NL8303858A - Hogedruk-gasontladingslamp. - Google Patents

Description

' » ί ΡΗΝ 10.841 1 N.V. Philips1 Gloeilanpenfairieken te Eindhoven.

Hogedruk-c^ontladingslaiip

De uitvinding heeft betrekking op een hogedruk-gasontladings— lanp voorzien van een vakuuirdicht gesloten, lichtdoorlatend, buisvormig, keramisch lanpvat, waarin een elektrodenpaar en een ioniseerbare gasvulling aanwezig zijn en welk lanpvat aan zijn einden voorzien is van 5 stroctóoorvoergeleiders die elk met een respektieve elektrode en net een respektieve uitwendige strocmgeleider verbonden zijn, waarbij ten minste één stroandoorvoergeleider bestaat uit een elektrisch geleidend sinter-lichaam dat metaaldeeltjes tussen keramische granules bevat. Een dergelijke lanp is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.155.758.

10 Keramische lampvaten worden toegepast in lanpentypen die het lanpvat tijdens bedrijf een zeer hoge temperatuur, bijvoorbeeld 900°C of meer, geven. Als zodanig warden hogedruk-natriumcintladingslanpen en hogedrukkwikcntladingslampen met halogenide-toevoegingen genoemd. Met "keramische" lanpvaten worden daarbij lampvaten aangeduid, die bestaan 15 uit monokristallijn of uit -polykristallijn materiaal, zoals bijvoorbeeld doorschijnend gasdicht alumLniuiroxyde, magnesiumaluminaat, yttriumoxyde, yttriumaluminiumgranaat en saffier. Het polykristallijne materiaal kan daarbij één of meer toevoegingen bevatten, die het sinterproces waarin het lanprat ontstaat, beïnvloeden, b.v. in het geval van aluminiumoKyde: 20 magnesiumcKyde en/of yttriumoxyde, in een hoeveelheid van enkele honderdste delen van een procent.

Zowel de bestanddelen van de ioniseerbare gasvulling van een hogedruk-ontladingslanp, als ook de thermische uitzettingscoëfficiënt van het lampvatroateriaal, leggen sterke beperkingen cp aan metalen die 25 in de vorm van buizen, draden of kappen als strocmdoorvoerorganen in de lanp kunnen worden toegepast. Bij lampen bestemd cm te worden gebrand met het elektrodenpaar in vertikale stand, wordt saus één der strocra-doorvoergeleiders, b.v. de bovenste, aan een agressiever milieu blootgesteld dan de andere. Daardoor is bij die lampen de keuze van het 30 materiaal voor de éne stroandoorvoergeleider sterker beperkt dan voor de andere. Het metaal dat het meest als strocmdoorvoergeleider wordt toegepast, niobium, heeft het bezwaar erg duur te zijn.

In de lamp volgens het genoemde Amerikaanse octrooischrift is - 8303858 " PHN 10.841 2 een cermet toegepast als stroomdoorvoergeleider. De keramische granules van de cermet kunnen bestaan uit hetzelfde of uit een gelijksoortig materiaal als het lampvat. Het metaal met zijn afwijkende uitzettings-coëfficiënt is, tussen die granules verspreid, in een zekere volume-5 fraktie aanwezig. Bij geleidende cermets kan volgens dit octrooischrift, naarmate de keramische granules van grotere afmeting zijn, de volume-fraktie metaal kleiner zijn. Desondanks moet minimaal 4,5 vol% metaal aanwezig zijn om zelfs bij gebruik van grote granules (400-800^um) een geleidende cermet te hebben. In het octrooischrift wordt er dan ook 10 op gevezen, dat fijne keramische deeltjes vermeden moeten worden ten einde een maximaal gebruik te maken van bet metaalpoeder.

Volgens het geciteerde octrooischrift zijn de keramische granules bekleed met een uniforme laag metaalpoeder. In de cermet vormen de bekledingslagen samen een separate continue fase, die de vorm heeft 15 van een driedimensionaal netwerk van metaal en waarin de keramische granules als discontinue fase zijn gedispergeerd. Indien de keramische granules klein zijn, of indien er tussen de keramische granules fijne keramische deeltjes voorkomen, is er bij een zelfde volume aan keramisch materiaal meer metaalpoeder nodig cm de keramische korrels van een uni-20 forme bekleding van metaalpoeder te voorzien.

Zelfs bij toepassing van grote granules (400-800^um) is de conductiviteit van de cermet volgens het Amerikaanse octrooischrift nog erg klein. Van een cermet met die grote granules en 4,5 vol.% wolfraaitpoeder wordt een resistiviteit van 6 ohm.cm vermeld. Een derge-25 lijke cermet als strocmdoorvoergele'ider geeft grote vermogensverliezen. Daarbij kant nog het bezwaar, dat grote granules niet toepasbaai: zijn als de stroomdoorvoergeleider tenminste één afmeting heeft, die niet veel groter is dan de diameter van de granules. Heeft de stroomdoorvoergeleider één of meer kleine afmetingen dan moeten kleine granules 30 en dus een grotere volumefraktie metaal worden toegepast.

Met name als de thermische uitzettingscoëff iciënt van het metaal sterk afwijkt van de thermische uitzettingscoëfficiënt van het keramische materiaal, is een grote volumefraktie metaal echter bezwaarlijk. Spanningen in de cermet kunnen dan de vakuumdichtbsid van 35 het lampvat te niet doen.

De uitvinding beoogt een lamp van de in de openingsparagraaf - omschreven soort te verschaffen, waarvan het sinterlichaam van de strocndoorvoergeleider(s) een hoge conductiviteit heeft, zelfs bij toe- 8303858 EHN 10.841 3 passing van relatief kleine granules en een kleine volunefraktie metaaldeeltjes, en een hoge sterkte.

Dit oogmerk is bij een hogedruk-gasontlad ingslamp van de in de openingsparagraaf amschreven soort volgens de uitvinding daardoor 5 gerealiseerd dat het sinterlichaam van de strocmïocnrvoergeleider keramische granules heeft, die ingebed zijn in een elektrisch geleidende massa van in elkaar grijpende netwerken van keramiek resp. van metaal.

Bij de lamp volgens de uitvinding wordt stroom aan de elektrode toegevoerd door een netwerk van metaalbanen dat doorvlochten 10 is door een netwerk van keramiek. Deze in elkaar grijpende netwerken vormen samen de continue, geleidende fase van het sinterlichaam. Die fase is dus inhomogeen, in tegenstelling tot de continue fase van het sinterlichaam volgens het Amerikaanse octrooischrift, waarbij die fase geheel uit metaal bestaat. Doordat de massa van de continue fase slechts 15 voor een volunefraktie uit metaal bestaat, heeft die massa bij temperatuursverandering reeds in belangrijke tot zeer belangrijke mate de eigenschappen van keramiek, maar gedraagt zich in elektrisch opzicht als metaal.

In die, geleidende, massa zijn holten gevormd die met kera-.20 mische granules gevuld zijn. Van het sinterlichaam is daardoor de volume-fraktie metaal klein en veel kleiner dan van de geleidende massa. Bet sinterlichaam gedraagt zich dientengevolge bij temperatumsveranderingen nagenoeg als keramiek, terwijl het elektrisch gezien nog steeds de eigenschappen van metaal heeft.

25 tfezenlijk is dat de continue, geleidende fase in de strocra- doorvoergeleiders van de lamp volgens de uitvinding niet geheel of nagenoeg geheel bestaat uit metaal, naar slechts voor een beperkte volunefraktie. Die fraktie ligt in het algemeen tussen 15 en 50%.

Gezien het feit dat deze geleidende fase tot meer dan zes maal zo 30 volumineus kan zijn als de daarin apgencnen hoeveelheid metaal, kan in die geleidende fase met behoud van een hoog geleidingsvermogen een groter volume aan granules zijn opgenomen dan wanneer de geleidende fase uit dezelfde hoeveelheid onvermengd metaal zou bestaan, zoals dat volgens het Amerikaanse octrooischrift het geval is. Daardoor kan het 35 sinterlichaam in de lairp volgens de uitvinding een zeer kleine volume-fraktie metaal hebben en desondanks een zeer hoge conductiviteit.

Onder "volunefraktie” wordt net betrekking tot het sinterlichaam van de lamp volgens de uitvinding verstaan: de verhouding van 8303858 EHN 10.841 4 het volume van een component, b.v. het metaal, tot het totaal van de volumes van componenten, berekend tegen de theoretische dichtheden van de zuivere componenten.

In het algemeen past men granules toe met een grootte liggend 5 tussen 50 en 50Q^um. De grootte van de granules in een stroatdoorvoer-geleider kan dat gehele gebied bestrijken of een trajekt daarin, bijvoorbeeld het trajekt van 100-^4 OO^um, ofwel een zeer geringe spreiding hebben en bijvoorbeeld 200_+ 20^um bedragen. De ondergrens van de granule-grootte wordt bepaald door praktische mogelijkheden kleinere granules 10 te verwijderen tijdens hun vervaardiging; de bovengrens door de afmetingen van stroomdoorvoergeleiders. De kleinste afmeting van zo’n geleider dient enige malen, bijvoorbeeld 5 maal, de afmeting van de grootste granule te bedragen. De volumefraktie van de granules in het sinterlichaam kan zeser hoog zijn en meer dan 95% bedragen.

15 De granules zijn grof ten opzichte van het metaalpoeder waaruit het geleidende netwerk, en grof ten opzichte van het keramische poeder waaruit het keramische netwerk in de continue fase van het sinterlichaam gevormd zijn. Daarin wordt in het algemeen metaalpoeder toegepast, waarvan de deeltjes een grootte lebben liggend tussen 0,1 20 en icyam. In de regel wordt een poeder toegepast mat een gemiddelde deeltjesgrootte van 0,4-1 ^um. Metalen die bijzonder geschikt zijn te worden toegepast, zijn W, Mo, Fe, Ta en Nb, alsmede combinaties daarvan. Voor het keramisch netwerk in de geleidende fase wordt met voerdeel gebruik gemaakt van poeder met een specifiek oppervlak van 2 25 ca. 6 - 30 m /g en een deeltjesgrootte van hoofdzakelijk ca. 0,3yUm.

Het materiaal waaruit het sinterlichaam van de stroamdoorvoer-geleiders bestaat, bevat tussen 0,2 en 10 vol.% metaal. Zijn resistivi-teit is, ook bij een zeer laag metaalgehalte en toepassing van de grotere granules, zeer gering en wordt gemeten in milli-obm.cm.

30 Het sinterlichaam kan onder meer als volgt worden vervaardigd.

Keramisch poeder wordt gesuspendeerd in water. Daarbij kan een stof worden toegevoegd die de latere sinterstap beïnvloedt, zoals MgO. In plaats daarvan kan een magnesiumzout, zoals het nitraat, worden toegevoegd. Uitgedrukt als MgO bedraagt de toevoeging bijvoorbeeld 0,03 gew.%. 35 De suspensie wordt gedroogd en de daarbij verkregen koek gebroken. Het granulaat wordt gezeefd om grote brokstukken te verwijderen. Na in een kogelmolen zonder kogels te zijn gerold, warden de granules gezeefd cm de gewenste zeeffraktie te isoleren. Door de granules aan de 8303858

* V

ΓΗΝ 10.841 5 lucht te verhitten worden magnesiuinzouten In het oxyde omgezet.

Metaalpoeder, of in plaats daarvan metaalaxydepoeder, en keramisch poeder worden in een voorafbepaalde volumeverhouding gemengd.

Dit kan zeer geschikt gebeuren door de poeders te suspenderen in een 5 vloeistof zoals ethanol, die tot weinig of geen klontvorming aanleiding geeft. Daarbij kan wederom een stof als MgO warden toegevoegd. De suspensie wordt gedroogd. Desgewenst kan de droge stof in een kogel- molen verpoederd worden. Is metaaloxydepoeder toegepast, dan wordt het poeder gereduceerd, bijvoorbeeld in waterstof bij ca. 700°C. üit het 10 verkregen poedermengsel ontstaat na het sinteren de geleidende massa van in elkaar grijpende netwerken van keramiek resp. van metaal.

Het poedermengsel wordt in een voarafbepaalde verhouding met de granules samengevoegd en daarmee gemengd door te rollen. Het mengsel wordt, al dan niet isostatisch, samengeperst tot een einddruk 15 van 0,5 - 2 kbar. Het verkregen vormstuk wordt, al dan niet na een mechanische voorbewerking, in vakuum, een neutraal of een reducerend gas gesinterd tot op een temperatuur van ca. 1500 - 1700°C.

Naar het in de openingsparagraaf genoemde Amerikaanse octrooi- schrift wordt verwezen in het Europese octrooischrift 28.885. Hoewel 2Q het Amerikaanse octrooischrift het temperatuurtrajekt van 1600 - 1800°C voorschrijft cm daarbij de strocndoorvoergeleider te vervaardigen door te sinteren, vermeldt het Europese octrooischrift dat een sterke binding tussen keramiek en metaal ontstaat in het tenperatuurgebied van 1800 - 1975°C. Cftdat bij die temperatuur sterke karrelgroei in 25 het keramiek optreedt, aanleiding gevend tot holtes en inwendige spanningen, wordt volgens het Europese octrooischrift bovendien metaal- poeder in de keramische granules cpgenomen. Daardoor wordt sterke korrelgroei voorkomen. Het metaalpoeder in de granules draagt echter niet bij aan het elektrische geleidingsvermogen van de stroomdoorvoer- 30 geleider, maar verhoogt wel de volumefraktie metaal.

Bij experimenten die leidden tot het totstandkomen van de uitvinding is gebleken, dat sinterlichamen die een sterkte hebben van 2 minder dan 250 MT/m (gemeten in een drie-punts buigproef) niet vakuumdicht zijn of blijven. De sinterlichamen van de lampen volgens 35 de uitvinding hebben een sterkte die royaal boven de genoemde waarde 2 ligt en in het algemeen 300 - 400 M/m bedraagt. Deze grote sterkte wordt toegeschreven aan de struktuur van het sinterlichaam, waarin immers de keramische granules van de discontinue fase in contact zijn 8303358 PEN 10.841 6 1 « * net het keramische netwerk uit de continue fase. Bij het sinteren koten daardoor talrijke keramiek-kerandek-bindingen tot stand, die de continue en de discontinue fase aan elkaar verankeren. Het eerdergenoemde, relatief laag gelegen temperatuurtrajekt van 1500 - 1700°C voor 5 het sinteren van de stroandoorvoergeleider is daardoor ruimschoots toereikend on een hoge sterkte en vakuumdichtheid te. verkrijgen, anderzijds laag genoeg on sterke korrelgroei te voor konen. Het is dan ook niet nodig, dat in de granules van het sinter lichaam metaalpoeder is opgenomen.

10 Ben uitvoeringsvorm van de lamp volgens de uitvinding wordt in de tekening getoond. Daarin is figuur 1 een perspectievische tekening van een uitvoeringsvorm van de laitp volgens de uitvinding; figuur 2 een detail van de lamp van figuur 1 in langsdoorsnede. 15 In figuur 1 is een vakuumdicht gesloten, lichtdoorlatend, fcuisvormig, keramisch lampvat 1 opgesteld in een geëvakueerde, glazen tuitenballon 2, die verbonden is met een lairpvoet 3. Fooldraden 4 en 5, die met de lainpvoet 3 elektrisch zijn verbonden, dragen het lampvat 1. De pooldraad 5 is als een uitwendige stroongeleider bevestigd aan een 20 niobiumbus 6 die als een der stroamdoorvoergeleiders fungeert, terwijl de pooldraad 4 verbonden is met een uitwendige stroongeleider 8, die verbonden is met een sinterlichaam 7 als stroandoorvoergeleider.

Beide stroomdoorvoergeleiders 6 en 7 dragen een respectieve, in het lampvat 1 gelegen en derhalve niet zichtbare, elektrode. Het lampvat 25 heeft een ioniseerbare gasvulling bestaande uit 0,4 mg indium, 17,5 mg kwik, 3,7 mg thalliumjodide, 30 mg natriumjodide, 2 mg kwikjodide en argon met een druk bij kamertemperatuur van 5330 Pa.

In figuur 2 heeft het lampvat 1 aan zijn einde een keramische schijf 10, die door te sinteren in het lampvat is vastgezet. Een 3Q sinterlichaam 7 is met smeltverbindingsmateriaal 13 vakuumdicht met de schuif 10 verbonden. Bij het sinteren van het lichaam 7 dat als stroonr doorvoergeleider dient, zijn een wolfraam elektrode 11, 12 en een molybdeen uitwendige stroongeleider 8 in dat lichaam 7 vastgezet, elektrisch met elkaar verbonden door het sinterlichaam 7.

35 De lamp van de figuren 1 en 2 kan vertikaal worden gebrand met de lairpvoet 3 beneden.

Voorbeelden van sinterlichamen (7) worden in tabel 1 door hun eigenschappen gekenmerkt.

8303958 ΓΗΝ 10.841 7 %

it V

TABEL 1

Al90_-granules vol.fraktie W (%) in vol.fraktie resist, breeksterkte ^ J T π 2 grootte (^um) . lichaam continue granules (%) (mJi.cm) (MN/nr) g _ fase___.____________ 50 - 500 4 1 5 73 11 260 " " 20 80 5,9 290 " " 50 92 0,7 300 10 " 1 30 97 900 260 " 2 30 93 3,2 250 " 4 30 87 1,3 320 ” 8 30 73 0,33 300 100 - 400 4 30 87 1,5 390 15 ------

De sinterlichamen werden als volgt vervaardigd:

SljOj-poeder met een specifiek oppervlak van 25 m2/g weid in water gesuspendeerd, waaraan Mg· (NO^) 2 toegevoegd in een hoeveelheid 20 overeenkomend met 250 ppm MgO berekend op AI2O3. De suspensie werd gedroogd. Het residu werd gebroken en gezeefd door een zeef van 5QQ^um. Het granulaat werd in een kogelmolen zonder kogels gerold en vervolgens gezeefd cm de in tabel 1 vermelde fraktie te isoleren.

De granules van die fraktie werden gedurende 10 uur op 600°C aan de 25 lucht gestookt. Deze granules dienen voor de discontinue fase van de s interlichamen.

Wolfraampoeder met een deeltjesgrootte van in hoofdzaak 0,4^um werd in ethanol gesuspendeerd en gemengd met A^O^-poeder van de genoemde soort (bevattende 250 ppm MgO) in een volume verhouding die 30 de metaalfraktie uit kolom 3 van tabel 1 oplevert. De suspensie ward gedroogd; het residu in een kogelmolen verpoederd. Dit poeder dient voor de continue, geleidende fase uit in elkaar grijpende netwerken van de desbetreffende sinterlichamen.

Het poedermengsel en de granules werden samengevoegd in een 35 zodanige verhouding dat daaruit de volumefraktie wolfraam uit kolom 2 van tabel 1 ontstaat. Poedermengsel en granules werden gemengd door te rollen.

Het mengsel werd isostatisch geperst tot een einddruk van ____ - —1' 83 0 3 15 8 PHN 10.841 8

.'· V

1,6 kbar. Het verkregen vormstuk werd mechanisch bewerkt cm het de juiste vorm te geven en van een uitwendige stroomgeleider en een elektrode voorzien. Het geheel werd gedurende 2 uur qp 1700°C gesinterd.

5 10 15 20 25 30 35 8303358

Claims (1)

1. t * ·* PHN 10.841 9 Hogedrukgasantladlngslanp voorzien van een vakuumdicht gesloten, lichtdoorlatend, buisvormig, keramisch lampvat, waarin een elektrodenpaar en een ioniseerbare gasvulling aanwezig zijn en welk lanpvat aan zijn einden voorzien is van stroctndoorvoergeleiders die s elk met een respectieve elektrode en met een respectieve uitwendige stroongeleider verbonden zijn, waarbij ten minste éên stroondoorvoer-geleider bestaat uit een elektrisch geleidend sinterlichaam dat metaal-deeltjes tussen keramische granules bevat, met het kenmerk, dat het sinterlichaam van de strcxDndoorvoergeleider keramische granules heeft, 10 die ingebed zijn in een elektrisch geleidende massa van in elkaar grijpende netwerken van keramiek resp. van metaal. 15 20 25 1 8303858 35