JP2006196454A - 膨張反応により結合された酸化アルミニウム部材を有するセラミック放電容器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＣＡハットの高い熱質量によりハット表面からの放射により高い熱損失が生じ、亀裂の高い発生率をまねきうる深刻な熱応力を誘発するという欠点を有しない、膨張反応により結合された酸化アルミニウム部材を有するセラミック放電容器。
【解決手段】セラミック体および該セラミック体に気密封止された少なくとも１つの膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材を有するセラミック放電容器。
【選択図】なし

Description

本発明は、セラミック放電容器、殊にサファイア管体を含む高輝度放電に適用するための放電容器に関する。

セラミック放電容器は、一般に高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ、例えば高圧ナトリウム（HPS）ランプ、高圧水銀ランプおよび金属ハロゲン化物ランプに使用されている。典型的には、前記の放電容器は、共焼結される多重セラミック構成成分から形成され、フリット材料の使用なしに部材間に気密封止を形成する。この技術は、セラミック構成成分の差動収縮に依存し、部材間の締り嵌めを形成する。他のセラミック、例えばサファイア、イットリウムアルミニウムガーネット、窒化アルミニウムおよびオキシ窒化アルミニウムも使用されるけれども、ＨＩＤランプに適用するのに好ましいセラミックは、多結晶性アルミナ（PCA）である。

サファイアは、結晶成長技術によって定義される真っ直ぐの形状に限定されることを除外して、優れた透明のセラミック材料である。典型的には、ＥＦＧ（edge-defined, film-feed growrh）法によって成長された単結晶のサファイア管は、セラミック金属ハロゲン化物ランプに有用である。しかし、ＰＣＡ封止に対するＰＣＡは、ＰＣＡ部材の差動収縮（differential shrinkage）に依存するけれども、この技術は、通常、ＰＣＡ封止に対するサファイアには適用することができない。それというのも、サファイア管は、ＰＣＡ部材の焼結中に収縮しないからである。1つの解決として、低いワット数の自動車への適用のために幾つかの最近設計されたセラミック放電容器には、サファイア管の端部上に装着される多結晶性アルミナハットが使用される。例えば、国際特許出願のＷＯ ９９／４１７６１参照。ＰＣＡハットは、焼結中にサファイア管の端部の周辺で収縮し、該管の外側表面を有するシールを形成する。しかし、ＰＣＡハットの高い熱質量は、ハット表面からの放射により高い熱損失を生じ、亀裂の高い発生率をまねきうる深刻な熱応力を誘発する。付加的に、このサファイア−ＰＣＡ構成の費用は、競争技術と比較して相対的に高い。不運なことに、フリットで封止されたＰＣＡプラグを備えたサファイア管は、適当に代替することができない。それというのも、このタイプの構造においては、フリットは、高温領域に接近しすぎ、その結果、ランプの早期の故障をまねく腐食性の金属ハロゲン化物充填物によってよりいっそう急速に攻撃を受けるからである。
ＷＯ ９９／４１７６１

本発明には、前記に記載されたような課題が課された。

反応により結合された酸化アルミニウム（RBAO）は、低い（１％未満の）寸法的収縮を有する比較的新しい種類のセラミック材料である。ＲＢＡＯは、圧縮された物体内で加熱中に反応と焼結の双方が同時に起こるようなアルミナの常用の焼結のための新しい類縁物である。強力なＲＢＡＯ物体を製造する方法は、アルミニウム金属と酸化アルミニウム粉末との微粉砕された混合物の圧縮粉を用いて開始され、この場合この圧縮粉は、約１２００〜約１５５０℃で熱処理される。典型的には、Ａｌ金属によるＡｌ_２Ｏ_３への膨張およびＡｌ_２Ｏ_３の焼結時の収縮は、ほぼ平衡であることが望ましい。

しかし、ＲＢＡＯの従来技術の用途とは異なり、本発明は、高密度化が加熱中の小さな膨張によって達成されるような範囲へのＲＢＡＯのコウキシングを含む。ＲＢＡＯ構成成分の膨張は、セラミック構成成分間の気密封止を形成させるために使用される。効果的にＲＢＡＯ部材は、膨張し、収縮表面に対して封止する。これは、ＰＣＡに使用される差動収縮方法と反対であると考えてよい。

ＲＢＡＯは、焼結中に膨張するので、挿入されたＲＢＡＯプラグをサファイア管中で使用し、該管の末端を封止し、それによって外側のＰＣＡハットの使用を排除することが可能である。この構造は、よりいっそう良好な熱的分布、よりいっそう少ない応力およびよりいっそう高い残存力を生じる。内部封止されたプラグ構造が好ましく、膨張されたＲＢＡＯの使用は、アーク管内での内部封止の形成に制限されない。例えば、ハットの構成に膨張されたＲＢＡＯを使用することも可能であり、この場合には、焼結中のＲＢＡＯの膨張は、前記管の外側表面の周辺でハットの収縮を引き起こし、外部封止を形成させる。従って、気密封止を形成させるための膨張されたＲＢＡＯの使用は、セラミック放電容器の製造においてよりいっそう融通性を可能にする。

それ故に、本発明に１つの視点によれば、セラミック体と該セラミック体に気密封止された、少なくとも１つの膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材からなるセラミック放電容器が提供される。

本発明の別の視点によれば、セラミック放電容器中で気密封止を形成させる方法が提供され、この方法は、（ａ）セラミック体を形成させ；（ｂ）反応により結合された酸化アルミニウム部材を、生の状態でアルミニウム金属と酸化アルミニウム粉末との混合物の圧縮によって形成させ；（ｃ）セラミック体を組み立て、反応により結合された酸化アルミニウム部材を生の状態で組み立てて集合体を形成させ；（ｄ）この集合体を反応焼結させ、反応により結合された酸化アルミニウム部材を膨張させ、セラミック体での気密封止を形成させることを特徴とする。

発明の詳細な説明
本発明をよりいっそう理解するために、他の目的およびさらに対象、利点およびその可能性と共に、次の開示および上記図に関連して係属された請求項が参照される。

ＲＢＡＯに対して完全な反応結合サイクル後の全寸法の変化、Ｓ、のための一般的な等式は、等式（１）によって下記されている：
(1) S=[ (1+Σ ν_ｉV_ｉ)(ρ_ｏ/ρ)/(1 + 0.28 f V_Ａｌ)]^１／３ -1
式中、ν_ｉは、それぞれの参加に関連した体積膨張率であり（例えば、V_Ａｌ=0.28, ν_ｚｒ = 0.49, ν_τｉ = 0.76, νcr = 1.02）、Ｖ_ｉは、金属の体積画分（Ｖ_Ａｌを含む）であるかまたは元来の粉末混合物中で添加されたセラミック相であり、ｆは、微粉砕の中に酸化されたＡｌ画分であり、 ρ_ｏおよびρは、それぞれ生の密度および最終的な密度である。等式（１）は、Ａｌのよりいっそう高い画分および高い生の密度がＡｌ／Ａｌ_２Ｏ_３圧縮物の焼結中に（収縮よりもむしろ）最終的な膨張を生じうることを示す。典型的には、約１〜４％の体積膨張率は、〜７００℃でＡｌ相の溶融のために起こる。この膨張が起きた場合には、溶融されたＡｌ金属は、Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３部分から拡がり、さらに反応焼結下に気密封止を形成するように部分間の間隙を充填することが理論付けられている。

図１は、本発明による電極なしのランプのためのセラミック放電容器を示す略示断面図である。放電容器２は、管状体３および封止部材７を有し、これらは、一緒になって放電室１２を定めている。管状体３は、セラミック材料、好ましくは半透明のＰＣＡまたはサファイアから形成されている。封止部材７は、膨張されたＲＢＡＯプラグから形成されている。この放電容器の代替的な実施態様は、図５に示されている。この場合、凹所４３は、封止部材７を受容するために放電容器２′の管状体３′の端部中に形成されている。凹所４３の端部４５は、封止部材７の挿入深さを限定し、それによってよりいっそう正確な位置決めを提供する。

好ましい製造方法において、封止部材７は、生の状態でＰＣＡまたはサファイア管の端部中に挿入され、反応焼結によって膨張される。ＲＢＡＯプラグの直径は、反応焼結中に膨張するので、管状体３の収縮内面５との締り嵌めが起こり、気密封止が管状体３と封止部材７との間に形成される。ＰＣＡの場合には、ＰＣＡ管は、ＲＢＡＯプラグとの結合前に完全に焼結されることができ、この場合には、ＲＢＡＯ部材の反応焼結中にＰＣＡ管の最少の収縮のみが起こりうるか、或いはＰＣＡ管は、ＰＣＡ管が収縮する場合にのみ前燃焼されることができ、この場合には、ＲＢＡＯ部材は、反応焼結中に膨張される。後者の場合、アルミナ管は、生のＲＢＡＯ部材との結合前に８５０℃〜１３５０℃で前燃焼される。更に、組み立てられた部材は、１３５０℃未満の温度で反応焼結され、前記部材を少なくとも部分的に結合し、次に水素、Ｎ_２−Ｈ_２混合物または真空中で約１８５０℃までのよりいっそう高い温度で焼結され、透過率を上昇させ、封止を完成させる。集合体を焼結して密閉多孔質段階に変える焼結ＨＩＰ（熱間静水圧プレス成形）法は、高い透過率を生じさせるために使用されてもよい。

図３は、５片のセラミック放電容器を示す略示断面図である。この実施態様において、放電容器２１は、管状体３を有し、環状の封止部材２０で封止されている（図２中に別々に示されている）。環状の封止部材２０は、毛管２５を受容するための開口２３を有する。毛管２５は、電極集合体（図示されていない）を受容するために適している孔２９を有する。好ましくは、毛管２５は、生のＲＢＡＯ封止部材中への挿入前に、少なくとも１つの前燃焼され、よりいっそう好ましくは完全に焼結されたＰＣＡから形成されている。ＲＢＡＯ封止部材が焼結中に膨張するように、気密封止は、環状の封止部材２０の円筒状の外面３１と管状体３の内面５との締り嵌めならびに開口２３の円筒状表面３５と毛管２５の外面２７との締り嵌めの結果として形成される。

図４に示された選択的な実施態様において、環状の封止部材２０′および毛管２５′は、膨張されたＲＢＡＯから構成された一体部分として形成されている。

図３および４に示された放電容器に関連して、金属ハロゲン化物充填材料は、気密封止がセラミック部材間に形成された後に放電室１２中に挿入される。典型的な金属ハロゲン化物充填材料は、水銀および金属ハロゲン化物塩、例えばＮａＩ、ＣａＩ_２、ＤｙＩ_３、ＨｏＩ_３、ＴｍＩ_３およびＴｌＩの混合物を含有する。放電室１２は、緩衝ガス、例えばＸｅまたはＡｒ３０〜３００トルをも含有する。よりいっそう高い充填ガス圧、例えば２０℃でＸｅ１〜３０バールが使用されてもよい。このような高い圧力は、即座の開始が必要とされるようなランプ、例えば自動車用ランプに有用である。電極集合体は、電気接続を備えさせるために放電容器から一端が突出しているように、それぞれの毛管２５中に挿入されている。放電室中に延在している電極集合体の先端には、タングステンコイルまたはアーク放電のためのアタッチメントの一点を備えさせるための他の同様の手段が装着されている。電極集合体は、フリット材料（好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−Ｄｙ_２Ｏ_３フリット）により毛管に対して気密封止されている。

図６および７は、本発明によるＨＰＳランプのためのセラミック放電容器の２つの選択的な実施態様を示す略示断面図である。放電容器５０は、ＰＣＡから構成された管状体５３を有する。膨張されたＲＢＡＯから構成された環状プラグ５７は、放電室５１を定める管状体５３のそれぞれの端部中で封止している。環状プラグ５７中の開口５９は、タングステン電極が装着されている、典型的にニオビウム貫通接続部から構成されている電極集合体を受容するためのものである。ニオビウム貫通接続部は、ナトリウム／水銀アマルガムおよび緩衝ガスが放電室５１に添加された後に開口中でフリットにより封止されている。図７において、放電容器５０′の環状プラグ５７′は、環状プラグ５７′のよりいっそう正確な位置決めのための備えられた管の端部に対して設置されたフランジ６０を有する。

図８は、本発明のもう１つの実施態様であり、この場合セラミック放電容器７０は、管状体７３および毛管７７を有する。管状体７３は、サファイアまたはＰＣＡから構成されていてよく、毛管７７は、膨張されたＲＢＡＯから構成されている。毛管７７は、放電室８２を定義する予め定められた深さに挿入され、ＲＢＡＯの反応焼結中に膨張され、管状体７３の内面７５との気密封止を形成する。毛管７７は、電極集合体を受容するための孔７９を有し、放電室８２は、前記された金属ハロゲン化物充填材料で充填されていてよい。

膨張されたＲＢＡＯの能力を証明し、気密封止を形成させるために、固体のＲＢＡＯプラグは、形成され、焼結されたＰＣＡ管の端部中に封止された。殊に、平均２０μｍの粒径を有するアルミニウム金属粉末（Johnson-Matthey）は、３０、４０、５０および６０体積％（vol％）の量でアルミナ粉末（Baikowski社からのＣＲ６またはＣＲ１）と混合された。６ｍ^２／ｇの表面積を有するＣＲ６アルミナ粉末は、その焼結可能性のために有利であった。微細なアルミニウム粉末は、使用可能であるが、しかし、極微粒子のアルミニウム粉末は、自然燃焼が起こりうるので特殊な対策が必要とされる。１μｍより大きいアルミニウム粉末については、周囲温度で空気中での取り扱いは、受け入れることができる。アルミニウム金属体積含量は、１０〜７０体積％、好ましくは５０〜６０体積％の範囲内であることができる。アルミニウム金属含量が高い（６０体積％超）場合には、プレス成形部材は、軟質で脆弱な傾向にあり、取り扱いをよりいっそう困難にする。Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３混合物は、５ｍｍのＺｒＯ_２ボールおよび高密度ポリエチレン瓶を用いてメタノール中で２時間ボールミル粉砕された。アルミニウム金属粉末は水と反応するので、メタノールがボールミル粉砕に使用された。ボールミル粉砕は、２時間に制限され、媒体からのＺｒＯ_２の過度の供給が阻止される。受け皿の乾燥後、粉末は、乳鉢／乳棒を用いて破壊された。粉末は、３５ｋｓｉまたはそれ以上で一軸方向にプレス成形されたかまたは等静圧でプレス成形された。アルミニウム金属は、圧力下で変形するので、Ａｌ／Ａｌ_２Ｏ_３圧縮粉は、理論的密度の６０〜８０％の高い生の密度を達成することができた。必要な場合には、生のプラグは、予め定められた寸法に機械加工されてよい。生のＲＢＡＯプラグは、２ｍｍの厚さで４〜９０ｍｍの直径であり、ＰＣＡの外側管は、４．９５ｍｍのＩＤを有していた。外側管と組み合わせた後、全試料は、気流または酸素の下で次の温度作業周期：（１）１℃／分で７００℃への加熱および７００℃で２４時間維持；（２）１℃／分で１１００℃への連続的加熱および１１００℃で２４時間維持；（３）１℃／分で１５５０℃への連続的加熱および１５５０℃で２４時間維持；および最終的に３０℃／分で室温への冷却を用いて反応焼結された。最終的な維持温度は、十分な密度化を促進するために１５５０℃よりも高くともよく、例えば１６００〜１９００℃であってよい。この維持温度は、出発生密度およびＡｌおよびＡｌ_２Ｏ_３相の粒径に依存する。純粋な酸素雰囲気は、好ましい。それというのも、この純粋な酸素雰囲気は、Ａｌ_２Ｏ_３へのＡｌ金属粒子の急速な酸化を生じるからである。温度の遅速なランピングは、管の亀裂を制限した。よりいっそう高いランピング速度、例えば２℃／分〜５℃／分は、恐らく応力緩和の不足のために、外側の管の亀裂を生じた。気密体を形成させ、外側のアルミナ管への膨張されたＲＢＡＯプラグの直接の結合を形成させるのには、１５５０℃の温度で十分であった。

反応焼結中に、ＲＢＡＯプラグは、直径が４．９０ｍｍから５．２５ｍｍへ増加し、約６％の実効締め代（net interference）を生じる際に０．３５ｍｍの最終的な膨張率を有していた。外側のＰＣＡ管中での長手方向の亀裂は、高温でのランピング速度（５℃／分）が使用された場合に反応焼結作業周期後に現れた。膨張されたＲＢＡＯプラグと外側アルミナ管との結合部の長さは、２ｍｍであった。首尾よく結合された管は、１０^−９ｃｍ^２/秒で耐漏洩性であった。

目下本発明の好ましい実施態様であると考えられるものについて示し、記載してきたが、係属された請求項に定義された本発明の範囲を逸脱することなく多様な変更及び改良がなされてよいことは、当業者にとって明らかであろう。

本発明による電極なしのランプのためのセラミック放電容器を示す略示断面図。 本発明による環状の封止部材を示す略示断面図。 図２の環状の封止部材を組み込んだ、本発明による５片のセラミック放電容器を示す略示断面図。 封止部材が一体の毛管を有するような本発明による３片のセラミック放電容器を示す略示断面図。 図１に示されたセラミック放電容器の代替の実施態様を示す略示断面図。 本発明によるＨＰＳ照明に適用されるセラミック放電容器を示す略示断面図。 図１に示されたセラミック放電容器の代替の実施態様を示す略示断面図。 膨張されたＲＢＡＯ毛管を有する本発明によるセラミック放電容器を示す略示断面図。

符号の説明

２、２′ 放電容器、 ３、３′、５３ 管状体、 ５ 収縮内面、 ７ 封止部材、 １２ 放電容器、 ２０、２０′ 環状の封止部材、 ２１、５０、５０′ 放電容器、 ２３、５９ 開口、 ２５、２５′ 毛管、 ２７ 外面、 ２９、７９ 孔、 ３１ 外面、 ３５ 円筒状表面、 ４３ 凹所、 ４５ 端部、 ５１、８２ 放電室、 ５７、５７′ 環状プラグ、 ６０ フランジ、 ７０ セラミック放電容器、 ７３ 管状体、 ７５ 内面、 ７７ 毛管、

Claims (20)

1. セラミック体および該セラミック体に気密封止された少なくとも１つの膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材を有するセラミック放電容器。
2. セラミック体が管であり、膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が管の内面に対して封止されている、請求項１記載のセラミック放電容器。
3. セラミック体が多結晶性アルミナまたはサファイアから構成されている、請求項２記載のセラミック放電容器。
4. セラミック体がサファイアから構成されている、請求項２記載のセラミック放電容器。
5. 膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が開口を有し、毛管が該開口中に挿入されている、請求項２記載のセラミック放電容器。
6. 膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材および毛管が単一部材として形成されている、請求項５記載のセラミック放電容器。
7. 毛管が多結晶性アルミナから構成されている、請求項５記載のセラミック放電容器。
8. セラミック体が管であり、膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材は、該管の１端が凹所内に位置している、請求項１記載のセラミック放電容器。
9. 膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が開口を有する、請求項２記載のセラミック放電容器。
10. 膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が管の端部に対して設置されたフランジを有する、請求項９記載のセラミック放電容器。
11. セラミック体が管であり、膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が毛管である、請求項２記載のセラミック放電容器。
12. セラミック体がサファイアから構成されている、請求項１１記載のセラミック放電容器。
13. セラミック体が管であり、膨張され反応結合された酸化アルミニウム部材が管の外面に対して封止されている、請求項１記載のセラミック放電容器。
14. セラミック放電容器中に気密封止を形成させる方法において、
    （ａ）セラミック体を形成させ；
    （ｂ）アルミニウム金属と酸化アルミニウム粉末との混合物を圧縮することによって、反応結合された酸化アルミニウム部材を生の状態で形成させ；
    （ｃ）セラミック体および反応結合された酸化アルミニウム部材を生の状態で集合させ、集合体を形成させ；
    （ｄ）この集合体を反応焼結させ、反応により結合された酸化アルミニウム部材を膨張させ、セラミック体での気密封止を形成させることを特徴とする、セラミック放電容器中に気密封止を形成させる方法。
15. アルミニウム金属粉末が前記混合物を１０〜７０体積％含有する、請求項１４記載の方法。
16. アルミニウム金属粉末が前記混合物を５０〜６０体積％含有する、請求項１４記載の方法。
17. 反応結合された酸化アルミニウム部材が生の状態で６０〜８０％の生の密度を有する、請求項１４記載の方法。
18. セラミック体が集合体の形成前に少なくとも前燃焼された多結晶性アルミナから構成されている、請求項１４記載の方法。
19. セラミック体が集合体の形成前に完全に焼結されている、請求項１４記載の方法。
20. セラミック体が集合体の反応焼結中に収縮する、請求項１４記載の方法。

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