DE3736887C2

DE3736887C2 - Glühlampe

Info

Publication number: DE3736887C2
Application number: DE3736887A
Authority: DE
Inventors: George Linzie Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1987-10-30
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2007-10-31
Also published as: JPH0471856B2; DE3736887A1; GB8725777D0; JPS63156035A; JPH05182642A; KR880006753A; KR930003061B1; US4737685A; JPH0695455B2; GB2198126B; GB2198126A

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühlampe gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In der DE-OS 29 30 249 und der entsprechenden US-PS 42 38 705 ist eine Zusammensetzung eines Aluminosilikatglases beschrieben, das in bei hoher Temperatur betriebenen Lampen brauchbar ist und im wesentlichen aus Oxiden in den folgenden etwaigen Gew.-% besteht:
54 bis 71 SiO₂, 12 bis 18 Al₂O₃, 4 bis 8 CaO, 10 bis 23 BaO und 0 bis 3 R₂O, worin R ein Alkalimetallion ist, zusammen mit untergeordneten Mengen an üblichen Verunreinigungen, restlichen Fluß- und Läuterungsmitteln. Der gemeinsame Gehalt des bekannten Glases an SiO₂ und Al₂O₃ liegt im Bereich von etwa 73 bis 83 Gew.-%, der gemeinsame Gehalt an BaO und CaO liegt im Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% und das Gewichtsverhältnis zwischen BaO und CaO liegt im Bereich von etwa 2,3 bis 3,5, um die Beständigkeit beim Wiedererhitzen bzw. gegen Nachschäumen zu verbessern. Das Glas enthält allenfalls Spuren von ZrO₂ aus dem verwendeten Schmelzbehälter. Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient des bekannten Glases im Temperaturbereich von 0 bis 300°C liegt zwischen etwa 37×10^-7 bis etwa 50×10^-7 cm/cm/°C zum direkten Abdichten des Lampenglaskolbens mit den Lampenzuleitungen, die entweder aus Wolfram oder Molybdän sein können. Die in dieser OS bzw. PS beschriebene Lampe mit regenerativen Halogenzyklus offenbart weiter die Verwendung von Zuleitungen größeren Durchmessers, die im Bereich der Preßdichtung mit den Lampenzuleitungen aus Wolfram oder Molybdän verbunden sind, um die mechanische Abstützung der Lampe zu verbessern.

die US-PS 3 942 992 offenbart eine Glaszusammensetzung, die einen beträchtlichen Grad der Beständigkeit gegenüber Alkaliangriff aufweist, wobei eine gute Beständigkeit gegenüber Säureangriff beibehalten bleibt. Diese Zusammensetzung mit chemischer Beständigkeit enthält, in Gew.-%, 44-60 SiO₂, 6-12 Al₂O₃, 10-40 BaO, 0-15 CaO, 0-10 ZnO, wobei die Gesamtmenge aus BaO + CaO + ZnO im Bereich von 20-50 Gew.-% liegt, und schließlich enthält die Glaszusammensetzung nach der US-PS 3 942 992 mindestens 3, aber weniger als 7,5 Gew.-% ZrO₂. Wie sich dieser US-PS entnehmen läßt, ist das Zirkoniumdioxid der Bestandteil, um dem Glas die erwünschte Beständigkeit gegenüber Alkaliangriff zu verleihen und gleichzeitig die Beständigkeit gegenüber Säureangriff beizubehalten. Dieser US-PS läßt sich dagegen nichts entnehmen, was auf die Brauchbarkeit von 1 bis 3 Gew.-% ZrO₂ als Läuterungsmittel hindeutet, um mechanisch feste und optisch klare Lampenglaskolben herzustellen, zumal als Brauchbarkeit für das chemisch beständige Glas der US-PS 3 942 992 nur die für Rohre und Behälter für wissenschaftliche und pharmazeutische Zwecke angegeben ist.

Die EP 132 751 A1 beschreibt thermisch hoch belastbare Wolfram-Einschmelzgläser, die gemäß Patentanspruch 1 als notwendige Bestandteile neben SiO₂, Al₂O₃ und CaO noch 3,5-6,0 Gew.-% B₂O₃, 2,2-48, Gew.-% MgO und 4,5-9,0 Gew.-% ZnO enthalten. ZrO₂ kann bis zu 1,2 Gew.-% vorhanden sein, braucht es aber nicht. Die angestrebte Kristallisationsfestigkeit kann daher nicht auf ZrO₂ zurückgeführt werden.

Die SU 618 351 A beschreibt einen dielektrischen Überzug, der gemäß Patentanspruch neben SiO₂, Al₂O₃, CaO, BaO und ZrO₂ zusätzlich 1,5-2,5 Gew.-% MgO enthalten muß.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Glühlampe der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der der Glaskolben eine Zusammensetzung aufweist, die eine merklich verringerte Anzahl von Kristallkeimen erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die Zusammensetzung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Durch die merkliche Verminderung der Zahl der Kristallkeime des geschmolzenen Glases, wenn dieses geläutert und anschließend zu Rohren gezogen wird, wird die mechanische Festigkeit und optische Klarheit des Lampenglaskolbens, der die modifizierte Glaszusammensetzung benutzt, verbessert. Diese Wirkung war überraschend, da ZrO₂ bisher nicht als Läuterungsmittel für Glas benutzt worden ist. Die Zugabe an ZrO₂ in geringen Mengen zu diesem Aluminosilikatglas erhöht weiter die untere Entspannungstemperatur in erwünschter Weise, ohne in unangemessener Weise während der Glasformung seine Entglasung zu verursachen. Die Erhöhung der unteren Entspannungstemperatur ist erwünscht, da der Glaskolben einer bei hoher Temperatur betriebenen Lampe permanente Spannungen beim Erhitzen und Abkühlen während der An- und Aus-Zyklen des Lampenbetriebes entwickeln kann. Da sich diese Lampen während des Betriebes üblicherweise unter einem Druck von mehreren Atmosphären befinden, vermindert eine höhere untere Entspannungstemperatur des Lampenglaskolbens die Aussichten des mechanischen Versagens aufgrund von permanenter Spannung, die beim Betrieb der Lampe entsteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Glühlampe mit einer verbesserten Dichtungsglas-Zusammensetzung, die sich als besonders brauchbar erwiesen hat, die hermetische Abdichtung für eine Glühlampe zu liefern, die bei erhöhten Temperaturen betrieben wird, die häufig 500°C und mehr übersteigen. Diese Art von Glühlampen erfordert ein transparentes Kolbenmaterial, das diesen erhöhten Temperaturen widerstehen kann und das auch hermetisch mit den elektrischen Zuleitungen abgedichtet ist. Zu dieser Art von Lampen gehört eine Lampe mit einem regenerativen Halogenzyklus, bei der ein Widerstandsglühfaden, der die Lichtquelle der Lampe bildet, an jedem Ende mit einer Zuleitung verbunden ist, wobei beide Zuleitungen direkt dicht in den Lampenglaskolben eingeschmolzen sind. Lampen mit dieser Struktur werden nun sehr weitgehend bei einer Vielfalt von Beleuchtungsanwendungen benutzt, einschließlich Projektorlampen, Fahrzeugscheinwerfern und selbst Haushaltsbeleuchtungsquellen. Bei diesen Anwendungen kann die Lampe mit regenerativem Halogenzyklus in einem äußeren Reflektorteil montiert, sie kann aber auch einfach innerhalb eines äußeren Glaskolbens enthalten sein.

Die genannte Dichtungsglaszusammensetzung hat eine untere Entspannungstemperatur von mindestens 730°C, eine Liquidustemperatur, die 1320°C nicht übersteigt. SiO₂ und Al₂O₃ zusammen sind einer bevorzugt verwendeten Glaszusammensetzung in einem Bereich von etwa 70 bis 83 Gew.-% enthalten. BaO und CaO zusammen sind in der Glaszusammensetzung in einem Bereich von etwa 17 bis 30 Gew.-% enthalten. Das Gewichtsverhältnis von BaO und CaO in diesem Glas liegt im Bereich von etwa 2,3 bis 2,5, um eine verbesserte Beständigkeit beim Wiedererhitzen zu gewährleisten, wenn während der nachfolgenden Herstellung der Glühlampe eine hermetische Dichtung gebildet wird.

Eine noch bevorzugtere Glaszusammensetzung zum direkten Abdichten von Wolfram enthält BaO und CaO zusammen im Bereich von etwa 17 bis 21 Gew.-% und hat einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37×10^-7 bis zu etwa 41×10^-7 cm/cm/°C.

Ein anderes bevorzugtes Glas zum direkten Abdichten von Molybdän enthält BaO und CaO zusammen im Bereich von etwa 21 bis 30 Gew.-% und hat einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 41 bis zu etwa 48×10^-7 cm/cm/°C.

Die ZrO₂-Zugabe in den oben angegebenen geringen Mengen bedingt eine außerordentlich starke Verminderung der Zahl der Kristallkeime, wenn das Glas geschmolzen wird, ohne irgendwelche physikalischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, wenn das geschmolzene Glas anschließend in die erwünschte Lampenform oder die fertige Lampe gebracht wird. So vermindert z. B. eine 1%ige ZrO₂-Zugabe die Zahl der Kristallkeime in Tiegelschmelzen um mehr als 30%, wobei diese Zahl an Kristallkeimen um 94% vermindert ist, verglichen mit einem üblichen Glas in einer Tagestankschmelze von etwa 300 kg nach einer 24stündigen Schmelzperiode. Die erwünschte Zunahme der unteren Entspannungstemperatur im fertigen Lampenteil beträgt etwa 10°C für jedes Prozent der ZrO₂-Zugabe, wobei eine ZrO₂-Zugabe über 2 Gew.-% hinaus auch eine Zunahme bei der Liquidustemperatur des Glases verursacht. Es werden daher maximal 3 Gew.-% ZrO₂ zu der Glaszusammensetzung hinzugegeben, um zu vermeiden, daß die Liquidustemperatur des Glases über den Punkt hinaus erhöht wird, bei dem beim Formen des geschmolzenen Glases zu der gewünschten Lampenform eine Entglasung auftritt. Die maximal zugesetzten 3 Gew.-% ZrO₂ führen somit zu einer Zunahme der unteren Entspannungstemperatur des Glases von 30°C, begleitet von einer merklichen Verminderung der Kristallkeime im fertigen Lampenglasteil.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur eine Seitenansicht einer Glühlampe mit regenerativem Zyklus dargestellt ist, die die verbesserte Glas/Metall-Dichtung mittels der vorliegenden Erfindung aufweist.

In der einzigen Figur ist eine typische Lampe mit regenerativem Zyklus dargestellt, deren transparenter Glaskolben 11 aus einem Rohr 12 des erfindungsgemäß verwendeten Aluminosilikatglases geformt ist. Innerhalb dieses Glaskolbens ist ein Widerstandsglühfaden 13 enthalten, der mittels Haken oder Klammern 15 mit Zuleitungsdrähten 14 verbunden ist. Diese Zuleitungsdrähte 14 benutzen ein hochschmelzendes Metall, ausgewählt aus Molybdän oder Wolfram, und die Lichtquellenspule 13 kann durch diese Zuleitungen längs der zentralen Lampenachse, wie dargestellt, oder quer dazu, gehalten werden. Eine Lichtquelle mit mehreren Glühfäden, die mehrere Zuleitungspaare innerhalb des Lampenglaskolbens aufweist, ist aus der oben genannten US-PS 42 38 705 ebenfalls bekannt. Bei der dargestellten Lampen-Ausführungsform ist der Lampenglaskolben an einem Ende mit einer üblichen Quetschdichtung 16 verschlossen, während das gegenüberliegende Ende durch einen ebenfalls üblichen Abschmelzrest 17 verschlossen ist. Die Lampe ist gespült und mit einer Halogenidgasmischung am abgeschmolzenen Ende gefüllt, das offengehalten worden ist, während im Laufe der Lampenherstellung die Quetschdichtung gebildet wird. Das äußerste Ende jeder Lampenzuleitung 14 ist im Bereich der Quetschdichtung 16 des Lampenglaskolbens hermetisch abgedichtet und in üblicher Weise, wie durch Hartlöten oder Schweißen, mit Zuleitungsdrähten 22 relativ großen Durchmessers verbunden. Die geschweißten oder hartgelöteten Verbindungsstellen 23 sind jedoch vorzugsweise außerhalb der Quetschdichtung angeordnet, so daß billigere Metalle mit größeren thermischen Ausdehnungen, wie Kovar®-Legierungen und Silizium/Eisen-Legierungen, die strukturellen Trägereinrichtungen für die Lampe bilden können.

Bevorzugt eingesetzte Gläser für die Glühlampe der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Wie in der Glastechnik üblich, sind die Glaszusammensetzungen in Oxidgehalten angegeben, wie sie aus der Mischung der Ausgangsmaterialien berechnet werden. Obwohl es geringfügige Unterschiede zwischen der Glaszusammensetzung, wie sie in der üblichen Weise aus der Ausgangsmischung berechnet wird, und einer tatsächlichen Glaszusammensetzung, die daraus erhalten wird, geben kann, werden beide Zusammensetzungen jedoch im wesentlichen gleich sein. Es gibt während des Schmelzens nur eine geringfügige Verdampfung von Mischungsbestandteilen der Glaszusammensetzung, und während dieses Schmelzens kann eine Aufnahme von Spuren von Zirkoniumoxid und Aluminiumoxyd oder anderen Bestandteilen aus den hochschmelzenden Stoffen erfolgen, die üblicherweise benutzt werden, um das Glas darin zu schmelzen. Folglich umfaßt die Erfindung die Verwendung einer Glaszusammensetzung für die beschriebene hermetische Abdichtung mit den gleichen Zusammensetzungsbereichen, wie sie oben angegeben sind und in der üblichen Weise aus den Mischungen der Ausgangsmaterialien errechnet werden.

Tabelle

Anhand der vorstehenden Tabelle ist ein Vergleich möglich zwischen dem bekannten Aluminosilikatglas nach der US-PS 42 38 705 (Beispiel 1) und dem in der vorliegenden Erfindung eingesetzten ZrO₂-haltigen Glas (Beispiele 2 bis 4). Alle ZrO₂ enthaltenden Gläser weisen höhere untere Entspannungstemperaturen auf als das Glas nach dem Stande der Technik, während ein thermischer Ausdehnungskoeffizient beibehalten wird, der für eine direkte hermetische Abdichtung mit Molybdän geeignet ist. Es kann der Tabelle weiter entnommen werden, daß die ZrO₂-Zugaben nicht gleichzeitig die Entspannungstemperatur oder den Erweichungspunkt des modifizierten Glases zu einem Grade erhöht haben, der die erwünschten Dichtungseigenschaften merklich beeinträchtigt.

In die erfindungsgemäß eingesetzte Glaszusammensetzung können weiter geringe Mengen anderer wahlweiser Oxide eingearbeitet werden, wie bis zu 0,5 Gew.-% TiO₂, das in erwünschter Weise UV-Strahlung absorbieren kann, die von der Lampe emittiert wird. Weitere Oxide, wie SrO und MgO können entweder hinzugegeben oder als untergeordnete Bestandteile im Glas gefunden werden, ohne eine nachteilige Auswirkung auf das erwünschte physikalische Verhalten. So können zum Beispiel 0,3 Gew.-% SrO als Verunreinigung des Bariumcarbonat-Ausgangsmaterials, das derzeit üblicherweise bei der Herstellung dieser Art von Glas benutzt wird, in das Glas eingeführt werden, ohne eine nachteilige Auswirkung zu zeigen. Geringe Mengen von MgO, die zu diesem Glas zugegeben werden, können sich bei der Verminderung der Liquidustemperatur als nützlich erweisen, doch steigt die Liquidustemperatur, wenn mehr als 1% davon benutzt wird, rasch an und es bildet sich auch mehr Schaum auf der Oberfläche der Glasschmelze.

Wie der vorstehenden Beschreibung entnommen werden kann, bietet die in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Dichtungsglaszusammensetzung eine merkliche Verbesserung bei der direkten hermetischen Abdichtung sowohl von Wolfram- als auch Molybdänmetallen. Es können geringfügige Variationen bei der eingesetzten Glaszusammensetzung vorgenommen werden, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Glühlampe mit einem transparenten Glaskolben, der einen Widerstandsglühfaden enthält, der mit einem Paar leitender Metallzuleitungsdrähte verbunden ist, wobei der Glaskolben einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37×10^-7 bis zu etwa 48×10^-7 cm/cm/°C aufweist und die Zuleitungsdrähte hermetisch abgedichtet sind, gekennzeichnet durch eine Glaszusammensetzung für den Glaskolben, die auf der Grundlage der Mischung der Ausgangsmaterialien im wesentlichen aus den folgenden Metalloxiden in Gewichts-% besteht:
52 bis 70 SiO₂, 12 bis 17 Al₂O₃, 10 bis 23 BaO, 4 bis 8 CaO und die weiter mit etwa 1 bis 3 Gewichts-% ausreichend ZrO₂ enthält, um die Zahl der Kristallkeime in der Glaszusammensetzung zu vermindern, zusammen mit untergeordneten Mengen an üblichen Verunreinigungen, restlichen Fluß- und Läuterungsmitteln.

2. Lampe nach Anspruch 1, bei der die hermetische Dichtung eine Preßdichtung ist.

3. Lampe nach Anspruch 1, bei der die Glaszusammensetzung eine untere Entspannungstemperatur von mindestens 730°C nicht übersteigt.

4. Lampe nach Anspruch 1, bei der die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an SiO₂ und Al₂O₃ hat, der im Bereich von etwa 70 bis 83 Gewichts-%, einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO, der im Bereich von etwa 17 bis 30 Gewichts-% liegt und ein Gewichtsverhältnis zwischen BaO und CaO aufweist, das im Bereich von etwa 2,3 bis 3,5 liegt, um eine verbesserte Beständigkeit beim Wiedererhitzen zu ergeben.

5. Lampe nach Anspruch 1, bei der die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 17 bis 21 Gewichts-% aufweist und einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 37×10^-7 und etwa 41×10^-7 cm/cm/°C hat, zum direkten Abdichten mit Zuleitungsdrähten, die aus Wolfram gebildet sind.

6. Lampe nach Anspruch 1, wobei die Glaszusammensetzung einen gemeinsamen Gehalt an BaO und CaO im Bereich von etwa 21 bis 30 Gewichts-% hat und einen mittleren Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung im Temperaturbereich von 0 bis 300°C zwischen etwa 41×10^-7 bis zu etwa 48×10^-7 cm/cm/°C aufweist, zum direkten Abdichten mit Zuleitungsdrähten, die aus Molybdän gebildet sind.

7. Lampe nach Anspruch 6, bei der die Glaszusammensetzung einen BaO-Gehalt aufweist, der den Al₂O₃-Gehalt übersteigt.

8. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe mit einem regenerativen Halogenzyklus arbeitet und daß die mit dem Widerstandsglühfaden verbundenen Zuleitungen aus Molybdän oder Wolfram bestehen.

9. Lampe nach Anspruch 1, bei der die Zuleitungsdrähte im Bereich der hermetischen Abdichtung mit Zuleitungsdrähten größeren Durchmessers verbunden sind, die eine größere thermische Ausdehnung aufweisen.

10. Lampe nach Anspruch 9, bei der die Zuleitungsdrähte größeren Durchmessers aus einer Eisenlegierung gebildet sind.