DE69936117T2

DE69936117T2 - Keramik Entladungsgefäss für eine Entladungslampe

Info

Publication number: DE69936117T2
Application number: DE69936117T
Authority: DE
Inventors: Venkat Subramaniam Clifton Park Venkataramani; Charles David Schenectady Greskovich; Curtis Edward Mentor Scott; James Anthony Glenville Brewer; Changlong Ning
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: DE69936117D1; US20030173902A1; EP0954011B1; EP0954011A1; ES2288000T3; US6791266B2; EP0954010A1; US6583563B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Beleuchtungen und spezieller auf eine Keramikentladungskammer für eine Entladungslampe, wie eine Keramik-Metall-Hhalogenidlampe.
Entladungslampen erzeugen Licht durch Ionisieren eines Füllungsmaterials, wie einer Mischung von Metallhalogeniden und Quecksilber, mit einem elektrischen Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden existiert. Die Elektroden und das Füllungsmaterial sind innerhalb einer durchscheinenden oder durchsichtigen Entladungskammer abgedichtet, die den Druck des mit Energie versehenen Füllungsmaterials aufrechterhält und das emittierte Licht hindurchlässt. Das Füllungsmaterial, auch als eine "Füllung" bekannt, emittiert eine erwünschte Spektralenergie-Verteilung aufgrund der Antregung durch den elektrischen Lichtbogen. So liefern, z.B., Halogenide spektrale Energie-Verteilungen, die eine breite Auswahl an Lichteigenschaften, z.B. Farbtemperaturen, Farbwiedergaben und Leuchtwirksamkeiten, bieten.
Konventionell wurde die Entladungskammer in einer Entladungslampe aus einem Glasmaterial, wie geschmolzenem Quarz, gebildet, der zu den erwünschten Kammergeometrien geformt wurde, nachdem man ihn in einen erweichten Zustand erhitzt hatte. Geschmolzener Quarz hat jedoch gewisse Nachteile, die sich aus seinen reaktiven Eigenschaften bei hohen Betriebstemperaturen ergeben. So reagiert, z.B., in einer Quarzlampe bei Temperaturen von mehr als etwa 950-1000°C die Halogenid-Füllung mit dem Glas unter Erzeugung von Silikaten und Sili ziumhalogenid, was zu einer Verarmung der Füllungsbestandteile führt. Erhöhte Temperaturen verursachen auch, dass Natrium durch die Quarzwand dringt, was die Verarmung der Füllung verursacht. Beide Verarmungen verursachen im Laufe der Zeit eine Farbverschiebung, die die brauchbare Lebensdauer der Lampe vermindert.
Obwohl Quarzlampen unter 950°C für eine verlängerte Lebensdauer betrieben werden können, stellt die Qualität des erzeugten Lichtes einen Kompromiss dar, weil die durch die Lampe produzierten Lichteigenschaften von der Betriebstemperatur der Entladungskammer abhängen. Je höher die Temperatur, um so besser die Farbwiedergabe, je geringer der Farb-Streubereich von Lampe zu Lampe und je höher die Wirksamkeit.
Keramikentladungskammern wurden entwickelt, um sie bei höheren Temperaturen für verbesserte Farbtemperaturen, Farbwiedergaben und Leuchtwirksamkeiten zu betreiben, während Reaktionen mit dem Füllungsmaterial signifikant vermindert wurden. Die EP-Anmeldung Nr. 0 587 238 A1 offenbart, z.B., eine Hochdruck-Entladungslampe, die eine Entladungskammer aus einer Keramik, wie einem durchscheinenden gasdichten Aluminiumoxid, einschließt. Typischerweise sind Keramikentladungskammern aus einer Anzahl von Teilen konstruiert, die aus einem Keramikpulver stranggepresst oder in einer Form gepresst sind. So veranschaulichen, z.B., 1a-1e fünf Teile, die zum Konstruieren einer Keramikentladungskammer für eine Metallhalogenidlampe benutzt werden. Die beiden Endstopfen mit einer zentralen Bohrung in den 1b und 1d sind durch Pressen einer Mischung mit einem Keramikpulver und einem organischen Binder in einer Form hergestellt. Der zentrale Zylinder (1c) und die beiden Schenkel (1a und 1e) sind durch Strangpressen einer Keramikpulver/Binder-Mischung durch eine Düse erzeugt. Der Zusammenbau der Entladungskammer schießt das Anordnen und Ankleben der Schenkel an die Endstopfen und der Endstopfen in die Enden des zentralen Zylinders ein. Diese Endzusammenbau wird dann gesintert, um vier gemeinsam gesinterte Verbindungen zu bilden, die durch kontrollierte Schrumpfung der einzelnen Teile verbunden sind.
Die konventionelle Keramikentladungskammer und das Herstellungsverfahren, das in den 1a-1e gezeigt ist, haben jedoch eine Anzahl von Nachteilen. So ist, z.B., die Anzahl der Komponententeile relativ hoch und führt eine entsprechende Anzahl von Gelegenheiten für Variation und Fehler ein. Die konventionelle Entladungskammer schließt auch vier Verbindungsbereiche ein, von denen jeder eine Gelegenheit für ein Lampenversagen durch Austreten des Füllungsmaterials einführt, wenn die Verbindung nicht richtig ausgeführt ist. Jeder Verbindungsbereich schließt auch eine Region relativer Schwäche ein, sodass selbst bei richtigem Bilden der Verbindung die Verbindung während der Handhabung brechen oder bei der Handhabung genug geschädigt werden kann, um ein Versagen im Betrieb einzuführen.
Ein anderer Nachteil bezieht sich auf die Genauigkeit, mit der die Teile zusammengebaut werden können und die resultierende Wirkung auf die Lichtqualität. Es ist bekannt, dass die Lichtqualität zu einem beträchtlichen Ausmaß von der Spannung über dem Elektrodenspalt abhängt, die wiederum von der Größe des Spaltes abhängt. So erzeugt, z.B., bei einer 70 Watt-Metallhalogenidlampe ein Unterschied von 1 mm in der Spaltgröße einen Spannungsunterschied von etwa 12-15 Volt, was die Lichtqualität signifikant beeinflusst. Die Anzahl der in den 1a-1e gezeigten Teile macht es schwierig, ohne signifikante Anstrengungen zur Optimierung des Herstellungsverfahrens beständig eine Spaltgröße innerhalb einer akzeptablen Toleranz zu erzielen.
Es wäre daher erwünscht, eine Keramikentladungskammer für eine Entladungslampe zu haben, die genau hergestellt werden könnte, um beständig qualitativ hochwertiges Licht zu erzielen, während die Gelegenheiten zum Auftreten von Herstellungsfehlern vermindert werden.
US 0 827 177 beschreibt die Herstellung von Keramikrohren für Metallhalogenidlampen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Hochdruck-Entladungslampe bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 offenbart ist.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung können benutzt werden, um die Leistungsfähigkeit verschiedener Arten von Lampen, wie Metallhalogenidlampen, Hochdruck-Quecksilberdampflampen, Hochdruck-Natriumdampflampen und Hochdruck-Natriumlampen für weißes Licht, zu verbessern. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der:
1a-1e Komponenten einer konventionellen Entladungskammer für eine Metallhalogenidlampe veranschaulichen;
2 eine Lichtquelle veranschaulicht, die eine Keramikentladungskammer gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einschließt, und
3-7 verschiedene Entladungskammer-Komponenten gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen.
2 veranschaulicht eine Entladungslampe 10, in der die Erfindung vorhanden sein kann. Die Entladungslampe 10 schließt eine Entladungskammer 50 ein, die zwei Elektroden 52, 54 und ein Füllungsmaterial enthält. Die Elektroden 52, 54 sind mit Leitern 56, 58 verbunden, die einen Potenzialunterschied an die Elektroden legen. In Betrieb erzeugen die Elek-troden 52, 54 einen Lichtbogen, der das Füllungsmaterial zur Erzeugung eines Plasmas in der Entladungskammer 50 ionisiert. Die Emissions-Charakteristika des durch das Plasma erzeugten Lichtes hängt hauptsächlich von den Bestandteilen des Füllungsmaterials, der an die Elektroden gelegten Spannung, der Temperatur-Verteilöung der Kammer, dem Druck in der Kammer und der Geometrie der Kammer ab. Für eine Keramik-Metallhalogenidlampe umfasst das Füllungsmaterial typischerweise eine Mischung von Hg, einem Edelgas, wie Ar oder Xe und einem Metallhalogenid, wie NaI, TlI oder DyI₃. Für eine Hochdruck-Natriumlampe umfasst das Füllungsmaterial typischerweise Na, ein Edelgas und Hg. Andere Beispiele von Füllungsmaterialien sind im Stande der Technik gut bekannt. Siehe, z.B., Alexander Dobrusskin, Review of Metal Halide Lamps, 4th Annual International Symposium an Science Technology of Light Sources (1986).
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Entladungskammer 50 einen zentralen Körperabschnitt 60 und zwei Schenkelabschnitte 62,64. Die Enden der Elektroden 52, 54 sind typischerweise nahe den gegenüber liegenden Enden des Körperabschnittes 60 angeordnet. Die Elektroden sind mit einer Energiequelle durch die Leiter 56, 58 verbunden, die innerhalb einer zentralen Bohrung jedes Schenkelabschnittes 63, 64 angeordnet sind. Die Elektroden umfassen typischerweise Wolfram und haben eine Länge von etwa 3-4 mm. Die Leiter umfassen typischerweise Niob und Molybdän, die thermische Ausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Aluminiumoxid haben, um thermisch eingeführte Spannungen auf die Aluminium-Schenkelabschnitte 62, 64 zu vermindern.
Die Entladungskammer 50 ist an den Enden der Schenkelabschnitte 62, 64 mit Dichtungen 66, 68 abgedichtet. Die Dichtungen 66, 68 umfassen typischerweise ein Dysprosiumoxid-Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Glas, und sie können durch Anordnen einer Glasfritte in der Gestalt eines Ringes um einen der Leiter, z.B. 56, vertikales Ausrichten der Entladungskammer 50 und Schmelzen der Fritte, gebildet werden. Das geschmolzene Glas fließt dann nach unten in den Schenkel 62 und bildet eine Dichtung zwischen dem Leiter 56 und dem Schenkel 62. Die Entladungskammer wird dann mit der Oberseite nach unten gedreht, um den anderen Schenkel 64 abzudichten, nachdem sie mit dem Füllungsmaterial gefüllt worden ist. Die Schenkelabschnitte 62, 64 sind vorhanden, um die Temperatur der Dichtungen 66, 68 während des Betriebes zu vermindern, z.B. auf etwa 600°C, sodass das Füllungsmaterial nicht mit den Glasdichtungen 66, 68 reagiert.
Die Schenkelabschnitte 62, 64 erstrecken sich axial weg vom Zentrum der Entladungskammer 50. Die Abmessungen der Schenkelabschnitte 62, 64 sind ausgewählt, um die Temperatur der Dichtungen 66, 68 um ein erwünschtes Ausmaß mit Bezug auf das Zentrum der Entladungskammer 50 zu vermindern. So haben, z.B., in einer 70 Watt-Lampe die Schenkelabschnitte eine Länge von etwa 10-15 mm, einen inneren Durchmesser von etwa 0,8-1,0 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 2,5-3,0 mm, um die Temperatur an der Dichtung 66, 68 auf etwa 600-700°C zu vermindern, was etwa 400°C weniger ist als die Temperatur am Zentrum der Entladungskammer. In einer 35 Watt-Lampe haben die Schenkelabschnitte eine Länge von etwa 10-15 mm, einen inneren Durchmesser von etwa 0,7-0,8 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 2,0-2,5 mm. In einer 150 Watt-Lampe haben die Schenkelabschnitte eine Länge von etwa 12-15 mm, ei nen inneren Durchmesser von etwa 0,9-1,1 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 2,5-3,0 mm. Diese Abmessungen und andere in der Beschreibung sind natürlich als Beispiele angegeben und sollen nicht einschränken.
Der Körperabschnitt 60 der Entladungskammer ist typischerweise im Wesentlichen zylindrisch. Für eine 70 Watt-Lampe hat der Körperabschnitt typischerweise einen inneren Durchmesser von etwa 7 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 8,5 mm. Für eine 35 Watt-Lampe hat der Körperabschnitt typischerweise einen inneren Durchmesser von etwa 5 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 6,5 mm. Für eine 150 Watt-Lampe hat der Körperabschnitt typischerweise einen inneren Durchmesser von etwa 9,5 mm und einen äußeren Durchmesser von etwa 11,5 mm.
3a und 3b veranschaulichen zwei Komponenten einer Entladungskammer, die geeignet sind zum Einbeziehen der Erfindung. In 3a ist ein Körperteil 100 abgebildet, das einen Körperabschnitt 102, einen Übergangsabschnitt 104 und einen Schenkelabschnitt 106 einschließt. Der Übergangsabschnitt 104 verbindet den relativ engen Schenkelabschnitt 106 mit dem weiteren Körperabschnitt 102 und er kann allgemein die Gestalt einer Scheibe haben. Der Schenkelabschnitt 106 und der Übergangsabschnitt 104 schließen beide eine zentrale Bohrung 107 ein, die die Elektrode und den (nicht gezeigten) Leiter aufnimmt. Der Körperabschnitt 102 definiert eine Kammer, in der die Elektroden ein Licht emittierendes Plasma erzeugen.
In 3b ist der Schenkelteil 110 abgebildet, das einen Schenkelabschnitt 112 und einen Übergangsabschnitt 114 einschließt. Sowohl der Schenkelabschnitt 112 als auch der Übergangsabschnitt 114 schließen eine zentrale Bohrung 109 ein, die die zweite Elektrode und den Leiter aufnimmt. Der Übergangsabschnitt 114 kann allgemein in Form eines Stopfens vorliegen, der innen in das Ende des Körperteiles 100 passt. Der Übergangsabschnitt 114 hat typischerweise einen Umfang, der größer ist als der Umfang des Schenkelabschnittes 112. Der Übergangsabschnitt 114 schließt typischerweise einen radial gerichteten Flansch 115 ein, der sich vom Übergangsabschnitt 114 aus radial nach außen erstreckt. Der radial gerichtete Flansch 115 bietet eine Schulter 117, die während des Zusammenbaus an das Ende 119 des Körperteiles 100 anstößt, um die relative axiale Position des Schenkelteiles 110 mit Bezug auf den Körperteil 100 zu fixieren. "Axial" bezieht sich auf eine Achse durch die zentralen Bohrungen 107, 109 der Schenkelabschnitte 106, 112.
Der radial gerichtete Flansch 115 bietet den Vorteil, dass die Gesamtlänge der zusammengebauten Entladungskammer, z.B. gemessen von dem Ende 118 des Körperteiles 100 bis zum gegenüber liegenden Ende 116 des Schenkelteiles 110, innerhalb einer engen abmessungsmäßigen Toleranz gehalten werden kann. Die Gesamtlänge der Entladungskammer beeinflusst typischerweise die Trennung zwischen den Elektroden, da die Elektroden während des Zusammenbaus typischerweise auf die Enden 116, 118 der Schenkelabschnitte 112, 106 bezogen sind. So kann, z.B., der Leiter in einem festgelegten Abstand vom Ende der Elektrode umgebogen werden, wobei die Umbiegung an dem Ende des Schenkelabschnittes liegt, um die axiale Position der Elektrode mit Bezug auf den Schenkelabschnitt zu fixieren. Weil die axiale Position der Elektroden mit bezug auf die Schenkelabschnitte fixiert ist, wird die Trennung der Elektroden durch die Position des Schenkelteiles 110 mit Bezug auf den Körperteil 100 bestimmt, die durch den radial gerichteten Flansch 115 genau kontrolliert werden kann.
Die Trennung zwischen den Elektroden beeinflusst wiederum den Spannungsabfall über die Elektroden, was eine signifi kante Auswirkung auf die Qualität des erzeugten Lichtes haben kann. Der radial gerichtete Flansch 115 gestattet es, dass die Elektroden beständig derart angeordnet werden, dass sie einen genauen Trennungsabstand aufweisen, was die Beständigkeit und Qualität des erzeugten Lichtes verbessert. Im Gegensatz dazu unterliegt bei dem konventionellen Design der 1a-1e, das fünf einzelne Teile einschließt, die relative axiale Position der Schenkel (1a-1e) der Variation während des Zusammenbaus, weil es keinen Mechanismus gibt, die relative axiale Position der Schenkel zu fixieren.
Um den Vorteil des radial gerichteten Flansches 115 zu quantifizieren, wurden Standard-Abweichungen für die Gesamtlänge von 30 willkürlich ausgewählten konventionellen Entladungskammern (1a-1e) und die Gesamtlänge von 30 regellos ausgewählten Entladungskammern, die aus den in den 4a-4c gezeigten Komponenten zusammengebaut waren, berechnet. Die Standard-Abweichung für die Gesamtlänge der konventionellen Entladungskammer betrug ± 0,22 mm, während die Standard-Abweichung für die Gesamtlänge der Entladungskammern, die aus den Komponenten der 4a-4c zusammengebaut waren, ± 0,06 mm betrug. Diese Längenvariationen ergeben Standard-Abweichungen bei der Spannung von 3,3 Volt für das konventionelle Design und 0,9 Volt für das in den 4a-4c gezeigte Design.
Bezugnehmend auf die 3a und 3b sind der Körperteil 100 und der Schenkelteil 110 jeweils vorzugsweise als ein Einzelstück aus einem Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, geformt, statt aus einer Anzahl von Unterteilen zusammengebaut zu sein. Auf diese Weise gibt es keine Binderegionen zwischen den verschiedenen Abschnitten des Körperteiles 100 und des Schenkelteiles 110. So ist, z.B., vorzugsweise keine Binderegion zwischen dem Schenkelabschnitt 106 und dem Über gangsabschnitt 104 oder zwischen dem Übergangsabschnitt 104 und dem Körperabschnitt 102 des Körperteiles 100 vorhanden. Ähnlich gibt es vorzugsweise keine Binderegion zwischen dem Schenkelabschnitt 112 und dem Übergangsabschnitt 114 des Schenkelteiles 110.
Die in den 3a und 3b gezeigten beispielhaften Körper- und Schenkelteile 100, 110 können das Herstellen der Entladungskammer stark vereinfachen, da der Körperteil 100 einen Schenkelabschnitt 106, einen Übergangsabschnitt 104 und einen Körperabschnitt 102 einschließt, die als ein einzelnes Stück ausgebildet sind, und der Schenkelteil 110 schließt einen Schenkelabschnitt 112, einen Übergangsabschnitt 114 und einen radial gerichteten Flansch 115 ein, die als ein Einzelstück ausgebildet sind. Die in den 3a und 3b gezeigten Komponenten gestatten es, dass die Entladungskammer mit einer einzigen Bindung zwischen dem Schenkelteil 110 und dem Körperteil 100 hergestellt wird, während die fünf konventionellen Komponenten der Entladungskammer, die in den 1a-1e gezeigt sind, die Herstellung von vier Bindungen erfordern. Die Verringerung in der Anzahl der Bindungen hat die Vorteile der Beschleunigung des Zusammenbaus der Entladungskammer, der Verringerung der Anzahl potenzieller Bindefehler während der Herstellung und der Verringerung der Möglichkeit des Bruches der Entladungskammer an einer Binderegion während der Handhabung.
Der Körperteil 100 und der Schenkelteil 110 kann durch Pressen einer Mischung aus einem Keramikpulver und einem Binder durch eine Matrize zu einem festen Zylinder konstruiert werden. Typischerweise umfasst die Mischung 95-98 Gew.-% Keramikpulver und 2-5 Gew.-% organischen Binder. Das Keramikpulver kann Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einer Reinheit von mindestens 99,98% und einer Oberfläche von 2-10 m²/g umfassen. Das Aluminiumoxid-Pulver kann mit Magnesiumoxid dotiert sein, um das Kornwachstum zu hemmen, z.B. in einer Menge gleich 0,03%-0,2%, vorzugsweise 0,05 Gew.-% des Aluminiumoxides. Andere Keramikmaterialien, die eingesetzt werden können, schließen nicht reaktionsfähige hochschmelzende Oxide und Oxynitride ein, wie Yttriumoxid, Luteci-umoxid und Hafniumoxid und deren feste Lösungen und Verbindungen mit Aluminiumoxid, wie Yttrium-Aluminiumgranat und Aluminiumoxynitrid. Binder, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden können, schließen organische Polymere, wie Polyole, Polyvinylalkohol, Vinylacetate, Acrylate, Zellulosematerialien und Polyester ein.
Eine beispielhafte Zusammensetzung, die zum Pressen eines festen Zylinders durch eine Matrize benutzt worden ist, umfasst 97 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einer Oberfläche von 7 m²/g, erhältlich von Baikowski International, Charlotte, NC, als Produkt-Nummer CR7. Das Aluminiumoxidpulver war mit Magnesiumoxid in einer Menge von 0,01 Gew.-% des Aluminiumoxids dotiert. Die Zusammensetzung umfasste auch 2,5 Gew.-% Polyvinylalkohol, erhältlich von GE Lighting als Produktnummer 115-009-018 und 1/2 Gew.-% Carbowax 600, erhältlich von Interstate Chemical.
Nach dem Matrizen-Presen wird der Binder aus dem ungesinterten Teil, typischerweise durch thermische Pyrolyse, um einen Bisquit-gesinterten Teil zu bilden. Die thermische Pyrolyse kann, z.B., ausgeführt werden durch Erhitzen des ungesinterten Teiles in Luft von Raumtemperatur auf eine Maximaltemperatur von etwa 900-1100°C über 4-8 Stunden, dann Halten der Maximaltemperatur für 1-5 Stunden und dann Abkühlen des Teiles. Nach der thermischen Pyrolyse beträgt die Porosität des Bisquit-gesinterten Teiles typischerweise etwa 40-50%.
Der Bisquit-gesinterte Teil wird dann maschinell bearbeitet. So kann, z.B., eine kleine Bohrung entlang der Achse des festen Zylinders gebohrt werden, was die Bohrung 107 des Schenkelabschnittes 106 in 3a ergibt. Als Nächstes kann eine Bohrung größeren Durchmessers entlang einem Abschnitt der Achse gebohrt werden, um die Kammer 101 zu bilden. Schließlich kann der äußere Abschnitt des ursprünglich massiven Zylinders maschinell entlang einem Teil der Achse entfernt werden, z.B. mit einer Drehbank, um die äußere Oberfläche des Schenkelabschnittes 106 zu bilden. Der Schenkelteil 110 der 3b kann in einer ähnlichen Weise geformt werden, indem man zuerst eine kleine Bohrung bohrt, die die Bohrung 109 durch den Schenkelabschnitt 112 ergibt, maschinelles Bearbeiten des äußeren Abschnittes des ursprünglich massiven Zylinders zur Erzeugung des Schenkelabschnittes 112 und dann das maschinelle Herausarbeiten des Übergangsabschnittes 114 unter Belassung des radial gerichteten Flansches 115.
Die maschinell bearbeiteten Teile 100, 110 werden typischerweise vor dem Sintern zusammengebaut, um zu gestatten, dass die Sinterstufe die Teile miteinander verbindet. Gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Verbinden werden die Dichten der Bisquit-gesinterten Teile, die zum Bilden des Körperteiles 100 und des Schenkelteiles 110 benutzt werden, ausgewählt, um unterschiedliche Grade der Schrumpfung während der Sinterstufe zu erzielen. Die unterschiedlichen Dichten der Bisquit-gesinterten Teile können unter Einsatz von Keramikpulvern mit unterschiedlichen Oberflächen erzielt werden. So kann, z.B., die Oberfläche des zum Bilden des Körperteiles 100 eingesetzten Keramikpulvers 6-10 m²/g betragen, während die Oberfläche des zum Bilden des Schenkelteiles 110 eingesetzten Keramikpulvers 2-3 m²/g betragen kann. Das feinere Pulver im Körperteil 100 verursacht, dass der Bisquit-gesinterte Körperteil 100 eine geringere Dichte als der Bisquitgesinterte Schenkelteil 110 aufweist, der aus dem gröberen Pulver hergestellt ist. Die Bisquit-gesinterte Dichte des Körperteiles 100 beträgt typischerweise 42-44% der theoreti schen-Dichte von Aluminiumoxid (3,986 g/cm³) und die Bisquitgesinterte Dichte des Schenkelteiles 110 beträgt typischerweise 50-60% der theoretischen Dichte von Aluminiumoxid. Da der Bisquit-gesinterte Körperteil 100 weniger dicht als der Bisquit-gesinterte Schenkelteil 110 ist, schrumpft der Körperabschnitt 102 zu einem stärkeren Ausmaß (z.B. 3-10%) während des Sinterns als der Übergangsabschnitt 114 zur Bildung einer Abdichtung um den Übergangsabschnitt 114. Durch Zusammenbauen der beiden Komponenten 100, 110 vor dem Sintern verbindet die Sinterstufe die beiden Komponenten unter Bildung einer Entladungskammer miteinander.
Die Sinterstufe kann ausgeführt werden durch Erhitzen der Bisquit-gesinterten Teile in Wasserstoff mit einem Taupunkt von etwa 10-15°C. Typischerweise wird die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 1300°C über eine Dauer von 2 Stunden erhöht. Als Nächstes wird die Temperatur bei etwa 1300°C für etwa 2 Stunden gehalten. Als Nächstes wird die Temperatur um etwa 100°C/Stunde auf eine Maximaltemperatur von etwa 1850-1880°C erhöht. Als Nächstes wird die Temperatur für etwa 3-5 Stunden bei 1850-1880°C gehalten. Schließlich wird die Temperatur über eine Dauer von 2 Stunden auf Raumtemperatur abgesenkt. Der Einschluss von Magnesiumoxid in dem Keramikpulver hindert typischerweise die Korngröße daran, größer als 75 μm zu werden. Das resultierende Keramikmaterial umfasst ein dicht gesintertes polykristallines Aluminiumoxid.
Gemäß einem anderen Verfahren des Verbindens kann eine Glasfritte, z.B., ein hochschmelzendes Glas umfassend, zwischen dem Körperteil 100 und dem Schenkelteil 110 angeordnet werden, das die beiden Komponenten beim Erhitzen miteinander verbindet. Gemäß diesem Verfahren können die Teile vor dem Zusammenbau unabhängig gesintert werden.
Der Körperteil 100 und Schenkelteil 110 haben typischerweise jeweils eine Porosität von weniger als oder gleich etwa 0,1%, vorzugsweise weniger als 0,01% nach dem Sintern. Porosität wird konventionell als eine einheitlose Zahl definiert, die den Anteil des Gesamtvolumens einen Gegenstandes repräsentiert, die durch Poren eingenommen wird. Bei einer Porosität von 0,1% oder weniger hat das Aluminiumoxid typischerweise eine geeignete optische Durchlässigkeit oder ein geeignetes optisches Durchscheinen. Die Durchlässigkeit oder das Durchscheinen kann als "Gesamtdurchlässigkeit" definiert werden, die der durchgelassene Lichtstrom einer Miniatur-Glühlampe innerhalb der Entladungskammer, dividiert durch den durchgelassenen Lichtstrom von einer bloßen Miniatur-Glühlampe ist. Bei einer Porosität von 0,1% oder weniger ist die Gesamtdurchlässigkeit typischerweise 95% oder mehr.
Gemäß einem anderen beispielhaften Verfahren der Konstruktion werden die Komponententeile der Entladungskammer durch Spritzgießen einer Miaschung gebildet, die etwa 45-60 Vol.-% Keramikmaterial und etwa 55-40 Vol.-% Binder umfasst. Das Keramikmaterial kann ein Aluminiumoxidpulver mit einer Oberfläche von etwa 1,5 bis etwa 10 m²/g, typischerweise zwischen 3-5 m²/g, umfassen. Gemäß einer Ausführungsform hat das Aluminiumoxidpulver eine Reinheit von mindestens 99,98%. Das Aluminiumoxid-Pulver kann mit Magnesiumoxid dotiert sein, um das Kornwachstum zu hemmen, z.B. in einer Menge gleich 0,03%-0,2%, vorzugsweise 0,05 Gew.-% des Aluminiumoxids.
Der Binder kann eine Wachsmischung oder eine Polymermischung umfassen. Gemäß einem Beispiel umfasst der Binder:

33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt 52-58°C;
33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt 59-63°C;
33 1/3 Gewichtsteile Paraffinwachs, Schmelzpunkt 73-80°C.

Die folgenden Substanzen werden zu den 100 Gewichtsteilen Paraffinwachs hinzugegeben:

4 Gewichtsteile weißes Bienenwachs;
8 Gewichtsteile Ölsäure;
3 Gewichtsteile Aluminiumstearat.

Die obigen Paraffinwachse sind von Aldrich Chemical unter den Produkt-Nummern 317659, 327212 bzw. 411671 erhältlich.
Bei dem Verfahren des Spritzgießens wird die Mischung aus Keramikmaterial und Binder zur Bildung einer Mischung hoher Viskosität erhitzt. Die Mischung kann dann in eine geeignet gestaltete Form injiziert und nachfolgend zum Bilden eines geformten Teiles abgekühlt werden.
Nach dem Spritzgießen wird der Binder aus dem geformten Teil entfernt, typischerweise durch thermische Behandlung, um einen binderfreien Teil zu bilden. Die thermische Behandlung kann durch Erhitzen des geformten Teiles in Luft oder einer kontrollierten Umgebung, z.B. Vakuum, Stickstoff, Edelgas, bis zu einer Maximaltemperatur und dann Halten der Maximaltemperatur ausgeführt werden. So kann, z.B., die Temperatur langsam um etwa 2-3°C/Stunde von Raumtemperatur auf eine Temperatur von 160°C erhöht werden. Als Nächstes wird die Temperatur um etwa 100°C/Stunde auf eine Maximaltemperatur von 900-1100°C erhöht. Schließlich wird die Temperatur bei 900- 1100°C für etwa 1-5 Stunden gehalten. Der Teil wird danach abgekühlt. Nach der thermischen Behandlungsstufe beträgt die Porosität etwa 40-50%.
Die Bisquit-gesinterten Teile werden typischerweise vor dem Sintern zusammengebaut, um der Sinterstufe das Verbinden der Teile miteinander zu gestatten. Typischerweise werden die Dichten der Bisquit-gesinterten Teile, die zum Bilden des Körperteiles 100 und des Schenkelteiles 110 benutzt werden, ausgewählt, um unterschiedliche Grade der Schrumpfung während der Sinterstufe zu erzielen. Die unterschiedlichen Dichten der Bisquit-gesinterten Teile können erzielt werden durch Benutzen von Keramikpulvern mit, z.B., unterschiedlichen Oberflächen.
Das Sintern der Bisquit-gesinterten Teile verringert typischerweise die Porosität auf weniger als 0,1% und erhöht die Gesamtdurchlässigkeit auf mindestens 95%. Die Sinterstufe kann ausgeführt werden durch Erhitzen der Bisquit-gesinterten Teile in Wasserstoff mit einem Taupunkt von etwa 10-15°C. Typischerweise wird die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 1300°C über eine Dauer von 2 Stunden erhöht. Als Nächstes wird die Temperatur bei etwa 1300°C für etwa 2 Stunden gehalten. Als Nächstes wird die Temperatur um etwa 100°C/Stunde auf eine Maximaltemperatur von etwa 1850-1880°C erhöht. Als Nächstes wird die Temperatur für etwa 3-5 Stunden bei 1850-1880°C gehalten. Schließlich wird die Temperatur in etwa 2 Stunden auf Raumtemperatur abgesenkt. Der Einschluss von Magnesiumoxid in dem Keramikpulver hindert typischerweise die Korngröße daran, größer als 75 μm zu werden. Das resultierende Keramikmaterial umfasst ein dicht gesintertes polykristallines Aluminiumoxid.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurde ein Gegenstand aus einer Mischung aus 48 Vol.-% Aluminiumoxid und 52 Vol.-% Bin der gebildet. Das Aluminiumoxid hatte eine Oberfläche von 3 m²/g und war mit Magnesiumoxid in einer Menge von 0,05 Gew.-% des Aluminiumoxids dotiert. Der oben beschriebene Wachsbinder wurde eingesetzt. Der Gegenstand, der eine Dicke von etwa 3 mm hatte, war genügend durchscheinend, dass beim Pressen gegen eine Zeitung die Zeitung ohne Schwierigkeiten durch den Gegenstand hindurch gelesen werden konnte.
Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf 4-7 beschrieben. Jede der in den 4-7 gezeigten Ausführungsformen kann, wie oben beschrieben, durch Spritzguss oder Pressen in einer Form und maschinelle Bearbeitung gebildet werden. Die Komponenten können durch Sintern mit kontrollierter unterschiedlicher Schrumpfung verbunden werden, wie oben beschrieben. Die Porosität der verschiedenen in den 4-7 gezeigten Komponenten nach dem Sintern beträgt vorzugsweise weniger als 0,1% und die Gesamtdurchlässigkeit ist vorzugsweise mindestens 95%, wie oben beschrieben. Wie bei den Ausführungsformen der 2-3 können die Ausführungsformen der 4-7 bei Entladungslampen konventioneller Leistungsabgaben, wie 35, 70 und 150 Watt, benutzt werden.
4a-4c veranschaulichen Komponenten einer Entladungskammer, die aus drei Komponenten geformt ist. Die Schenkelteile 120, 124 in 4a und 4c sind die gleichen, wie der Schenkelteil 110 von 3b. In 4b ist ein Körperteil 122 gezeigt, der im Wesentlichen zylindrisch ist. Der Körperteil 122 von 4b kann durch Spritzguss oder Pressen in einem Werkzeug und maschinelle Bearbeitung gebildet werden. Der Körperteil 122 kann auch konventionell durch Strangpressen gebildet werden. Die für das Strangpressen eingesetzte Zusammensetzung kann, z.B., 75 Gew.-% Aluminiumoxidpulver, 22 Gew.-% eines wasserlöslichen Polyacrylamids und 3 Gew.-% eines Stearates umfassen. Das Aluminiumoxidpulver kann mit Magnesiumoxid in der Menge von 0,05 Gew.-% des Aluminiumoxides dotiert sein. Die Schenkelteile 120, 124 sind typischerweise durch Sintern mit vorausgewählter unterschiedlicher Schrumpfung, wie oben beschrieben, mit dem Körperteil 122 verbunden.
5 veranschaulicht einen Schenkelteil 160, der, wie in 3a oder 4b gezeigt, mit einem Körperteil verbunden werden kann. In 5 schließt der Schenkelteil 160 einen gekrümmten Abschnitt 162 zwischen dem Schenkelabschnitt 164 und dem Übergangsabschnitt 166 ein. Der gekrümmte Abschnitt 162 erhöht die Festigkeit des Schenkelteiles signifikant, insbesondere seine Bruchbeständigkeit an dem Übergang zwischen dem Schenkelabschnitt 164 und dem Übergangsabschnitt 166. Dieses Merkmal ist vorteilhaft, da es das Auftreten eines Bruches beim Handhaben während des Zusammenbaus der Entladungskammer beträchtlich vermindert. Der gekrümmte Abschnitt 162 hat typischerweise einen Krümmungsradius von etwa 1-3 mm. 5 veranschaulicht auch, dass der Schenkelabschnitt 164 leicht verjüngt sein kann. So kann der bei 165 angedeutete Winkel 1-2 Grad betragen. Die Verjüngung ergibt den Vorteil, dass der Schenkelteil nach dem Spritzguss leicht aus der Form entfernt werden kann.
6 veranschaulicht einen Schenkelteil 280, der einen Übergangsabschnitt 282 und einen Schenkelabschnitt 284 einschließt. Der Übergangsabschnitt 282 schließt eine ringförmige Ausnehmung 286 ein. Die ringförmige Ausnehmung 286 liefert ein Reservoir zum Halten des flüssigen Füllungsmaterials weg von dem relativ dünnen Körperabschnitt 288 während des Betriebes, um Reaktionen zwischen dem Füllungsmaterial und dem Körperabschnitt 288 zu verringern, was die Lebensdauer der Lampe verlängert. Die ringförmige Ausnehmung 286 hält auch das flüssige Füllungsmaterial während des Betriebes weg von der Elektrode. Zusätzlich vermindert die Ausnehmung 286 die Dicke des Übergangsabschnittes 282, was mehr Licht durch den Übergangsabschnitt in einer axialen Richtung hindurchgehen lässt.
7 veranschaulicht einen Schenkelteil 380 ähnlicher Gesamtkonfiguration wie in 6. Der Schenkelteil 380 schließt einen Schenkelabschnitt 384 und einen Übergangsabschnitt 382 mit einer ringförmigen Ausnehmung oder Vertiefung 386 im Übergangsabschnitt ein. Der Schenkelteil 380 ist in dem zylindrischen Körperabschnitt 388 mittels einer zylindrischen Wand 383 befestigt, wobei der Schenkelteil in der radialen Richtung mittels eines Flansches 385 um den Übergangsabschnitt 382 herum genau auf dem Körperabschnitt lokalisiert ist. Die obere Kante der Wand 383 hat eine nach oben weisende Verjüngung 387, wobei die höchste äußere Kante in Kontakt mit der Innenseite des Körperabschnittes ist, um das Absetzen eines Teiles der Dosis um den Übergang zwischen der Wand 383 und dem Körperabschnitt zu beeinträchtigen. Eine Schulter 389 des zentralen Teiles des Übergangsabschnittes, der die Elektrode 390 umgibt, ist auch verjüngt, um die Dosis weg von der Elektrode und in die ringförmige Ausnehmung 386 zu lenken.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. So können, z.B., der radial gerichtete Flansch, der gekrümmte Abschnitt und der verjüngte Schenkel, gezeigt in 5, in verschiedenen Kombinationen auf die anderen Ausführungsformen angewandt werden, die in 2-4, 6 und 7 gezeigt sind. Zusätzlich können auch andere Herstellungsverfahren, wie Gelguss oder Schlickerguss benutzt werden, um die verschiedenen Schenkel- und Körperteile zu bilden.

Claims

Hochdruckentladungslampe (380), zu der gehören: eine Lichtbogenröhre mit einem zylindrischen Hauptabschnitt (388) aus lichtdurchlässigem hitzefestem Material, ein Flansch (385), der die Enden des Körpers abschließt, und in dem Flansch abgestützte Elektroden (390), wobei die Lichtbogenröhre ein Metallhalogenid zum Erzeugen eines Lichtbogenplasmas enthält, wobei das Metallhalogenid während des Betriebs der Lampe einen Schmelzepool bildet, dadurch gekennzeichnet, dass: der Flansch mit einer ringförmigen Vertiefung (386) versehen ist, die dazu dient, den Metallschmelzepool aufzunehmen, wobei die die Vertiefung umgebende Wand der Lichtbogenröhre dicker ist als die Wand des zylindrischen Hauptabschnitts (388)
Lampe (380) nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (390) im Zentrum der ringförmigen Vertiefung von dem Feuerfestmaterial umgeben, ist so dass der Metallhalogenidschmelzepool nicht mit der Elektrode in Kontakt steht.
Lampe (380) nach Anspruch 1, wobei der Flansch (385) dazu eingerichtet ist, in das Ende des zylindrischen Hauptabschnitts (388) zu passen, und wobei die ringförmige Vertiefung (386) innerhalb des Flansches mit einer äußeren Wand (383) ausgebildet ist, die die Vertiefung umgibt.
Lampe (380) nach Anspruch 3, wobei die äußere Wand (383) des Abschlussstopfens nach oben hin kegelig zuläuft (387), wobei das obere äußere Ende der Wand in Kontakt mit dem Inneren des rohrförmigen Körpers steht.
Lampe (380) nach Anspruch 1, wobei der innenliegende Abschnitt der Stirnwand (385), der eine Elektrode umgibt und der eine innere Wand (389) der ringförmigen Ausnehmung bildet, kegelförmig nach oben zuläuft.