DE60010967T2

DE60010967T2 - Lampenabdichtung mit einem abhängigen Gradienten

Info

Publication number: DE60010967T2
Application number: DE60010967T
Authority: DE
Inventors: Katsuya Takasago-shi Saito; Toyohiko Himeji-shi Kumada; Yukiharu Himeji-shi TAGAWA
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: EP1043754A1; DE60010967D1; US6787996B1; EP1043754B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Abdichtungsmaterial für Lampen, wie z. B. Xenonlampen und Halogenlampen.
Beschreibung des Standes der Technik
Materialien mit einem Funktionsgradienten bestehen aus Mischsintern aus beispielsweise einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. einem Metall, und einem nicht-leitenden Material, wie z. B. einem Oxidationsprodukt eines Metalls. Durch stufenweises Verändern des Anteils des leitenden Materials in einer bestimmten Richtung ist es möglich, ein Material zu schaffen, das sowohl einen leitenden Bereich mit einem hohen Anteil des leitenden Materials, als auch einen nicht-leitenden Bereich mit einem geringen Anteil des leitenden Materials aufweist. Die leitenden und nicht-leitenden Bereiche bauen einen Festkörper auf, der gut als ein eine Stromzuführung in Lampenabdichtungen bildendes Abdichtungsmaterial geeignet ist.
Wenn diese Art von Material mit einem Funktionsgradienten als eine Lampenabdichtung verwendet wird, ist es erforderlich, dass der Anschlussstift zur elektrischen Versorgung durch das Material mit einem Funktionsgradienten hindurchläuft, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Inneren und Äußeren der Lampe herzustellen. Es ist beispielsweise möglich, vom Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten in der Richtung des Aufbaus eine Durchgangsöffnung für den Anschlussstift anzufertigen, oder in jedes Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten nicht-durchgängige Öffnungen für den Anschlussstift anzufertigen und den Anschlussstift in eine der Öffnungen einzusetzen.
Bei solchen Materialien mit einem Funktionsgradienten wird, wenn ein Anschlussstift aus Wolfram innerhalb des Materials mit einem Funktionsgradienten angeschlossen ist, der Anschluss stift sogar in dem Bereich des Materials mit einem Funktionsgradienten mit einem hohen Anteil an nicht-leitendem Material am Material mit einem Funktionsgradienten angeschlossen. Deshalb kommt es manchmal auf Grund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wolframs und des nicht-leitenden Materials in der auf das Sintern folgenden Kühlungsphase des Verfahrens zur Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten zur Rissbildung.
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems wurden Maßnahmen vorgeschlagen, einschließlich der Maßnahme, bei der ein Spalt zwischen dem Anschlussstift und dem Material mit einem Funktionsgradienten gelassen wird, so dass zwischen den beiden in dem Bereich mit einem großen Unterschied zwischen ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten kein Kontakt besteht. Beispielsweise wird diese Abdichtungsart mit Materialien mit einem Funktionsgradienten in der japanischen Offenlegungsschrift HEI-115484 (1997) beschrieben.
Die Technik besteht darin, die Rissbildung im Material mit einem Funktionsgradienten auf Grund eines Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten während des Betriebes einer Lampe mit einer aus einem Material mit einem Funktionsgradienten hergestellten Abdichtung dadurch zu verhindern, dass kein Kontakt zwischen der äußeren Oberfläche des Anschlussstiftes und der durch das Material mit einem Funktionsgradienten laufenden inneren Oberfläche der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes besteht. Die beschriebene Anordnung weist einen Spalt zwischen der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes im Material mit einem Funktionsgradienten und dem Anschlussstift auf.
Nichtsdestotrotz ist diese Technik eine Technik zur Verhinderung der Rissbildung während des Betriebes der Lampe; es wird der Verhinderung der Rissbildung überhaupt keine Beachtung geschenkt, zu der es während der auf das Sintern folgenden Kühlungsphase des Verfahrens zur Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten kommt. Deshalb wird der Bereich des Materials mit einem Funktionsgradienten nicht erwähnt, an dem der Anschlussstift am besten befestigt wird, und die Maßnahme kann die Rissbildung nicht verhindern, zu der es während des Verfahrens zur Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten kommt, was die Aufgabe der Erfindung dieser Anmeldung ist.
Andere Veröffentlichungen zur Verwendung von Materialien mit einem Funktionsgradienten in Lampenabdichtungen können in den im gemeinsamen Eigentum befindlichen, parallel angemeldeten amerikanischen Patentanmeldungen mit den Nummern 09/142,180, 09/147,115 und 09/308,644 gefunden werden.
Die Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ darstellende EP 1001453 A1 offenbart eine Lampenabdichtung, umfassend ein Material mit einem Funktionsgradienten und einen Anschluss stift. Das Material mit einem Funktionsgradienten weist Schichten aus Gemischen von elektrisch nicht-leitendem und leitendem Material auf, wobei eine Schicht an einem Ende nicht-leitend und eine Schicht an einem gegenüberliegenden Ende leitend ist, mit dazwischen liegenden Schichten, in denen sich der Anteil von leitendem Material beim Bewegen von dem einen Ende zum gegenüberliegenden Ende erhöht. Der Anschlussstift läuft durch eine Öffnung hindurch, die sich durch das Material mit einem Funktionsgradienten erstreckt und ist in einem leitenden Bereich des Materials mit einem Funktionsgradienten angeschlossen. Die Öffnung ist zylindrisch mit einem erweiterten Durchmesser, welcher sich vom Anschlusspunkt des Anschlussstifts bis zum nichtleitenden Ende erstreckt. Gemäß den 9 und 10 dieses Dokuments ist der Anteil an leitendem Material am Anschlusspunkt des Anschlussstifts in dem Material mit einem Funktionsgradienten 30 Gew.%.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Lampenabdichtung anzugeben, die die Rissbildung im Material mit einem Funktionsgradienten beim Herstellungsverfahren verhindert und dadurch sicherstellt, dass das Endprodukt eine angemessene mechanische Festigkeit aufweist. Darüber hinaus ist es gewünscht, eine Lampenabdichtung anzugeben, für die die Produktivität bei der Abdichtung der Leuchtröhre der Lampe durch Erleichterung des Verschweißen verbessert wird.
Um diese Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung eine Lampenabdichtung gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 vor.
Alternativ kann sich die Öffnung konisch vom Anschlusspunkt zum nicht-leitenden Ende aufweiten, wobei die Stärke der Wand des Materials mit einem Funktionsgradienten vom Anschlusspunkt zum nicht-leitenden Ende kleiner ist als seine Wandstärke am Anschlusspunkt.
Darüber hinaus ist in einigen Ausführungsformen der Außendurchmesser des Materials mit einem Funktionsgradienten am und nahe des nicht-leitenden Endes kleiner als der Außendurchmesser am Befestigungspunkt.
Die Erfindung dieser Anmeldung beschreibt den Bereich, an dem der Anschlussstift am Material mit einem Funktionsgradienten, das eine Schichtstruktur mit einer Veränderung des Anteils der leitenden Komponente aufweist, angeschlossen werden sollte. Im Speziellen ist die Öffnung, welche dem Anschlussstift ermöglicht, durch das Material mit einem Funktionsgradienten hindurchzulaufen, in zwei Bereiche unterteilt; in einem Bereich, in dem der Anteil des leitenden Materials einen spezifischen Wert aufweist, ist der Anschlussstift am Material mit einem Funktionsgradienten angeschlossen, und in dem anderen Bereich ist ein Spalt zwischen dem Anschluss stab und dem Material mit einem Funktionsgradienten vorhanden, so dass sich der Stab und das Material mit einem Funktionsgradienten nicht berühren.
Wenn der Spalt zwischen der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes und dem Anschlussstift entlang der Länge des Anschlussstiftes zu kurz ist, oder in anderen Worten, wenn der Bereich ohne Berührung der kleinere der beiden Bereiche ist, dann befindet sich der Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten in dem Bereich mit einem höheren Anteil der nicht-leitenden Komponente. Deshalb ist bei dem Verfahren zur Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten eine Rissbildung in der auf das Sintern folgenden Kühlungsphase wahrscheinlich. Wenn andererseits der Spalt entlang der Länge des Anschlussstiftes zu lang ist, oder in anderen Worten, wenn der Bereich ohne Berührung allzu viel länger ist, wird die mechanische Festigkeit am Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten gering sein. Aus diesem Grund könnte das Dichtungsmaterial unter Druck brechen, wenn es an seiner Stelle befestigt wird oder wenn der ausführende Arbeiter irrtümlicherweise das Material mit einem Funktionsgradienten berührt.
Als Nächstes wird die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes und dem Außendurchmesser des Anschlussstiftes erklärt.
Erstens, wenn der Innendurchmesser der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes zu klein und der Spalt zwischen dem Anschlussstift und dem Material mit einem Funktionsgradienten zu schmal ist, wird sich das Material mit einem Funktionsgradienten bei dem Verfahren zur Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten während des Sinterns stark zusammenziehen und gleichzeitig wird der in der Öffnung eingesetzte Anschlussstift einer Wärmeausdehnung unterliegen, so dass das Material mit einem Funktionsgradienten den Anschlussstift in dem Bereich mit einem hohen Anteil des nicht-leitenden Materials berühren und es zur Rissbildung kommen wird. Wenn aber der Innendurchmesser der Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes zu groß ist, wird die Wand des Materials mit einem Funktionsgradienten zu dünn und die Handhabung während des Herstellungsvorgangs vor dem Sintern schwierig sein, was zu einem Bruch des Materials mit einem Funktionsgradienten führt. Darüber hinaus würde selbst nach Fertigstellung des Abdichtungsteils eine Verformung einer zu dünnen Abdichtung während des darauf folgenden Herstellungsvorgangs, z. B. wenn die aus Siliciumdioxid bestehende Leuchtröhre der Lampe durch Verschweißen abgedichtet wird, zu Problemen beim Herstellungsverfahren führen.
Wenn andererseits der Durchmesser der Öffnung zum Einsetzen des Anschlusses zu groß und die Wand der Abdichtung zu dünn ist, wird die Wärmekapazität der Abdichtung verringert und es wird dadurch Probleme geben, dass die Abdichtung der Leuchtröhre nicht vollständig sein wird.
Die Erfindung dieser Anmeldung sieht eine hoch verlässliche Lampenabdichtung vor, bei welcher der Anteil an leitendem Material am Anschlusspunkt des Anschlussstiftes zu dem nichtleitenden Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten nicht kleiner als 0,6 Vol.% ist, was die Rissbildung in dem Material mit einem Funktionsgradienten selbst während der Kühlung nach dem Sintern verhindern wird, und nicht größer als 39 Vol.-% ist, was die Handhabung des Materials mit einem Funktionsgradienten während des Herstellungsverfahrens erleichtern und für eine angemessene mechanische Festigkeit in dem Endprodukt sorgen wird.
Gemäß der Erfindung wird die Verwendung einer in der Richtung der Schichtung des Materials mit einem Funktionsgradienten gebildeten zylindrischen Öffnung mit einem erweiterten Bereich die Berührung mit der inneren Oberfläche des Materials mit einem Funktionsgradienten selbst während der Wärmeausdehnung des Anschlussstiftes verhindern, wenn der Innendurchmesser C der Öffnung größer als 1,2d ist, wobei d der Außendurchmesser des Anschlussstiftes ist. Wenn weiterhin der Innendurchmesser C der Öffnung kleiner als 0,6D ist, wobei D der Außendurchmesser des Materials mit einem Funktionsgradienten ist, wird dies den Bruch während der Herstellung und auch die Verformung des Abdichtungsteils beim Abdichten der Leuchtröhre verhindern.
Die dritte und vierte Ausführungsform dieser Anmeldung erleichtern die Verarbeitung der Abdichtung und schließen den Abdichtungsvorgang ab.
Diese und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung ersichtlich werden, welche nur zu Zwecken der Darstellung mehrere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine teilweise Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampenabdichtung mit dem Material mit einem Funktionsgradienten zeigt;
2(a) bis einschließlich 2(d) sind Querschnittsansichten geänderter Formen für die erweiterte Öffnung der Lampenabdichtung der ersten Ausführungsform dieser Anmeldung;
3(a) bis einschließlich 3(e) sind Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampenabdichtung;
4 ist eine Tabelle, die Quarzglas-Molybdän-Dichten und die Dicke verschiedener Schichten eines Materials mit einem Funktionsgradienten zeigt;
5 ist eine erläuternde Abbildung eines Biegetests für das Abdichtungsmaterial bei einem Testfall;
6(a) und 6(b) sind schematische Darstellungen eines Testteils, die zur Erklärung des Testfalls 1 bzw. zur Auswertung von verschiedenen Testteilen in Testfall 1 verwendet werden;
7 ist eine Tabelle, die die Ergebnisse der Testfälle 2 bis einschließlich 5 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist ein Beispiel der erfindungsgemäßen Lampenabdichtung 20 mit dem Material mit einem Funktionsgradienten gezeigt, welche ein Material mit einem Funktionsgradienten 21 und einen Anschlussstift (Elektroden-Stift) 21 umfasst. Das Material mit einem Funktionsgradienten 21 weist eine Öffnung 25 zum Einsetzen des Anschlussstiftes 11 auf, und der Anschlussstift 11 läuft durch die Einsatzöffnung 25 hindurch und ist darin an einem zwischen dem Anschlussstift 11 und dem Material mit einem Funktionsgradienten 21 liegenden Anschlusspunkt 26 angeschlossen, der im Weiteren beschrieben wird. Das Material mit einem Funktionsgradienten weist ein nichtleitendes Ende 22 und ein leitendes Ende 23 auf. Innerhalb des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 ist der Innendurchmesser der Einsatzöffnung 25 vom Anschlusspunkt 26 zu dem nicht-leitenden Ende 22 vergrößert, was einen zylindrischen Spalt 24 zwischen dem Anschlussstift 11 und dem Material mit einem Funktionsgradienten 21 bildet.
Das Material mit einem Funktionsgradienten 21 besteht z. B. aus einer Schicht eines nicht-leitenden Materials und Schichten aus gemischten nicht-leitenden und leitenden Komponenten, wobei jede der gemischten Schichten unterschiedliche Anteile der Komponenten aufweist. Demzufolge ist das Material mit einem Funktionsgradienten 21 so geschichtet, dass das Ende der Leuchtröhre 10 (das nicht-leitende Ende 22) ein an der nicht-leitenden Komponente reicher Bereich ist und die Schichten zum gegenüberliegenden Ende (das leitende Ende 23) einen zunehmend höheren Anteil der leitenden Komponente aufweisen. Diese Abdichtung 20, welche das Material mit einem Funktionsgradienten 21 und einen Anschlussstift 11 umfasst, bildet eine Abdichtungsstruktur, wenn die in der Figur durch gestrichelte Linien dargestellte Leuchtröhre (Kolben) 10 an den auf der linken Seite in 1 dargestellten Bereich angeschweißt wird, der reich an der nicht-leitenden Komponente ist.
Möglichkeiten für die nicht-leitende Komponente schließen Quarzglas, Quarz, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumnitrat usw. ein, aber von diesen ist Quarzglas am besten geeignet.
Möglichkeiten für die leitende Komponente schließen Molybdän, Nickel, Wolfram, Tantal, Chrom, Platin, Zirconium usw. ein, aber von diesen ist Molybdän am besten geeignet.
Der Anschlussstift ist aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von ⌀1 bis ⌀8 gefertigt und ist ein einziges Teil, umfassend einen inneren Anschluss 12, der sich über das nichtleitende Ende 22 des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 erstreckt, und einen äußeren Anschluss 13, der sich aus dem anderen, leitenden Ende heraus erstreckt. Wenn der innere Anschluss 12 und der äußere Anschluss 13 auf diese Art und Weise einen einzigen Anschlussstift 11 bilden, ergibt sich eine gute Leitfähigkeit und es ist möglich, einen großen Strom zu transportieren. Jedoch ist es möglich, dass der Anschlussstift 11 einen separaten inneren Anschluss 12 und äußeren Anschluss 13 umfasst, die in gegenüberliegenden Enden des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 eingesetzt sind, wodurch die leitende Komponente des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 zur Bildung des Stromweges verwendet wird.
Eine bei Einschalten der Lampe arbeitende Wendel 14 ist um die Spitze des inneren Anschlusses 12 herum gewickelt.
Es gibt eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Materialien mit einem Funktionsgradienten, und z. B. das Trockenverfahren kann mit gutem Ergebnis angewendet werden. Konkret wird ein pulverisiertes nicht-leitendes Material in eine Form eingefüllt, die zur Bildung der Einsatzöffnung 25 ein Kernstück aufweist, und bildet eine Pulverschicht aus nicht-leitendem Material; über diese werden Gemische mit unterschiedlichen Anteilen an leitenden und nichtleitenden Pulvern, ausgehend von dem Gemisch mit dem kleinsten Anteil an leitendem Pulver zu dem Gemisch mit dem größten Anteil, reihenweise in die Form eingefüllt. Danach wird Druck angelegt, um einen geschichteten zylindrischen Körper zu formen.
Die Öffnung 25 zum Einsetzen des Anschlussstiftes 11 wird in dem Druckformkörper mit einem größeren Innendurchmesser von dem Ende mit einem hohen Anteil an nicht-leitenden Pulvern zu dem Anschlusspunkt 26 gebildet. Wenn dieser Anschlusspunkt 26 in seinem Endzustand ist, wird er ein Bereich sein, in welchem der Anteil der leitenden Komponente nicht kleiner als 0,6 Vol.-% und nicht größer als 39 Vol.-% ist. Es ist z. B. möglich, ein Formteil mit einer festgelegten Form zu verwenden, um gleichzeitig mit dem Anlegen von Druck den Innendurchmesser der Öffnung 25 zu vergrößern, oder die Einsatzöffnung 25 nach dem Anlegen des Drucks herauszuschneiden.
Als nächstes wird der Anschlussstift 11 in die Öffnung 25 des Materials mit einem Funktionsgradienten 21, das wie vorstehend beschrieben druckgeformt wurde, eingesetzt und der Formkörper dann bei 1200 °C für 30 Minuten unter einer nicht-oxidierenden Gasatmosphäre teilweise gesintert. Anschließend wird das teilweise gesinterte Material mit einem Funktionsgradienten 21 durch Erwärmen auf eine Temperatur, die höher als die für das teilweise Sintern verwendete Temperatur ist, vollständig gesintert. Beispielsweise kann das vollständige Sintern durch Erwärmen des teilweise gesinterten Materials mit einem Funktionsgradienten auf einen Temperaturbereich von 1720 bis 1750 °C für 10 bis 15 Minuten durchgeführt werden. Als Folge zieht sich das Material mit einem Funktionsgradienten 21 gleichzeitig mit dem vollständigen Sintern zusammen und die Öffnung 25 wird verengt, was den Anschlussstift 11 festsitzend als ein Teil des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 fixiert.
Der Anteil der leitenden Komponente des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 ist am Anschlusspunkt 26 nicht kleiner als 0,6 Vol.% und nicht größer als 30 Vol.-%. Weiterhin ist vom nicht-leitenden Ende 22 des Materials mit einem Funktionsgradienten bis zum Anschlusspunkt 26 ein zylindrischer Spalt vorhanden, so dass der Anschlussstift 11 die innere Oberfläche der Öffnung 25 nicht berührt.
Gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung ist es möglich, die Rissbildung im Material mit einem Funktionsgradienten 21 mit dem eingesetzten Anschlussstift 11 während der auf das Sintern folgenden Kühlungsphase trotz des Unterschiedes ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verhindern. Weil auch die mechanische Festigkeit des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 aufrechterhalten wird, wird dessen Bruch sicher verhindert, selbst wenn eine Person das Material mit einem Funktionsgradienten 21 aus Versehen berührt oder wenn, während die Lampenbasis an ihm befestigt wird, Druck auf es einwirkt.
Gemäß dieser Erfindung erfüllt die Einsatzöffnung 25 die Bedingung 1,2d ≤ C ≤ 0,6D, wobei C der Innendurchmesser der Öffnung 25 und D der Außendurchmesser des Materials mit einem Funktionsgradienten 2 im Bereich vom nicht-leitenden Ende 22 bis zum Anschlusspunkt 2b des Anschlussstiftes 11 (der in der Figur mit L markierte Bereich) ist.
Wenn sich das Material mit einem Funktionsgradienten 21 in dem Sinterverfahren zusammenzieht und der Anschlussstift 11 einer Wärmeausdehnung unterliegt, wird der auf diese Art und Weise hergestellte Spalt 24 ausreichend sein und es wird bei hohen Temperaturen keine Berührung zwischen den beiden geben. Deshalb ist es möglich, die Rissbildung während des vollständigen Sinterns zu verhindern.
Selbst wenn darüber hinaus für die Öffnung 25 ein größerer Innendurchmesser gewünscht ist, ist die Phase zur Bildung der Öffnung des Herstellungsverfahrens der erfindungsgemäßen Abdichtung 20 einfach und ihre Produktivität gut und die mechanische Festigkeit des Endproduktes kann sichergestellt werden. Auch wenn die erfindungsgemäße Abdichtung 20 dieser Anmeldung zur Abdichtung der Leuchtröhre der Lampe verwendet wird, besteht keine Gefahr, dass die Wand des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 zur Abdichtung zu dünn ist und sich verformt, und es besteht keine Gefahr der Rissbildung auf Grund einer Berührung von Anschlussstift 25 und dem Teil des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 mit einem hohen Anteil der nichtleitenden Komponente.
Es ist möglich, diese Erfindung mit unterschiedlichen Formen der Einsatzöffnung 25 in dem Material mit einem Funktionsgradienten 21 auszuführen. Es sind z. B. die in den 2(a) bis einschließlich 2(d) gezeigten Formen verwendbar. In den 2(a) und 2(c) weitet sich die Einsatzöffnung, mit Ausnahme an dem Anschlusspunkt des nicht-leitenden Endes des Materials mit einem Funktionsgradienten am Anschlussstift, vom Anschlusspunkt zum nicht-leitenden Ende nach außen konisch auf, und die Wandstärke des nicht-leitenden Endes ist kleiner als am Anschlusspunkt.
Der Innendurchmesser des Öffnungsbereichs der Öffnung 25 ist, wie in den Abbildungen dargestellt, vom Anschlusspunkt 26 zum nicht-leitenden Ende 22 so ausgestaltet, dass er zum nicht-leitenden Ende zunimmt, entweder stetig oder stufenweise. Demnach ist eine Vielzahl an Ausführungsformen möglich. Die in den 2(a) bis 2(d) gezeigten Ausführungsformen sind nicht limitierend, und soweit zweckmäßig können Änderungen vorgenommen werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungen ist vom Anschlusspunkt 26 zum nichtleitenden Ende (die linke Seite in den Abbildungen) ein Spalt 24 zwischen dem Material mit einem Funktionsgradienten 21 und dem Anschlussstift 11, so dass sich die beiden nicht berühren. Im Vergleich zu der leitenden Seite (die rechte Seite in den Abbildungen) ist die Wandstärke des Materials mit einem Funktionsgradienten 21 an der nicht-leitenden Seite geringer. In diesen Ausführungen weist das nicht-leitende Ende der Abdichtung 20 eine verringerte Wärmekapazität auf, so dass es leicht an die Leuchtröhre angeschmolzen werden und die Lampe zuverlässig abgedichtet werden kann.
Nachfolgend zeigen 3(a) bis einschließlich 3(e) andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abdichtung 20 dieser Anmeldung.
Der Außendurchmesser des in den 3(b), 3(c) und 3(d) dargestellten Materials mit einem Funktionsgradienten ist am und nahe des nicht-leitenden Endes kleiner als der des Materials mit einem Funktionsgradienten am Befestigungspunkt am Anschlussstift. Weil der Außendurchmesser kleiner ist, ist die Wandstärke dieses Teils geringer. Jedoch ist diese Erfindung nicht auf die in den 3(a) bis 3(e) gezeigten Formen beschränkt, und sofern zweckmäßig können Änderungen durchgeführt werden. Der Rand des Spaltes 24 könnte glatt, sich verjüngend oder auch rundlich sein.
3 ist eine Längsschnittdarstellung des nicht-leitenden Endes der Abdichtung 20. Wenn die Wandstärke des nicht-leitenden Endes des Materials mit einem Funktionsgradienten 21, wie in den Abbildungen gezeigt, verringert wird, kann das Verfahren zur Abdichtung der Leuchtröhre 10 aus den selben Gründen wie den vorstehend beschriebenen einfach und vollständig durchgeführt werden.
Diese Form der Abdichtung 20 kann auch eine Leuchtröhre abdichten, beispielsweise unter Verwendung eines Fritteglases. Wenn der Rand des Öffnungsbereiches des Spaltes 24, wie in den 3(c) und 3(d) gezeigt, eine abgestufte Form aufweist, kann die Positionierung der Spitze der Elektrode auf einfache Weise erfolgen, wenn der abgestufte Bereich der Abdichtung 20 in die zylindrische Röhre der Leuchtröhre eingesetzt wird.
Nachfolgend wird ein konkretes Beispiel dieser Erfindung erläutert.
Das Material mit einem Funktionsgradienten wurde unter Verwendung von Quarzglas (SiO₂) als nicht-leitende Komponente und Molybdän (Mo) als leitende Komponente hergestellt. Als erstes wurden in zwölf verschiedenen Anteilen gemischte Quarzglas-Molybdän-Pulver in eine Form gefüllt, die zur Bildung der Einsatzöffnung und des Spaltes auf deren Boden mit einem Formmittelstück versehen ist. Das Einfüllen in die Form beginnt mit einer ersten Schicht aus Quarzglas-Pulver, gefolgt von Mischpulvern aus Quarzglas und Molybdän in verschiedenen Anteilen, wobei vom geringsten zum größten Anteil an Molybdän gearbeitet wird. Der Anteil an Molybdän der zwölften und letzten Schicht betrug 55 Vol.-%. 4 ist eine Tabelle, die die Anteile an Quarzglas und Molybdän und die Stärke einer jeden Schicht des Materials mit einem Funktionsgradienten zeigt.
Die Schichten aus Mischpulvern wurden dann durch die Ausübung von 18 × 10⁷ Pa (120 kgf/cm²) zu einem Pulverformkörper geformt.
Dabei weist das Ende des Pulverformkörpers mit dem höheren Anteil an Quarzglas-Pulver eine Öffnung zum Einsetzen des Anschlussstiftes mit einem größeren Innendurchmesser und einen Spalt auf, so dass sich der Anschlussstab und die innere Oberfläche der Öffnung in dem Pulverformkörper nicht berühren. Um dies zu erreichen, könnte das Verfahren z. B. darin bestehen, die Öffnung während des Pressens auszuformen oder eine größere Öffnung herauszuschneiden, nachdem der Pulverformkörper aus der Presse entfernt worden ist. Die Tiefe des Spaltes kann während der Herstellung des Pulverformkörpers geändert werden, um Pulverformkörper mit un terschiedlichen Anteilen an Molybdän am Befestigungspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten zu erhalten.
Bei dieser Ausführung wurde ein aus einem Wolframdraht mit einem Durchmesser von ⌀4 gefertigter Anschlussstift in die Einsatzöffnung eingesetzt und danach der Pulverformkörper einer teilweisen Sinterung bei 1200 °C für ungefähr 30 Minuten unter einer Wasserstoffatmosphäre unterzogen. Anschließend wurden die Proben durch Beschichten mit einem Quarzglas enthaltenden organischen Lösungsmittel mit einer oxidationsresistenten Beschichtung versehen, in einen Sinterofen gegeben und bei 1720 bis 1750 °C für 10 bis 15 Minuten vollständig gesintert.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Pulverformkörpern wurden konventionelle Abdichtungen ohne Spalt zwischen dem Material mit einem Funktionsgradienten und dem Anschlussstift als Vergleichsproben hergestellt. Bis auf die Abwesenheit des Spaltes wurden diese Vergleichsproben unter Verwendung der selben Materialien und Formen auf exakt dieselbe Weise wie die Testproben hergestellt.
Anschließend wurden die auf diese Weise erhaltenen Proben hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit an dem Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten untersucht. Unter Verwendung der in 5 gezeigten Anordnung wurde der externe Anschlussstift 13 senkrecht zu seiner Achse mit einer Last von 10 kg beaufschlagt, und die Proben wurden makroskopisch untersucht, um sicherzustellen, dass keine Risse oder Fehler aufgetreten waren.
Die Ergebnisse dieses Tests sind in den 6(a) und 6(b) gezeigt. 6(a) ist eine graphische Darstellung der in diesem Test verwendeten Proben, wobei 6(b) die erhaltenen Ergebnisse zusammenfasst.
In 6(b) zeigt die horizontale Achse den Innendurchmesser C der Einsatzöffnung vom nicht-leitenden Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten bis zum Anschlusspunkt des Anschlussstiftes. Die vertikale Achse zeigt die Tiefe L vom nicht-leitenden Ende bis zum Anschlusspunkt, ausgedrückt als der Anteil (Vol.%) an Molybdän im Material mit einem Funktionsgradienten. Der Außendurchmesser D des Materials mit einem Funktionsgradienten war in diesen Proben immer ⌀16.
Die in dieser Figur mit den Symbolen "o", "∆" und "x" markierten Punkte bezeichnen Kombinationen des Innendurchmessers C und der Tiefe L der Öffnungen in den Proben. Die Abdichtungen, welche in diesem Test Proben waren, wurden in fünf Variationen mit Innendurchmessern C zum Einsetzen des Anschlussstiftes von ⌀4,6, ⌀4,8, ⌀7,6, ⌀9,6 und ⌀12 hergestellt, und für jede Variation wurden Proben mit unterschiedlichen Spalttiefen L (mm) hergestellt, um den Anteil der Komponenten am Anschlusspunkt zu verändern.
Beispielsweise zeigt die Figur für die Proben mit einem Innendurchmesser von ⌀4,8 für die Öffnung vom nicht-leitenden Ende bis zum Anschlusspunkt, dass sechs Proben mit unterschiedlichen Tiefen L vom nicht-leitenden Ende bis zum Anschlusspunkt hergestellt wurden. In diesen Proben war der Anteil an Molybdän am Befestigungspunkt 55 Vol.%, 39 Vol.-%, 13 Vol.-%, 2,3 Vol.%, 0,6 Vol.% und 0 Vol.%.
Der Punkt, an dem L = 0 (mm) und C = ⌀4, ist die Vergleichsprobe ohne Spalt zwischen dem Material mit einem Funktionsgradienten und dem Anschlussstift.
Die Symbole "o", "∆", "x" stellen Bewertungen der verschiedenen Proben als Endprodukte zur Abdichtung dar. Ihre Bedeutungen sind nachfolgend aufgeführt.
Das Symbol "o" bezeichnet eine Probe ohne Rissbildung, bei der die mechanische Festigkeit erhalten blieb und die im Biegetest nicht brach. Es bezeichnet eine Probe, die gut zur Verwendung als Abdichtung geeignet ist. Das Symbol "∆" bezeichnet entweder eine Probe mit Rissbildung an der Oberfläche während des vollständigen Sinterns, oder eine Probe, die die mechanische Festigkeit nicht aufrecht erhielt, sondern im Biegetest zerbrach. Es bezeichnet eine Probe, die die Endfertigung überstand, aber nicht als Abdichtung verwendet werden könnte. Das Symbol "x" bezeichnet eine Probe, die entweder durch Handhabung während der Herstellung des Materials mit einem Funktionsgradienten oder während des vollständigen Sinterns zerbrochen wurde und die die Endfertigung nicht überstand.
Das Material mit einem Funktionsgradienten der Vergleichsproben spaltete sich während der Phase des vollständigen Sinterns und es konnte ihnen nicht ihre endgültige Form gegeben werden, weshalb ein "x" für die L=0 (mm), C=⌀4 Probe dargestellt ist. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass die Herstellung eines Materials mit einem Funktionsgradienten mit L=0 (oder C=d) nicht möglich ist.
Die in der Ausführungsform des Tests als "o" beurteilten Proben wurden nun tatsächlich als Abdichtungen in Lampen verschweißt, um zu prüfen, ob sich während des Abdichtungsverfahrens eine Verformung des Abdichtungsmaterials ergibt. Die Leuchtröhren der Lampen wurden aus Quarzglas mit einem Außendurchmesser von ⌀22,7 und einer Wandstärke der Röhre von 2,35 mm hergestellt.
Das Ergebnis bestand darin, dass alle Proben die Leuchtröhren ohne Veränderung der Form vollständig abdichten konnten. Deshalb kann man daraus schließen, dass die als "o" bewerteten Proben gut zur Verwendung als Abdichtungen geeignet waren.
Gemäß den Ergebnissen dieses Tests würde es in dem Material mit einem Funktionsgradienten während der Kühlungsphase nach dem vollständigen Sintern zur Rissbildung kommen, wenn der Anteil der leitenden Komponente am Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Quarzglas-Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten geringer als 0,6 Vol.% war. Auch wenn man versuchte, den Anschlussstift am Material mit einem Funktionsgradienten an einem Punkt zu befestigen, an dem der Anteil der leitenden Komponente größer als 39 Vol.-% war, war die Festigkeit des Befestigungspunktes des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten zu klein, und es kam während des Biegetests zum Bruch.
Wenn entsprechend der Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten so vorgesehen wird, dass der Anteil der leitenden Komponente des Materials mit einem Funktionsgradienten nicht kleiner als 0,6 Vol.% und nicht größer als 39 Vol.-% ist, kann eine Lampenabdichtung erhalten werden, die gut für die praktische Anwendung geeignet ist, die leicht herzustellen ist, eine gute Produktivität aufweist und ihre mechanische Festigkeit aufrecht erhält.
In diesem Test war der Innendurchmesser der Öffnung vom nicht-leitenden Ende bis zum Befestigungspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten größer als der Außendurchmesser des Anschlussstiftes.
Bezüglich der Probe, bei der der Innendurchmesser C der Öffnung ⌀4,6 und der Außendurchmesser d des Anschlussstiftes ⌀4 war, war der Spalt zwischen dem Material mit einem Funktionsgradienten und dem Anschlussstift zu klein; die beiden berührten sich während des vollständigen Sinterns und es kam zur Rissbildung. Bei Proben, bei denen der Innendurchmesser C der Öffnung ⌀4,81 oder größer war, wurde keine Rissbildung beobachtet. Schließlich war bei der Probe mit einem zu großen Innendurchmesser C, speziell einem Durchmesser der Öffnung von ⌀12 verglichen mit einem Außendurchmesser D von ⌀16, die Wand des Materials mit einem Funktionsgradienten vom Anschlusspunkt zum Anschlussstift zu dünn und der Pulverformkörper wurde bei der Handhabung zerbrochen. Proben mit einem kleineren Durchmesser C der Öffnung, wie z. B. die mit einem Innendurchmesser von ⌀9,6, zerbrachen nicht leicht bei der Handhabung und konnten als Abdichtungen verwendet werden. Diese Abdichtungen verformten sich nicht während des Abdichtens der Leuchtröhren und waren für ihren Verwendungszweck gut geeignet.
Entsprechend war ersichtlich, dass das Endprodukt eine gute Produktivität aufwies und gut zur Verwendung als Lampenabdichtung geeignet war, wenn der Innendurchmesser C der Öffnung im Bereich von wenigstens dem 1,2-fachen des Drahtdurchmessers d des Anschlussstiftes bis zu nicht mehr als dem 0,6-fachen des Außendurchmessers D des Materials mit einem Funktionsgradienten war.
Anschließend wurden erfindungsgemäße Lampenabdichtungen dieser Anmeldung unter Verwendung von unterschiedlichen Abmessungen für das Material mit einem Funktionsgradienten und den Anschlussstift hergestellt.
Selbst nach einer Änderung des Außendurchmessers D des Materials mit einem Funktionsgradienten, des Drahtdurchmessers d des Anschlussstiftes, des Anteils der leitenden Komponente am Anschlusspunkt des Anschlussstiftes am Material mit einem Funktionsgradienten, des Innendurchmessers C der Öffnung und der für das Material mit einem Funktionsgradienten und den Anschlussstift verwendeten Materialien wurden Abdichtungen des Materials mit einem Funktionsgradienten unter Verwendung desselben Herstellungsverfahrens, wie in dem vorstehend beschriebenen Test, hergestellt. Die Produktivität der Abdichtungen, das Vorhandensein von Rissen, die mechanische Festigkeit usw. wurden ausgewertet und die Ergebnisse zusammenfassend in 7 dargestellt.
Wirkung der Erfindung
(1) Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, Lampenabdichtungen mit guter Produktivität zu erhalten, bei welchen es in der auf das Sintern des Anschlussstiftes und des Materials mit einem Funktionsgradienten folgenden Kühlungsphase nicht zur Rissbildung im Material mit einem Funktionsgradienten kommt.
(2) Gemäß der Erfindung dieser Anmeldung ist es möglich, Lampenabdichtungen mit guter Produktivität zu erhalten, bei welchen die Handhabung des Materials mit einem Funktionsgradienten selbst in der Herstellungsphase des Pulverformkörpers nicht zum Bruch führt und bei welchen es selbst bei hohen Temperaturen während des Sinterns zu keiner Rissbildung aufgrund einer Berührung mit dem Anschlussstift kommt. Es ist darüber hinaus möglich, Lampenabdichtungen herzustellen, die gut verwendet werden können, die nicht verformt werden und die beim Anschweißen an die Leuchtröhren der Lampen eine vollständige Abdichtung ergeben.
(3) Die Erfindung dieser Anmeldung ermöglicht eine einfache Durchführung des Anschweißen der Abdichtungen an die Leuchtröhren beim Abdichtungsvorgang, wenn das nicht-leitende Ende dünner als das leitende Ende ausgebildet ist.

Claims

Lampenabdichtung, umfassend ein Material mit einem Funktionsgradienten und einen Anschlussstift, worin das Material mit einem Funktionsgradienten Schichten aus Gemischen von elektrisch nicht-leitendem und leitendem Material aufweist, wobei eine Schicht an einem Ende nicht-leitend und eine Schicht an einem gegenüberliegenden Ende leitend ist, mit dazwischen liegenden Schichten, in denen sich der Anteil von leitendem Material beim Bewegen von dem einen Ende zum gegenüberliegenden Ende erhöht; worin der Anschlussstift durch eine Öffnung hindurch läuft, die sich durch das Material mit einem Funktionsgradienten in Richtung zwischen den Enden erstreckt; worin der Anschlussstift in einem leitenden Bereich des Materials mit einem Funktionsgradienten angeschlossen ist; worin die Öffnung zylindrisch mit einem erweiterten Durchmesser ist, welcher erweiterter Durchmesser sich vom Anschlusspunkt des Anschlussstifts bis zum nicht-leitenden Ende erstreckt; und worin der Anteil an leitendem Material am Anschlusspunkt des Anschlussstifts am Material mit einem Funktionsgradienten nicht kleiner als 0,6 Vol.% und nicht größer als 39 Vol.% ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zylindrischen Öffnung im Bereich vom nicht-leitenden Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten bis zum Anschlusspunkt des Anschlussstifts die Bedingung 1,2d ≤ C ≤ 0,6D erfüllt, wobei C der Durchmesser der zylindrischen Öffnung im Bereich vom nicht-leitenden Ende des Materials mit einem Funktionsgradienten bis zum Anschlusspunkt des Anschlussstifts, d ein Außendurchmesser des Anschlussstifts und D ein Außendurchmesser des Materials mit einem Funktionsgradienten ist.
Lampenabdichtung gemäß Anspruch 1, worin sich die Öffnung konisch vom Anschlusspunkt zum nicht-leitenden Ende aufweitet und die Stärke der Wand des Materials mit einem Funktionsgradienten vom Anschlusspunkt zum nicht-leitenden Ende kleiner ist als seine Wandstärke am Anschlusspunkt.
Eine Lampenabdichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Außendurchmesser des Materials mit einem Funktionsgradienten am und nahe des nicht-leitenden Endes kleiner ist als der Außendurchmesser am Befestigungspunkt.