DE2609974A1

DE2609974A1 - Hochdruck-metalldampflampe und zugehoeriges transparentes polykristallines aluminiumoxydrohr

Info

Publication number: DE2609974A1
Application number: DE19762609974
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kaneno; Isao Oda
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1975-03-18
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1976-09-23
Also published as: US4264541A; JPS51107683A; FR2304589A1; NL176772B; NL7602507A; SU651686A3; DE2609974C3; FR2304589B1; DE2609974B2; GB1475866A; NL176772C

Description

NGK Insulators, Ltd./ Nagoya/Japan

Hochdruck-Metalldampflampe und zugehöriges transparentes polykristallines Aluittiniumoxydrohr

Die Erfindung betrifft ein transparentes polykristallines Äluminiumoxydrohr. Insbesondere betrifft die Erfindung ein transparentes polykristallines Äluminiumoxydrohr und eine Hochdruck-Metalldampflampe, bei der dieses Rohr verwendet wird.

Hochdruck-Metalldampflampen, wie beispielsweise Hochdruck-Natriumlampen, haben aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften bezüglich des Helligkeitswirkungsgrades weite Verbreitung gefunden. Al-s Entladungsrohr wurde bei derartigen Hochdruck-Metalldampflampen im allgemeinen ein transparentes polykristallines Äluminiumoxydrohr verwendet.

Transparentes Aluminiumoxyd wurde beispielsweise in der US-Patentschrift 3 026 177 vom 20. März 1962 (Philippe D.S. St. Pierre et al) unter dem Titel "Verfahren zur Herstellung von "transparentem polykristallinem Alumiaiümoxyd", in der US-Patentschrift 3 026 210 vom 20. März 1962 {Robert L. Coble) unter dem Titel "Transparentes Aluminiumoxyd und Verfahren zu seiner Herstellung" sowie in der US-Patentschrift 3 792 142 vom 12. Februar

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1974 (Kazuo Kobayashi et al) unter dem Titel "Verwendung von Gemischen aus Ittriumoxyd, Magnesiumoxyd und Lanthanoxyd bei der Herstellung von transparentem Aluminiumoxyd" beschrieben.

Wenn das transparente polykristalline Aluminiumoxydrohr als Entladungsrohr für eine Eochdruck-Metalldampflampe verv/endet wird, so werden beide Enden des Rohres dichtend verschlossen, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 448 319 vom 3. Juni 1969 (William C. Louden) unter dem Titel "Niobium-Abschlußdichtung" beschrieben. Der Dichtungsabschluß wird durch Feuerung bewirkt, und aufgrund dieses Feuerungsverfahrens wird eine bestimmte Anzahl von Rohren rissig, wodurch diese Rohre zur Verwendung ungeeignet werden. Es wird angenommen, daß ein Grund für eine derartige niedrige Rohrausbeute in der neueren Tendenz liegt, die Kristallkorngröße des polykristallinen Aluminiumoxydrohres wesentlich größer zu machen als in der US-Patentschrift 3 792 142 (Kobayashi et al) beschrieben, und zwar in der Absicht, den Hellxgkeitswirkungsgrad durch Verbesserung der Transparenz des Rohres zu vergrößern. Allgemein steigt bei lichtdurchlässigem polykristallinen Aluminiumoxyd die Lichtdurchlässigkeit mehr und mehr mit einer Vergrößerung der Kristallkorngrö"ße, die mechanische Festigkeit nimmt jedoch mit der Vergrößerung der Kristallkorngröße ab.

Die herkömmliche Hochdruck-Metalldampflampe, bei der als Entladungsrohr ein transparentes polykristallines Aluminiumoxydrohr mit größerer Kristallkorngröße verwendet wird, besitzt den Nachteil, daß es dazu neigt, am Endteil des Rohres bzw. an dem Teil nahe der Elektrode aufgrund von plötzlichen Temperaturänderungen des abgeschlossenen Metalldampfes beim Ein- und Ausschalten rissig zu werden.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß an das transparente polykristalline Aluminiumoxydrohr, das als Ent-

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ladungsrohr für eine Hochdruck-Metalldampflampe verwendet wird, zwei miteinander unvereinbare Anforderungen gestellt werden, nämlich ausgezeichnete Lichtdurchlässigkeit bzw. gute Transmissionseigenschaften und eine hohe mechanische Festigkeit bzw. hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperatursprüngen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein transparentes polykristallines Aluminiumoxydrohr zu schaffen, das bei besonders hoher mechanischer Festigkeit eine hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist. Beim Verschließen der beiden Enden des Rohres soll dieses nicht rissig werden. Insbesondere soll das Rohr eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperatursprüngen an den Endteilen aufweisen und allgemein stark lichtdurchlässig sein. Ferner soll eine Hochdruck-Metalldampflampe geschaffen werden, die ein Entladungsrohr aufweist, das einerseits einen hohen Helligkeitswirkungsgrad aufweist und andererseits eine sehr große mechanische Festigkeit besitzt, die das Rohr sehr widerstandsfähig gegenüber Rißbildung bei Schaltvorgängen macht.

Diese Aufgabe wird durch ein transparentes polykristallines Aluminiumoxydrohr gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß seine mittlere Kri-stallkorngröße an den Endteilen des Rohres wesentlich kleiner ist als diejenige im mittleren Teil des Rohres.

Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Rohres als Entladungsrohr wird gemäß der Erfindung eine Hochdruck-Metal1-dampflampe gebildet.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

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Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Kristallkorngröße eines transparenten polykristallinen Aluminiumoxydrohres und der Druckfestigkeit des Rohres; und

Fig. 2 eine mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestellte Photographie, die die Kristallgröße im Verbindungsbereich eines Endteiles und eines mittleren Teiles des erfindungsgemäßen transparenten polykristallinen Aluminiumoxydrohres zeigt.

Das transparente polykristalline Aluminiumoxydrohr kann beispielsweise nach den folgenden Schritten hergestellt werden:

- Bildung eines Rohres durch Anlegen von statischem Wasserdruck an Aluminiumoxydpulver, vorzugsweise y-Aluminiumoxydpulver, dessen Reinheitsgrad vorzugsweise besser ist als 99,0 Gew.-% und dessen Korngröße kleiner ist als 1 ,um, vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 0,1 /am;

- maschinelle Bearbeitung zur Erzielung der gewünschten Abmessungen entsprechend den Anforderungen;

- Imprägnierung mit einer Nitratlösung unter Bildung eines gleichförmigen Überzugs auf dem Rohr außer an den Endteilen, wo die Nitratlösung so eingestellt wird, daß der mittlere Teil des fertigen Erzeugnisses 0,05 Gew.-% MgO, 0,05 Gew.-% La₂O₃ und 0,1 Gew.-% Ϊ2°3 ^{in Al}2°3 ^enthält;

- Trocknen;

- Brennen an Luft während 2 Stunden bei 700°C; und

- Sintern in Vakuum während 3 Stunden bei 1.800 C.

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Das erhaltene transparente polykristalline Aluminiumoxydrohr weist eine mittlere Kristallkorngröße von etwa 35 /um im mittleren Teil und etwa 7 /um an den Endteilen auf- Wie aus der Beziehung zwischen Korngröße und Druckfestigkeit des Rohres nach Figur 1 entnommen werden kann, besitzt das Rohr eine Druckfe-

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stigkeit von etwa 1.500 kg/cm im mittleren Teil und etwa 3.800 kg/cm an den Endteilen. Folglich ist die mechanische Festigkeit an beiden Endteilen beachtlich höher als im mittleren Teil.

Es ist zu betonen, daß hier unter Druckfestigkeit des Rohres die Festigkeit gegenüber Druckkräften in Umfangsrichtung des Rohres verstanden wird.

Außer nach dem vorstehend erwähnten Verfahren kann das erfindungsgemäße Rohr auch beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß ein Rohr mit einer Zusammensetzung gebildet wird, wie sie in dem vorstehend erwähnten US-Patent 3 792 142 (Kobayashi et al) beschrieben ist, woraufhin eine Nitratlösung aus Magnesium so an den Endteilen aufgetragen wird, daß an den Endteilen ein höherer Gehalt an MgO entsteht. Es ist ebenfalls möglich, das Ausgangsaluminiumoxydmaterial so einzustellen, daß es im mittleren Teil und an den Endteilen jeweils verschiedene Additive enthält. Ferner ist es möglich, das Rohr mit den gewünschten Eigenschaften dadurch zu bilden, daß eine Temperaturdifferenz zur Zeit des Sinterns zwischen dem mittleren Teil und den Endteilen besteht.

Das erfindungsgemäße transparente polykristalline Aluminiumoxydrohr besitzt allgemein die Eigenschaft, daß seine mittlere Kristallkorngröße an den Endteilen wesentlich kleiner ist als im mittleren Teil. In der Praxis ist es vorzuziehen, die mittlere Kristallkorngröße an den Endteilen bei 1-20 /am und im mittleren Teil bei 10 - 200/um zu halten, wobei also die mittlere Kristallkorngröße an den Endteilen eines Rohres wesentlich

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kleiner ist als die im mittleren Teil desselben Rohres.

Die vorstehend genannten Bereiche der mittleren Kristallkorngröße wurden aus der Tatsache hergeleitet, daß die Gasdichtigkeit des Rohres bei einer Kristallkorngröße von weniger als 1 /um unvollkommen werden kann, und zwar aufgrund von Rauhigkeit der MikroStruktur des Körpers, der Leerräume oder Blasen an Kornverbindungsstellen aufweisen kann, die durch nicht ausreichende Sinterung bewirkt wurden, sowie aus der Tatsache, daß die Lichtdurchlässigkeit durch die sogenannten geschlossenen Blasen beeinträchtigt wird, wenn die Struktur Hohlräume oder Blasen in den Kristallkörnern bei Kristallkorngrößen über 200 um aufgrund von"übertriebenem Kornwachstum aufweist.

Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird es vorgezogen, die mittlere Kristallkorngröße an den Endteilen zwischen 5 und 15 /um und im mittleren Teil zwischen 20 und 100 /um zu halten.

Beispiel 1

Ein transparentes polykristallines, in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestelltes Aluminiumoxydrohr mit einer Gesamtlänge von 115 mm und einem Gehalt von 0,3 Gew.-% MgO, 0,1 Gew.-% La₃O₃ und 0,1 Gew.-% Y₃°3 ^im Endprodukt an den beiden Endtei- .· len mit jeweils 15 mm Länge und mit einem Gehalt von jeweils 0,1 Gew.-% MgO, La₃O₃ und Ϊ2°3 ^im restlichen bzw. mittleren Teil des Rohres, wobei die mittlere Kristallkorngröße an den Endteilen etwa 7/am und im mittleren Teil .etwa 25/um beträgt, wird verglichen mit einem herkömmlichen Rohr, das einen Additivgehalt von etwa 0,1 Gew.-% MgO, La₃O₃ und Yo⁰S aufweist, der gleichförmig in dem Rohr verteilt ist, wobei die mittlere Kristallkorngröße über den ganzen Bereich etwa 25/um beträgt. Es werden jeweils 100 Rohre der beiden Arten zubereitet und nach

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dem Verfahren verschlossen, das in der US-Patentschrift 3 448 319 (Louden) beschrieben ist.

Die Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Rohre, bei denen während des Verschließens Rißbildung auftrat. Tabelle 1 zeigt ferner das Ergebnis einer überprüfung mit Schaltvorgängen bei 500 Ein- und Ausschaltvorgängen von Hochdruck-Natriumlampen mit einer Leistung von 400 Watt, die unter Verwendung der oben beschriebenen zwei Arten von Rohren, bei denen keine Rißbildung auftrat, hergestellt wurden.

Beispiel 2

Eine Anzahl von transparenten polykristallinen Aluminiumoxydrohren, die dieselben Abmessungen wie im Falle von Beispiel 1 aufweisen und verschiedene Arten mit mittleren Kristallkorngrößen gemäß Tabelle 2 umfassen, werden hergestellt,und verschiedene daran gemessene Eigenschaften sind in derselben Tabelle aufgeführt. Die Werte der Gesamttransmission beruhen auf einer Messung, die in derselben Weise erfolgte, wie von E.B. Rosa und A. H. Taylor in "Theory Construction and Use of the Photometric Integrating Sphere" (Theorie des Aufbaus und der Verwendung der photometrischen Integrationskugel), Sei. I%>er Nr. 447, Bull. Stand., 26. September 1921 beschrieben. Die Druckfestigkeit des Rohres und die überprüfung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperatursprüngen wurden an den Endteilen mit 15 mm Breite an beiden Enden durchgeführt. Die überprüfung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperatursprüngen ist eine Art Zyklusprüfung, bei der der 15 mm breite Endteil des Rohres auf 1.000⁰C erhitzt und dann auf Raumtemperatur von 20⁰C abgekühlt wird.

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Beispiel 3

Eine Anzahl von Hochdruck-Natriumlampen mit 400 Watt wird unter Verwendung von transparenten polykristallinen Aluminiumoxydrohren mit den verschiedenen, in Tabelle 3 angegebenen Kristallkorngrößen vorbereitet, an welchen beim Verschließen keine Rißbildung auftrat. Die Abmessungen jedes Rohres sind dieselben wie in Tabelle 1. Der gesamte gemessene Lichtfluß in Lumen und die Ergebnisse der Überprüfung mit Schaltvorgängen bei diesen Lampen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Bei der Überprüfung mit Schaltvorgängen wird ein Zyklus mit Ein- und Ausschalten als ein Schaltvorgang betrachtet.

Die in Figur 2 gezeigte, mit einem Abtastelektronenmikroskop hergestellte Photographie betrifft das Rohr Nr. 1 in Tabelle 3. Das Rohr wurde 5 Minuten lang unter Verwendung von heißer konzentrierter Phosphorsäure geätzt und in einer Ebene geschnitten, die die Achse des Rohres enthält. Die Mikroskopphotographie wurde an dem Verbindungsbereich zwischen dem Endteil und dem mittleren Teil aufgenommen bzw. an einem 15 mm von dem Ende entfernten Bereich. Die Photographie wurde in dem Bereich von der unteren Hälfte des Rohres angefertigt und wird von dem oberen Punkt der inneren Oberfläche des Rohres aus betrachtet. Die Photographie besitzt einen' dreihundertfach vergrößerten Maßstab, wie sich aus der angegebenen Länge von /um ergibt. Die untere Seite des Bildes zeiyx den Querschnitt des Rohres, und die obere Seite des Bildes zeigt die innere Oberfläche des Rohres.

Wie sich aus dem Mikrobild von Figur 2 deutlich ersehen läßt, ergibt sich ein wesentlicher unterschied in der Kristallkorngröße in dem auf der linken Hälfte des Bildes gezeigten Endteil und dem auf der rechten Hälfte des Bildes gezeigten mittleren Teil.

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Tabelle 1

Nr. Mittlere Kristallkorngröße
(Mikron)

Mittlerer End-Teil teile

Anzahl von Rohren

mit Rißbildung beim Verschließen (von 100 Rohren)

Ergebnis der Schaltüberprüfung der Lampen

25

3/100

31/100

Keine Störung nach 500 Überprüfungen

**Rißbildung bei 167 und Leck bei 169 ohne Reparaturmöglichkeit

Anmerkung: Nr. 1 entspricht dem erfindungsgemäßen Rohr, rir. 2 entspricht dem herkömmlichen Rohr.

**Angegeben ist die Anzahl von Überprüfungen, wo bei einer Lampe zu Anfang Störungen auftraten.

	3	4	Mittlere Kristall	End	Tabelle 2	Druckbe	Überprüfung bezüg	Prozentsatz	2
Nr.	*5	korngröße	teile	Gesamt	lastung	lich Widerstands	der Rißbil	2
				trans	des Rohres	fähigkeit gegenüber	dung beim	6
		(Mikron)	7	mission	(kg/cm )	Temperatursprüngen	Verschließen	6
		12	(%)		(Anzahl der Über	(%)	34
		2O			prüfungen vor Riß
	Mittlerer	20			bildung)
	Teil	34		3.790	Keine Störung nach 5OO
		92	3.O5O	π
1	34	92	1.99O	■1
2	34	93	1.980	467
34	93	1.580	158
30	94
34

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Anmerkung: Nr. 1-4 entsprechen dem erfindungsgemäßen Rohr. :fcNr. 5 entspricht dem herkömmlichen Rohr.

Tabelle 3

Nr.	3	4	Mittlere Kristall korngröße (Mikron)	End teile	Eigenschaften der Hochdruck-Natriumlampe	Schaltprüfung (Anzahl von Überprüfungen ■ vor Rißbildung)
	5	Mittlerer Teil	IO	Iiichtstrom (Lumen)	Keine Störung nach 500
1	*6	110	7	52.7OO	II
2	*7	77	10	51.9OO	Il
49	00	5O.5OO	Il
35	5	5O.3OO	II
27	80	49.8OO	149
80	15	51.3OO	Keine Störung nach 500
15	45.2OO

Anmerkung: Nr. 1-5 sind Lampen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Rohres.

*Nr. 6 und 7 entsprechen herkömmlichen Lampen.

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Claims

Patentansprüche

{ 1. ,'Transparentes polykristallines Aluminiumoxydrohr, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße in den Endteilen des Rohres wesentlich kleiner ist als im mittleren Teil des Rohres.
2. Aluminiumoxydrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße in den Endteilen 1 bis 20 Mikron und im mittleren Teil des Rohres 10 bis 200 Mikron beträgt.
3. Aluminiumoxydrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße in den Endteilen 5 bis 15 Mikron und im mittleren Teil des Rohres 20 bis 100 Mikron beträgt.
4. Hochdruck-Metalldampflampe mit transparentem polykristallinem Aluminiumoxydrohr als Entladungsrohr, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße des Rohres in den Endteilen wesentlich kleiner ist als im mittleren Teil des Rohres,
5. Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße in den Endteilen 1 bis 20 Mikron und im mittleren Teil des Rohres 10 bis 200 Mikron beträgt."
6. Hochdruck-Metalldampflampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kristallkorngröße in den Endteilen 5 bis 15 Mikron und im mittleren Teil des Rohres 20 bis 100 Mikron beträgt.

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