DE69223391T2 - Reflector lamp with a lens connected to glass solder and manufacturing process therefor - Google Patents
Reflector lamp with a lens connected to glass solder and manufacturing process thereforInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft generell den Bereich elektrischer Lampen für allgemeine Beleuchtungszwecke. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Reflektorlampen, die eine mit einem Reflektor verbundene Linse aufweisen.The present invention relates generally to the field of electric lamps for general lighting purposes. More particularly, the present invention relates to reflector lamps having a lens connected to a reflector.
Reflektorlampen, die eine mit einem Reflektor verklebte Linse verwenden, sind gut bekannt. Beispiele hierfür umfassen Scheinwerferlampen für Automobile und Scheinwerfer- oder Flutlichtlampen zur Verwendung innerhalb und außerhalb von Gebäuden. Bei diesen Lampen ist eine Lichtquelle in eine äußere Hülle eingesiegelt, die eine reflektierende, typischerweise parabolisch ausgebildete Innenfläche aufweist, um Licht in eine bevorzugte Richtung zu lenken. Der Reflektor ist mit einer Linse abgedeckt. Für die Montage der Lichtquelle und zwecks Verbindung der Lichtquelle mit einer elektrischen Energiequelle ist ein Sockel vorgesehen. In Reflektorlampen werden Glühlampen, Quecksilberleuchtröhren, Metallhalogenidbrenner und Wolfram- Halogen-Lichtquellen als Lichtquellen verwendet.Reflector lamps, which use a lens bonded to a reflector, are well known. Examples include headlight lamps for automobiles and spotlight or floodlight lamps for use inside and outside buildings. In these lamps, a light source is sealed in an outer envelope having a reflective, typically parabolic, inner surface to direct light in a preferred direction. The reflector is covered with a lens. A base is provided for mounting the light source and for connecting the light source to an electrical power source. Reflector lamps use incandescent lamps, mercury fluorescent tubes, metal halide tubes and tungsten halogen light sources as light sources.
Während des Zusammenbaus von Reflektorlampen wird die Linse gewöhnlich in einem Verfahrensschritt an dem einen Ende des Reflektors angeklebt. Ferner wird ein die Lichtquelle aufweisender Sockel in den Reflektor eingesetzt und am anderen Ende des Reflektors befestigt. Herkömmlicherweise werden drei Techniken zur Verbindung der Linse mit dem Reflektor verwendet. Die erste Technik verwendet die Technologie einer sogenannten "organischen Klebung", welche die Aufbringung eines organischen Klebstoffs auf die Linse oder den Reflektor und ein anschließendes Zusammenpressen von Linse und Reflektor beinhaltet. Anschließend wird die Baugruppe aus Linse und Reflektor in einen Ofen verbracht und auf näherungsweise 200º C während einer Zeitspanne aufgeheizt, die ausreicht, um den organischen Klebstoff zu härten. Der organische Klebstoff, der allgemein am meisten verwendet wird, ist ein Epoxid. Die Technologie des organischen Klebens ist jedoch auf eine maximale Betriebstemperatur von näherungsweise 250 - 300º C begrenzt. Falls während des Betriebs die Temperatur der Verklebung zwischen Linse und Reflektor diesen Temperaturbereich überschreitet, wie es der Fall ist, wenn eine Lampe hoher Wattzahl für eine längere Zeitspanne in Betrieb ist, hat das Epoxid die Tendenz zu verschmoren, was die Linse dazu bringen kann, vom Reflektor abzuplatzen. Diese Temperaturgrenze begrenzt somit die maximale Wattzahl der Lichtquelle und/oder die minimale Lampengröße, die genügend Wärme abgibt, um eine Zerstörung der Epoxidklebung zu verhindern.During the assembly of reflector lamps, the lens is usually glued to one end of the reflector in one step. Furthermore, a base containing the light source is inserted into the reflector and attached to the other end of the reflector. Traditionally, three techniques are used to bond the lens to the reflector. The first technique uses the technology of so-called "organic bonding", which involves applying an organic adhesive to the lens or the reflector and then pressing the lens and reflector together. The lens and reflector assembly is then placed in an oven and heated to approximately 200º C for a time sufficient to cure the organic adhesive. The organic adhesive most commonly used is an epoxy. However, organic bonding technology is limited to a maximum operating temperature of approximately 250 - 300º C. If during operation the temperature of the bond between the lens and reflector exceeds this temperature range, as is the case when a high wattage lamp is operated for an extended period of time, the epoxy has a tendency to scorch, which can cause the lens to flake off the reflector. This temperature limit thus limits the maximum wattage of the light source and/or the minimum lamp size that will give off enough heat to prevent destruction of the epoxy bond.
Erst kürzlich wurde eine Technologie des sogenannten "inorganischen Klebens" für das Verbinden von Reflektoren mit Linsen benutzt, einschließlich der Verwendung von Klebemitteln wie dem von der Firma Gosei Chemicals, Japan, hergestellten ARON-D. Die Technologie des inorganischen Klebens ist nicht durch die Temperaturbegrenzung der Technologie organischen Klebens eingeschränkt und bewahrt doch die Einfachheit und Flexibilität der Technik von verklebtem Reflektor und Lampe.Recently, a technology called "inorganic bonding" has been used to bond reflectors to lenses, including the use of adhesives such as ARON-D manufactured by Gosei Chemicals, Japan. Inorganic bonding technology is not limited by the temperature limitation of organic bonding technology, yet retains the simplicity and flexibility of the bonded reflector-lamp technique.
Nun leiden jedoch sowohl die Technologie des organischen Klebens als auch die Technologie des inorganischen Klebens unter einer weiteren Beschränkung, die ihre Verwendung bei Reflektorlampen einschränkt. Weder die organischen noch die inorganischen Klebstoffe bilden eine für Gas oder Wasserdampf undurchdringliche Klebung. Falls aus unterschiedlichen Gründen, wie der beabsichtigten Lampenverwendung oder wegen der speziellen, in der Lampe zu verwendenden Lichtquelle, es erforderlich ist, innerhalb der zusammengebauten Reflektorlampe eine feuchtigkeits- oder sauerstofffreie Atmosphäre aufrechtzuerhalten, können organische oder inorganische Klebstoffe nicht funktionieren. Ferner bilden inorganische Klebstoffe auch keine für flüssiges Wasser undurchdringliche Barriere. Demzufolge kann bei jedwedem Gebrauch, bei welchem die Lampe flüssiger Feuchtigkeit ausgesetzt werden könnte, die Technologie des inorganischen Klebens nicht verwendet werden, und zwar trotz des überlegenen Temperaturverhaltens im Vergleich zur Technologie des organischen Klebens.However, both organic bonding and inorganic bonding technologies suffer from another limitation which restricts their use in reflector lamps. Neither organic nor inorganic adhesives form a bond which is impermeable to gas or water vapor. If, for various reasons such as the intended lamp use or the specific light source to be used in the lamp, it is necessary to maintain a moisture- or oxygen-free atmosphere inside the assembled reflector lamp, To maintain the lamp's temperature, organic or inorganic adhesives cannot work. Furthermore, inorganic adhesives do not form a barrier impenetrable to liquid water. Consequently, in any application where the lamp may be exposed to liquid moisture, inorganic bonding technology cannot be used, despite its superior temperature performance compared to organic bonding technology.
In Anbetracht dieser Beschränkungen bestand das herkömmliche Verfahren des Anklebens einer Linse an einem Reflektor in dem sogenannten "Flammsiegeln" (flame sealing) bzw. in der Schmelztechnologie, wenn es darum ging, eine Reflektorlampe herzustellen, die eine hohe Betriebstemperatur besitzt und/oder eine abgedichtete Umgebung innerhalb der Lampe erfordert. Bei einem Flammsiegeln werden die Linse und der Reflektor zu einer Lampe zusammengebaut und auf eine derart angehobene Temperatur aufgeheizt, daß ein Teil des Glases an der Berührungsfläche zwischen der Linse und dem Reflektor schmilzt und ein Verschmelzen bewirkt. Das Flammsiegelungsverfahren ist jedoch teuer und schwierig auszuführen. Dabei muß das Glas durch mehrfache Hitzestufen auf seine Arbeitstemperatur aufgeheizt werden (d.h. die Temperatur, bei welcher das Glas geformt oder bearbeitet werden kann), die im allgemeinen höher als 1200ºC liegt. Temperaturen dieser Größenordnung haben die Neigung, die Reflexionsbeschichtung auf der Innenfläche des Reflektors zu beeinträchtigen oder zu zerstören, da derartige Beschichtungen nur Temperaturen von näherungsweise bis zu 550ºC widerstehen können. Somit hat das Flammsiegelungsverfahren die Tendenz, die Beschichtung nahe der Verbindungsstelle zwischen der Linse und dem Reflektor zu beschädigen. Darüberhinaus ist die Steuerung der Bildung der Abdichtung zwischen der Linse und dem Reflektor innerhalb der Lampenhülle schwierig, da die Wärme von außerhalb des Lampenaufbaus zugeführt wird. Das kann zu Spannungen führen, die ein Brechen der Lampenhülle verursachen. Schließlich sind mehrfache Kühlstufen erforderlich, bei denen die Lampe mit gesteuerter Geschwindigkeit gekühlt wird, um zusätzliche Spannungen in der Lampenhülle zu vermeiden, die zu einem späteren Zeitpunkt einen Ausfall während des Betriebs bewirken können.In view of these limitations, the conventional method of bonding a lens to a reflector has been the so-called "flame sealing" or fusion technology when it is necessary to produce a reflector lamp which has a high operating temperature and/or requires a sealed environment within the lamp. In flame sealing, the lens and reflector are assembled into a lamp and heated to an elevated temperature such that a portion of the glass at the interface between the lens and reflector melts and causes fusion. However, the flame sealing process is expensive and difficult to carry out and requires the glass to be heated through multiple heat stages to its working temperature (i.e., the temperature at which the glass can be formed or worked), which is generally greater than 1200°C. Temperatures of this magnitude tend to degrade or destroy the reflective coating on the inner surface of the reflector, since such coatings can only withstand temperatures of approximately up to 550°C. Thus, the flame sealing process has a tendency to damage the coating near the junction between the lens and the reflector. In addition, controlling the formation of the seal between the lens and the reflector inside the lamp envelope is difficult because the heat is supplied from outside the lamp structure. This can lead to stresses that cause the lamp envelope to crack. Finally, Multiple cooling stages are required in which the lamp is cooled at a controlled rate to avoid additional stresses in the lamp envelope that may cause failure during operation at a later date.
Ein Verfahren zur Verklebung einer Linse mit einem Glasreflektor, das eine Beschädigung einer Reflexionsbeschichtung zu vermeiden sucht und von dem im Anspruch 1 ausgegangen wird, ist aus der US-A-4,238,704 bekannt,. Die Temperatur des Siegelungsmaterials wird genügend angehoben, so daß es die Linse und den Glasreflektor zusammenkleben kann, und zwar durch fokussierte Kegel infraroter Strahlung, die ein infrarotabsorbierendes Oxid aufheizen, das dem Siegelungsmaterial hinzugefügt wurde. Die Siegelungstemperatur beträgt allgemein etwa 600ºC.A method of bonding a lens to a glass reflector which seeks to avoid damage to a reflective coating and which is the basis of claim 1 is known from US-A-4,238,704. The temperature of the sealing material is raised sufficiently so that it can bond the lens and the glass reflector together by focused cones of infrared radiation which heat an infrared absorbing oxide added to the sealing material. The sealing temperature is generally about 600°C.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Konstruktion einer elektrischen Lampe mit einem eine Reflexionsbeschichtung und eine Kontaktfläche aufweisenden Glasreflektor und einer eine ebenfalls eine Kontaktfläche aufweisenden Glaslinse geschaffen, welches folgende Schritte aufweist:According to the present invention, a method is provided for constructing an electric lamp with a glass reflector having a reflective coating and a contact surface and a glass lens also having a contact surface, which method comprises the following steps:
Aufbringung eines Glaslots auf die Kontaktfläche des Reflektors und/oder der Linse;Applying a glass solder to the contact surface of the reflector and/or the lens;
Bildung eines Lampenaufbaus dadurch, daß der Reflektor und die Linse zusammengeführt werden, um den Reflektor mit der Linse derart zu verbinden, daß das Glaslot zwischen der Kontaktfläche der Linse und der Kontaktfläche des Reflektors angeordnet ist; undforming a lamp assembly by bringing the reflector and the lens together to connect the reflector to the lens such that the glass solder is disposed between the contact surface of the lens and the contact surface of the reflector; and
Aufheizen des Lampenaufbaus auf eine erhöhte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die höhere Temperatur ausreicht, das Glaslot zu erweichen, wobei der Lampenaufbau auf der erhöhten Temperatur für eine Zeitspanne gehalten wird, die ausreicht, um das Glaslot jeweils mit der Linse und dem Reflektor zu verkleben und die Linse am Reflektor anzusiegeln, und daß die erhöhte Temperatur näherungsweise 450º beträgt.Heating the lamp assembly to an elevated temperature, characterized in that the elevated temperature is sufficient to soften the solder glass, the lamp assembly being maintained at the elevated temperature for a period of time sufficient to bond the solder glass to the lens and reflector, respectively, and to seal the lens to the reflector, and in that the elevated temperature is approximately 450º.
Bei einer bevorzugten Auführungsform wird das Glaslot zunächst entweder auf die Linse oder den Reflektor aufgebracht und die Linse oder der Reflektor individuell aufgeheizt, um jedwedes Bindematerial aus dem Glaslot zu entfernen. Das Glaslot wird derart ausgewählt, daß ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Glaslots im wesentlich an einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Linse und Reflektor angepaßt ist, um ein Springen des Lampenaufbaus zu vermeiden, das durch den Temperaturwechsel während des Lampenbetriebs hervorgerufen werden könnte.In a preferred embodiment, the solder glass is first applied to either the lens or the reflector and the lens or the reflector is individually heated to remove any binding material from the solder glass. The solder glass is selected such that a coefficient of thermal expansion of the solder glass is substantially matched to a coefficient of thermal expansion of the lens and reflector in order to avoid cracking of the lamp assembly which could be caused by the temperature change during lamp operation.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Reflektor und Linse aus einem Glas vom Pyrex -Typ hergestellt, beispielsweise aus Corning 7251, welches einen Wärmeausdehnungskoeffiezienten von 37,5 x 10&supmin;&sup7;/ºC aufweist, gemessen über einen Bereich von 0 bis 300ºC; das Glaslot besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 43,2 x 10&supmin;&sup7;/ºC, gemessen über einem Bereich von 0 bis 300ºC. Das bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendete Glaslot wird derart ausgewählt, daß die erhöhte Temperatur und die zur Verklebung des Glaslots mit dem Reflektor und der Linse erforderliche Zeit das Betriebsverhalten einer Reflexionsschicht nicht wesentlich verschlechtert, beispielsweise das einer dichroischen oder Aluminium- Beschichtung, die auf die Innenfläche des Reflektors aufgebracht worden ist.In a preferred embodiment, the reflector and lens are made of a Pyrex type glass, such as Corning 7251, which has a coefficient of thermal expansion of 37.5 x 10-7/°C measured over a range of 0 to 300°C; the solder glass has a coefficient of thermal expansion of 43.2 x 10-7/°C measured over a range of 0 to 300°C. The solder glass used in a preferred embodiment is selected such that the elevated temperature and time required to bond the solder glass to the reflector and lens do not significantly degrade the performance of a reflective coating, such as a dichroic or aluminum coating applied to the inner surface of the reflector.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Certain preferred embodiments of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Reflektorlampe; undFig. 1 is a cross-sectional view of a preferred reflector lamp; and
Fig. 2 eine schaubildliche Explosionsansicht der Lampe nach Fig. 1.Fig. 2 is a diagrammatic exploded view of the lamp of Fig. 1.
Es wird nun auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, die eine in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gebaute Lampe verdeutlichen. Dabei sorgt eine Lampenhülle 10 für einen abgedichteten Einschluß eines Lichtquellenaufbaus 12. Der Lichtquellenaufbau 12 kann beispielsweise eine Wolfram-Halogen-Lichtquelle sein, ein Quecksilberbrenner, eine Glühlampe oder ein Metallhalogenidbrenner. Die Lampenhülle 10 umfaßt einen Reflektor 14 mit zirkulärer Symmetrie um eine optische Achse 16 der Lampe. Typischerweise besitzt eine Reflexionsfläche 18 auf der Innenfläche des Reflektors 14 eine parabolische Form. Die Reflexionsfläche 18 kann eine Aluminiumschicht, ein dichroischer Reflektor oder ein anderer geeigneter Reflektor sein. Der Reflektor 14 ist durch eine mit ihm verklebte Linse 20 verschlossen. Ein Sockel 22 schafft eine Einrichtung für die Zufuhr von elektrischer Leistung zum Lichtquellenaufbau 12 und für die Montage der Lampe. Bei einigen Anwendungen kann die Lampenhülle 10 mit einem inerten Gas gefüllt sein, wie Stickstoff. Eine elektrische Lampe der in der Fig. 1 gezeigten Art wird typischerweise als Oberlicht, Scheinwerferlicht oder Flutlicht für die Beleuchtung innerhalb und außerhalb von Gebäuden verwendet.Reference is now made to Figures 1 and 2 which illustrate a structure constructed in accordance with a preferred method of the present invention. Lamp. A lamp envelope 10 provides sealed enclosure for a light source assembly 12. The light source assembly 12 may be, for example, a tungsten halogen light source, a mercury tube, an incandescent lamp, or a metal halide tube. The lamp envelope 10 includes a reflector 14 having circular symmetry about an optical axis 16 of the lamp. Typically, a reflective surface 18 on the inner surface of the reflector 14 has a parabolic shape. The reflective surface 18 may be an aluminum sheet, a dichroic reflector, or other suitable reflector. The reflector 14 is closed by a lens 20 bonded thereto. A base 22 provides a means for supplying electrical power to the light source assembly 12 and for mounting the lamp. In some applications, the lamp envelope 10 may be filled with an inert gas, such as nitrogen. An electric lamp of the type shown in Fig. 1 is typically used as a skylight, spotlight or floodlight for illumination inside and outside buildings.
Die Linse 20 wird durch eine Glaslotdichtung 30 mit dem Reflektor 14 verklebt. Die Glaslotdichtung 30 verbindet die Kontaktfläche 32 der Linse 20 mit der Kontaktfläche 34 des Reflektors 14. Die Kontaktfläche 32 erstreckt sich rund um den gesamten Umfang 36 der Linse 20. In gleicher Weise erstreckt sich die Kontaktfläche 34 um den gesamten Umfang 38 des Reflektors 14. Das bei der Dichtung 30 verwendete Glaslot ist typischerweise ein Glas mit einer Siegelungstemperatur, die im Vergleich mit dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Teile verhältnismäßig niedrig ist. Die Siegelungstemperatur bzw. Dichttemperatur ist diejenige Temperatur, bei welcher eine hermetische Abdichtung hergestellt werden kann, da sich die Viskosität des Glases derart geändert hat, daß das Glaslot flüssig genug ist, um jedwede Leerstelle zu füllen. Sobald das Glaslot auf seine Dichttemperatur aufgeheizt worden ist, gibt es im wesentlichen keinerlei Deformation der miteinander zu verbindenden bzw. zu verklebenden Teile.The lens 20 is bonded to the reflector 14 by a glass solder seal 30. The glass solder seal 30 connects the contact surface 32 of the lens 20 to the contact surface 34 of the reflector 14. The contact surface 32 extends around the entire circumference 36 of the lens 20. Likewise, the contact surface 34 extends around the entire circumference 38 of the reflector 14. The glass solder used in the seal 30 is typically a glass with a sealing temperature that is relatively low compared to the melting point of the parts to be joined. The sealing temperature is the temperature at which a hermetic seal can be made because the viscosity of the glass has changed such that the glass solder is fluid enough to fill any void. As soon as the glass solder has been heated to its sealing temperature, there is essentially no deformation of the parts to be joined or bonded together.
Beim Aufbau der in den Fig. 1 und 2 dargestellten elektrischen Lampe wird die das Glaslot aufweisende Dichtung 30 entweder auf die Kontaktfläche 34 oder die Kontaktfläche 32 oder auf beide Flächen aufgebracht. Das Glaslot kann entweder trocken als eine Fritte oder in einem Bindemittel aufgebracht werden, beispielsweise als ein Amylazetat-Nitrozellulosesystem, wobei das Glaslot und der Binder eine pastöse Konsistenz aufweisen. Wird ein Amylazetat- Bindemittel verwendet, besteht die Mischung vorzugsweise aus 8 bis 14 Teilen Fritte für jeden Teil des Bindemittels. Die Mischung wird vorzugsweise mit Nitrozellulose kombiniert, um eine Paste herzustellen, die 98,8 Prozent Fritte nebst Bindemittel und 1,2 Prozent Nitrozellulosebinder besteht.In constructing the electric lamp shown in Figures 1 and 2, the seal 30 comprising the glass solder is applied to either the contact surface 34 or the contact surface 32 or to both surfaces. The glass solder can be applied either dry as a frit or in a binder, such as an amyl acetate-nitrocellulose system, the glass solder and binder having a paste-like consistency. If an amyl acetate binder is used, the mixture preferably consists of 8 to 14 parts frit for each part binder. The mixture is preferably combined with nitrocellulose to produce a paste comprising 98.8 percent frit plus binder and 1.2 percent nitrocellulose binder.
Sobald das Glaslot auf entweder die Kontaktfläche 34 oder die Kontaktfläche 32 aufgebracht worden ist, werden die Linse oder der Reflektor in einen Ofen verbracht und auf eine erhöhte Temperatur von näherungsweise 300 bis 375ºC aufgeheizt. Die Linse oder der Reflektor werden auf dieser Temperatur für eine Zeitspanne gehalten, die ausreicht, um das Bindematerial zu oxidieren und auszubrennen, wobei lediglich das Glaslot selber zurückbleibt. Dieser Prozeß benötigt gewöhnlich etwa dreißig Minuten bei etwa 350ºC. Das Aufheizen der Luft wird bevorzugt, weil der Kohlenstoff oder die Kohlenwasserstoffe in dem Binder oxidiert und aus dem Glaslot ausgebrannt werden können. Als nächstes wird die Linse oder der Reflektor weiter auf näherungsweise 450ºC für etwa zehn Minuten aufgeheizt, um das Glaslot an Ort und Stelle auf der Linse oder dem Reflektor zu vitrifizieren. Als nächstes werden die Linse oder der Reflektor durch einen Abkühlungszyklus gebracht, in welchem die Linse oder der Reflektor so schnell wie möglich abgekühlt werden, ohne Risse hervorzurufen oder zusätzlich Spannung zu induzieren.Once the solder glass has been applied to either the contact surface 34 or the contact surface 32, the lens or reflector is placed in a furnace and heated to an elevated temperature of approximately 300 to 375°C. The lens or reflector is held at this temperature for a period of time sufficient to oxidize and burn off the binder material, leaving only the solder glass itself. This process usually takes about thirty minutes at about 350°C. Air heating is preferred because the carbon or hydrocarbons in the binder can be oxidized and burned out of the solder glass. Next, the lens or reflector is further heated to approximately 450°C for about ten minutes to vitrify the solder glass in place on the lens or reflector. Next, the lens or reflector is put through a cooling cycle, in which the lens or reflector is cooled as quickly as possible without causing cracks or inducing additional stress.
Sodann werden die Linse 20 und der Reflektor 14 längs der optischen Achse 16 koaxial ausgerichtet und längs der optischen Achse 16 jeweils in Richtung der Pfeile 40 und 42 aufeinanderzubewegt, bis die Glaslotdichtung 30 sich in engem physikalischen Kontakt mit der Linse 20 und dem Reflektor 10 befindet, um einen Lampenaufbau zu bilden, wie er am besten in Fig. 1 dargestellt ist.The lens 20 and reflector 14 are then coaxially aligned along the optical axis 16 and moved toward each other along the optical axis 16 in the directions of arrows 40 and 42, respectively, until the solder glass seal 30 is in close physical contact with the lens 20 and reflector 10 to form a lamp assembly as best shown in Fig. 1.
Ein Fachmann wird verstehen, daß eine geeignete Lehre verwendet werden kann, um entweder die Linse oder den Reflektor 14 stationär zu halten und das verbleibende Stück zur Anlage an dem stationären Stück zu bewegen. Der Fachmann wird ferner begreifen, daß für das Ausrichten und Zusammendrücken von Reflektor 14 und Linse 20 herkömmliche automatisierte Lampenherstellungsmaschinen verwendet werden können.One skilled in the art will understand that a suitable jig may be used to hold either the lens or the reflector 14 stationary and move the remaining piece into engagement with the stationary piece. One skilled in the art will further understand that conventional automated lamp manufacturing machinery may be used to align and compress the reflector 14 and lens 20.
Danach wird der Lampenaufbau in einen Ofen verbracht, der vorzugsweise ein Tunnelofen ist, der die Temperatur des Lampenaufbaus auf eine Temperatur anhebt, die ausreicht, um die aus Glaslot bestehende Dichtung 30 zu erweichen und dadurch die Linse 20 mit dem Reflektor 14 an den Kontaktflächen 32 und 34 zusammenzukleben. Der Lampenaufbau verbleibt in dem Tunnelofen für eine Zeitspanne, die ausreicht, um den Klebungsprozeß abzuschließen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Ofentemperatur näherungsweise 450º und der Lampenaufbau verbleibt in dem Ofen für etwa zehn Minuten.Thereafter, the lamp assembly is placed in an oven, which is preferably a tunnel oven, which raises the temperature of the lamp assembly to a temperature sufficient to soften the solder glass seal 30 and thereby bond the lens 20 to the reflector 14 at the contact surfaces 32 and 34. The lamp assembly remains in the tunnel oven for a period of time sufficient to complete the bonding process. In a preferred embodiment, the oven temperature is approximately 450° and the lamp assembly remains in the oven for about ten minutes.
Nachdem der Klebungsprozeß abgeschlossen worden ist, läßt man die Lampe einen Abkühlungszyklus durchlaufen, während dessen der Lampenaufbau mit gesteuerter Geschwindigkeit abgekühlt wird, beispielsweise 3ºC/Minute auf eine Temperatur, die näherungsweise 50º unter der Spannungstemperatur des Glaslots liegt. Die Spannungstemperatur ist diejenige Temperatur, oberhalb welcher Spannungen oder Dehnungsspannungen in dem Lampenaufbau induziert werden können. Die Spannungstemperatur liegt allgemein näherungsweise 15º unterhalb der Transformationstemperatur des Glaslots. Bei einem bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Glaslot, das später im einzelnen beschrieben werden wird, beträgt die Transformationstemperatur näherungsweise 309ºC. Folglich beträgt die Spannungstemperatur näherungsweise 294ºC. Somit kühlt der Abkühlungszyklus den Lampenaufbau von 450ºC auf näherungsweise 244ºC mit einer Geschwindigkeit von 3ºC pro Minute ab, um das Einführen zusätzlicher Spannungen in den Lampenaufbau zu vermeiden, das später zu einem Ausfall der Lampe während des Betriebs führen könnte. Sobald die Lampe eine Temperatur von näherungsweise 50º unterhalb der Spannungstemperatur erreicht hat, kann der Lampenaufbau schneller abgekühlt werden.After the bonding process has been completed, the lamp is subjected to a cool down cycle during which the lamp assembly is cooled at a controlled rate, for example 3°C/minute, to a temperature approximately 50° below the strain temperature of the solder glass. The strain temperature is that temperature above which stresses or strains can be induced in the lamp assembly. The strain temperature is generally approximately 15° below the transformation temperature of the solder glass. For a solder glass used in the present invention, which will be described in detail later, the transformation temperature is approximately 309°C. Consequently, the strain temperature is approximately 294°C. Thus, the cool down cycle cools the lamp assembly from 450°C to approximately 244°C at a rate of 3°C per minute to avoid introducing additional stresses into the lamp assembly which could later cause the lamp to fail during operation. As soon as the lamp reaches a temperature of approximately 50º below the voltage temperature has been reached, the lamp assembly can be cooled down more quickly.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die glaslotaufweisende Abdichtung 33 entweder auf die Linse 20 an der Kontaktfläche 32 oder auf den Reflektor 14 an der Kontaktfläche 34 aufgebracht. Die Linse 20 und der Reflektor 14 werden sodann auf der optischen Achse 16 koaxial ausgerichtet und längs der optischen Achse 16 in Richtung jeweils der Pfeile 40 und 42 aufeinanderzubewegt, bis sich die Glaslotdichtung 30 in Anlage an der Linse 20 und dem Reflektor 14 befindet. Anschließend wird der Lampenaufbau in den Ofen verbracht und auf näherungsweise 350ºC für etwa dreißig Minuten aufgeheizt, um den Binder zu oxidieren und auszubrennen. Sodann wird der Lampenaufbau für näherungsweise zehn Minuten auf etwa 450ºC aufgeheizt, um die Linse mit dem Reflektor zu verbinden. Schließlich wird der Lampenaufbau einem ähnlichen Abkühlzyklus wie bei der bevorzugten Ausführungsform unterworfen. Diese Ausführungsform eliminiert somit das gesonderte Aufheizen der einzelnen Linse oder des einzelnen Reflektors, wie es bei der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde. Obgleich dieses Einschrittverfahren eine leichte Oxidation der oder eine Kondensation auf der Reflexionsbeschichtung innerhalb der Lampe hervorrufen kann, und zwar aufgrund des Ausgasens des Binders innerhalb des Lampenaufbaus, kann das Oxidationsproblem durch Aufheizen der Lampe in einer sauerstofffreien Atmosphäre, beispielsweise in Stickstoff, überwunden werden. Obgleich das Einschrittverfahren keine Lampe von der gleichen Qualität wie bei der bevorzugten Ausführungsform hervorbringt, ist das Einschrittverfahren in Fällen nützlich, in denen die Lampenherstellungskosten wichtiger sind als das Erzielen einer Lampe höchster Qualität, oder in dem Fall, in welchem die Reflexionsschicht durch die durch das Abdichtungsverfahren hervorgerufene Kondensation oder Oxidation nicht verschlechtert wird.In another embodiment of the invention, the solder glass seal 33 is applied to either the lens 20 at the contact surface 32 or to the reflector 14 at the contact surface 34. The lens 20 and the reflector 14 are then coaxially aligned on the optical axis 16 and moved toward each other along the optical axis 16 in the direction of arrows 40 and 42, respectively, until the solder glass seal 30 is in contact with the lens 20 and the reflector 14. The lamp assembly is then placed in the oven and heated to approximately 350°C for approximately thirty minutes to oxidize and burn out the binder. The lamp assembly is then heated to approximately 450°C for approximately ten minutes to bond the lens to the reflector. Finally, the lamp assembly is subjected to a similar cooling cycle as in the preferred embodiment. This embodiment thus eliminates the separate heating of the individual lens or reflector as described in the preferred embodiment. Although this one-step process may cause slight oxidation of or condensation on the reflective coating within the lamp due to outgassing of the binder within the lamp assembly, the oxidation problem can be overcome by heating the lamp in an oxygen-free atmosphere, such as nitrogen. Although the one-step process does not produce a lamp of the same quality as the preferred embodiment, the one-step process is useful in cases where the cost of lamp manufacture is more important than achieving the highest quality lamp, or in the case where the reflective coating is not degraded by condensation or oxidation caused by the sealing process.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Wahl des verwendeten Glaslots. Da Glaslote nun einmal Glase sind, sind sie starre Materialien. Das Verwenden einer Glaslotklebung zwischen der Linse 20 und dem Reflektor 14 bedeutet, daß die Linse 20 an dem Reflektor 14 starr angeklebt ist. Demzufolge kann, falls die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Linse, des Glaslots und des Reflektors nicht sehr eng aneinander angepaßt sind, durch thermischen Wechsel infolge des Lampenbetriebs verursachte Spannung einen Bruch in der Lampenhülle 10 hervorrufen. Wir haben festgestellt, daß dieses Problem durch die Auswahl eines Glaslots überwunden werden kann, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Linse und des Reflektors im wesentlichen übereinstimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Linse und der Reflektor aus einem Glas vom Pyrex -Typ hergestellt, wie aus Corning 7251, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 37,5 x 10&supmin;&sup7;/ºC aufweist, und das Glaslot ist eine Bleiboratverbindung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 43,2 x 10&supmin;&sup7;/ºC, wie Typ LS-1301, hergestellt von der Nippon Electric Glass Company.An important aspect of the present invention is the choice of the glass solder used. Since glass solders are glass, they are rigid Materials. Using a glass solder bond between the lens 20 and the reflector 14 means that the lens 20 is rigidly bonded to the reflector 14. Consequently, if the thermal expansion coefficients of the lens, glass solder and reflector are not closely matched, stress caused by thermal cycling due to lamp operation can cause a fracture in the lamp envelope 10. We have found that this problem can be overcome by selecting a glass solder having a thermal expansion coefficient substantially matching the thermal expansion coefficient of the lens and reflector. In a preferred embodiment of the invention, the lens and reflector are made of a Pyrex® type glass, such as Corning 7251, having a coefficient of thermal expansion of 37.5 x 10⁻⁷/°C, and the glass solder is a lead borate compound having a coefficient of thermal expansion of 43.2 x 10⁻⁷/°C, such as type LS-1301 manufactured by Nippon Electric Glass Company.
Abgesehen davon, daß das Glaslot einen kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben muß, muß es auch für Verfahrensbedingungen verfügbar sein, die innerhalb der Beschränkungen der miteinander zu verklebenden Teile liegen. Bei der Herstellung einer Reflektorlampe ist die primare Begrenzung die Temperatur, bei welcher die dichroische Beschichtung 18 auf der Innenfläche 24 des Reflektors 14 zerstört zu werden beginnt, und zwar infolge von Oxidation der Beschichtung oder infolge von Kondensation von ausgasenden Nebenprodukten auf der Beschichtung während des Ausbrennens des Bindemittels, was durch das Ausgesetztsein gegenüber der angehobenen Temperatur und durch das Ausgasen des Glaslots selber verursacht werden wird. Die meisten Glaslote erfordern Abdichttemperaturen und Verfahrenszeiten, welche die maximale Temperaturverträglichkeit der dichroischen Reflexionsbeschichtung, die sich gewöhnlich im Bereich von 450 bis 550ºC befindet, überschreiten. Das bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete Glaslot, LS- 1301, besitzt eine Abdichttemperatur und eine Verfahrenszeit, die sich innerhalb des Bereichs der Temperaturverträglichkeit der dichroischen Reflexionsschicht befinden. Bei einem Versuch wurde festgestellt, daß eine Verfahrenstemperatur von 450ºC und eine Verfahrenszeit von zehn Minuten auf die Linse und auf den Reflektor eine gemessene kompressive Spannung von 3,86 MPa (560 PSI (Pounds per Square Inch)) seitens der Glaslotdichtung bei Raumtemperatur ausüben, ohne daß die dichroische Reflexionsoberfläche wesentlich verändert oder verschlechtert wurde.In addition to having a compatible coefficient of thermal expansion, the solder glass must also be available for processing conditions within the limitations of the parts being bonded together. In the manufacture of a reflector lamp, the primary limitation is the temperature at which the dichroic coating 18 on the inner surface 24 of the reflector 14 begins to deteriorate due to oxidation of the coating or due to condensation of outgassing byproducts on the coating during binder burnout, which will be caused by exposure to the elevated temperature and by outgassing of the solder glass itself. Most solders require sealing temperatures and processing times which exceed the maximum temperature tolerance of the dichroic reflective coating, which is usually in the range of 450 to 550°C. The solder glass used in a preferred embodiment of the invention, LS-1301, has a sealing temperature and processing time which within the temperature tolerance range of the dichroic reflective layer. In one test, it was found that a processing temperature of 450ºC and a processing time of ten minutes imparted to the lens and reflector a measured compressive stress of 3.86 MPa (560 PSI (pounds per square inch)) from the glass solder seal at room temperature without significantly altering or degrading the dichroic reflective surface.
Obgleich LS-1301 ein bevorzugtes Glaslot ist, können auch andere Glaslote, die Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 39 x 10&supmin;&sup7;/ºC bis 48 x 10&supmin;&sup7;/ºC aufweisen, ebenfalls bei dem Verfahren und der Lampe nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine auf die Linse und den Reflektor durch die Glaslotdichtung bei Raumtemperatur ausgeübte, kompressive Spannung zu erzeugen, die geringer ist als 20,7 MPa (3000 PSI). Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die gemessene Kompressionsspannung in der Glaslotdichtung nicht größer als 10,3 MPa (1500 PSI). Bei einer in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Reflektorlampe unter Verwendung von Corning 7251 Glas vom Pyrex -Typ für die Linse und den Reflektor, sowie LS-1301 als Glaslot, betrug die gemessene Kompressionsspannung in der Glaslotdichtung 3,86 MPa (560 PSI), befand sich also gut innerhalb des bevorzugten Bereichs.Although LS-1301 is a preferred solder glass, other solder glasses having coefficients of thermal expansion in the range of 39 x 10-7/°C to 48 x 10-7/°C may also be used in the method and lamp of the present invention to produce a compressive stress exerted on the lens and reflector through the solder glass seal at room temperature that is less than 20.7 MPa (3000 PSI). In a preferred embodiment, the measured compressive stress in the solder glass seal is no greater than 10.3 MPa (1500 PSI). For a reflector lamp made in accordance with a preferred method of the present invention using Corning 7251 Pyrex type glass for the lens and reflector and LS-1301 as the glass solder, the measured compression stress in the glass solder seal was 3.86 MPa (560 PSI), well within the preferred range.
Somit wurde, zumindest bei den dargestellten Ausführungsformen, die vorliegende Erfindung dahingehend erläutert, daß sie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Reflektorlampen schafft, daß für das Ankleben einer Linse an einem Reflektor während des Aufbaus einer Reflektorlampe einfacher und kostengünstiger ist, und zwar um eine Lampe zu schaffen, die den gleichen oder einen größeren Bereich an Betriebstemperaturen, sowie Undurchdringlichkeit für Gase und Flüssigkeiten besitzt, als eine Lampe, die unter Verwendung des Flammsiegelungsverfahrens hergestellt worden ist; wobei dieses Verfahren das Betriebsverhalten einer auf die Innenfläche des Reflektors aufgebrachten Reflexionsschicht im wesentlichen nicht beeinträchtigt.Thus, at least in the embodiments illustrated, the present invention has been explained as providing an improved method of manufacturing reflector lamps which is simpler and less expensive for bonding a lens to a reflector during construction of a reflector lamp to provide a lamp having the same or greater range of operating temperatures and impermeability to gases and liquids than a lamp manufactured using the flame sealing process; which method does not substantially affect the performance of a reflective layer applied to the inner surface of the reflector.
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