DE60212454T2

DE60212454T2 - Gesinterte formkörper und elektrische lampe

Info

Publication number: DE60212454T2
Application number: DE60212454T
Authority: DE
Inventors: L. Franciscus VRIES; H. Antonie KEES
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-01-04
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: ATE329888T1; EP1463691A1; CN1289434C; AU2002347557A1; DE60212454D1; JP2005532243A; CN1633399A; US7538058B2; US20050156527A1; WO2003059839A1; EP1463691B1

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Körper aus gasdichtem polykristallinem Aluminiumoxid, das Magnesium in oxidischer Form und ein zweites Metall M in oxidischer Form enthält.
Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Lampe mit einem Lampengefäß aus gasdichtem polykristallinen Aluminiumoxid, das Magnesium in oxidischer Form und ein zweites Metall M in oxidischer Form enthält.
Eine Ausführungsform eines solchen gesinterten Körpers ist aus EP-A-0 218 279 bekannt.
Zusätzlich zu MgO in einer Gewichtsmenge von maximal 1000 ppm umfasst der bekannte Körper Er₂O₃ in einer Gewichtsmenge von 20 bis 200 ppm. Der Körper ist gut zur Verwendung in dem Lampengefäß einer Hochdruck-Entladungslampe mit einer natriumhaltigen Füllung geeignet. Bei im Handel erhältlichen Lampen liefert der Körper zufriedenstellende Resultate; es hat sich jedoch gezeigt, dass Eigenschaften der Lampen während der Nutzlebensdauer Änderungen unterliegen.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist, einen gesinterten Körper der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, der bei Verwendung in einem Lampengefäß einer elektrischen Lampe einer Änderung von Lampeneigenschaften entgegenwirkt.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist, eine elektrische Lampe der eingangs erwähnten Art zu verschaffen, bei der einer Änderung von Eigenschaften während der Nutzlebensdauer der Lampe entgegengewirkt wird.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das zweite Metall M aus Holmium, Dysprosium und Thulium ausgewählt ist und dass das Aluminiumoxid weiterhin Zirconium in oxidischer Form umfasst, wobei Magnesium, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 1000 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 10 bis 100 ppm, und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 600 ppm vorhanden ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verwendung von Körpern aus gesintertem Aluminiumoxid, die nur MgO und Er₂O₃ enthalten, bewirkt, dass in einem Lampengefäß einer elektrischen Lampe beispielsweise an oder nahe einer Innenfläche des Lampengefäßes Spinell vorhanden ist, das mit der Füllung der Lampe reagiert, wodurch sich Eigenschaften, wie z.B. Lampenspannung, Spektrum des emittierten Lichtes und/oder der Farbort sich ändern. Dies ist insbesondere bei Lampen mit einer ungesättigten Füllung des Lampengefäßes, wie beispielsweise ungesättigten Hochdruck-Natrium-Lampen (HPS-Lampen) schwerwiegend. Die Erfindung beruht auch auf der Erkenntnis, dass ZrO₂ Spinellbildung entgegenwirkt, aber auch, dass hierzu nur eine begrenzte Menge ZrO₂ verwendet werden kann, um zu verhindern, dass beispielsweise bei einer größeren Menge als der oben erwähnten sich eine zirconiumhaltige zweite Phase auf der Innenfläche des Lampengefäßes entwickelt. Eine solche zweite Phase ist unerwünscht, weil sie die Lichtausbeute der Lampe und die mechanische Festigkeit des Lampengefäßes nachteilig beeinflusst. Eine zu große Menge ZrO₂ bewirkt auch eine ungünstige Änderung der Kristallgrößenverteilung des Aluminiumoxids. Die Erfindung bietet auch den Vorteil, dass statt Erbium als zweites Metall auch gut Dysprosium, Holmium und Thulium verwendet werden können. Die Erfindung verschafft somit eine größere Anzahl Ausgangsmaterialien, aus denen gewählt werden kann. Im Gegensatz zu Erbium sind Holmium, Dysprosium und Thulium zusätzlich Metalle, die in Füllungen von Halogenmetalldampflampen auftreten, so dass diese Metalle "den genannten Lampen nicht fremd" sind. Ein günstiger Effekt der Erfindung ist, dass es möglich ist, polykristalline, aus Aluminiumoxid gesinterte Körper zu bilden, die eine stark verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen chemisches Angreifen haben, insbesondere bezüglich Na. Dies ist in Bezug auf die Lebensdauer unter anderem von Keramiklampen, insbesondere ungesättigter HPS-Lampen, günstig. Ein weiterer günstiger Effekt ist die Möglichkeit, kompaktere Entladungsgefäße zu konstruieren, ohne den Eigenschaften während der Nutzlebensdauer der Lampe zu schaden.
Magnesium ist in dem Aluminiumoxid vorhanden, um das Kristallwachstum zu regulieren. Wenn die Menge an Magnesium nicht ausreichend ist, wird eine sehr unregelmäßige Kristallstruktur gebildet und es können sowohl verhältnismäßig große Kristalle als auch verhältnismäßig kleine Kristalle vorkommen. Verhältnismäßig kleine Kristalle verringern die Lichtdurchlässigkeit des Körpers; verhältnismäßig große Kristalle verringern die mechanische Festigkeit des Körpers. Der Menge Magnesium ist eine obere Grenze ge setzt, um der Bildung von Spinellen an oder nahe der Oberfläche des Körpers sowie in dessen Masse entgegenzuwirken.
Auch das zweite Metall reguliert Kristallwachstum und begrenzt bei Verwendung in einem Lampengefäß Austauschreaktionen mit der Gasfüllung des Lampengefäßes. Wenn die Menge des zweiten Metalls zu klein ist, ist das Kristallwachstum unregelmäßig und folglich auch die resultierende Kristallstruktur. Auch eine größere Menge als die genannte Menge bewirkt unregelmäßiges Kristallwachstum und unregelmäßige Kristallstruktur.
Auch Zirconium beeinflusst Kristallwachstum. Bei einer Menge unterhalb der angegebenen Menge ist kaum eine Auswirkung in der resultierenden Kristallstruktur feststellbar; bei Mengen oberhalb der angegebenen Mengen wird zirconiumhaltiges Material an der Oberfläche des Körpers als sogenannte zweite Phase ausgeschieden. Die ausgeschiedene Komponente der zweiten Phase gelangt möglicherweise in die Entladung und verringert somit die Lichtleistung der Lampe.
Bei einer besonderen Ausführungsform des Körpers ist Magnesium, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 500 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 20 bis 50 ppm und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 200 bis 500 ppm vorhanden. Diese Ausführungsform erwies sich hinsichtlich der Lichtdurchlässigkeit, der mechanischen Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Einwirkung von Elementen, die dem Körper fremd sind, als geeignet.
Es erwies sich als sehr vorteilhaft, wenn der gesinterte Körper Magnesium umfasst, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 500 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 30 bis 50 ppm und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 200 bis 400 ppm.
Der Körper kann in der Form variieren, aber im Allgemeinen ist er röhrenförmig mit einem runden Querschnitt. Auch kann der Körper eine flache, runde Scheibe mit einer zentralen Öffnung sein. Ein röhrenförmiger Körper, der mit einer solchen flachen, runden Scheibe an beiden Enden gasdicht verbunden ist, kann in einfacher Weise als Lampengefäß einer elektrischen Lampe verwendet werden. Auch ist es günstig, wenn ein röhrenförmiger Körper, der an beiden Enden mit einer flachen, runden Scheibe gasdicht verbunden ist, einen röhrenförmigen Körper in der Öffnung der Scheiben aufweist, der gasdicht mit der Scheibe verbunden ist. Der letztgenannte Körper kann sehr gut als Lampenge fäß einer elektrischen Lampe verwendet werden, wobei das Lampengefäß im Betrieb örtlich eine verhältnismäßig hohe Temperatur hat.
Der Körper kann auf verschiedene Weise hergestellt werden. Die Komponenten des Körpers, oder Substanzen, aus denen die Komponenten gebildet werden, wenn die Substanzen Wärme ausgesetzt werden, können trocken gemischt, granuliert und pressgeformt werden. Es ist auch möglich, dem Formteil eine Minderheitskomponente, beispielsweise eine Verbindung des zweiten Metalls, hinzuzufügen, indem das Formteil mit der genannten Minderheitskomponente imprägniert wird. Es ist jedoch günstig, eine knetbare Masse aus den Komponenten und einem Bindemittel zu erzeugen, und anschließend diese Masse beispielsweise einer Extrusion zu unterziehen. Das Formteil kann getrocknet und anschließend erhitzt werden, beispielsweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Luft, um das Bindemittel zu zerlegen. Anschließend wird das Formteil erhitzt, um einen gesinterten Körper zu erhalten, der gasdicht und lichtdurchlässig ist.
Um einen Körper zu erhalten, der gesinterte Verbindungen zwischen einer Scheibe und einer Röhre aufweist, wird ein vorgesinterter und daher bereits geschrumpfter erster Körper genutzt. Der genannte erste Körper wird mit geringem Spiel in einen zweiten Körper eingebracht, wobei der zweite Körper nicht vorgesintert oder in geringem Maße vorgesintert ist. Die Gesamtheit kann, falls notwendig, mit geringem Spiel in einen dritten Körper eingebracht werden, wobei der dritte Körper nicht vorgesintert oder noch weniger vorgesintert ist als der zweite Körper. Wenn die Form des erhaltenen zusammengebauten Körpers der Form des schließlich gewünschten gesinterten Körpers entspricht, kann der Sinterprozess ausgeführt werden. Bei diesem Prozess schrumpft ein äußerster Teil mehr als ein mehr innen gelegener Teil und werden gesinterte Verbindungen zwischen den Bestandteilen erhalten, was zu einem einzelnen, lichtdurchlässigen, gesinterten, gasdichten Körper aus polykristallinem Aluminiumoxid führt.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Lampengefäß den erfindungsgemäßen gesinterten Körper umfasst.
Die elektrische Lampe kann eine Hochdruck-Entladungslampe, beispielsweise eine Hochdruck-Natriumdampfentladungslampe, oder eine Hochdruck-Halogenmetalldampfentladungslampe sein; in dem Fall befindet sich beispielsweise ein Elektrodenpaar aus Wolfram in einem ionisierbaren Gas. Als Alternative kann die Lampe eine Halogenglühlampe sein. In diesem Fall befindet sich ein Glühkörper aus Wolfram in einem halogenhaltigen Gas, wie z.B. einem Bromwasserstoff enthaltenden Gas.
Beispiel (außerhalb der Erfindung)
Eine an sich bekannte Menge Aluminiumoxid, organisches Bindemittel, Magnesiumacetat, Erbiumacetat und Wasser wurden mittels Kneten, zusammen mit Zirconiumacetat, gründlich gemischt. Die Masse wurde in Röhren extrudiert. Die Röhren wurden getrocknet und anschließend in bekannter Weise auf eine Temperatur zwischen 1150 und 1400°C erhitzt, um das Bindemittel und die Salze zu zerlegen. In einem alternativen Prozess wird ein Formkörper, beispielsweise eine Röhre, aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Erbiumoxid, der für sich in wohl bekannter Weise bearbeitet ist, in einer Lösung aus Zirconiumacetat mit Zirconium imprägniert. Der Formkörper wird dann getrocknet und in wohl bekannter Weise auf eine Temperatur zwischen 1000 und 1400°C erhitzt, um die Salze zu zerlegen.
In den Endabschnitten der Röhren wurden zylindrische, durchbohrte Scheiben angebracht, woraufhin die zusammengebauten Körper bei Temperaturen, die auf ungefähr 1800 Grad Celsius anstiegen, in bekannter Weise gesintert wurden. Die erhaltenen Aluminiumoxidkörper umfassen 300 Gewichts-ppm MgO, 50 Gewichts-ppm Er₂O₃ und 400 Gewichts-ppm ZrO₂ und können gut als Lampengefäße von Hochdruck-Natriumlampen verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen elektrischen Lampe sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Hochdruck-Entladungslampe;
2 einen Längsschnitt des Lampengefäßes der Lampe von 1;
3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Lampengefäßes.
In 1 hat die Lampe eine äußere Umhüllung 1 aus Quarzglas, die einen erfindungsgemäßen gesinterten Körper aufnimmt, der als aus durchscheinendem, gasdichtem, gesintertem Aluminiumoxid hergestelltes Lampengefäß 2 dient, das mit Stromleitern 3 verbunden ist, die mit Kontakten 4 verbunden sind.
Das Lampengefäß 2, siehe 2, ist aus einer zylindrischen Röhre 20 aufgebaut, die durch Sintern mit Scheiben 21 gasdicht verbunden ist. In einer zentralen Öffnung in den Scheiben 21 ist eine enge Röhre 22 durch Sintern fixiert. Die Röhren 20 und 22 und die Scheiben 21 werden zusammengefügt, nachdem die Röhren 22 verhältnismäßig vollständig vorgesintert sind, die Scheiben 21 weniger vorgesintert sind und die Röhre 20 verhältnismäßig geringfügig vorgesintert ist. Anschließendes Sintern der Gesamtheit führte zu einem gesinterten Körper gemäß der Erfindung.
Leiter 40 sind in den engen Röhren 22 mit Hilfe eines Schmelzverbindungsmaterials 10 gasdicht fixiert. Die Leiter 40 tragen je eine Wolframelektrode 41. Der von dem Lampengefäß 2 umgebene Raum 11 ist mit einem Inertgas und Natriumamalgam gefüllt.
In 3 haben Teile, die in 2 gezeigten Teilen entsprechen, die gleichen Bezugszeichen wie in 2. Der Endabschnitt (nicht abgebildet) des Lampengefäßes 2 entspricht dem dargestellten Endabschnitt. An beiden Enden ist die Röhre 20 mittels Sintern mit einer Scheibe 21 verschlossen. Eine Niobiumbuchse, die als die Elektrode 41 tragender Leiter 40 dient, ist in der Scheibe 21 gesichert.
In einem Experiment wurde die Auswirkung auf Spektraleigenschaften der Lampe während der Nutzlebensdauer der Lampe bei ungesättigten HPS-Lampen getestet. Es ist wohl bekannt, dass als wichtigster Indikator für das Spektrum von HPS-Lampen die Wellenlängendifferenz Δλ zwischen den Maxima der selbstumgekehrten Natrium-D-Linien im Spektrum zählt.
In einer Serie von Lampen mit einer Nennleistung von 70 W, die ein erfindungsgemäßes Entladungsgefäß enthalten, wurde festgestellt, dass der Wert von Δλ über eine Nutzdauer von 1000 Stunden nahezu konstant war. Dies gibt an, dass der Na-Gehalt der Füllung konstant blieb und dass keine bedeutende Menge einer anderen Komponente während der Nutzdauer in die Entladung gelangte.
In einer weiteren Serie von Lampen mit einem Entladungsgefäß gemäß der bekannten Technik, mit identischer Füllung und Nennleistung, betrug der Wert von Δλ am Anfang der Nutzlebensdauer 33 nm. Nach einer Nutzdauer von 1000 Stunden hatte der Wert von Δλ auf 20 nm abgenommen, was einen schwerwiegenden Verlust an Natrium aus der Entladung anzeigt.

Claims

Gesinterter Körper aus gasdichtem polykristallinem Aluminiumoxid, das Magnesium in oxidischer Form und ein zweites Metall M in oxidischer Form enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Metall M aus Holmium, Dysprosium und Thulium ausgewählt ist und dass das Aluminiumoxid weiterhin Zirconium in oxidischer Form umfasst, wobei Magnesium, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 1000 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 10 bis 100 ppm, und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 640 ppm vorhanden ist.
Gesinterter Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 500 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 20 bis 50 ppm und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 200 bis 500 ppm vorhanden ist.
Gesinterter Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium, berechnet als MgO, in einer Gewichtsmenge von 50 bis 500 ppm, das zweite Metall, berechnet als M₂O₃, in einer Gewichtsmenge von 30 bis 50 ppm und Zirconium, berechnet als ZrO₂, in einer Gewichtsmenge von 200 bis 400 ppm vorhanden ist.
Elektrische Lampe mit einem Lampengefäß aus gasdichtem polykristallinen Aluminiumoxid, das Magnesium in oxidischer Form und ein zweites Metall M in oxidischer Form enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Lampengefäß einen gesinterten Körper nach Anspruch 1 umfasst.
Elektrische Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lampengefäß einen gesinterten Körper nach Anspruch 2 umfasst.
Elektrische Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lampengefäß einen gesinterten Körper nach Anspruch 3 umfasst.