Glühlampe eine hermetische Dichtung gebildet wird.

Eine bevorzugte Glaszusammensetzung zum direkten Abdichten von Wolframmetallen enthält BaO und CaO zusammen im Bereich von etwa 17 bis 21 Gew.-% und hat einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 bis zu etwa 41 × 10^-7 cm/cm/°C.

Ein anderes bevorzugtes Glas zum direkten Abdichten von Molybdänmetallen enthält BaO und CaO zusammen im Bereich von etwa 21 bis 30 Gew.-% und hat einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 41 bis zu etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C.

Die ZrO₂-Zugabe in den oben angegebenen geringen Mengen bedingt eine außerordentlich starke Verminderung der Zahl der Kristallkeime, wenn das Glas geschmolzen wird, ohne irgendwelche physikalischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, wenn das geschmolzene Glas anschließend in die erwünschte Lampenform oder die fertige Lampe gebracht wird. So vermindert z. B. eine 1 %ige ZrO₂-Zugabe die Zahl der Kristallkeime in Tiegelschmelzen um mehr als 30%, wobei diese Zahl an Kristallkeimen um 94% vermindert ist, verglichen mit einem üblichen Glas in einer Tagestrankschmelze von etwa 300 kg nach einer 24stündigen Schmelzperiode. Die erwünschte Zunahme der unteren Entspannungstemperatur im fertigen Lampenteil beträgt etwa 10°C für jedes Prozent der ZrO₂-Zugabe, wobei eine ZrO₂-Zugabe über 2 Gew.-% hinaus auch eine Zunahme bei der Liquidustemperatur des Glases verursacht. Es werden daher maximal 3 Gew.-% ZrO₂ zu der Glaszusammensetzung hinzugegeben, um zu vermeiden, daß die Liquidustemperatur des Glases über den Punkt hinaus erhöht wird, bei dem beim Formen des geschmolzenen Glases zu der gewünschten Lampenform eine Entglasung auftritt. Die maximal zugesetzten 3 Gew.-% ZrO₂ führen somit zu einer Zunahme der unteren Entspannungstemperatur des Glases von 30°C, begleitet von einer merklichen Verminderung der Kristallkeime im fertigen Lampenglasteil.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur eine Seitenansicht einer Glühlampe mit regenerativem Zyklus dargestellt ist, die die verbesserte Glas/ Metall-Dichtung mittels der vorliegenden Erfindung aufweist.

In der einzigen Figur ist eine typische Lampe mit regnerativem Zyklus dargestellt, deren transparenter Glaskolben 11 aus einem Rohr 12 des erfindungsgemäßen Aluminosilikatglases geformt ist. Innerhalb dieses Glaskolbens ist ein Widerstandsglühfaden 13 enthalten, der mittels Haken oder Klammern 15 mit Zuleitungsdrähten 14 verbunden ist. Diese Zuleitungsdrähte 14 benutzen ein hochschmelzendes Metall, ausgewählt aus Molybdän oder Wolfram, und die Lichtquellenspule 13 kann durch diese Zuleitungen längs der zentralen Lampenachse, wie dargestellt, oder quer dazu, gehalten werden. Eine Lichtquelle mit mehreren Glühfäden, die mehrere Zuleitungspaare innerhalb des Lampenglaskolbens aufweist, ist aus der oben genannten US-PS 42 38 705 ebenfalls bekannt. Bei der dargestellten Lampen-Ausführungsform ist der Lampenglaskolben an einem Ende mit einer üblichen Quetschdichtung 16 verschlossen, während das gegenüberliegende Ende durch einen ebenfalls üblichen Abschmelztest 17 verschlossen ist. Die Lampe ist gespült und mit einer Halogenidgasmischung am abgeschmolzenen Ende gefüllt, das offengehalten worden ist, während im Laufe der Lampenherstellung die Quetschdichtung gebildet wird. Das äußerste Ende jeder Lampenzuleitung 14 ist im Bereich der Quetschdichtung 16 des Lampenglaskolbens hermetisch abgedichtet und in üblicher Weise, wie durch Hartlöten oder Schweißen, mit Zuleitungsdrähten 22 relativ großen Durchmessers verbunden. Die geschweißten oder hartgelöteten Verbindungsstellen 23 sind jedoch vorzugsweise außerhalb der Quetschdichtung angeordnet, so daß billigere Metalle mit größeren thermischen Ausdehnungen, wie Kovar®Legierungen und Silizium/Eisen-Legierungen, die strukturellen Trägereinrichtungen für die Lampe bilden können.

Bevorzugte Gläser gemäß der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Wie in der Glastechnik üblich, sind die Glaszusammensetzungen in Oxidgehalten angegeben, wie sie aus der Mischung der Ausgangsmaterialien berechnet werden. Obwohl es geringfügige Unterschiede zwischen der Glaszusammensetzung, wie sie in der üblichen Weise aus der Ausgangsmischung berechnet wird, und einer tatsächlichen Glaszusammensetzung, die daraus erhalten wird, geben kann, werden beide Zusammensetzungen jedoch im wesentlichen gleich sein. Es gibt während des Schmelzens nur eine geringfügige Verdampfung von Mischungsbestandteilen der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzung, und während dieses Schmelzens kann eine Aufnahme von Spuren von Zirkoniumoxid und Aluminiumoxid oder anderen Bestandteilen aus den hochschmelzenden Stoffen erfolgen, die üblicherweise benutzt werden, um das Glas darin zu schmelzen. Folglich umfaßt die Erfindung die Verwendung einer Glaszusammensetzung für die beschriebene hermetische Abdichtung mit den gleichen Zusammensetzungsbereichen, wie sie oben angegeben sind und in der üblichen Weise aus den Mischungen der Ausgangsmaterialien errechnet werden.

Tabelle

Anhand der vorstehenden Tabelle ist ein Vergleich möglich zwischen dem bekannten Aluminosilikatglas nach der US-PS 42 38 705 (Beispiel 1) und dem ZrO₂-haltigen Glas der vorliegenden Erfindung (Beispiele 2 bis 4). Alle ZrO₂ enthaltenden Gläser nach der vorliegenden Erfindung weisen höhere untere Entspannungstemperaturen auf als das Glas nach dem Stande der Technik, während ein thermischer Ausdehnungskoeffizient beibehalten wird, der für eine direkte hermetische Abdichtung mit Molybdänmetallen geeignet ist. Es kann der Tabelle weiter entnommen werden, daß die ZrO₂-Zugaben nicht gleichzeitig die Entspannungstemperatur oder den Erweichungspunkt des modifizierten Glases zu einem Grade erhöht haben, der die gewünschten Dichtungseigenschaften merklich beeinträchtigt.

In die erfindungsgemäße Glaszusammensetzung können weiter geringe Mengen anderer wahlweiser Oxide eingearbeitet werden, wie bis zu 0,5 Gew.-% TiO₂, das in erwünschter Weise UV-Strahlung absorbieren kann, die von der Lampe emittiert wird. Weitere Oxide, wie SrO und MgO können entweder hinzugegeben oder als untergeordnete Bestandteile im Glas gefunden werden, ohne eine nachteilige Auswirkung auf das gewünschte physikalische Verhalten. So können zum Beispiel 0,3 Gew.-% SrO als Verunreinigung des Bariumcarbonat-Ausgangsmaterials, das derzeit üblicherweise bei der Herstellung dieser Art von Glas benutzt wird, in das Glas eingeführt werden, ohne eine nachteilige Auswirkung zu zeigen. Geringe Mengen von MgO, die zu diesem Glas zugegeben werden, können sich bei der Verminderung der Liquidustemperatur, wenn mehr als 1% davon benutzt wird, rasch an und es bildet sich auch mehr Schaum auf der Oberfläche der Glasschmelze.

Wie der vorstehenden Beschreibung entnommen werden kann, wurde eine neue Dichtungsglaszusammensetzung geschaffen, die eine merkliche Verbesserung bei der direkten hermetischen Abdichtung sowohl von Wolfram- als auch Molybdänmetallen bietet. Es können geringfügige Variationen bei der Glaszusammensetzung vorgenommen werden, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Dichtungsglas, das aufgrund der Zusammensetzung der Ausgangsmischung im wesentlichen aus den folgenden Metalloxiden in Gewichtsprozent besteht: 52 bis 70 SiO₂, 12 bis 17 Al₂O₃, 10 bis 23 BaO, 4 bis 8 CaO und das weiter von einer geringen Menge bis zu etwa 3 Gew.-% ausreichend ZrO₂, um die Zahl der Kristallkeime in der Glaszusammensetzung zu verringern, sowie untergeordnete Mengen üblicher Verunreinigungen sowie restlicher Fluß- und Läuterungsmittel enthält.

2. Dichtungsglas nach Anspruch 1, mit einer unteren Entspannungstemperatur von mindestens 730°C, einer Liquidustemperatur, die 1320°C nicht übersteigt und einem mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 und etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C.

3. Dichtungsglas nach Anspruch 1, bei dem der gemeinsame Gehalt an SiO₂ und Al₂O₃ im Bereich von etwa 70 bis 83 Gew.-%, der gemeinsame Gehalt von BaO und CaO im Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% und das Gewichtsverhältnis zwischen BaO und CaO im Bereich von etwa 2,3 bis 3,5 liegt, um eine verbesserte Beständigkeit beim Wiedererhitzen zu erhalten.

4. Dichtungsglas nach Anspruch 1, bei dem der gemeinsame Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 17 bis 21 Gew.-% liegt und das einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 bis zu etwa 41 × 10^-7 cm/cm/°C aufweist, zum direkten Abdichten mit Wolframmetallen.

5. Dichtungsglas nach Anspruch 1, bei dem der gemeinsame Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 21 bis 30 Gew.-% liegt und das einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 41 × 10^-7 bis zu etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C aufweist zum direkten Abdichten mit Molybdänmetall.

6. Dichtungsglas nach Anspruch 5, bei dem der Gehalt an BaO den Gehalt an Al₂O₃ übersteigt.

7. Glühlampe mit einem transparenten Glaskolben, der einen Widerstandsfaden enthält, der mit einem Paar leitender Metallzuleitungsdrähte verbunden ist, wobei der Glaskolben einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 bis zu etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C aufweist und die Zuleitungsdrähte hermetisch in dem Glaskolben abgedichtet sind, gekennzeichnet durch eine Glaszusammensetzung für den Glaskolben, die gemäß Berechnung auf der Grundlage der Mischung der Ausgangsmaterialien im wesentlichen aus den folgenden Metalloxiden in Gew.-% besteht: 52 bis 70 SiO₂, 12 bis 17 Al₂O₃, 10 bis 23 BaO, 4 bis 8 CaO und weiter von einer geringen Menge bis zu etwa 3 Gew.-% ausreichend ZrO₂, um die Zahl der Kristallkeime in der Glaszusammensetzung zu vermindern, zusammen mit untergeordneten Mengen an üblichen Verunreinigungen, restlichen Fluß- und Läuterungsmitteln enthält.

8. Lampe nach Anspruch 7, bei der die thermische Dichtung eine Preßdichtung ist.

9. Lampe nach Anspruch 7, bei der die Glaszusammensetzung eine untere Entspannungstemperatur von mindestens 730°C und eine Liquidustemperatur aufweist, die 1320°C nicht übersteigt.

10. Lampe nach Anspruch 7, bei der die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an SiO₂ und Al₂O₃ hat, der im Bereich von etwa 70 bis 83 Gew.-%, einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO, der im Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% liegt und ein Gewichtsverhältnis zwischen BaO und CaO aufweist, das im Bereich von etwa 2,3 bis 3,5 liegt, um eine verbesserte Beständigkeit beim Wiedererhitzen zu ergeben.

11. Lampe nach Anspruch 7, bei der die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 17 bis 21 Gew.-% aufweist und einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37 × 10^-7 bis zu etwa 41 × 10^-7 cm/cm/°C hat, zum direkten Abdichten mit Zuleitungsdrähten, die aus einem Wolframmetall gebildet sind.

12. Lampe nach Anspruch 7, wobei die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 21 bis 30 Gew.-% hat und einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 41 × 10^-7 bis zu etwa 48 × 10^-7 cm/cm/°C aufweist, zum direkten Abdichten mit Zuleitungsdrähten, die aus einem Molybdänmetall gebildet sind.

13. Lampe nach Anspruch 12, bei der die Glaszusammensetzung einen BaO-Gehalt aufweist, der den Al₂O₃-Gehalt übersteigt.

14. Lampe nach Anspruch 7, die eine Lampe mit einem regenerativen Halogenzyklus ist und wobei die mit dem Widerstandsglühfaden verbundenen Zuleitungen aus Molybdän oder Wolfram bestehen.

15. Lampe nach Anspruch 7, bei der die Zuleitungsdrähte im Bereich der hermetischen Abdichtung mit Zuleitungsdrähten größeren Durchmessers verbunden sind, die eine größere thermische Ausdehnung aufweisen.

16. Lampe nach Anspruch 15, bei der die Zuleitungsdrähte größeren Durchmessers aus einer Eisenlegierung gebildet sind.