JP2009152206A

JP2009152206A - モリブデン合金フィードスルーを有するセラミック放電容器

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Publication number: JP2009152206A
Application number: JP2008326295A
Authority: JP
Inventors: Thomas J Patrician; ジェイパトリシアントーマス
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2009-07-09
Also published as: US7710038B2; EP2073246A1; EP2073246B1; CA2639667A1; US20090160339A1

Abstract

【課題】本発明の課題は先行技術の欠点を回避することである。
【解決手段】セラミック体と該セラミック体に封止されたフィードスルーとを有するセラミック放電容器において、前記フィードスルーを、少なくとも７５重量パーセントのモリブデンと５重量パーセントを超すニッケルと銅および鉄から選択された少なくとももう１つの金属とを含むモリブデン合金から形成し、前記合金中の鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比を１：１から９：１の範囲内とする。
【選択図】なし

Description

一般に、セラミック放電容器は高圧ナトリウムタイプ、高圧水銀タイプおよびメタルハライドタイプを含む高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに使用される。セラミック容器は透明で、ＨＩＤランプの動作中に生じる高温高圧の条件に耐えうるものでなければならない。ＨＩＤランプ用途の放電容器を形成するのに好ましいセラミックスは多結晶アルミナ（ＰＣＡ）である。もっとも、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酸窒化アルミニウムのような他のセラミックスを使用してもよい。

従来のセラミック放電容器では、導電性の金属フィードスルーを用いて電気エネルギーが放電空間に運ばれる。しかし、セラミック容器と金属フィードスルーの間にハーメチックシールを形成するのは、材料の性質が異なるために、特に熱膨張係数が異なるために困難である。多結晶アルミナの場合には、一般にＰＣＡセラミックスとニオブフィードスルーとの間にシールが形成される。それはこれらの材料の熱膨張が非常に似通っているからである。タングステンはニオブに比べてはるかに融点が高いので、ニオブフィードスルーはアーク接点を形成するために使用される少なくとも１つのタングステン電極に接合される。

しかし、フィードスルー材料としてのニオブは２つの重大な欠点を有している。第１の欠点はランプ動作中にニオブを空気に曝すことができないことである。これはニオブが酸化し、ランプの不具合を生じさせてしまうからである。このため、放電容器は真空または不活性ガス環境で動作しなければならず、ランプのコストと全体的サイズが増大してしまう。第２の欠点は、ニオブがメタルハライドランプで使用されるほとんどの化学充填物と反応してしまうことである。この反応性の結果は様々であるが、これらの反応は不可避的にランプの性能または寿命の低下をもたらす。

この懸念から、メタルハライド用途向けに、より複雑な電極アセンブリが開発された。例えば、ある先行技術によるセラミックメタルハライドランプの電極アセンブリは、セラミックアーク管に封止されたニオブフィードスルーと、モリブデンロッドと、Ｍｏアルミナサーメットと、タングステン電極との４つのセクションを溶接して形成されている。特許文献１に記載された別の電極アセンブリは、外部長さに沿って複数の溝を持ち、これらの溝にワイヤが挿入されたセラミックコアを有するマルチワイヤフィードスルーを使用している。タングステンまたはモリブデンのワイヤはフィードスルーの少なくとも一方の端部で撚り合わされている。この撚り線をランプ内の電極として使用してもよいし、別個の電極チップを撚り線束に取り付けてもよい。

特許文献２には、ニオブの代わりにＭｏ-ＴｉおよびＭｏ-Ｖ合金から製造された閉成部材が記載されている。Ｍｏ-ＴｉおよびＭｏ-Ｖ合金はＰＣＡに合う熱膨張係数を有するように配合することができる。さらに、特許文献３には、５重量パーセントまでの焼結助剤（Ｎｉ，ＣｏまたはＣｕ）をＭｏ-Ｔｉ合金に加え、焼結による閉成部材の製造を容易にすることが示されている。あいにく、これらのモリブデン合金の両方とも欠点を有している。特に、Ｍｏ-Ｔｉ合金はハロゲン化金属化学充填物と不利に反応し、Ｍｏ-Ｖ合金は非常に脆く、製造が難しい。
アメリカ合衆国特許第６，７７４，５４７号アメリカ合衆国特許第４，３６６，４１０号アメリカ合衆国特許第４，３３４，６２８号

本発明の課題は先行技術の欠点を回避することである。

上記課題は、セラミック体と該セラミック体に封止されたフィードスルーとを有するセラミック放電容器において、前記フィードスルーを、少なくとも７５重量パーセントのモリブデンと５重量パーセントを超すニッケルと銅および鉄から選択された少なくとももう１つの金属とを含むモリブデン合金から形成し、前記合金中の鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比を１：１から９：１の範囲内とすることにより解決される。

モリブデン重合金（ＭｏＨＡ）は多結晶アルミナの熱膨張特性と十分にマッチする熱膨張特性を有しており、セラミック放電容器の製造においてフィードスルー材料として有用であることが判明している。さらに、ＭｏＨＡは純粋なＭｏの相とＭｏおよびその他の合金元素の固溶体の相（マトリクス相と呼ばれる）の２つの相を有しているため、ハロゲン化金属化学充填物に対するＭｏＨＡの反応性は純粋なＭｏに類似する。通常、純粋Ｍｏ相は微細構造の体積の少なくとも８０％を構成している。このことはランプ化学物質に曝される原子の一部しか合金元素からのものでないということを意味する。モリブデンの濃度が高くなれば、フィードスルーに対する化学抵抗も大きくなる。ＭｏＨＡフィードスルーで使用される合金元素は鉄と銅の少なくとも一方と組み合わせたニッケルである。例えばＮｉ：ＦｅやＮｉ：Ｃｕなどの合金元素の比が固定されていれば、固溶体のマトリクス相は一定の組成、すなわち、Ｍｏと合金元素との飽和溶液である。例えば、ＭｉとＦｅを含むＭｏＨＡの場合、Ｎｉ：Ｆｅの比が大きいほど、マトリクス内のＭｏの溶解度は高くなる。

それゆえ、本発明の一側面によれば、少なくとも７５重量パーセントのモリブデンと５重量パーセントを超すニッケルと銅または鉄から選んだ少なくとももう１つの合金金属を含んだモリブデン合金から成るフィードスルーが設けられる。さらに、合金中の鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比Ｎｉ：（Ｆｅ，Ｃｕ）は１：１から９：１の範囲内である。好ましい実施形態では、モリブデン合金は８５〜９３重量パーセントのモリブデンを含み、７：３から９：１の範囲のＮｉ：（Ｆｅ，Ｃｕ）重量比を有する。さらに好ましくは、モリブデン合金は８８〜９２重量パーセントのモリブデンを含み、８：２から９：１の範囲のＮｉ：（Ｆｅ，Ｃｕ）重量比を有する。

本明細書で用いられているように、すべての合金組成は別に指示がない限り重量パーセント（ｗｔ．％）で与えられる。

図１を参照すると、メタルハライドランプのセラミック放電容器１の断面図が示されている。ここで、放電容器１は好ましくは多結晶アルミナから成る透明セラミック体３を有している。セラミック体３は両端から外側へと延びる向かい合った毛管５を有している。毛管５は電極アセンブリ２０を入れるための中心孔９を有している。この実施形態では、電極アセンブリ２０はタングステン電極２６と本発明によるモリブデン合金から成るフィードスルー２２とから構成されている。タングステンコイルまたはその他の類似の構造をタングステン電極２６の端部に付加して、アーク放電の接点を提供するようにしてもよい。

放電室１２内にはハロゲン化金属充填物が含まれている。ハロゲン化金属充填物は一般に水銀とハロゲン化金属塩、例えばＮａＩ、ＣａＩ₂、ＤｙＩ₃、ＨｏＩ₃、ＴｍＩ₃およびＴｌＩの混合物とから構成されている。放電室１２内には、例えばＸｅやＡｒなどのバッファガスも含まれている。フリット材１７は毛管５と電極アセンブリ２０のフィードスルー２２との間にハーメチックシールを形成する。好ましいフリット材は耐ハロゲン性のＤｙ₂Ｏ₃-Ａｌ₂Ｏ₃-ＳｉＯ₂ガラスセラミックス系である。メタルハライドランプでは、腐食性のハロゲン化金属充填物との不利な反応を防ぐために、フリット材１７の毛管５への浸入を最小にすることが通常望ましい。例えば、ハロゲン化金属塩の凝縮液がランプ動作中にフリット材１７に接触するのを防ぐために、モリブデンコイル２４をタングステン電極２６の胴に巻き付けてもよい。

本発明のモリブデン合金フィードスルーは他のフィードスルー構成においても使用することができる。例えば、アメリカ合衆国特許第６，７７４，５４７号の場合のようにマルチワイヤ構成において使用してもよいし、従来の高圧ナトリウムランプのニオブ管の代わりとして使用してもよい。また、フリットを使用しないシールにおいても使用することができる。この場合、フィードスルーは中間フリット材を用いずに直接セラミックに封止される。

フィードスルーを形成するモリブデン合金は、ＮｉとＣｕまたはＦｅの少なくとも一方とで合金化されたＭｏを含んでいる。合金中のＭｏの量は少なくとも７５ｗｔ．％であり、他の合金元素Ｎｉ、ＣｕおよびＦｅの合計重量は５ｗｔ．％よりも大きく、より好ましくは少なくとも７ｗｔ．％、さらに好ましくは少なくとも８ｗｔ．％である。Ｃｕおよび／またはＦｅの総量に対するＮｉの量の重量比は１：１から９：１、より好ましくは７：３から９：１、さらに好ましくは８：２から９：１の範囲内とすべきである。合金は例えば熱膨張や化学抵抗などの合金の所望の特性に重大な影響を及ぼさない他の元素を少量含んでいてもよいが、合金はＭｏ、Ｎｉ、Ｃｕおよび／またはＦｅと極低いレベルの金属汚染物質、好ましくは総量で５０００ｐｐｍ未満の金属汚染物質とから構成されていることが好ましい。

フィードスルーは従来の粉末冶金技術によって形成してよい。適切な割合の金属粉末をよく混合し、成形体にプレスし、固体焼結し、完全な密度まで液相焼結する。次に、面積または断面を少し小さくするために、圧延、絞りまたはその他の従来からの金属成形法によってワイヤ、ロッドまたはその他の所望のフィードスルー形状を形成するようにしてよい。これらのタイプの合金はひび割れせずに約３０％の面積低減が可能である。変形をより大きくするには、加工される材料を焼きなますか、再び液相焼結しなければならない。

実施例
純粋なＭｏ、Ｎｉ、ＦｅおよびＣｕの粉末の混合物を作り、３０ｋｓｉ以上の圧力でプレスすることにより理論的密度のおよそ６５％まで密度を高めた。次に、プレスされた成形体をＭｏ：Ｎｉ：Ｆｅ合金の場合には１４４０°Ｃで、Ｍｏ：Ｎｉ：Ｃｕ合金の場合には１１２５°Ｃで固体焼結した。固体焼結の後、成形体をアルミナ砂に埋め、Ｍｏ：Ｎｉ：Ｆｅ合金の場合には１５００°Ｃで、Ｍｏ：Ｎｉ：Ｃｕ合金の場合には１４４０°Ｃで液相焼結した。両方の焼結処理は酸化を防ぐために還元ガスまたは不活性ガス環境で行われた。液相焼結した合金の密度は理論的密度の１００％となった。合金の塑性は表１に示されている。

次に、サンプルを円筒形に加工し、膨張計で熱膨張特性を測定した。図２および３は、モリブデン合金の熱膨張をＰＣＡおよびニオブの熱膨張特性と比較したものである。２つのグラフから、ある所与の温度範囲では、複数の異なる合金がＰＣＡの熱膨張係数とほぼ完全に一致することが明らかである。すべての温度範囲でＰＣＡとの一致が乏しい唯一の合金は９０％Ｍｏ-８％Ｎｉ-２％Ｃｕである（参考までに、図４には、合金化されていないモリブデンとタングステンの熱膨張がＰＣＡと比較して示されている）。

９０％Ｍｏ-８％Ｎｉ-２％Ｆｅ合金に関して模擬的なメタルハライド環境で化学抵抗を試験したが、有意な反応は見られなかった。Ｃｕ含有合金は両方とも同じ融点を有し、Ｆｅ含有合金も両方とも同じ融点を有することが判明した。液相焼結温度によって示されているように、Ｆｅ含有合金はＣｕ含有合金よりも著しく高い融点を有している。

以上に、現時点で本発明の好適な実施形態と見なされるものを図示し説明したが、当業者であれば、添付された請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および改良を為しうることは明らかであろう。

本発明によるモリブデン合金フィードスルーを含んだセラミック放電容器の断面図である。本発明によるモリブデン合金の熱膨張をＰＣＡと比較したグラフである。本発明によるモリブデン合金の熱膨張をＰＣＡおよびニオブと比較したグラフである。合金化されていないモリブデンとタングステンの熱膨張をＰＣＡと比較したグラフである。

Claims

セラミック体と該セラミック体に封止されたフィードスルーとを有するセラミック放電容器において、前記フィードスルーは少なくとも７５重量パーセントのモリブデンと５重量パーセントを超すニッケルと銅および鉄から選択された少なくとももう１つの金属とを含むモリブデン合金から形成されており、前記合金中の鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が１：１から９：１の範囲内であることを特徴とするセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８５〜９３重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が７：３から９：１までである、請求項１記載のセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８８〜９２重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が８：２から９：１までである、請求項１記載のセラミック放電容器。
前記合金中のニッケル、鉄および銅の合計量が少なくとも７重量パーセントである、請求項１記載のセラミック放電容器。
前記合金中のニッケル、鉄および銅の合計量が少なくとも８重量パーセントである、請求項１記載のセラミック放電容器。
前記セラミック体が多結晶アルミナから成る、請求項１記載のセラミック放電容器。
前記フィードスルーがフリットを用いずに直接前記セラミック体に封止されている、請求項１記載のセラミック放電容器。
セラミック体と該セラミック体に封止されたフィードスルーとを有するセラミック放電容器において、前記セラミック体は多結晶アルミナから形成されており、前記フィードスルーは少なくとも７５重量パーセントのモリブデンと５重量パーセントを超すニッケルと銅および鉄から選択された少なくとももう１つの金属とを含むモリブデン合金から形成されており、前記合金中の鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が１：１から９：１の範囲内であることを特徴とするセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８５〜９３重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が７：３から９：１までである、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８８〜９２重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が８：２から９：１までである、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記合金中のニッケル、鉄および銅の合計量が少なくとも７重量パーセントである、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記合金中のニッケル、鉄および銅の合計量が少なくとも８重量パーセントである、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記合金がＭｏ、ＮｉおよびＦｅから成る、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８５〜９３重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が７：３から９：１までである、請求項１３記載のセラミック放電容器。
前記モリブデン合金は８８〜９２重量パーセントのモリブデンを含み、鉄と銅の合計量に対するニッケルの量の重量比が８：２から９：１までである、請求項１３記載のセラミック放電容器。
前記合金が９０重量パーセントのＭｏ、８重量パーセントのＮｉおよび２重量パーセントのＦｅから成る、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記合金が９０重量パーセントのＭｏ、１６重量パーセントのＮｉおよび４重量パーセントのＦｅから成る、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記合金が９０重量パーセントのＭｏ、１６重量パーセントのＮｉおよび４重量パーセントのＣｕから成る、請求項８記載のセラミック放電容器。
前記フィードスルーがフリットを用いずに直接前記セラミック体に封止されている、請求項８記載のセラミック放電容器。