HU185653B

HU185653B - Glass-composition for the bulb of tungsten-halogen lamps

Info

Publication number: HU185653B
Application number: HU812572A
Authority: HU
Inventors: Paul S Danielson
Original assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1981-09-07
Publication date: 1985-03-28
Also published as: EP0048120B1; US4302250A; EP0048120A1; JPS649254B2; DE3162125D1; JPS5782141A

Description

A találmány volfrám-halogén lámpák burájához alkalmas Uvegkompozícióra vonatkozik.

A volfrám-halogén lámpák számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos fehéren izzó lámpákhoz képest. Először az ilyen lámpák kisebb méretűek, például a hagyományos lámpák térfogatának 1 %-ánál is kisebbek, mégis egyenértékű vagy nagyobb fényerőt szolgáltatnak. Másodszor a kibocsátott fény fehérebb, mint a hagyományos lámpa által adott fény. Harmadszor a kibocsátott fény erőssége lényegében állandó marad a lámpa egész élettartama alatt. Negyedszer a volfrám-halogén lámpák üzemideje sokkal hosszabb, mint a szabványos fehéren izzó lámpáké.

Ilyen lámpák 500 °C feletti, általában 500 °C és 700 °C közötti, hőmérsékleten működnek. Ilyen lámpák burájának ezért ellenállónak kell lennie hő hatására bekövetkező alakváltozásnak, ha ilyen magas hőmérsékletek hatásának vannak ezek kitéve. Eleinte az ilyen lámpák buráit olvasztott kvarcból és 96%-os szilíciumdioxidból álló kompozíciókból — amelyek VYCOR néven ismertek — készítették, mivel ezek az anyagok lényegében nem szenvednek alakváltozást hő hatására a lámpa üzemelése folyamán. Az olvasztott kvarcból és 96%-os szilíciumdioxidból való buraelőállítás alapjában véve költséges és nem vezetett hagyományos nagyüzemi megvalósításhoz. Ezen túlmenően ezek a termékek nehezen formálhatók lámpatestté és a nagyon kis hőtágulási együtthatóik miatt különleges zárási módszert igényelnek a vezetékhuzalnak a lámpába való bevezetésénél. Éppen ezért további kutatások történtek folyamatosan és nagy költségráfordítással olyan üveg előállítására és kifejlesztésére, amely olyan olvadási és alakíthatósági tényezőkkel rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a lámpaburák tömegtermelését és biztosítják az ilyen alkalmazáshoz szükséges fizikai tulajdonságokat. Az ilyen kompozíciókutatások zöme az alkáliföidfém-alumínium-szilikátrendszeren alapuló üvegek területére terjedt ki. Például:

A 3496401 számú amerikai szabadalmi leírásban olyan üvekeget írnak le, amelyek volfrám-jód izzólámpák üvegburájának az előállítására használhatók. Ezek az üvegek lényegében 10—25 súly% alkáliföldfémoxidból, 13—25 súly% Al₂O₃-ból, 55—70 súly% SiO₂-ből, 0—10 súly% BjOj-ból és 0,1 súly%-nál kevesebb alkálifémoxidból állnak, oxidalapon számítva.

A 3978362 számú amerikai szabadalmi leírásban olyan üvegeket ismertetnek, amelyek volfrám-bróm izzólámpák burájaként alkalmazhatók. Ezeknek az üvegeknek az alsó hűlési hőmérséklete 700 °C felett van, hőtágulási együtthatója (0—300 °C tartományban) körülbelül 48—55 x 10^-7/ °C, molibdénfémmel való párosítás az üveg dermedéspontjánál nem haladja meg a 250 ppm-et, üzemi hőmérséklete 1550 °C-nál nem magasabb, a viszkozitás a liquidus hőmérsékletnél legalább 100000 poise és a liquidus hőmérséklete 1200 °C alatt van. A kompozíciók összetétele oxidalapon súlyszázalékban kifejezve lényegében körülbelül

14—21% CaO, 0—5% MgO, 0—7% BaO, mimeilett a CaO + MgO + BaO legalább 19%, 13—16% A^Oj, 0—10% SrO és/vagy LajO, és 58—63% SiO₂.

A 4060423 számú amerikai szabadalmi leírásban egy másik üvegkompozíció csoportot írnak le, amelyek olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek alkalmassá teszik ezeket volfrám-halogén lámpák bu2 ráiként való használatra. Ezeknek az üvegeknek az alsó hűlési hőmérséklete legalább 725 °C, liquidus hőmérséklete 1250 °C-nál nem magasabb és a hőtágulási együtthatója (0—300 °C tartományban) körülbelül 42—48 x 10 ⁷/°C és lényegében olyan kompozíciókból állnak, amelyeknek az összetétele súlyszázalékban oxidalapon számítva a következő: 55—68% S1O₂,

15—18% A1₂O₃, 6—13% CaO és 6—16% BaO, mimeilett az A1₂O₃: CaO + BaO súlyarány körülbelül 0,6:1 és 1:1 között van.

Végül a 4 225198 számú amerikai szabadalmi leírásban újabb Uvegkompozició csoportot ismertetnek, amelyek ugyancsak volfrám-halogén lámpák burájaként használhatók. Ezeknek az üvegeknek az alsó hűlési hőmérséklete 730 °C felett van, liquidus hőmérséklete 1200 °C alatt van, viszkozitása a liquidus hőmérsékleten legalább 40000 poise, hőtágulási együtthatója (0—300 °C tartományban) kisebb, mint 48xlO~⁷/°C, de nagyobb, mint 43xlO“⁷/°C és axiális kompressziója szobahőmérsékleten nem haladja meg a 150 ppm-et 500 °C-nál, ha molibdénfémhez forrasztják. Az üvegek összetétele súlyszázalékban kifejezve oxidalapon a következő: 61—65% SiO₂, 14—17% A1₂O₃, 8—15% CaO és 6—9% SrO.

A felsorolt üvegek mindegyikét volfrám-halogén lámpák burájának a készítésére használták. Ezek az üvegek azonban nem mutattak optimális jellemzőket a feldolgozhatóság és/vagy a fizikai tulajdonságok tekintetében.

Három kritikus fizikai-kémiai tulajdonsággal függ össze az üveg feldolgozhatósága és a lámpák teljesítőképessége, amelyeknek optimálisaknak kell lenniök a volfrám-halogén lámpák buráját alkotó üvegben. Ezek a következők: 1. a liquidus hőmérséklet vagy az üveg maximális kristályosodási hőmérséklete; 2. az alsó hűlési pont, például az a hőmérséklet, ahol az üveg viszkozitása IO¹⁴·⁶ poise; és 3. a hőtágulási együttható.

A maximális kristályosodási (devitrifikációs) hőmérséklet fontos tényező az üvegáruk olvasztása és formázása során. Az olvadt üveget az olvasztó egység elhagyása után rendszerint a kívánt méretre formálják olyan hőmérsékleten, amely afelett a hőmérséklet felett van, amelyen az üvegkompozició észrevehető mértékben kristályosodik. Volfrám-halogén lámpák burájának a készítésére üvegcsöveket használnak. Az üvegcsövek készítésénél megfelelőbb a maximális viszkozitás meghatározása a liquidus hőmérsékleten, mint egy önkényes maximális kristályosodási hőmérséklet választása, mivel a hőmérséklet) viszkozitásarányok jelentős mértékben változnak az üvegkompozíciók szerint. Olyan megfelelő kompozíció meghatározására, amely üvegcsövek készítésére alkalmas, hasznos vezérfonalnak bizonyult az, ha a maximális kristályosodási hőmérséklet a 30000 poise Üvegviszkozitásnak megfelelő hőmérséklet vagy ez alatt van. Elméletileg nincs hőmérséklethatár, ha az üvegviszkozitás elég nagy, az olvasztó és formáló készülék hőállósága azonban megszabja a gyakorlati teendőket. Azt találtuk, hogy amennyiben hagyományos Velloeljárást alkalmazunk, akkor olyan üveg alkalmas üvegcsövek készítésére, amelynek a liquidus hőmérséklete 1300 °C alatt van.

Az alsó hűlési hőmérséklet az üveg által mutatott hőállóságot, valamint azt a hőmérsékletet képviseli, amelynél feszültségek kezdenek kialakulni az Uveg/fém-kötésben. A volfrám-halogén lámpák fénykibocsátása azok üzemelési hőmérsékletének a növekedésével emelkedik. Ennek megfelelően az ilyen lámpák előállításánál állandóan arra törekszenek, hogy a lámpák, minél magasabb hőmérsékleten üzemeljenek. Azt találtuk, hogy ez a kívánalom akkor teljesül, ha a buraüveg'alsó hűlési hőmérséklete 750 °C felett van.

Az üveg alsó hűlési hőmérsékletének és hőtágulási együtthatójának a kombinációja döntő tényező a kialakult feszültség mértékének és milyenségének a meghatározásánál, ha az üveg/fémkötés a zárási (forrasztási) hőmérsékletről lehűl (és az ezt követő újramelegedésnél a lámpa működése során). A volfrámhalogén lámpák esetében a fémvezetékek molibdénből készülnek, mivel ezek körülbelül 55xl0’/°C nagyságú —- viszonylag állandó — hőtágulási együtthatóval rendelkezik.

Az előző Uvegkutatások során kialakított üvegeknek a hótágulási együtthatója egészen közel van a molibdénéhez. A fent említett 3 978 362 számú amerikai szabadalmi leírásban leírt üvegeknél a hőtágulási együttható (0—300 °C tartományban)

48—50 x 10^-7/ °C nagyságrendű. A molibdénhez való illesztés az üveg dermedéspontja és a szobahőmérséklet közötti hőmérsékletre a hőtágulási görbék összehasonlítása útján állapítható meg.

Az üveg/fém-forrasztásoknál jelentkező feszültségek tanulmányozása során újabban a molibdénfém és az üveg között lévő forrasztások tanulmányozására fotoelasztikus analízist használnak. így például S. M. Rekhson szerző a Glass Technology, 20, No. I, 1979, irodalmi helyen általános áttekintést ad a módszerről. A fent említett 4225198 számú amerikai szabadalmi leírásban pedig kifejezetten a molibdénhez való hengeres forrasztásokkal foglalkoznak. Ezek az ismertetések azoknak a maradék feszültségeknek a megértését segítik elő, amelyek egyszerű alakú üveg/fém forrasztásoknak a dermedéspontról szobahőmérsékletre való lehűlésekor keletkeznek. így a különböző hőkezelések és a szobahőmérsékleten keletkező feszültségek az üveg hőtágulásának a függvényei. A fent említett 4225198 számú amerikai szabadalmi leírásban leírt módszer alkalmazása esetén >43x 10^-7/°C, de <48 x 10~⁷/°C hőtágulási együtthatójú üvegek bizonyultak megfelelőknek volfrám-halogén lámpák buráiként.

A volfrám-halogén lámpák legújabb kutatásai, amelyek az élettartamra vonatkoztak, módosították az egyszerű geometriájú üveg/fém forrasztások lehűlésekor kialakult maradék feszültségekre vonatkozó előző elképzeléseket. Ilyen lámpák vizsgálatánál kapott eredmények, amelynek során a lámpákat teljes intenzitással hosszú ideig üzemeltették annak érdekében, hogy a tényleges használati körülményeket utánozzák, azt mutatták, hogy további feszültségek alakulnak ki az üveg/fém forrasztások környékén az üveg nem egyenletes melegedése következtében, továbbá a forrasztás komplex-geometriája és természetesen a meglehetősen magas hőmérsékleten való megeresztés miatt. Ily módon olyan üvegek, amelyek kívánt kis forrasztási feszültségekkel rendelkeznek hengeres hernyóvarrat esetén, még mutatnak belső működést, ha volfrám-halogén lámpák buráiként kerülnek alkalmazásra. Azt találtuk a vizsgált lámpákban lévő maradék feszültségek vizsgálatánál, hogy körülbelül 43xlO“’/°C az optimális hőtágulási együttható (0—300 °C tartományban). Ennek megfelelően az üveg hőtágulási együtthatóját 42—44 x 10^_7/°C értéken tartjuk.

Azt találtuk, hogy a volfrám-halogén lámpák buraüvegénél a három döntő fizikai-kémiai tulajdonságra megadott fenti értékek a hagyományosan megkívánt más jellemzőkkel, mint a jó kémiai tartósság, átlátszóság, szintelenség és hasonló jellemzőkkel együtt kielégíthetők egy rendkívül szűk kompozíciótartományban az alkáliföldfém-aluminium-szilikát rendszeren belül. Azt találtuk továbbá, hogy a hótágulási együtthatóra, valamint az alsó hűlési hőmérsékletre megkívánt követelmények egyidejűleg elérhetők olyan kompozíciókban, amelyekben a CaO és SrO és/vagy BaO gondosan körülhatárolt kombinációja van jelen Al₂0_raI és SlO₂-vel együtt. Ennek megfelelően a találmány szerinti kompozíciók — oxidalapon, súlyszázalékban kifejezve — 64—68% SiO₂-ből, 11—14% CaO-ból, 16,5—18,5% Al₂O₃-ból és 2—6,5% Sr + BaO-ból állnak, ahol az SrO 0—4%-ban és a BaO 0—5%-ban van jelen.

A kísérlet azt mutatta, hogy ahol CaO vagy CaO+MgO kombinációja alkotja az egyedüli alkáliföldfémoxidot, ott a liquidus hőmérsékletek általában túlságosan magasak. Feleslegben lévő SrO általában azt eredményezi, hogy a liquidus hőmérséklet nagyon magas, a hőtágulási együttható pedig túlságosan nagy. Nagyobb BaO szintek rendszerint olyan üvegekhez vezetnek, amelyeknek az alsó hűlési hőmérséklete nagyon alacsony, hőtágulási együtthatója pedig túlságosan nagy, vagy nem kívánt viszkozitás-hőmérsékleti hatások jelentkeznek magas hőmérsékleten. Az előnyös üvegek kombinációban tartalmaznak SrO-t és BaO-t, amelyek összmennyisége legalább 3 súly% és az SrO:BaO mólarány körülbelül 2:1 és 1:2 között van. Ennek a kombinációnak kevert alkáliföldfémhatása van, amely növeli az üvegek magas hőmérsékletű viszkozitásarányát. Ilyen üvegek például 1000 poise viszkozitást mutatnak 1520 °C-nál nem magasabb hőmérsékleten. Ezzel szemben a csak SrO-t vagy BaO-t tartalmazó üvegeknél a megkívánt hőmérséklet megközelíti az 1550 °C-ot és ennél magasabb is lehet hasonló viszkozitás elérésére. Ez a jellemző nagyon fontos az olvasztási és formázási műveleteknél.

Az I. táblázat néhány Uvegkompozíciót mutat be súlyrészben kifejezve oxidalapra vonatkoztatva, az összmennyiségből számítva, amelyek a találmány paramétereit szemléltetik. Amennyiben az alkotók összege 100 vagy közelítőleg 100, gyakorlati célokra az egyes alkotók mennyisége súlyszázalékot jelent. Az IA. táblázat az alkotók mennyiségét mólszázalékban adja meg az összmennyiségből számítva. A tényleges alkotóanyagok bármilyen anyagot képviselhetnek, így oxidokat vagy más vegyületeket, amelyeket ha együtt megolvasztunk, akkor a kívánt oxidokká alakíthatjuk a jellemző arányokban. A CaCO₃ például CaO forrásként, az SrCOj pedig SrO forrásként szolgálhat.

Az anyagokat magában foglaló adagot összekeverjük, golyós malomban összeőröljük homogén olvadék biztosítása érdekében és utána platina-olvasztótégelybe tesszük az anyagokat. Az olvasztótégelyeket 1650 °C-on működő olvasztókemencébe visszük és ott

-3185 653 ’ 2 körülbelül 16 óra hosszat olvasztjuk. Ezután az olvasztótégelyeket kivesszük az olvasztókemencéből, az olvadákot acél öntőformába öntjük üveglemezek készítése érdekében, amelyek mérete 152 mm x 152 mmx76 mm, majd a lemezeket közvetlenül egy körülbelül 810 °C-on működő edzőbe visszük. (A példaként megadott kompozíciók csupán laboratóriumi olvadék formájában készültek ugyan, de nagyobb ipari mennyiségek ugyanúgy előállíthatók ezekből tégelyekben vagy folyamatos olvasztóegységekben.)

I. táblázat

V. ú;	1	2	3	4	5	6	7
SiOj	65,80	65,30	65,30	67,30	67,50	64,80	66,30
AljOj	17,30	17,20	17,20	17,70	17,20	17,00	17,40
CaO	12,95	12,90	12,00	15,00	12,10	11,90	13,10
SrO	1,60	__	3,20	—	3,20	1,60	3,20
BaO	2,35	4,70	2,40	—	—	4,70	—

JA. táblázat

1 1	2	3	4	5	6	7
SiOj	7!,7	71,7	71,7	71,7	73,0	71,7	71,7
AljOj	11,1	11,1	11,1	11,1	11,1	11,1	ii;i
CaO	15,2	15,2	14,1	17,2	14,0	14,1	15,2
SrO	1,0	—	2,0	—	2,0	1.0	2,0
BaO	1.0	2,0	1,0	—	—	2.0	—

AII. táblázat a fenti üvegeken meghatározott fizikai tulajdonságok mérési eredményeit foglalja össze. A méréseket az üvegiparban szokásos módszerekkel végeztük. A felső hűlési pontot (Ann. Pt.), az alsó hűlési pontot (Sír. Pt.), a belső liquidus hőmér- 40 sékletet (Liq.), az 1000 poise viszkozitáshoz tartozó viszkozitás! hőmérséklet (10³ poise) °C-ban, a liquidus hőmérsékletnél mért viszkozitást (Lic. Visc.) poise-ban adjuk meg a hőtágulási együtthatót (Coef. Exp.) 0—300 °C tartományban határoztuk meg és 45 x 1G^_7/°C értékben tüntetjük fel.

II. táblázat

	1	2	3	4	5	6	7
Ann. Pt.	807	807	806	816	815	805	812
Str. Pt.	757	756	755	765	764	755	762
Coef.Exp.	43,2	43.5	43,4	41,6	41,2	43,4	42,7
Liq. Visc.	40000	45000		30000
10³ poise	1506	1555

A 4. példa azt mutatja, hogy magas liquidus hőmérsékletet kapunk, ha SrO és BaO nincs az üvegkompozícióban. Az 1. és a 2 példa összehasonlítása 15 azt mutatja, hogy a kevert aláliföldfémeknek kedvező hatása van a magas hőmérsékletű viszkozitásra, amely annak az eredménye, hogy SrO + BaO kombináció van jelen az üvegben. A kompozíciók közül a legkedvezőbb az 1. példa szerinti kompozíció.

Claims

1. Üvegkompozíció volfrám-halogén lámpák burá25 jához és molibdénfémhez való forrasztáshoz, azzal jellemezve, hogy alsó hűlési hőmérséklete legalább 750 °C, hőtágulási együtthatója (0—300 “C tartományban) 42—44x10/°C, liquidus hőmérséklete 1300 °C alatt van, viszkozitása a liquidus hőmérsék30 létnél legalább 40000 poise és összetétele súlyszázalékban kifejezve oxidbázisra számítva 64—68% SiO₂, 11—14% CaO, 16,5—18,5% A1jO₃ és 2—6,5% SrO + BaO, ahol az SrO 0—4%-ban és a BaO 0—5%ban van jelen.

2. Az 1. igénypont szerinti üvegkompozició, azzal jellemezve, hogy viszkozitása 1000 poise-nál kisebb 1520 °C-nál nem magasabb hőmérsékleten és összesen legalább 3 súly% SrO + BaO komponenst tartalmaz, az SrO:BaO mólarány pedig 2:1 és 1:2 között van.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti Uvegkompozíció, azzal jellemezve, hogy összetétele a következő:

SiO₂ 65,80 A1₂O₃ 17,30 CaO 12,95 SrO 1,60 BaO 2,35 súlyszázalékban kifejezve.

Ábra nélkül