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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Entladungsrohre aus Aluminiumoxid, die mit
hochschmelzendem Metalloxid überzogen sind, und deren Einsatz für Bogenentladungslampen.
Mehr im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf Bogenrohre aus Aluminiumoxid, die mit
einem Oxid eines oder mehrerer Metalle überzogen sind, die ausgewählt sind aus der Gruppe
bestehend im wesentlichen aus Y, Hf, Zr, Sc, La, Dy und deren Mischungen, sowie auf Natriumdampf-
Bogenentladungslampen hohen Druckes, die diese enthalten.
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Natrium-Bogenentladungslampen hohen Druckes (im folgenden "HPS-Lampen" genannt)
sind dem Fachmann bekannt. Diese Lampen benutzen eine Natrium-Bogenentladung innerhalb
eines Bogenentladungsrohres aus Aluminiumoxid als Lichtquelle. Das Aluminiumoxid-Bogenrohr ist
wiederum innerhalb eines äußeren Lampenkolbens aus Glas eingeschlossen. Das Entladungsrohr
aus Aluminiumoxid ist entweder aus gesintertem, polykristallinem Aluminiumoxid (PCA) oder
einkristallinem Aluminiumoxid, auch als Saphir bekannt, hergestellt. Ein Entladungsrohr aus
Aluminiumoxid dieser Art ist aus der US-A-4,633,137 bekannt, bei der ein Glasur-Überzug auf das
Rohr aufgebracht und dann entfernt ist. Ein in dieser Weise behandeltes Entladungsrohr zeigt eine
verbesserte optische Durchlässigkeit. Eine Hauptquelle des Versagens einer HPS-Lampe ist der
Verlust an Natrium aus dem Bogen. Dieser Natriumverlust führt zu einer abnehmenden
Lichtoder Lumen-Abgabe, Farbverschiebung und einem Spannungsanstieg, der schließlich zum
Lampenversagen führt. Eine primäre Ursache des Natriumverlustes ist die Reaktion des Natriums mit
dem Aluminiumoxid unter Bildung von β-Aluminiumoxid und die nachfolgende Diffusion des
Natriums aus dem Entladungsrohr. Diese Reaktion ist unter den Temperatur- und
Druck-Bedingungen, die innerhalb des Entladungsrohres einer betriebenen HPS-Lampe existieren,
thermodynamisch begünstigt und wird mit steigender Temperatur und steigendem Druck noch ausgeprägter.
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Andererseits ist es auch bekannt, daß das Erhöhen der Temperatur und des Druckes
innerhalb eines Entladungsrohres aus Aluminiumoxid einer HPS-Lampe die Lampen-Wirksamkeit oder
Lichtabgabe in Lumen/Watt erhöht und auch den Farbwiedergabeindex verbessert, was bedeutet,
daß mit steigendem Druck und steigender Temperatur das aus der Entladung emittierte Licht
weißer wird, und durch solches Licht beleuchtete Gegenstände, wie Automobile auf einem Parkplatz,
ihre wirklichen Farben zeigen. Andererseits verstärkt die Erhöhung von Temperatur und Druck
die Natrium-Verarmung der Entladung und, wenn die Temperatur des Entladungsrohres aus
Aluminiumoxid etwa 1.100 oder 1.150ºC übersteigt, nimmt die Verdampfung des Aluminiumoxids
von der äußeren Wand des Entladungsrohres stark zu, was ein Verdunkeln des äußeren
Glaskolbens der Lampe unter Verminderung der Lumenabgabe verursacht. Es wird daher angenommen,
daß das Verdunkeln des Außenkolbens durch die Verdampfung des Materials des Aluminiumoxid-
Entladungsrohres und die nachfolgende Kondensation der resultierenden Dampfmaterialien auf
der kühleren Innenwand des Glas-Außenkolbens der Lampe verursacht wird. Diese Kondensation
führt zu einem Abfall der Lampen-Leistungsfähigkeit aufgrund der verminderten
Lichtdurchlässigkeit des Außenkolbens. Dies erzeugt auch eine Erhöhung der Lampen-Betriebstemperatur, die
die Verdampfungsrate des Aluminiumoxids weiter erhöht, wodurch das Ende der
Lampen-Lebensdauer beschleunigt wird.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem Entladungsrohr oder einer Bogenkammer aus
Aluminiumoxid, das bzw. die für den Einsatz in einer HPS-Lampe geeignet ist, die höheren Drucken
und Temperaturen zu widerstehen in der Lage ist, um weißeres Licht abzugeben und einen
größeren Farbwiedergabeindex (CRI) zu ergeben und die Lebensdauer der Lampe konventioneller HPS-
Lampen zu verlängern.
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Es wurde nun festgestellt, und dieses bildet die Grundlage der Erfindung, daß eine HPS-
Lampe mit einem Entladungsrohr aus Aluminiumoxid, das mit einem Metalloxid überzogen ist, das
ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Y, Zr, Hf, La, Dy, Sc und einer
Mischung davon, einige der Nachteile der HPS-Lampen nach dem Stande der Technik überwindet, bei
denen die Entladungsrohre die Überzüge der Erfindung nicht aufweisen. Das Überziehen der
Oberfläche der Innenwand des Entladungsrohres aus Aluminiumoxid verringert die
Natrium-Verarmung der Entladung und die nachfolgende Diffusion des Natriums durch das Entladungsrohr.
Das Überziehen der äußeren Oberfläche des Entladungsrohres vermindert die Verdampfung von
Aluminiumoxid-Materialien aus der Außenwand des Entladungsrohres und die Kondensation
solcher Materialien auf der inneren Oberfläche des glasartigen Außenkolbens, was zu einer
Verdunkelung der Lampe führt. Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Entladungsrohr aus
Aluminiumoxid, das mit einem Oxid eines oder mehrerer Metalle überzogen ist, das bzw. die ausgewählt sind
aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Y, Zr, Hf, La, Dy, Sc und einer Mischung davon, auf
der inneren oder äußeren Oberfläche oder sowohl der inneren und der äußeren Oberfläche des
Entladungsrohres sowie auch auf HPS-Lampen, die derart überzogene Entladungsrohre benutzen.
Yttriumoxid ist besonders bevorzugt. HPS-Lampen, die die überzogenen
Aluminiumoxid-Entladungsrohre gemäß der vorliegenden Erfindung benutzen, weisen eine längere Lebensdauer mit
weniger Spannungsanstieg und weniger Abnahme der Lumenabgabe und des CRI während der
Lebensdauer der Lampe auf. Weiter können HPS-Lampen, die die überzogenen
Aluminiumoxid-Entladungsrohre der Erfindung benutzen, bei höherer Temperatur und höherem Druck als die HPS-
Lampen nach dem Stande der Technik betrieben werden, die nicht überzogene Entladungsrohre
aus Aluminiumoxid benutzen, und sie ergeben noch immer eine vernünftige Lampen-Lebensdauer
zusammen mit weißerer Farbe, hohem CRI und geringerem Spannungsanstieg während der
Lebensdauer der Lampe, verglichen mit HPS-Lampen nach dem Stande der Technik, die nicht
überzogene Entladungsrohre aus Aluminiumoxid benutzen. Unter Aluminiumoxid-Entladungsrohren
werden sowohl Entladungsrohre aus polykristallinem Aluminiumoxid als auch Entladungsrohre
aus einkristallinem Aluminiumoxid, die auch als Saphir-Rohre bezeichnet werden, verstanden.
Unter
einer Mischung von Oxiden von Y, Zr, Hf, La, Dy, Sc werden Mischungen der einzelnen Oxide
selbst sowie intermetallische Oxide verstanden.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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Figuren 1(a), 1(b) und 1(c) schematisch eine mit Außenkolben versehene HPS-Lampe, die
ein Entladungsrohr aus Aluminiumoxid mit einem Metalloxid-Überzug auf mindestens einem
Wandabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt und ein hohles Aluminiumoxidrohr, das
zum Herstellen solcher Entladungsrohre benutzt wird und einen Metalloxid-Überzug sowohl auf
der inneren als auch der Außenwand gemäß der Erfindung aufweist, und
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Figur 2 eine graphische Darstellung, die die verbesserte Lumen-Beibehaltung von HPS-
Lampen veranschaulicht, die einen Yttriumoxid-Überzug auf dem Entladungsrohr aus
Aluminiumoxid gemäß der Erfindung aufweisen, verglichen mit HPS-Lampen nach dem Stande der Technik,
die keinen Überzug auf dem Aluminiumoxid-Entladungsrohr aufweisen.
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In Figur 1(a) ist eine typische HPS-Lampe 1 veranschaulicht, die einen glasartigen
Außenkolben 2 umfaßt, der aus Glas hergestellt ist und einen standardgemäßen Schraubsockel 3 aus
Metall aufweist, der eine Metall-Schraubhülse 7 und einen Anschluß 8 umfaßt. Relativ schwere
Zuleitungen 5 und 6 erstrecken sich durch die Preßdichtung 4 des einspringenden Fußes, und sie sind
an einem Ende an der Metall-Schraubhülse 7 und dem Anschluß 8 durch nicht gezeigte Mittel
befestigt, um der Entladung Elektrizität zuzuführen und das Entladungsrohr abzustützen. Das
lichtdurchlässige Entladungsrohr 20 aus Aluminiumoxid ist zentral innerhalb des Außenkolbens 2
angeordnet, wobei sein oberes Ende hermetisch durch ein Verschlußteil 10 aus polykristallinem
Aluminiumoxid abgedichtet ist, durch das sich ein Zuleitungsdraht 11 aus Niob erstreckt, der ebenfalls
hermetisch in dem Verschlußteil abgedichtet ist. Die Zuleitung 11 trägt eine obere thermionische
Elektrode 12, die innerhalb des Entladungsrohres 20 enthalten ist, und die allgemein ähnlich einer
unteren (nicht gezeigten) thermionischen Elektrode im gegenüberliegenden Ende des
Entladungsrohres sein kann, wobei beide Elektoden die gleiche allgemeine Konstruktion aufweisen. Der
äußere Abschnitt der Zuleitung 11 verbindet mit einem Quer-Stützdraht 13, der an einem Seitenstab-
Stützteil 14 befestigt ist. Der untere Verschlußteil 15 für das Entladungsrohr 20 hat eine zentrale
Öffnung, durch die sich die (nicht gezeigte) untere thermionische Elektrode erstreckt. Das
hermetisch abgedichtete Entladungsrohr wird durch das Metallband 16, das an den Seitenstab 14
geschweißt ist, im Außenkolben physisch abgestützt und durch eine isolierende Keramik-Buchse 17
von der leitenden Zuleitung 19 elektrisch isoliert. Diese Art von HPS-Lampenkonstruktion ist dem
Fachmann bekannt.
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Die Figuren 1(b) und 1(c) veranschaulichen schematisch ein Entladungsrohr aus
Aluminiumoxid, das einen Metalloxid-Überzug 25 gemäß der Erfindung sowohl auf dem inneren
Wandabschnitt 22 als auch dem äußeren Abschnitt 24 aufweist. Die innere Wand 22 und die äußere Wand
24 des Aluminiumoxid-Entladungsrohres 20 weisen daher beide einen Überzug 25 aus einem Oxid
eines oder mehrerer Metalle auf, das bzw. die ausgewählt ist bzw. sind aus der Gruppe bestehend
im wesentlichen aus Y, Zr, Hf, La, Sc, Dy und einer Mischung davon.
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Wie oben ausgeführt, schließen die Aluminiumoxidrohre, die für das Überziehen als
Entladungsrohre für die Ausführung der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, sowohl polykristalline
Aluminiumoxid- als auch einkristalline Aluminiumoxid- oder Saphir-Entladungsrohre ein, die beide
kommerziell erhältlich und dem Fachmann gut bekannt sind. Derzeit sind einkristalline
Aluminiumoxidrohre, die kommerziell erhältlich sind und zur Herstellung von HPS-Entladungsrohren
benutzt werden, beträchtlich teurer als Rohre aus polykristallinem Aluminiumdxid, und sie sind
etwas spröder, obwohl sie lichtdurchlässiger und beständiger gegen Natriumdiffusion sind als
Entladungsrohre aus polykristallinem Aluminiumoxid. Nichtsdestotrotz führt das Überziehen von
entweder PCA-Entladungsrohren oder Entladungsrohren aus einkristallinem Aluminiumoxid oder
Sephir innerhalb, außerhalb oder sowohl innerhalb als auch außerhalb mit einem Überzug gemäß der
Erfindung zu einer Verbesserung beim Verringern der Natrium-Verarmung der Entladung und der
Umsetzung des Natriums mit dem Entladungsrohr und der Diffusion durch das Entladungsrohr.
Das Überziehen der Außenseite jeder Art dieser Entladungsrohre mit einem Überzug gemäß der
Erfindung verringert die Sublimation oder die Übertragung von Aluminiumoxid-Materialien von
der Außenwand des Entladungsrohres zur kühleren inneren Oberfläche des glasartigen
Außenkolbens während des Lampenbetriebes und ermöglicht auch, daß solche Entladungsrohre bei höherem
Betriebsdruck benutzt werden können.
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Entladungsrohre aus polykristallinem Aluminiumoxid sind kommerziell erhältlich und dem
Fachmann gut bekannt. Diese Entladungsrohre werden hergestellt durch Sintern eines
stranggepreßten "grünen" Rohres bei erhöhter Temperatur, und sie werden aus im wesentlichen reinem
(d.h. 99,9+%) Aluminiumoxid zusammen mit untergeordneten Mengen von MgO zur Förderung des
Sinterns und zum gleichmäßigen Kornwachstum hergestellt. Diese Entladungsrohre aus
polykristallinem Aluminiumoxid können auch ein oder mehrere hochschmelzende Metalloxide, wie Y&sub2;O&sub3;,
ZrO&sub2;, HfO&sub2;, Dy&sub2;O&sub3; und ähniiche, enthalten. Die US-PS 4,285,732 offenbart die Herstellung eines
Rohres aus polykristallinern Aluminiumoxid, das brauchbar ist für die Herstellung von
Entladungsrohren für HPS-Lampen, die bei der Ausführung der Erfindung brauchbar sind. In dieser PS
enthält das Aluminiumoxid sehr untereordnete Mengen von Magnesiumoxid und mindestens eine
Komponente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkoniumoxid, Hafniumoxid und einer
Mischung davon.
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Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wurde es als hilfreich festgestellt, wenn die
äußere Oberfläche des Entladungsrohres aus Aluminiumoxid entweder mechanisch oder chemisch
vor dem Abscheiden des Metalloxid-Überzuges auf dem Entladungsrohr poliert wird. Im Falle eines
Entladungsrohres aus Saphir wird das Polieren allgemein mechanisch ausgeführt. Im Falle eines
Entladungsrohres aus polykristallinem Aluminiumoxid oder PCA kann eine
Flußmittel-Polierbehandlung benutzt werden, wie sie in den US-PSN 4,033,743 und 4,079,167 offenbart ist. Bei solchen
Behandlungen wird das unpolierte Keramikrohr aus polykristallinem Aluminiumoxid in ein
geschmolzenes Flußmittel aus Alkalimetallsalz und binären Oxid-Systemen mit einem
Alkalimetalloxid-Bestandteil eingetaucht, das die Oberfläche der Aluminiumoxidkörner löst und ein relativ
glattes Oberflächen-Aussehen erzeugt. Bei einer Polierbehandlung mit Flußmittel werden die hohen
Stellen der einzelnen, an der Oberfläche liegenden Aluminiumoxidkörner verringert, ohne die
Korngrenzen materiell zu ätzen, und der Flußmittelrest wird von der behandelten Keramik
allgemein durch Säurewaschen bei Umgebungstemperatur entfernt. Die US-PS 4,690,727 offenbart ein
anderes chemisches Polierverfahren, das einen Glasur-Überzug benutzt, bei dem eine
Alkalimetallborat-Fritte auf die äußere Oberfläche, innere Oberfläche oder beide Oberflächen des Rohres aus
polykristallinem Aluminiumoxid aufgebracht wird, das zum Verflüssigen auf dem Aluminiumoxid
erhitzt wird und den Teil der Aluminiumoxidkörner löst, die aus der Oberfläche vorstehen. Danach
wird die Fritte durch Eintauchen in ein Säurebad entfernt. Diese chemischen Polierverfahren
entfernen die hohen Stellen der einzelnen Aluminiumoxidkörner auf der Oberfläche des
Aluminiumoxids ohne die Korngrenzen zu ätzen, und sie sind brauchbar zum Herstellen eines glatten
Substrates auf der Oberfläche des Entladungs- bzw. Bogenrohres aus polykristallinem Aluminiumoxid vor
dem Überziehen mit dem Metalloxid-Überzug. Ist das Bogenrohr aus Saphir nicht glatt und poliert,
oder wird das Bogenrohr aus polykristallinem Aluminiumoxid nicht vor dem Aufbringen des
Metalloxid-Überzuges poliert, dann füllt der Überzug die Spalten und kleinen Risse an den
Korngrenzen, was zu einem nicht zusammenhängenden Überzug führen kann, der nicht so bevorzugt ist, wie
ein zusammenhängender Überzug. Es ist bevorzugt, daß der Überzug zusammenhängend ist. Der
Einsatz nicht polierten Aluminiumoxids erfordert das Aufbringen größerer Mengen des
Überzugsmaterials, um die hohen Stellen der unpolierten Teilchen der Aluminiumoxid-Oberfläche
abzudekken und einen im wesentlichen zusammenhängenden bzw. kontinuierlichen Überzug auf der
Aluminiumoxid-Oberfläche zu erzielen.
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Während eine Bindung an irgendeine spezielle Theorie nicht erwünscht ist, wird
angenommen, daß das Überziehen der Innenseite des Bogenrohres mit einem Überzug aus
hochschmelzendem Metalloxid gemäß der Erfindung den Natriumverlust verringert, indem er als eine Sperre zur
Verminderung der Reaktion des ionisierten Natriums innerhalb des Bogenrohres mit dem
Aluminiumoxid des Bogenrohres während des Betriebes der HPS-Lampe wirkt, um Natriumaluminat und
β-Aluminiumoxid zu bilden. β-Aluminiumoxid wächst entlang Korngrenzen polykristallinen
Aluminiumoxids in einer dentritischen oder fingerartigen Weise, die schließlich die Abstände zwischen
der inneren und äußeren Wand eines Bogenrohres aus polykristallinern Aluminiumoxid
überbrückt. Ist die Phase aus β-Aluminiumoxid durch die Bogenrohrwand gewachsen, dann wird der
Natriumverlust außerordentlich schnell, weil das β-Aluminiumoxid als guter Leiter für
Natriumionen bekannt ist. Das Überziehen der äußeren Oberfläche des Aluminiumoxids mit einem
hochschmelzenden Metalloxid-Überzug gemäß der Erfindung verringert die Verdampfung oder
Sublimation der Aluminiumoxid-Materialien von der äußeren Oberfläche des Bogenrohres, insbesondere
bei Temperaturen von 1.150ºC oder mehr während des Betriebes der HPS-Lampe mit
nachfolgender Kondensation solcher Materialien auf der kühleren Innenoberfläche des glasartigen
Außenkolbens, was das langsame Verdunkeln des Außenkolbens verursacht und die Lumenabgabe
beträchtlich verringert. Für die meisten Anwendungen in HPS-Lampen gemäß der Erfindung wird das
Bogenrohr aus Aluminiumoxid folglich den Überzug sowohl auf der inneren als auch der äußeren
Oberfläche aufweisen.
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Da der Überzug des Bogenrohres gemäß der Erfindung ein Oxid von einem oder mehreren
Metallen ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend im wesentlichen aus Y, Zr, Hf, La, Dy, Sc und
einer Mischung davon, ist es möglich, überzogene Bogenrohre herzustellen, bei denen sowohl die
innere als auch die äußere Oberfläche des Aluminiumoxids mit verschiedenen Metalloxiden
überzogen sind, wobei der innere Überzug derart ausgewählt ist, daß er stabiler ist gegen Natriumangriff,
und der äußere Überzug ausgewählt ist, um die Verdampfung oder Sublimation von
Aluminiumoxid-Materialien zu unterdrücken. Der Metalloxid-Überzug oder die entsprechenden Überzüge
können auf das Bogenrohr aus Aluminiumoxid mit einer Anzahl unterschiedlicher Verfahren
aufgebracht werden, deren Auswahl dem Praktiker überlassen bleibt. Diese Verfahren schließen das
Tauchüberziehen in wässerigen oder organischen Seien oder Aufschlämmungen von Oxiden oder
metallorganischen Verbindungen, wie Metallalkoxiden, in organischen Lösungen,
Aufschlämmungen außerordentlich feiner Metalloxid-Teilchen, die Bildung des Oxids durch Zersetzung der
metallorganischen Vorstufen im Dampfzustand und das chemische Aufdampfen geeigneter
zersetzbarer Metalloxid-Vorstufen, wie Yttriumtrichlorid, eines Metallacetylacetonats, wie Yttrium- oder
Zirkoniumacetylacetonat, Seltenerdmetallacetylacetonat, Metalldionats, wie
Yttrium-2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptandionat, Tris(cyclopentadienyl)M, worin M ein Metall gemäß der Erfindung (z.B.
Y) ist, Metallchelat-Verbindungen, wie β-Diketonaten usw., ein, deren Wahl dem Praktiker
überlassen bleibt.
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Überzugsdicken von Metalloxid, die zwischen 1 und 5 pm variieren, wurden in einer
einfachen Weise durch Eintauchen der Bogenrohre in ein wässeriges Sel des erwünschten Metalloxids
(z.B. Yttriumoxid), enthaltend eine wasserlösliche organische Flüssigkeit und einen Binder, um das
Reißen des Überzuges aufgrund von Spannungen zu minimieren, die durch das nachfolgende
Verdampfen des Wassers verursacht werden, und um das Handhaben vor und während des Erhitzens
zum Schmelzen und Verschmelzen des Metalloxidsols zu einem zusammenhängenden Überzug aus
Metalloxid zu erleichtern, erzielt. So wuren, z.B., Yttriumoxid-Überzüge sowohl auf die innere als
auch die äußere Oberfläche von Bogenrohren aus polykristallinem Aluminiumoxid unter
Anwendung eines Tauchverfahrens aufgebracht, indem man das Bogen rohr in ein wässeriges Sel von
Yttriumoxid eintauchte, das von Nycol Products erhalten wurde, umfassend eine 14 gew.-%-ige
Suspension von Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) mit einer Submikron-Teilchengröße (d.h. > 0,1 µm) in Wasser und
säurestabilisiert, zu dem Methanol, Wasser und Polyvinylpyrrolidon als ein Binder zusammen mit
Formamid hinzugegeben wurden, um das Reißen während des Trocknens zu verringern. Ahnliche
Bogenrohre wurden mit einem wässerigen, säurestabilisierten Zirkoniumdioxid (ZRO&sub2;)Sol
hergestellt, das ebenfalls von Nycol erhalten und mit Wasser, Polyvinylpyrrolidon, Methanol und
Formamid versehen wurde. Nachdem die Bogenrohre mit dem Yttriumoxid oder Zirkoniumoxid
überzogen waren, wurden sie bei Raumtemperatur für Stunden luftgetrocknet und dann über Nacht bei
100ºC, woraufhin sie langsam bis zu 1.500ºC unter Anwendung eines Schemas erhitzt und für 90
Minuten bei dieser Temperatur gehalten wurden, wobei die Gesamtzeit von Raumtemperatur bis
zum Ende des 90 minütigen Haltens der Temperatur bei 1.500ºC 280 Minuten betrug. Die so
aufgebrachten Überzüge aus Yttriumoxid und Zirkoniumdioxid wurden durch optische und abtastende
Elektronenmikroskopie analysiert, und die Oberflächen der überzogenen Bogenrohre wurden
mittels Röntgenbeugung und ESCA bewertet. Photometrie-Messungen unter Anwendung eines
Photometers
wurden benutzt, um die Lumenabgabe als Funktion der Brennzeit der Lampen zu messen,
die aus diesen Bogenrohren hergestellt wurden, wie oben angegeben.
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Mit einem Überzug aus Zirkoniumdioxid überzogene Begenrohre aus polykristallinem
Aluminiumoxid wurden auch hergestellt aus gemischtem primärem und sekundärem
Zirkoniumalkoxid. Die gemischten Zirkoniumalkoxide wurden hergestellt durch eine Austauschreaktion von
Zirkonium-n-propoxid mit 1-Amylalkohol. Das Aktivieren der Oberfläche des Bogenrohres aus
polykristallinem Aluminiumoxid mit Phosphorsäure für wenige Minuten verbesserte die Haftung des
nachfolgend gebildeten Zirkoniumdioxid-Überzuges am Bogenrohr und ergab relativ rißfreie
Überzüge über die Oberfläche. Ein homogener Zirkoniumdioxid-Überzug mit einer Dicke zwischen 200
und 300 Å wurde auf Bogenrohren aus polykristallinem Aluminiumoxid aus einer solchen
gemischten Alkoxid-Vorstufenlösung durch Eintauchen unter einer Stickstoff-Atmosphäre unter Einsatz
von etwa 30 Gew.-% des gemischten Alkoxids in 1-Amylalkohol erhalten. Das mit Alkoxid
überzogene Bogenrohr wurde 3 Stunden bei 500ºC erhitzt, um die Vorstufe in Zirkoniumdioxid
umzuwandeln, und unter Anwendung dieses Verfahrens mit Zirkoniumdioxid überzogene Bogenrohre, die für
mehr als 170 Stunden auf 1.200ºC erhitzt wurden, behielten ihre physikalische Integrität beim
cyclischen Abkühlen auf Raumtemperatur trotz der bekannten Phasenumwandlung mit der
dazugehörigen Volumenänderung, die bei 1.145ºC auftrat. Bei 1.600ºC begann die Integrität des
Zirkoniumdioxid-Überzuges zu zerbrechen.
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Eine Anzahl von HPS-Lampen der allgemein in Figur 1 veranschaulichten Art wurde
hergestellt sowohl unter Einsatz überzogener als auch nicht überzogener Bogenrohre aus
polykristallinern Aluminiumoxid mit einem Innen- und Außen-Durchmesser von etwa 5 und 6,5 mm, einer
Wandstärke von etwa 0,75 mm und einer Bogenrohrlänge von etwa 40 mm. Der Bogenspaltabstand
in mm betrug 16. Die Lampen beruhten auf einem Design einer konventionellen HPS-Lampe von
70 Watt, die einen Bogenspalt von 20 mm aufwies. Der Abstand der Elektodenspitze zur Dichtung
wurde an jedem Ende um 2 mm vergrößert, um heißere Temperaturen des Bogenrohres ohne
Beeinträchtigen der Dichtungen an jedem Ende des Bogenrohres zu gestatten, und dies verminderte
die Bogenspalt-Länge auf 16 mm. Die Lampen waren entworfen für einen Betrieb bei 70 Watt, und
sie wurden bei 70, 120 und 150 Watt betrieben, was eine Wandbelastung in V/cm² von 21, 37 bzw.
46 ergab. Die Temperatur der mittleren Wand des Begenrohres betrug etwa 1.040ºC, 1.235ºC bzw.
1.315ºC bei Betriebs-Wattzahlen von 70, 120 bzw. 150. Der Betrieb dieser Lampen zeigte, daß
Lampen, deren Bogenrohre mit einem Yttriumoxid-Überzug sowohl auf der inneren als auch der
äußeren Oberfläche versehen waren (unter Anwendung der oben beschriebenen Sel-Eintauchtechnik)
einen verringerten Natriumangriff und eine verminderte Natriumaluminat-Bildung in der
Bogenrohr-Wandung zeigten. Das Yttriumoxid war 2-3 µm dick, sowohl auf der inneren als auch der
äußeren Oberfläche des Bogenrohres. Die Lampen wurden über 5.000 Stunden Brennzeit getestet,
was zeigte, daß die überzogenen Lampen eine um 25% bessere Lumen-Beibehaltung aufgrund
verringerter Verdunkelung des Außenkolbens und eine beträchtlich größere Überlebensrate als die
gleichen Lampen aufwie sen, die nicht überzogene Bogenrohre hatten. Auswirkungen zweiter
Ordnung des geringeren Spannungsanstiegs und der Farbtemperatur-Verschiebung wurden besonders
für die mit 71% höherer Wattzahl (120 Watt) betriebenen Lampen beobachtet, was eine beträchtlich
geringere Natriumverlust-Rate nahelegt.
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Figur 2 ist eine graphische Darstellung der HPS-Lampen, die bei 150 Watt betrieben
wurden und sowohl nicht überzogene PCA-Bogenrohre als auch PCA-Bogenrohre aufwiesen, die innen
und außen mit Yttriumoxid überzogen waren. Man sieht unmittelbar die beträchtlich größere
prozentuale Beibehaltung der Lumenabgabe über 5.000 Stunden Brennzeit für die Lampen mit den
yttriumoxid-überzogenen Bogenrohren aus Aluminiumoxid gemäß der Erfindung, verglichen mit den
gleichen Lampen, die nicht überzogene Aluminiumoxid-Bogenrohre aufwiesen.
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Es wurden ähniiche HPS-Lampen hergestellt, aber zum Betrieb bei 250 Watt entworfen.
Diese Lampen benutzten nicht überzogene PCA-Bogenrohre und Bogenrohre, die mit
Zirkoniumdioxid sowohl auf der inneren als auf der äußeren Oberfläche des Bogenrohres überzogen waren
(durch Tauchüberziehen in Zirkoniumdioxidsol usw., wie oben beschrieben). Diese Lampen wurden
bei etwa 400 Watt oder grob 50% oberhalb der vorgesehenen Wattzahl betrieben. Nach etwa 1.000
Betriebsstunden zeigten die mit Zirkoniumdioxid überzogenen Bogenrohre weniger Verdunkeln des
Außenkolbens. Die mikroskopische Untersuchung der inneren Wandungen des Bogenrohres zeigte
weniger Natriumangriff für die mit Zirkoniumdioxid überzogenen Bogenrohre.