DE60112851T2

DE60112851T2 - Zusammengefügte Teile und Hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: DE60112851T2
Application number: DE60112851T
Authority: DE
Inventors: Norikazu Nagoya City Niimi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2002326878A; CN1330383A; EP1170770A1; HUP0102760A2; CZ20012448A3; HU225633B1; HUP0102760A3; EP1170770B1; DE60112851D1; CN1148334C; HU0102760D0; JP3929255B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundkörper und im Besonderen eine Hochdruckentladungslampe, die eine keramische Entladungsröhre verwendet.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Hochdruckentladungslampe verfügt über eine keramische Entladungsröhre mit zwei Endabschnitten, in denen jeweils Dichtungselemente (üblicherweise als Keramikstopfen bezeichnet) eingeführt sind, um den entsprechenden Endabschnitt abzudichten. Ein Durchgangsloch ist in jedem Dichtungselement ausgebildet, und ein Metallelement, an dem ein vorbestimmtes Elektrodensystem angebracht ist, ist im Durchgangsloch eingeführt. Ein ionisierbares, Licht emittierendes Material ist im Innenraum der Entladungsröhre eingeführt und darin abgedichtet. Bekannte Hochdruckentladungslampen sind unter anderem Hochdrucknatriumdampf- und Metallhalogenidlampen, wobei Letztere eine bessere Farbkoordination aufweist. Die Lampe kann unter Hochtemperatur-Bedingungen verwendet werden, indem die Entladungsröhre aus einem Keramikmaterial hergestellt wird.
Bei einer derartigen Entladungslampe ist es notwendig, eine luftdichte Dichtung zwischen dem Endabschnitt der keramischen Entladungsröhre und einem Element, welches zum Tragen des Elektrodensystems dient, bereitzustellen. Die keramische Entladungsröhre verfügt über einen Hauptkörper von der Form einer Röhre mit zwei schmalen Enden, eines bauchigen Zylinders oder einer geraden Röhre. Die keramische Entladungsröhre wird aus beispielsweise aus einem gesinterten Aluminiumkörper hergestellt.
Die Beschreibung der japanischen Patentanmeldung Nr. 178.415/1999 (EPO Nr. EP0982278, A1 ) offenbart die folgende Struktur: Der Verbindungsabschnitt zwischen dem Endabschnitt einer keramischen Entladungsröhre und einem Element, das ein Elektrodensystem trägt, umfasst eine die Entladungsröhre berührende Hauptphase und eine das Trägerelement berührende keramische Zwischenschicht, die zwischen dem Trägerelement und der Hauptphase angeordnet ist. Die Hauptphase besteht aus einer porösen Knochenstruktur mit offenen Poren, die aus einem Sinterprodukt eines Metallpulvers hergestellt ist, wobei eine Keramikphase in die offenen Poren in der porösen Knochenstruktur hinein imprägniert ist. Dadurch weist diese Verbundstruktur eine verbesserte Luftdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, und auch eine wiederholte Temperaturwechselbeanspruchung führt nicht zum Bruch der Verbundstruktur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben sich weiter mit der obigen Dichtungsstruktur auseinander gesetzt und erfolgreich eine Verbundstruktur entwickelt, die selbst dann dauer- und bruchfest ist, wenn die Struktur wiederholten Temperaturwechselbeanspruchungen zwischen einer hohen Temperatur, beispielsweise 1.000 °C oder höher, und Raumtemperatur ausgesetzt ist.
Es ist somit ein Ziel der Erfindung, eine Verbundstruktur bereitzustellen, die selbst dann Dauer- und Bruchfestigkeit aufweist, wenn die Struktur wiederholten Temperaturwechselbeanspruchungen zwischen einer hohen Temperatur, beispielsweise 1.000 °C oder höher, und Raumtemperatur ausgesetzt ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Anwendung einer derartigen Verbundstruktur auf eine Hochdruckentladungslampe zur Verbesserung der Beständigkeit gegenüber einem korrosiven Gas, etwa einem Metallhalogenid, und der Luftdichtigkeit sowie zur Verhinderung von Brüchen der Verbundstruktur durch die wiederholte Beanspruchung des Ein- und Ausschaltens.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verbundkörper aus einem ersten, aus einem Metall hergestellten Element und einem zweiten, aus einem Keramik- oder Cermetmaterial hergestellten Element bereit.
Der Verbundkörper umfasst einen zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element eingeschobenen Verbindungsabschnitt zum Verbinden des ersten und des zweiten Elements, wobei der Verbindungsabschnitt eine Hauptphase, die das erste Element berührt, und eine Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht, die das zweite Element berührt und zwischen dem zweiten Element und der Hauptphase vorliegt, umfasst. Die Hauptphase umfasst eine poröse Knochenstruktur mit offenen Poren, die aus einem Sinterprodukt aus einem Metallpulver hergestellt ist, und einer Keramikzusammensetzungs-Schicht, die in die offenen Poren der porösen Knochenstruktur hinein imprägniert ist. Sowohl die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht als auch die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht weisen jeweils eine Kristallinität von mehr als 50 % auf.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung weiters eine keramische Entladungslampe bereit, umfassend:
eine keramische Entladungsröhre mit einem darin ausgebildeten Innenraum und mit Endabschnitten, wobei der Innenraum mit einem ionisierbaren, Licht emittierenden Material und einem Startergas gefüllt ist und eine Öffnung innerhalb der Endabschnitte ausgebildet ist,
ein im Innenraum bereitgestelltes Elektrodensystem,
ein Dichtungselement, das ein Keramik- oder Cermetmaterial umfasst, mit einem darin ausgebildeten Durchgangsloch, wobei zumindest ein Teil des Dichtungselements innerhalb der Öffnung der keramischen Entladungsröhre angebracht ist, und
ein Metallelement, worin das Metallelement und das Dichtungselement den obgenannten luftdichten Verbundkörper bilden. Das Metallelement ist das erste Element und die Entladungsröhre das zweite Element.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine keramische Entladungslampe bereit, umfassend:
eine keramische Entladungsröhre mit einem darin ausgebildeten Innenraum und mit Endabschnitten, wobei der Innenraum mit einem ionisierbaren, Licht emittierenden Material und einem Startergas gefüllt und eine Öffnung innerhalb der Endabschnitte ausgebildet ist,
ein im Innenraum bereitgestelltes Elektrodensystem, und
ein Metallelement, worin das Metallelement und die keramische Entladungsröhre den obgenannten luftdichten Verbundkörper bilden. Das Metallelement ist das erste Element und die Entladungsröhre das zweite Element.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Verbundstruktur aus einem ersten, aus einem Metall, wie etwa Molybdän, hergestellten Element und einem zweiten, aus einem Keramik- oder Cermetmaterial hergestellten Element, worin die Elemente gegebenenfalls mit hoher Festigkeit zusammengefügt sind, wobei die Struktur eine verbesserte Luftdichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweist und selbst wiederholte Temperaturwechselbeanspruchung nicht zum Bruch der Verbundstruktur führen. Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren zur Herstellung dieser bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Zustand zeigt, wenn eine poröse Knochenstruktur 2 zwischen einem Dichtungselement 4 und einem Metallelement 7 bereitgestellt ist.
2 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Verbundkörper zeigt.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch den Zustand zeigt, wenn eine poröse Knochenstruktur 2 zwischen einem Dichtungselement 4 und einem Metallelement 7 bereitgestellt ist.
4 ist ein von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommenes Foto, das die Verbundgrenzfläche zwischen einem Metallelement und einem Dichtungselement zeigt.
5 ist ein Foto, das eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 4 zeigt.
6 ist ein Diagramm, welches das Foto aus 4 veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, welches das Foto aus 5 veranschaulicht.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmebeständigkeitstemperatur, der thermischen Beanspruchung und der Korrosionsbeständigkeit der Hochdruckentladungslampe zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Kristallinität und der Ausfallrate einer keramischen Entladungsröhre während des Temperaturwechselbeanspruchungstests mit einer Temperatur von 950 °C zeigt.
10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Kristallinität und der Ausfallrate einer keramischen Entladungsröhre während des Temperaturwechselbeanspruchungstests mit einer Temperatur von 1050 °C zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Gew.-% von SiO₂ und der Kristallinität eines Keramikmaterials zeigt.
12 ist ein Diagramm, das schematisch die Schichtstruktur des Verbindungsabschnitts des Verbundkörpers aus 1 und die Wärmekoeffizienten der Schichten zeigt.
13 ist eine Querschnittsansicht, die einen Zustand zeigt, wenn ein Stopfelement 19 im Metallelement 7 der Hochdruckentladungslampe aus 1 eingeführt ist.
14 ist eine Querschnittsansicht, die eine Hochdruckentladungslampe zeigt, nach dem das Metallelement 7 aus 12 und ein Dichtungselement 19 zusammengefügt wurden, um einen Dichtungsabschnitt 21 zu bilden.
15 ist ein Diagramm, das schematisch ein Beispiel für eine Hochdruckentladungslampe zeigt.
16 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Ausführungsform eines Endabschnitts einer Hochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung zeigt, worin ein Metallelement 7 mit der Innenwandoberfläche eines Dichtungselements 4 im Wesentlichen entlang der gesamten Länge der Wand verbunden ist.
17 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Ausführungsform eines Endabschnitts einer Hochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung zeigt, worin ein Metallelement 7 mit einem Endabschnitt 1a einer Entladungsröhre 1 verbunden ist und ein Metallelement 7 und eine Metallachse eines Elektrodensystems 27 durch eine Metallschicht 32, welche die Oberfläche des Endabschnitts 1a abdeckt, verbunden sind.
18 ist eine vergrößerte Ansicht, die den Bereich in der Nähe einer in 17 gezeigten Austiefung zeigt.
19 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Endabschnitt einer Hochdruckentladungslampe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, worin ein Metallelement 7 mit der Innenwandoberfläche des Endabschnitts 1a der Entladungsröhre im Wesentlichen entlang der gesamten Länge der Oberfläche verbunden ist.
20 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Endabschnitt einer Hochdruckentladungslampe gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt, worin ein Durchgangsloch 46 eines Dichtungselements 39 durch einen Verbindungsabschnitt 6D der Erfindung abgedichtet ist.
21 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch einen Endabschnitt einer Hochdruckentladungslampe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, worin eine Öffnung 40 eines Endabschnitts 1a einer Entladungsröhre 1 durch einen Verbindungsabschnitt 6E der Erfindung abgedichtet ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 1 bis 7 sind Querschnittsansichten, die einen Endabschnitt einer Hochdruckentladungslampe der Erfindung zeigen.
Eine Innenwandoberfläche 1b eines Endabschnitts 1a einer keramischen Hochdruckentladungsröhre 1 ist so ausgebildet, dass sie sich gerade in die Richtung der Mittelachse der Röhre erstreckt. Ein Teil eines Dichtungselements 4 ist in eine Öffnung 40 des Endabschnitts 1a eingeführt. 4c kennzeichnet eine Außenoberfläche, während 46 ein Durchgangsloch im Dichtungselement 4 kennzeichnet.
Eine Einbuchtung oder Austiefung 9 ist an der Innenwandoberfläche 4a des Dichtungselements 4 ausgebildet. Ein Metallelement 7 ist in der Austiefung 9 gehalten. In dieser Ausführungsform weist das Metallelement 7 die Form einer Röhre auf, und in seinem Endabschnitt 7d ist eine Öffnung ausgebildet, wobei diese Öffnung nach dem Einbringen eines Startergases und einer ionisierbaren, Licht emittierenden Substanz abgedichtet wird. 7b kennzeichnet eine Innenoberfläche und 7c eine Außenoberfläche des Metallelements 7. Ein Innenraum des Metallelements 7 kommuniziert mit einem Innenraum der keramischen Entladungsröhre 1 (wird nachstehend beschrieben). Ein Vorsprung 42 ist im Dichtungselement 4 bereitgestellt und liegt einem Endabschnitt 7a des Metallelements 7 gegenüber.
Wie 1 zu entnehmen ist, stellten die Erfinder zunächst zwischen dem Metallelement 7 und dem Dichtungselement 4 eine poröse Knochenstruktur 2, die aus einem gesinterten Produkt eines Metallpulvers hergestellt ist und offene Poren aufweist, bereit. Ein Ring 20 aus Keramikmaterial wurde daraufhin auf der Knochenstruktur 2 an geordnet. Der Schmelzpunkt der Knochenstruktur 2 ist so eingestellt, dass er höher als jener des Keramikmaterials ist.
Beim Schmelzen des Keramikmaterials, was schematisch in 2 dargestellt ist, stellte der Erfinder fest, dass das geschmolzene Keramikmaterial in die offenen Poren hinein imprägniert worden war, um die Hauptphase 14 zu bilden, welche die poröse Knochenstruktur und die Keramikzusammensetzungsschicht umfasst. Der Erfinder fand weiters heraus, dass das so geschmolzene Material in die Grenzfläche des Dichtungselements 4 und der Hauptphase 14 geflossen war, sodass die Knochenstruktur leicht von der Oberfläche des Dichtungselements 4 abgehoben war, um die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13 auszubilden. Die Hauptphase 14 und die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13 bilden gemeinsam einen Verbindungsabschnitt 6, der das Metallelement 7 und das Dichtungselement 4 verbindet. 41 kennzeichnet eine Verbundgrenzfläche des Dichtungselements 4. Der Verbindungsabschnitt 6 erstreckt sich zum Bereich nahe dem Vorsprung 42. Eine Keramikzusammensetzungs-Verbindungsschicht 48 ist zwischen dem Vorsprung 42 und dem Endabschnitt 7a des Metallelements 7 ausgebildet.
Wie in 3 dargestellt ist, ist es auch möglich, eine Keramikzusammensetzungspaste 20' am Umfang des Metallelements 7, der Knochenstruktur 2 und dem Dichtungselement 4 aufzubringen, anstatt den Ring 20 aus Keramikmaterial auf der Knochenstruktur 2 anzuordnen.
Eine derartige Struktur wird unter Bezugnahme auf die Fotos des Rasterelektronenmikroskops aus den 4 und 5 sowie die Strichdiagramme aus den 6 und 7 erläutert. 4 ist ein Foto, das den Bereich in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Metallelement 7 und dem Dichtungselement 4 zeigt, während 6 ein Diagramm ist, das das Foto aus 4 veranschaulicht. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die das Foto aus 4 zeigt, während 7 ein Diagramm ist, das das Foto aus 5 veranschaulicht.
Die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13 und die Hauptphase 14 sind auf der Oberfläche des Dichtungselements 4 ausgebildet. Die Hauptphase 14 besteht aus der Knochenstruktur 15 und der Keramikzusammensetzungsschicht 10, die in die offenen Poren der Knochenstruktur 15 hinein imprägniert ist. Die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13 besteht aus der gleichen Zusammensetzung wie die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht 10. Die Hauptphase 14 des Verbindungsabschnitts 6 ist an der Oberfläche des Metallelements 7 ausgebildet. Im Foto aus 4 ist der weißliche Bereich in der Hauptphase 14 Molybdänmetall, während der graue oder schwarze Bereich der Hauptphase 14 die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht ist. Der Helligkeitsunterschied in der imprägnierten Keramikphase veranschaulicht, dass sich das Verhältnis der Komponenten im Keramikmaterial, wie etwa Aluminiumoxid, mikroskopisch verändert hat.
Im Verbundkörper mit der obigen Struktur wird die auf das Keramikmaterial wirkende Zugbeanspruchung durch die Metallteilchen (der porösen Knochenstruktur) verteilt, während die auf die Knochenstruktur wirkende Druckbeanspruchung durch das in die offenen Poren imprägnierte Keramikmaterial verteilt wird. Das bedeutet, dass die verschiedenen Materialarten zusammenwirken, um der auf den Verbindungsabschnitt wirkenden Zug- und Druckbeanspruchung standzuhalten. Zudem ist es schwierig, Risse in den Keramikmaterialen zu verursachen. Sollten Risse in der Keramikzusammensetzungsschicht entstehen, werden diese Risse außerdem gegebenenfalls durch die aus Metall hergestellte, poröse Knochenstruktur unterbrochen und so ein Brechen des Verbindungsabschnitts verhindert. Weiters haftet eine solche Hauptphase, die die poröse Knochenstruktur und die imprägnieret Keramikzusammensetzungsschicht umfasst, am Metallelement, und die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht haftet fest am Dichtungselement an.
Zudem sind die Keramikkomponenten, die korrosionsanfällig sind, in die offenen Poren der Knochenstruktur hinein imprägniert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass im Ausfallmechanismus der Hochdruckentladungslampe der Faktor der Wärmespannung und der Faktor der Korrosion eine Rolle spielen. Es hat sich weiters herausgestellt, dass es Temperaturbereiche gibt, in denen der Faktor der Wärmespannung vorherrscht, und Temperaturbereiche, in denen der Faktor der Korrosion vorherrscht. 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wärmebeständigkeitstemperatur, der Wärmespannung und der Korrosionsbeständigkeit der Hochdruckentladungslampe zeigt. Wie 8 zu entnehmen ist, ist der Faktor der Wärmespannung bei einer Wärmebeständigkeitstemperatur von 980 °C oder weniger, vorzugsweise von 950 °C oder weniger, dominant, während bei einer Wärmebeständigkeitstemperatur von über 980 °C, vorzugsweise von 1.050 °C oder weniger, der Korrosionsfaktor dominant ist. Gemäß den Untersuchungen des Erfinders ist es hinsichtlich der Korrosion von Vorteil, dass die Hochdruckentladungslampe eine Kristallinität von nicht unter 50 % aufweist.
Das oben angesprochene Phänomen kann wie folgt begründet werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Wärmespannung proportional zum Unterschied zwischen der echten Temperatur und dem Schmelzpunkt (der Erweichungstemperatur) des Gegenstands verläuft. Deshalb nimmt, wie durch die in 8 gezeigte Kurve a dargestellt ist, der Beitrag zur Wärmespannung mit steigender Temperatur ab. Bei einer Temperatur, die gleich hoch wie oder höher als der Schmelzpunkt ist, kommt es zu keiner wesentlichen Wärmespannung.
Andererseits nimmt, wie durch die in 8 gezeigte Kurve a dargestellt ist, die Korrosion (die chemische Reaktion) mit fallender Wärmebeständigkeitstemperatur ab. Dies liegt an der abnehmenden Aktivität des ionisierbaren, Licht emittierenden Materials, das in der Entladungsröhre eingefüllt ist, wenn die Temperatur der Entladungsröhre abnimmt, wodurch auch die Angriffe der Innenwand der Entladungsröhre und dergleichen abnehmen. Somit steigt bei einer relativ hohen Temperatur die chemische Stabilisierung der Hochdruckentladungslampe mit steigender Kristallinitätsrate.
Wird der Temperaturwechselbeanspruchungstest der keramischen Entladungsröhre bei 950 °C des Temperaturbereichs, in dem die Wärmespannung im Ausfallmechanismus der Hochdruckentladungslampe dominiert, durchgeführt, so ist der Mecha nismus des Wärmespannungsabbaus voll wirksam und die Korrosion relativ niedrig, sofern die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht der Hochdruckentladungslampe eine Kristallinität von nicht mehr als 50 % aufweisen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wärmespannung im Ausfallmechanismus der Hochdruckentladungslampe dominiert, wenn die Kristallinität nicht mehr als 50 % beträgt. In der Folge kommt es zu keinem Ausfall der Hochdruckentladungslampe. Andererseits ist es für die Hochdruckentladungslampe nicht von Vorteil, eine Kristallinität von nicht mehr als 50 % aufzuweisen, da der Mechanismus des Wärmespannungsabbaus nicht voll wirksam ist (vgl. 9). Beim Temperaturwechselbeanspruchungstest wurden 1.000 Zyklen der Temperaturwechselbeanspruchung durchgeführt. In diesem Fall wurde die Temperatur der Hochdruckentladungslampe in jedem Zyklus zunächst 15 Minuten lang bei Raumtemperatur gehalten, in der Folge auf 1.050 °C angehoben, bei 1.050 °C für 5 Minuten gehalten und schlussendlich wieder auf Raumtemperatur gesenkt.
Wird der Temperaturwechselbeanspruchungstest der keramischen Entladungsröhre bei 1.050 °C des Temperaturbereichs, in dem die Korrosion im Ausfallmechanismus der Hochdruckentladungslampe dominiert, durchgeführt, so ist die Korrosionsbeständigkeit voll wirksam und die Wärmespannung relativ niedrig, sofern die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht der Hochdruckentladungslampe eine Kristallinität von mehr als 50 % aufweisen. In der Folge kommt es zu keinem Ausfall der Hochdruckentladungslampe. Andererseits ist es für die Hochdruckentladungslampe nicht von Vorteil, eine Kristallinität von nicht mehr als 50 % aufzuweisen, da die Korrosionsbeständigkeit nicht voll wirksam ist (vgl. 10).
Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse von Würfeln, die in Quarzröhren angeordnet und bei einer Temperatur von 950 °C 4.000 Stunden Dyl₃ und Scl₃ ausgesetzt wurden. Jeder Würfel hatte 5-mm-lange Seiten und bestand aus Keramikzusammensetzungen mit einer Kristallinität von 46 %, 54 % und 75 %. Tabelle 1

✰:: unter 5 % des Korrosionsbereichs
:: 5 bis 20 % des Korrosionsbereichs
O:: 20 bis 30 % des Korrosionsbereichs
Δ:: 30 bis 40 % des Korrosionsbereichs

Wie bereits festgehalten wurde, ist der Beitrag zur Korrosionsbeständigkeit höher als jener zum Abbau der Wärmespannung, wenn die Wärmebeständigkeitstemperatur höher als 980 °C ist oder die Kristallinität über 50 % ausmacht. Andererseits ist der Beitrag zum Abbau der Wärmespannung höher als jener zur Korrosionsbeständigkeit, wenn die Wärmebeständigkeitstemperatur unter 980 °C liegt oder die Kristallinität weniger als 50 % ausmacht. Enthält jedoch das ionisierbare, Licht emittierende Material eine Hauptkomponente aus einem Seltenerdmetallhalogenid, ist unabhängig von der Wärmebeständigkeitstemperatur eine Kristallinität von über 50 % bevorzugt, da aufgrund seiner starken Korrosion der Beitrag zur Korrosion bei Temperaturen unter 980 °C relativ hoch ist. "Hauptkomponente" bezeichnet hierin eine Komponente eines ionisierbaren, Licht emittierenden Materials, das, abgesehen vom Startermedium, nicht weniger als 15 Gew.-% des ionisierbaren, Licht emittierenden Materials ausmacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Wärmebeständigkeitstemperatur bei 1.050 °C, wenn sich die Kristallinität auf 55 % beläuft. Folglich kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf Lampen für die allgemeine Beleuchtung, sondern auch auf Scheinwerfer für Fahrzeuge angewendet werden, die eine relativ hohe Wärmebeständigkeitstemperatur von nicht weniger 1.000 °C und eine äußerst gute Temperaturwechselbeständigkeit voraussetzen.
Der Verbundkörper der vorliegenden Erfindung ist besonders für eine Hochdruckentladungslampe geeignet. In diesem Fall ist eine solche Hochdruckentladungslampe gegenüber wiederholten Zyklen des Ein- und Ausschaltens sowie gegenüber einem korrosiven gas, das im Innenraum einer keramischen Entladungsröhre enthalten ist, höchst stabil.
In der Erfindung weisen die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Art der Zusammensetzung auf. Das bedeutet, dass sie insgesamt demselben Bestandteilesystem zugeordnet sind, wodurch die Festigkeit des Verbindungsabschnitts erhöht wird. Die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht weisen zudem vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung auf. Das bedeutet, dass die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht aus dem gleichen Material gefertigt sind.
Der Kristallinitätsgrad der Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und der imprägnierte Keramikzusammensetzungsschicht ist nicht eingeschränkt, kann jedoch vorzugsweise 80 % und mehr betragen. In diesem Fall ist für den Grad keine Obergrenze gesetzt und kann sich auf 100 % belaufen.
Um die Beziehung zwischen der Kristallinitätsrate und jener der Korrosion zu untersuchen, wurden Würfel in Quarzröhren angeordnet und bei einer Temperatur von 1.000 °C Dyl₃ und Scl₃ ausgesetzt. Jeder Würfel hatte 5-mm-lange Seiten und bestand aus Keramikzusammensetzungen mit einer Kristallinität von 60 %, 70 % und 80 %. Die Ergebnisse sind die folgenden: Tabelle 2

Wie Tabelle 2 zu entnehmen ist, nimmt die Korrosion mit steigender Kristallinität zu. Mit anderen Worten ist die Korrosion bei einer Kristallinität von 70 % höher als bei einer Kristallinität von 60 %, und die Korrosion bei einer Kristallinität von 80 % ist wiederum höher als bei einer Kristallinität von 70 %. Insbesondere kann die Korrosion bei einer Kristallinität von 80 % nicht höher als 20 % sein, selbst wenn die Würfel 6.000 Stunden lang ausgesetzt sind.
Gegebenenfalls umfasst jedes Keramikmaterial, aus dem die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht gebildet ist, und jedes Keramikmaterial, aus dem die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht gebildet ist, eines oder mehrere aus der aus Al₂O₃, Sc₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, H₂O₃, Tm₂O₃, SiO₂, MoO₂ und MoO₃ bestehenden Gruppe ausgewählte Oxide. Ein Gemisch aus nicht weniger als zwei der Oxide ist besonders bevorzugt. Ein eutektisches Zweikomponentengemisch aus Dy₂O₃-Al₂O₃ oder Sc₂O₃-Al₂O₃ Ist aufgrund des wesentlich hohen Schmelzpunkts im Bereich von 1.800 °C noch bevorzugter.
Um die Korrosion durch das in der Hochdruckentladungslampe enthaltene korrosive Gas auf lange Zeit zu verhindern, beträgt gegebenenfalls die SiO₂-Zusammensetzung, bei der es sich um einen relativ korrosiven Bestandteil handelt, in jedem Keramikmaterial 15 Gew.-% oder weniger, noch bevorzugter 5 Gew.-% oder weniger. In der Folge ist es möglich, die Kristallinität der Keramikmaterialien gut zu regulieren.
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Gew.-% von SiO₂ und der Kristallinität eines Keramikmaterials zeigt. Diese Beziehung ist hier in Bezug auf eine Dauer der Senkung der Behandlungstemperatur um 500 °C von 15 Minuten dargestellt. Wie 11 zu entnehmen ist, beträgt die Kristallinität nicht weniger als 50 %, wenn der SiO₂-Gehalt des Keramikmaterials bei unter 15 % liegt.
SiO₂ wirkt auch als eine Art Bindemittel, um die Form des Keramikmaterials zu erhalten, wenn der Verbundkörper hergestellt wird. Angesichts dieser formerhaltenden Eigenschaft sind somit vorzugsweise 5 ppm oder mehr SiO₂, noch bevorzugter 20 ppm oder mehr, enthalten.
Gegebenenfalls umfasst jedes Keramikmaterial im Besonderen Al₂O₃. Hinsichtlich der Benetzbarkeit enthält jedes Keramikmaterial vorzugsweise eine Hauptkomponente des Keramik- oder Cermetmaterials, aus dem das zweite Element gebildet ist. Die "Hauptkomponente" bezeichnet hierin eine Keramikkomponente, die 70 Gew.-% oder mehr des Keramikmaterials ausmacht, oder eine Keramikkomponente, die 60 Gew.-% oder mehr des Cermetmaterials ausmacht.

Im Folgenden sind die bevorzugten Komponentenbereiche aufgeführt:

(1) Al₂O₃	10 bis 80 Gew.-%
SiO₂	10 Gew.-% oder weniger (vorzugsweise 5 ppm oder mehr)
Y₂O₃	0 bis 40 Gew.-%
Dy₂O₃	0 bis 50 Gew.-%
B₂O₃	0 bis 10 Gew.-%
MoO₃	0 bis 10 Gew.-%
(2) Al₂O₃	10 bis 80 Gew.-%
SiO₂	0 bis 10 Gew.-%
Y₂O₃	10 bis 25 Gew.-%
Dy₂O₃	10 bis 50 Gew.-%

Das Metallelement kann aus einem mehreren aus der aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob, Tantal und Legierungen dieser bestehenden Gruppe ausgewählten Metallen hergestellt sein.
Von diesen weisen Niob und Tantal einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem eines Keramikmaterials, insbesondere Aluminiumoxid, entspricht, aus welchem eine keramische Entladungsröhre aufgebaut ist. Es ist jedoch bekannt, das Niob und Tantal einem Metallhalogenid gegenüber korrosionsanfällig sind. Es ist deshalb wünschenswert, das Metallelement aus einem Metall herzustellen, das aus der aus Molybdän, Wolfram, Rhenium und Legierungen dieser bestehenden Gruppe ausgewählt ist, um die Lebensdauer des Metallelements zu verbessern. Allerdings weisen derartige Metalle mit höher Beständigkeit gegenüber Metallhalogeniden im Allgemeinen einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Beispielsweise weist ein Aluminiumoxid-Keramikmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 8 × 10^–6K^–1 und Molybdän von 6 × 10^–6K^–1 auf, während jener von Wolfram und Rhenium nicht mehr als 6 × 10^–6K^–1 beträgt. In einem solchen Fall mindert die erfindungsgemäße Verbundstruktur wirksam die Beanspruchung, die sich aus dem Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallelement und der keramischen Entladungsröhre oder dem Dichtungselement ergibt, so wie oben bereits beschrieben wurde.
Molybdän ist zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Struktur geeignet, da es die Vorteile einer hohen Beständigkeit gegenüber Metalldampf, insbesondere gegenüber einem Metallhalogenidgas, und einer hohen Benetzbarkeit für ein Keramikmaterial aufweist.
Wird Molybdän als Material für das Metallelement verwendet, so werden dem Molybdän vorzugsweise eines aus La₂O₃ und CeO₂ in einem Verhältnis von insgesamt 0,1 bis 2,0 Gew.-% zugemischt.
Eine poröse Knochenstruktur ist aus einem gesinterten Produkt eines Metallpulvers hergestellt. Das Metallpulver ist vorzugsweise aus einem aus der aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob, Tantal und Legierungen dieser bestehenden Gruppe ausgewählten Metall hergestellt. Zur weiteren Verbesserung der Beständigkeit der Struktur gegenüber einem Halogen ist ein aus der aus Molybdän, Wolfram, Rhenium und Legierungen dieser bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall besonders bevorzugt.
Die Hauptkomponenten der Metalle, aus denen das Metallelement und die poröse Knochenstruktur gebildet sind, sind vorzugsweise die gleichen und noch bevorzugter Molybdän. Dies (Hauptkomponente) bedeutet, dass die Komponente einen Anteil von nicht weniger als 60 Gew.-% des Metalls ausmacht.
Die poröse Knochenstruktur weist vorzugsweise eine Porosität an offenen Poren von nicht weniger als 15 % und noch bevorzugter von nicht weniger als 40 % auf, wodurch die Festigkeit des Verbindungsabschnitts erhöht wird. Die Porosität ist vorzugsweise nicht größer als 80 % und noch bevorzugter nicht größer als 70 %, wodurch das Keramikmaterial wirksam in die offenen Poren der Knochenstruktur hinein imprägniert und die auf die Struktur wirkende Beanspruchung verteilt wird, um die Beständigkeit gegenüber wiederholter Temperaturwechselbeanspruchung zu erhöhen.
Das zweite Element oder Dichtungselement ist aus einem Keramik- oder Cermetmaterial hergestellt. Das Keramikmaterial kann vorzugsweise ein einziges Keramikmaterial, ausgewählt aus der aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid und Zirconiumdioxid bestehenden Gruppe, oder aber eine Gemischverbindung dieser sein.
Im Besonderen kann das Dichtungselement aus der gleichen oder aus anderen Materialarten wie jene der keramischen Entladungsröhre hergestellt sein. Ist der elektrische Leiter aus Niob oder Tantal hergestellt, so bestehen die keramische Entladungsröhre und das Dichtungselement vorzugsweise aus derselben Materialart, da in diesem Fall der Wärmeausdehnungskoeffizient des elektrischen Leiters jenem der keramischen Entladungslampe und des Dichtungselements angenähert ist. Dies (dieselbe Materialart) bedeutet, dass die Grundkomponente der Keramikmaterialen die gleiche ist und die zugesetzten Komponenten entweder gleich oder unterschiedlich sind.
Ist das Metallelement aus Molybdän, Wolfram, Rhenium oder Legierungen dieser hergestellt, so ist der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der keramischen Entladungsröhre und des Dichtungselements relativ hoch. Deshalb ist es bevorzugt, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Dichtungselements auf einen Wert zwischen dem des elektrischen Leiters und dem des Endabschnitts der keramischen Entladungsröhre einzustellen. Aus diesem Grund ist das Dichtungselement gegebenenfalls aus einem Cermetmaterial gebildet.
Ein Cermetmaterial ist ein Verbundmaterial aus Keramik und Metall. Ein derartiges Keramikmaterial ist gegebenenfalls vorzugsweise ein einziges Keramikmaterial, das aus der aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid und Zirconiumdioxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist, oder aber eine Gemischverbindung dieser, und noch bevorzugter die gleiche Art Keramik wie jene der keramischen Entladungsröhre, wodurch es möglich wird, die keramische Entladungsröhre und das Dichtungselement gleichzeitig zu brennen. Von diesem Standpunkt aus betrachtet sind die Keramikkomponenten der keramischen Entladungsröhre und des Cermetmaterials noch bevorzugter Aluminiumdioxid-Keramik.
Die Metallkomponente des Cermetmaterials ist vorzugsweise aus Metall mit einem hohen Schmelzpunkt und hoher Beständigkeit gegenüber einem Metallhalogenid, wie etwa Wolfram, Molybdän, Rhenium oder dergleichen sowie Legierungen dieser, um so ein Dichtungselement mit verbesserter Beständigkeit gegenüber dem Metallhalogenid zu erhalten. Das Cermetmaterial umfasst vorzugsweise nicht weniger als 55 Gew.-%, noch bevorzugter nicht weniger als 60 Gew.-%, einer Keramikkomponente (der Rest ist eine Metallkomponente).
Vorzugsweise weist jedes der Materialien, die die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägniert Keramikzusammensetzungsschicht bilden, ei nen Schmelzpunkt auf, der nicht höher als die Temperatur des Schmelzpunkts eines das zweite Element bildenden Keramik- oder Cermetmaterials minus 200 °C ist. Dadurch kommt es nur selten zu Korngrenzrissen im zweiten Element. in diesem Fall liegt der Schmelzpunkt eines jeden Materials nicht unter 1.500 °C.
Das oben beschriebene Verbindungsverfahren kann auf beide Enden einer Keramikröhre angewendet werden. An einem Ende ist es jedoch notwendig, ein röhrenförmiges Metallelement anzubringen, um eine ionisierbare, Licht emittierende Substanz durch den Innenraum des Metallelements einzuführen. Am anderen Ende können Metallelemente verschiedenster Formen, etwa eines Stabs, einer Röhre oder dergleichen, angebracht werden.
Die Form der keramischen Entladungsröhre ist nicht im Besonderen eingeschränkt und umfasst die Form einer Röhre, eines Zylinders, eines bauchigen Zylinders oder dergleichen. Ist das Metallelement ein ein Elektrodensystem tragendes röhrenförmiges Element, durch welches eine ionisierbare, Licht emittierende Substanz in den Innenraum der Entladungsröhre eingeführt wird, so wird das das Elektrodensystem tragende Element durch Laserschweißen oder Wolframinertschweißen abgedichtet. Beim Laserschweißen wird beispielsweise ein Nd/YAG-Laser verwendet. In diesem Fall weist ein Spalt zwischen dem Metallelement und der in das Metallelement einzuführenden Elektrode in Querschnittsrichtung eine Größe zwischen 30 und 150 μm auf, da ein zu großer Spalt zur Tendenz führt, dass sich das Licht emittierende Material im Spalt ansammelt und dadurch die Ungleichmäßigkeit der Eigenschaft verstärkt wird, während ein zu kleiner Spalt mit sich bringt, dass das Elektrodensystem das das Elektrodensystem tragende Element im Wesentlichen berührt und die Wärmespannung seines Verbindungsabschnitts ansteigt, wodurch eine Tendenz zum Bruch des Verbindungsabschnitts entsteht.
Im Falle einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe werden ein Inertgas, beispielsweise Argon, ein Metallhalogenid und optional Quecksilber in den Innenraum der keramischen Entladungsröhre eingeführt.
Die 1, 2, 3, 12, 13 und 14 zeigen Ausführungsformen der Endabschnitte der Lampe, auf welche die Erfindung angewendet wird.
Ein Verbindungsabschnitt 6 der Erfindung ist zwischen einem Dichtungselement 4 und einem Metallelement 7 eingeschoben, um diese miteinander zu verbinden und Luftdichtigkeit zu gewährleisten.
Wie in 12 zu erkennen ist, ist eine Achse 27 eines Elektrodensystems 18 an einem Stopfelement 19 (vorzugsweise aus Metall hergestellt) angebracht, das Elektrodensystem 18 in den Innenraum einer keramischen Entladungsröhre eingeführt und das Stopfelement 19 in den Innenraum des Metallelements eingeführt. Wie 13 zu entnehmen ist, ist es möglich, ein Metallende 7a einem Innenraum des Metallelements 7 der keramischen Entladungsröhre auszusetzen und einen Anschlag 48' bereitzustellen. Wie in 14 dargestellt ist, ist ein Endabschnitt 19a des Stopfelements 19 mithilfe eines obgenannten Schweißvorgangs oder dergleichen am Metallelement 7 angebracht, um einen Dichtungsabschnitt 21 auszubilden, wodurch die ionisierbare, Licht emittierende Substanz und ein Startergas im Innenraum der keramischen Entladungsröhre von der Außenatmosphäre abgedichtet sind und das Elektrodensystem 18 durch das Stopelement 19 mit elektrischem Strom gespeist wird. Ein Vorsprung 42 dient der Positionierung des Metallelements 7 und der Verlängerung des Strömungswegs des korrosiven Gases.
15 ist ein Diagramm, das schematisch eine Ausführungsform einer Hochdruckentladungslampe zeigt. Ein Hochdruckentladungslampensystem 23 umfasst eine äußere Röhre 30, die im Allgemeinen aus einem Hartglas hergestellt ist und in der eine Hochdruckentladungslampe 1 enthalten ist. Beide Enden der äußeren Röhre 30 sind mit Keramikkappen 22 verschlossen. Jedes Stopfelement 19 ist in jeweils einem der Metallelemente 7 eingeführt und mit diesem verbunden. Ein äußerer Leitungsdraht 25 ist am äußeren Ende 19a eines jeden Stopfelements 19 angeschlossen.
In der in 16 veranschaulichten Ausführungsform weist das Dichtungselement 4 keinen Vorsprung an seiner Innenwandoberfläche auf. Das Metallelement 7 und die Innenwandoberfläche des Dichtungselements 4 sind im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Durchgangslochs 46 des Dichtungselements 4 miteinander verbunden. 6A kennzeichnet einen Verbindungsabschnitt, 13A eine Glaszwischenschicht und 14A die Hauptphase.
In der in 17 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Innenwandoberfläche 1b des Endabschnitts 1a der keramischen Entladungsröhre 1 geradeaus in die Richtung der Hauptachse der keramischen Entladungsröhre. Eine Austiefung 31 ist im Endabschnitt 1d der Innenwandoberfläche 1b des Endabschnitts 1a ausgebildet. Ein Endabschnitt 7a eines Metallelements 7 ist in der Austiefung 31 getragen. Ein Verbindungsabschnitt 6B ist zwischen der Entladungsröhre 1 und dem Metallelement 7 angeordnet, um diese mit in der Austiefung 31 miteinander zu verbinden und so die Luftdichtigkeit sicherzustellen. 32 kennzeichnet eine Metallschicht.
18 ist eine vergrößerte Ansicht des Bereichs in der Nähe der in 17 gezeigten Austiefung 31. Der Verbindungsabschnitt 6B umfasst eine Hauptphase 14B, welche das Metallelement 7 berührt, während eine Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13B die Entladungsröhre 1 berührt. Die Metallschicht 32 bedeckt die Innenwandoberfläche 1b des Endabschnitts 1a der keramischen Entladungsröhre 1, bedeckt weiters die Oberfläche der Austiefung 31, berührt den Rand des Endabschnitts 7a des Metallelements 7 und erstreckt sich bis zum Rand des Verbindungsabschnitts 6B.
Die Ausführungsform aus 19 weist keinen Vorsprung an der Innenwandoberfläche 1b des Endabschnitts 1a der keramischen Entladungsröhre 1 auf, und die Innenwandoberfläche 1b erstreckt sich im Wesentlichen geradeaus. Die Innenwandoberfläche 1b des Endabschnitts 1a und das Metallelement 7 sind im Wesentlichen entlang der gesamten Länge einer Öffnung 40 des Endabschnitts 1a miteinander verbunden. 6C kennzeichnet einen Verbindungsabschnitt, 13C eine Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und 14C die Hauptphase.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt zwischen der Außenoberfläche des Metallelements 7 und der Innenwandoberfläche des Endabschnitts der keramischen Entladungsröhre oder dem Dichtungselement bereitgestellt. Mit anderen Worten dichten die obigen erfindungsgemäßen Verbindungsabschnitte nicht die Öffnung im Endabschnitt der keramischen Entladungsröhre oder das Durchgangsloch des Dichtungselements ab. Der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt weist aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und kann deshalb die Öffnung der keramischen Entladungsröhre von selbst abdichten, indem die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht die Innenwandoberfläche, die der Öffnung gegenüberliegt, kontaktiert, wobei Letzere durch die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die Hauptphase mit aufrechterhaltener Luftdichtigkeit abgedichtet wird.
Alternativ dazu kann die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht die Innenwandoberfläche, die dem Durchgangsloch des Dichtungselements gegenüberliegt, kontaktieren, um Letzeres durch die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die Hauptphase mit aufrechterhaltener Luftdichtigkeit abzudichten. In diesen Fällen ist das Metallelement 7 mit der Hauptphase verbunden, ohne sich durch den Verbindungsabschnitt zu erstrecken. Die 20 und 21 veranschaulichen derartige Ausführungsformen.
In der Ausführungsform aus 20 ist ein erstes Dichtungselement 37 im Inneren der Innenoberfläche 38b in der Nähe einer Stirnfläche 38c der keramischen Entladungsröhre 38 einer Hochdruckentladungslampe eingeführt. Die Außenoberfläche 38a der keramischen Entladungsröhre 38 erstreckt sich geradeaus in die Längsrichtung dieser. Die Dicke der Entladungsröhre 38 ist im Wesentlichen gleichmäßig. Ein zweites zylindrisches Dichtungselement 39 ist in den Innenraum des ersten Dichtungselements 37 eingeführt. Die Dichtungselemente 37 und 39 sind so wie die zuvor beschriebenen Dichtungselemente aus einem Keramik- oder Cermetmaterial hergestellt. Der Verbindungsabschnitt 6D der Erfindung ist im Inneren des zweiten Dichtungselements 39 ausgebildet.
Bei der Ausbildung des Verbindungsabschnitts 6D wird eine poröse Knochenstruktur in das Dichtungselement 39 eingeführt. Vorzugsweise sind bereit zuvor ein Metallelement und eine Metallachse 27, hergestellt aus Molybdän, mit der Knochenstruktur verbunden worden. Sind der Außendurchmesser der porösen Knochenstruktur und der Innendurchmesser der Innenwandoberfläche 39a des Dichtungselements 39 auf exakt den gleichen Wert eingestellt worden, ist es aufgrund des nicht vorhandenen dimensionalen Spalts gegebenenfalls nicht möglich, die poröse Knochenstruktur einzuführen. Vorzugsweise ist ein Spalt von 0,05 bis 0,10 mm bereitgestellt. Beim Einführen der porösen Knochenstruktur und Schmelzen eines Keramikmaterials auf der Knochenstruktur wird das Keramikmaterial in die poröse Knochenstruktur hinein imprägniert, um die Hauptphase 14D zu bilden, und eine Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13D bildet sich im Spalt zwischen der Knochenstruktur und dem Dichtungselement 39.
Folglich wird das Durchgangsloch 46 des Dichtungselements 39 durch die Hauptphase 14D im Wesentlichen abgedichtet und die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht 13D im Spalt zwischen der Hauptphase 14D und der Innenwandoberfläche 39a des Dichtungselements 39 ausgebildet. Die Achse 27 wird mit der dem Innenraum 17 gegenüberliegen Oberfläche der Hauptphase 14D verbunden, während ein Metallelement 35 mit der Außenoberfläche der Hauptphase 14D verbunden wird.
Zudem wird eine Keramikzusammensetzungsschicht 45 im Spalt zwischen dem Metallelement 35 und dem Dichtungselement 39 ausgebildet.
In der in 21 dargestellten Ausführungsform ist, wie bereits in 20 gezeigt, der erfindungsgemäße Verbindungsabschnitt 6E innerhalb einer Öffnung 40 des Endabschnitts 1a der Entladungsröhre 1 ausgebildet.
Bei der Ausbildung des Verbindungsabschnitts 6E wird eine poröse Knochenstruktur in die innere Öffnung 40 des Endabschnitts 1a der Entladungsröhre 1 eingeführt. Ein Metallelement 35 und eine Metallachse 27 sind bereits zuvor mit der Knochenstruk tur verbunden worden. Ein Spalt von vorzugsweise 0,05 bis 0,10 mm ist zwischen der Außenoberfläche der Knochenstruktur und der Innenoberfläche 1b der Entladungsröhre 1 bereitgestellt. Beim Einführen der porösen Knochenstruktur und Schmelzen eines Keramikmaterials auf der Knochenstruktur wird das geschmolzene Keramikmaterial in die poröse Knochenstruktur hinein imprägniert, um die Hauptphase 14E zu bilden, und eine Glaszwischenschicht 13E bildet sich im Spalt zwischen der Hauptphase 14E und der Entladungsröhre 1.
Die Beziehung zwischen dem Spalt zwischen der Außenoberfläche der Knochenstruktur und der Innenoberfläche der Entladungsröhre, der Einführung des Elektrodensystems (die Einfachheit des Einführens) und die Füllung der Keramikzusammensetzung in der porösen Knochenstruktur sind im Folgenden dargestellt. Tabelle 3

:: hervorragend
O:: gut
Δ:: mittelmäßig

Beträgt der Spalt 0,03 mm, ist die Außenoberfläche der Knochenstruktur in Kontakt mit der Innenoberfläche der Entladungsröhre, sodass die Knochenstruktur beschädigt werden kann, wenn das Elektrodensystem in seine Einführungsrichtung geneigt wird. Im Gegensatz dazu wird bei einer Spaltgröße von 0,12 mm die Keramikzusammensetzung nicht in die Knochenstruktur eingefüllt, wodurch die Keramikzusammensetzung gegebenenfalls nach unten fließt.
Nun wird das am meisten bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Hochdruckentladungslampen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Wird ein Dichtungselement verwendet, so wird das pulverförmige Rohmaterial (vorzugsweise Aluminiumoxidpulver) des Dichtungselements zu einem Formkörper des Dichtungselements, vorzugsweise in der Gestalt eines Rings, geformt. In diesem Stadium ist es bevorzugt, durch eine Zerstäubungstrockner granulierte Körnchen mit einem Druck von 196 bis 294 MPa (2.000 bis 3.000 kp/cm²) presszuformen. Der erhaltene, geformte Körper kann bevorzugt einer Entparaffinierung und Kalzinierung unterzogen werden, um einen kalzinierten Körper zu erhalten, der daraufhin bei einer Temperatur zwischen 1.600 und 1.900 °C unter reduzierender Atmosphäre mit einem Taupunkt von –15 bis 15 °C fertig gesintert wird.
Der Entparaffinierungsvorgang wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 600 bis 800 °C durchgeführt, während der Kalzinierungsvorgang vorzugsweise bei einer Temperatur von 1.200 bis 1.400 °C unter einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird. Die Kalzinierung kann dem Formkörper des Dichtungselements eines gewissen Grad an Festigkeit verleihen und die Handhabe des Dichtungselements erleichtern. Eine Austiefung kann beispielsweise maschinell ausgebildet werden.
Zudem wird Metallpulver formuliert, zerkleinert, getrocknet und mit einem zugesetzten Bindemittel, etwa Ethylcellulose, Acrylharz oder dergleichen gemahlen, um eine Paste zu erhalten, die dann auf die Außenoberfläche des Endabschnitts des Metallelements aufgebracht und bei einer Temperatur von 20 bis 60 °C getrocknet wird. Der erhaltene kalzinierte Körper wird daraufhin bei einer Temperatur von 1.200 bis 1.700 °C unter reduzierender oder inerter Atmosphäre mit einem Taupunkt von 20 bis 50 °C gesintert.
Weiters wird der Hauptkörper einer keramischen Entladungsröhre geformt, entparaffiniert und kalziniert, um einen kalzinierten Körper der keramischen Entladungsröhre zu erhalten. Ein vorgesinterte Körper des Dichtungselements wird in den Endabschnitt des erhaltenen kalzinierten Körpers eingeführt, an einer vorbestimmten Posi tion angeordnet und bei einer Temperatur von 1.600 bis 1.900 °C unter reduzierender Atmosphäre mit einem Taupunkt von –15 bis 15 °C fertig gesintert, um eine keramische Entladungsröhre zu erhalten.
Des Weiteren wird Pulver oder Fritte zu einer vorbestimmten Keramikzusammensetzung vorformuliert, zerkleinert, mit einem zugesetzten Bindemittel, wie etwa Polyvinylalkohol oder dergleichen, granuliert, pressgeformt und entparaffiniert, um ein Formmaterial zu erhalten.
Alternativ dazu wird Pulver oder Fritte für ein Keramikmaterial geschmolzen und verfestigt, um einen Festkörper zu erhalten, der dann zerkleinert, mit einem zugesetzten Bindemittel granuliert, pressgeformt und entparaffiniert wird. In diesem Fall sind der Zusatz von 3 bis 5 Gew.-% eines Bindemittels zum Pulver, die Pressformung unter einem Druck von 1 bis 5 Tonnen, die Entparaffinierung bei etwa 700 °C und die Kalzinierung bei einer Temperatur von 1.000 bis 1.200 °C bevorzugt.
Eine derartige Entladungsröhre, Dichtungselement, Metallelement, poröse Knochenstruktur und Formmaterial werden nun wie in 1 dargestellt zusammengefügt und unter nichtoxidierender Atmosphäre auf eine Temperatur von 1.000 bis 1.600 °C erhitzt.
Die unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschriebene keramische Entladungslampe wurde mithilfe des obigen Verfahren hergestellt. Die keramische Entladungsröhre und das Dichtungselement wurden aus Aluminiumoxid-Keramik gefertigt und ein aus Molybdän hergestelltes Rohr als Metallelement verwendet. Als poröse Knochenstruktur wurde Molybdänpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 3 μm und als Bindemittel Ethylcellulose verwendet. Das Molybdänpulver wies eine Klopfdichte von 2,9 g/cm³ auf. Die Zusammensetzung der imprägnierten Keramikphase und der Keramikzwischenschicht bestand aus 20 Gew.-% Dysprosiumoxid, 17 Gew.-% Lanthanoxid, 35 Gew.-% Aluminiumoxid, 20 Gew.-% Yttriumoxid und 8 Gew.-% Siliciumdioxid. In der erhaltenen Verbundschicht betrug die Kristallinität des diese bildenden Keramikmaterials 80 %.
Die keramische Entladungsröhre wurde einem Temperaturwechselbeanspruchungstest unterzogen. Hier wurde im Besonderen die Temperatur pro Zyklus zunächst 15 Minuten lang bei Raumtemperatur gehalten, in der Folge auf 1.050 °C angehoben, bei 1.050 °C 5 Minuten lang gehalten und schlussendlich wieder auf Raumtemperatur gesenkt. 1.000 solcher Temperaturwechselzyklen wurden durchgeführt. Danach wurde ein Helium-Lecktest durchgeführt, um das Auslecken von Helium zu überprüfen. Die Leckrate war geringer als 10^–5 Pa·cm³·s (10^–10 atm·cm³·s).
850 °C ist die normalerweise verwendete Temperatur, während 1.050 °C eine Überlastungstemperatur ist. Beständigkeit gegenüber Letzterer bedeutet, dass die Entladungsröhre ein Startergas und eine ionisierbare, Licht emittierende Substanz über einen langeren Zeitraum sicher in sich halten kann, und zwar selbst dann, wenn das Gas und die Substanz unter einem höheren Druck als ein Normalwert in die Entladungsröhre eingeführt wird.
Nebenbei bemerkt handelt es sich bei den 4 und 5 um von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Fotos, welche die Grenzfläche zwischen der Innenoberfläche eines Metallelements 7 und einem Dichtungselement 4 dieser Ausführungsform zeigen.
Dem obigen Verfahren entsprechend wurde eine weiter Hochdruckentladungslampe hergestellt. Allerdings umfasste die Zusammensetzung des Keramikmaterials 47 Gew.-% Dysprosiumoxid, 48 Gew.-% Aluminiumoxid, 1 Gew.-% Yttriumoxid und 4 Gew.-% Siliciumdioxid. In der erhaltenen Verbundschicht betrug die Kristallinität des die imprägnierte Keramikphase und die Keramikzwischenschicht bildenden Keramikmaterials 90 %.
Die keramische Entladungsröhre wurde einem Temperaturwechselbeanspruchungstest unterzogen. Hier wurde die Temperatur pro Zyklus zunächst 15 Minuten lang bei Raumtemperatur gehalten, in der Folge auf 1.050 °C angehoben, bei 1.050 °C 5 Minuten lang gehalten und schlussendlich wieder auf Raumtemperatur gesenkt. 1.000 solcher Temperaturwechselzyklen wurden durchgeführt. Danach wurde ein Helium- Lecktest durchgeführt, um das Auslecken von Helium zu überprüfen. Die Leckrate war geringer als 10^–5 Pa·cm³·s (10^–10 atm·cm³·s).
Wird kein Dichtungselement in der Hochdruckentladungslampe verwendet, so wird zunächst der Hauptkörper der keramischen Entladungsröhre geformt, um einen geformten Körper zu erhalten, der dann entparaffiniert, kalziniert und fertig gesintert wird. Zudem wird auf die oben beschriebene Weise ein Metallpulver hergestellt, auf die Oberfläche eines Metallelements aufgetragen oder aufgedruckt und einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine poröse Knochenstruktur zu erhalten. Nachdem die Entladungsröhre und das Metallelement zusammengefügt wurden und das oben beschriebene Material fix angeordnet wurde, wird das ganze so wie zuvor beschrieben wärmebehandelt, um eine Hochdruckentladungslampe zu erhalten.
Der erfindungsgemäße Verbundkörper und das Verbindungsverfahren können, abgesehen von Hochdruckentladungslampen, auch auf eine Vielzahl anderer Strukturkörper angewendet werden, beispielsweise auf eine Vakuum-Schaltvorrichtung, die einen leitenden Abschnitt oder Anschluss aufweist, dessen Luftdichtigkeit bei hohen Temperaturen von etwa 900 °C unabdingbar gewährleistet sein muss.
In jüngster Zeit entwickelte sich auf internationaler Ebene die Anforderung der Verwendung von Hochdruck-Xenongas in Hochdruckentladungslampen anstelle von Quecksilber. Durch die Festigkeit bei hohen Temperaturen, die mit der Hochdruckentladungslampe gemäß der Erfindung erzielt werden kann, ist es möglich, dem Anstieg des Innendrucks, der bei der Zündung einer Hochdruckentladungslampe, die kein Quecksilber enthält, entsteht, standzuhalten. Demzufolge kann die Hochdruckentladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Lampen für allgemeine Beleuchtungszwecke, sondern auch auf Scheinwerfer für Fahrzeuge angewendet werden.

Claims

Verbundkörper aus einem ersten, aus Metall hergestellten Element (7) und einem zweiten, aus einem Keramik- oder Cermetmaterial hergestellten Element (4, 1a), worin der Verbundkörper einen zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element eingeschobenen Verbindungsabschnitt (6) zum Verbinden des ersten und des zweiten Elements umfasst, wobei der Verbindungsabschnitt eine Hauptphase (14), die das erste Element berührt, und eine Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht (13), die das zweite Element berührt und die zwischen dem zweiten Element und der Hauptphase existiert, umfasst, und die Hauptphase eine poröse Knochenstruktur (15) mit offenen Poren umfasst, die aus einem gesinterten Produkt aus einem Metallpulver hergestellt ist, und die Hauptphase weiters eine Keramikzusammensetzungs-Schicht (10) umfasst, die in die offenen Poren der porösen Knochenstruktur hinein imprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht jeweils eine Kristallinität von mehr als 50 % aufweisen.
Verbundkörper nach Anspruch 1, worin die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht das Keramik- oder das Cermetmaterial, aus dem das zweite Element gebildet ist, als eine Hauptkomponente enthalten.
Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, worin das die poröse Knochenstruktur bildende Metall das Metall, aus dem das erste Element gebildet ist, als eine Hauptkomponente enthält.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht und die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht aus Keramikmaterialen hergestellt sind, die dasselbe Bestandteilesystem aufweisen.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die poröse Knochenstruktur eine aus offenen Poren gebildete Porosität von nicht weniger als 30 % und nicht mehr als 80 % aufweist.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die keramische Zwischenschicht und die imprägnierte keramische Schicht jeweils eine Kristallinität von nicht weniger als 60 % aufweisen.
Verbundkörper nach Anspruch 6, worin die keramische Zwischenschicht und die imprägnierte keramische Schicht jeweils eine Kristallinität von nicht weniger als 70 % aufweisen.
Verbundkörper nach Anspruch 7, worin die keramische Zwischenschicht und die imprägnierte keramische Schicht jeweils eine Kristallinität von nicht weniger als 80 % aufweisen.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das Keramikmaterial, aus dem die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht gebildet ist, und das Keramikmaterial, aus dem die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht gebildet ist, jeweils ein oder mehrere aus der aus Al₂O₃, Sc₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Tm₂O₃, SiO₂, MoO₂ und MoO₃ bestehenden Gruppe ausgewählte Oxide umfasst.
Verbundkörper nach Anspruch 9, worin das Keramikmaterial, aus dem die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht gebildet ist, und das Keramikmaterial, aus dem die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht gebildet ist, jeweils drei oder mehr aus der aus Al₂O₃, Sc₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Gd₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Tm₂O₃, SiO₂, MoO₂ und MoO₃ bestehenden Gruppe ausgewählte Oxide umfasst.
Verbundkörper nach Anspruch 10, worin jedes Keramikmaterial einen SiO₂-Gehalt von nicht mehr als 15 Gew.-% aufweist.
Verbundkörper nach Anspruch 11, worin jedes Keramikmaterial einen SiO₂-Gehalt von nicht weniger als 5 ppm aufweist.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin das erste Element ein oder mehrere aus der aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob, Tantal und Legierungen dieser bestehenden Gruppe ausgewählte Metalle umfasst.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, worin das zweite Element ein oder mehrere aus der aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Lanthaniumoxid und Zirconiumdioxid bestehenden Gruppe ausgewählte Keramikmaterialen oder ein diese Keramikmaterialien enthaltendes Cermetmaterial umfasst.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, worin das Keramikmaterial, aus dem die Keramikzusammensetzungs-Zwischenschicht gebildet ist, und das Keramikmaterial, aus dem die imprägnierte Keramikzusammensetzungs-Schicht gebildet ist, jeweils einen Schmelzpunkt aufweisen, der nicht über einer Temperatur liegt, die sich durch Subtrahieren von 200 °C vom Schmelzpunkt des Keramik- oder Cermetmaterials, aus dem das zweite Element gebildet ist, ergibt.
Hochdruckentladungslampe, umfassend: eine keramische Entladungsröhre mit einem darin ausgebildeten Innenraum und mit Endabschnitten (1a), wobei der Innenraum mit einem ionisierbaren, Licht emittierenden Material und einem Startergas gefüllt ist und eine Öffnung innerhalb der Endabschnitte ausgebildet ist, ein im Innenraum bereitgestelltes Elektrodensystem, und ein Metallelement (7), worin die Lampe einen zwischen dem Metallelement und der Entladungsröhre eingeschobenen Verbundkörper (6) umfasst und der Verbundkörper ein Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ist, wobei das Metallelement das erste Element ist und die Entladungsröhre das zweite Element ist.
Hochdruckentladungslampe, umfassend: eine keramische Entladungsröhre mit einem darin ausgebildeten Innenraum und mit Endabschnitten, wobei der Innenraum mit einem ionisierbaren, Licht emittierenden Material und einem Startergas gefüllt ist und eine Öffnung innerhalb der Endabschnitte ausgebildet ist, ein im Innenraum bereitgestelltes Elektrodensystem, ein Dichtungselement (4), umfassend ein Keramik- oder Cermetmaterial, mit einem darin ausgebildeten Durchgangsloch, wobei zumindest ein Teil des Dichtungselements innerhalb der Öffnung der keramischen Entladungsröhre angebracht ist, und ein Metallelement (7), worin die Lampe einen zwischen dem Metallelement und dem Dichtungselement eingeschobenen Verbundkörper (6) umfasst und der Verbundkörper ein Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ist, wobei das Metallelement das erste Element ist und das Dichtungselement das zweite Element ist.
Lampe nach Anspruch 16 oder 17, worin die Wärmebeständigkeitstemperatur der Entladungsröhre nicht unter 1.000 °C liegt.
Lampe nach Anspruch 16 oder 17, worin die keramische Zwischenschicht und die imprägnierte keramische Schicht das Keramikmaterial, aus dem die Entladungsröhre gebildet ist, als eine Hauptkomponente umfassen.
Lampe nach den Ansprüchen 16 bis 19, worin das Metallelement eine röhrenförmige Gestalt aufweist und ein Spalt zwischen dem Metallelement und einer in das Metallelement einzuführenden Elektrode in Querschnittsrichtung zwischen 30 und 150 μm groß ist.