DE69713453T2

DE69713453T2 - Hochdruckentladungslampen und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69713453T2
Application number: DE69713453T
Authority: DE
Inventors: Michio Asai; Norikazu Niimi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-05-16
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: DE69713453D1; EP0807957B1; CN1275791A; US6224449B1; EP0807957A2; JP3151166B2; CZ95797A3; US6057644A; JPH1031978A; CZ294773B6; EP0807957A3; CN1166045A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochdruck-Entladungslampen unter Verwendung von Keramik-Entladungsröhren und Verfahren zu ihrer Herstellung.

2. Beschreibung verwandter Gebiete

In der oben angeführten Hochdruck-Entladungslampe sind Stöpselelemente (üblicherweise als Keramikstöpsel bezeichnet) in beide Endabschnitte der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt, um diese Endabschnitte zu schließen, ein Durchgangsloch ist in jedem der Stöpselelemente vorgesehen, und ein metallischer Stromleiter mit einem bestimmten daran befestigten Elektrodensystem ist in das Durchgangsloch eingesetzt. Ein ionisierbares lichtaussendendes Material ist in einem Innenraum der Keramik- Entladungsröhre eingekapselt. Als Hochdruck-Entladungslampe kommen eine Hochdruck-Natriumlicht-aussendende Lampe, eine Metallhalogenidlampe usw. in Frage. Insbesondere besitzt die Metallhalogenidlampe gute Farbwiedergabeeigenschaften. Die Verwendung von Keramiken als Materialien für Entladungsröhren ermöglichte die Verwendung solcher Hochdruck-Entladungslampen bei hohen Temperaturen.
In einer derartigen Entladungslampe ist es notwendig, für gasdichte Abdichtung zwischen den Endabschnitten der Keramik-Entladungsröhre und den jeweiligen Elektrodeneinheit-Halterungselementen zu sorgen. Ein Hauptabschnitt der Keramik- Entladungsröhre ist röhren- oder fassförmig mit verkleinerten Endabschnitten, oder er besitzt die Form eines geraden Zylinders. Die Keramik-Entladungsröhre besteht z. B. aus einem gesinterten Aluminiumoxidkörper. Um die Endabschnitte der Keramik- Entladungsröhre abzudichten, offenbart z. B. JP-A-6 318435 (entspricht DE 42 42 122 A) die folgende Struktur. Stöpselelemente sind in das Innere von Endabschnitten der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt und werden darin festgehalten. Ein Durchgangsloch ist in jedem der Stöpselelemente in axialer Richtung ausgebildet und ein schlankes Elektrodeneinheit-Halterungselement fix in das Durchgangsloch eingesetzt. Das Stöpselelement besteht aus einem Cermet, das sowohl Aluminiumoxid als auch ein Metall enthält, aus dem das Elektrodeneinheit-Halterungselement mit einem solchen Verhältnis gebildet ist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stöpselelements zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Elektrodeneinheit-Halterungselements und jenen der Keramik-Entladungsröhre fallen kann.
Bei der Ausbildung der obigen abgedichteten Struktur wird der Innendurchmesser jedes Endabschnitts der Keramik-Entladungsröhre geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Stöpselelements gewählt, wenn die Keramik-Entladungsröhre in einem solchen Zustand gebrannt wird, dass ein Vorformling des Stöpselelements nicht im Vorformling der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt ist. Daher wird das Stöpselelement fest radial nach innen festgezogen und im Endabschnitt der Keramik-Entladungsröhre festgehalten. Die gleichen Ausführungen gelten für das Stöpselelement und das Elektrodeneinheit-Halterungselement.
Die Anmelder führten weitere Untersuchungen über solche abgedichteten Strukturen durch und entdeckten, dass sie die folgenden Probleme aufwerfen. Obwohl das Stöpselelement und das Elektrodeneinheit-Halterungselement durch den zwischen ihnen herrschenden Druck abgedichtet sind, ist es aber - da die Entladungslampe wiederholt einige Zyklen zwischen Ein- und Ausschalten durchläuft - notwendig, dass die Zuverlässigkeit des abgedichteten Abschnitts in Bezug auf die Differenz der Wärmeausdehnung weiter verbessert wird. Insbesondere im Fall des Metallhalogenids mit einer hohen Korrosionsanfälligkeit ist eine abgedichtete Struktur mit hoher Korrosionsfestigkeit und Zuverlässigkeit erforderlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine neuartige abgedichtete Struktur für eine Hochdruck- Entladungslampe bereitzustellen, welche abgedichtete Struktur eine hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe Zuverlässigkeit gegenüber Metallhalogenid besitzt, ohne im Wesentlichen thermische Spannungen zwischen einem Stöpselelement und einer Keramik-Entladungsröhre hervorzurufen.
Die erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampen sind in den Ansprüchen 1 und 2 beansprucht. Weiters stellt die gegenständliche Erfindung Verfahren zur Herstellung der Hochdruck-Entladungslampen bereit, wie sie in den Ansprüchen 3 und 4 beansprucht sind.
Die Anmelder verfolgten den technischen Gedanken, dass das Material der an den Endabschnitten der Keramik-Entladungsröhre befestigten Stöpselelemente mit jenem der Keramik-Entladungsröhre identisch ist, und dass die Stöpselelemente durch die Metallisierungsschichten gasdicht mit den jeweiligen leitenden Elementen verbunden sind. Sie entdeckten in ihren Versuchen, dass extrem hohe Gasdichtheit zwischen den Stöpselelementen und den jeweiligen leitenden Elementen bestand und dass die Hochdruck-Entladungslampe trotzdem hohe Zuverlässigkeit beibehielt, sogar wenn sie wiederholten Zyklen des Ein- und Ausschaltens unterzogen wurde.
Die Anmelder entdeckten ferner, dass beim direkten und gasdichten Abdichten des leitenden Elements an der Innenseite des Endabschnitts der Keramik-Entladungsröhre über die Metallisierungsschicht extrem hohe Gasdichtheit zwischen der Röhre und dem leitenden Element herrschte und dass die Hochdruck-Entladungslampe sogar dann hohe Zuverlässigkeit beibehielt, wenn sie wiederholten Ein- und Ausschaltzyklen ausgesetzt wurde. Aufgrund dieser Tatsache ist der industrielle Nutzen überaus groß, da die Stöpselelemente entfallen können, wodurch die Anzahl der Bestandteile abnimmt und die Produktionsschritte stark vereinfacht werden können.
Außerdem kann dieses Verfahren Hochdruck-Entladungslampen extrem kompakt ausbilden. Die Breitedimension der Hochdruck-Entladungslampe ist durch die Dimension ihres Endabschnitts eingeschränkt. Da jedoch das Stöpselelement in oder durch die Innenseite des Endabschnitts der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt war, war es schwierig, die Dimension der Keramik-Entladungsröhre in Breiterichtung unter einem bestimmten Wert auszubilden, wodurch es auch schwierig war, das Volumen des Innenraums der Keramik-Entladungsröhre unter einem bestimmten Grenzwert zu halten. Wenn daher die Ausgangs-Leistung auf einen Wert von höchstens 25 W gedrückt wurde, sank der Lichtemissions-Wirkungsgrad innerhalb des Raums der Keramik- Entladungsröhre deutlich. Da gemäß der Erfindung die Keramik-Entladungsröhre im Gegensatz zum Stand der Technik kompakt ausgebildet ist, konnte insofern ein gewaltiger Fortschritt erzielt werden, als die Hochdruck-Entladungslampe mit niedriger Leistung von höchstens 25 W als kommerzielles Produkt auf den Markt gebracht werden kann.
Es folgt eine Beschreibung der Funktions- und Wirkungsweise der Erfindung. Üblicherweise besteht ein beträchtlicher Unterschied der Wärmeausdehnung zwischen Keramiken für lichtaussendende Röhren oder Stöpselelemente und leitende Elemente, und diese Wärmeausdehnungsdifferenz kann die Ursache für das Auslecken durch die Lampe sein, die wiederholten Ein- und Ausschaltzyklen unterzogen wird. Gemäß der Struktur der Erfindung erfolgt das Verbinden im Gegensatz zur herkömmlichen Technik nicht nur durch Presspassen, sondern auch chemisch mittels der Metallisierungsschicht. Da außerdem diese Metallisierungsschicht kein vollständig steifes Material ist, mindert sie die an der Verbindungsgrenzfläche entstehenden thermischen Beanspruchungen. Da ferner die Metallisierungsschicht hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegenüber Gas auf Halogenbasis o. dgl. aufweist, liefert sie hohe Dichtungswirkung und Haltbarkeit.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erlangen, wird nun auf die beiliegenden Abbildungen Bezug genommen, worin:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der gesamten Struktur der Hochdruck-Entladungslampe ist;
Fig. 2(a) und 2(b) Schnittansichten sind, die in vergrößertem Maßstab Bereiche um Endabschnitte von Keramik-Entladungsröhren gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
Fig. 3(a) und 3(b) schematische Schnittansichten sind, die in vergrößertem Maßstab Bereiche um Endabschnitte von Keramik-Entladungsröhren gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
Fig. 4(a) und 4(b) schematische Schnittansichten sind, die Hochdruck-Entladungslampen gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
Fig. 5(a) und 5(b) schematische Schnittansichten sind, die Hochdruck-Entladungslampen als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen;
Fig. 6(a) eine Schnittansicht einer Laminarstruktur einer Keramik-Entladungsröhre 11, 21, 22 oder eines Stöpselelements 14 und eines leitenden Elements 5 (16, 30) über eine Metallisierungsschicht 15 (19) und Fig. 6(b) eine schematische Ansicht der Mikrostruktur in der obigen Schnittansicht ist;
Fig. 7(a) eine Schnittansicht einer Laminarstruktur einer Keramik-Entladungsröhre 11, 21, 22 oder eines Stöpselelements 14 und eines leitenden Elements 5 (16, 30) über eine Metallisierungsschicht 15 (19) ist und Fig. 7(b) eine schematische Struktur einer Mikrostruktur in der obigen Schnittansicht ist;
Fig. 8 ein Flussdiagramm ist, das eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe veranschaulicht;
Fig. 9 ein Flussdiagramm ist, das eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe veranschaulicht; und
Fig. 10 ein Flussdiagramm ist, das eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampe veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung.
Das leitende Element kann ein Elektrodeneinheit-Halterungselement sein, an dem eine Elektrodeneinheit direkt befestigt ist, oder es kann ein röhrenförmiges Element sein, in oder durch das ein derartiges Elektrodeneinheit-Halterungselement mit direkt daran befestigter Elektrodeneinheit einzusetzen ist. Das leitende Element unterliegt keinen besonderen Einschränkungen. Als Beispiel kann das in JP-A- 6-318435 geoffenbarte Verfahren angeführt werden.
Als Material für das leitende Element kommen viele verschiedene hochschmelzende Metalle und leitende Keramiken in Frage. Vom Standpunkt der Leitfähigkeit sind Metalle mit hohen Schmelzpunkten vorzuziehen. Metalle mit hohen Schmelzpunkten sind z. B. eine oder mehrere Arten von Metallen, die aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niobium, Tantal und ihren Legierungen ausgewählt sind.
Es ist bekannt, dass zwar Niobium und Tantal Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, die fast an jene von Keramiken herankommen, aus denen die Keramik- Entladungsröhren bestehen, insbesondere an die von Aluminiumoxid-Keramik, Niobium und Tantal sie aber mit dem Metallhalogenid wahrscheinlich korrodieren. Um daher die Lebensdauer des leitenden Elements zu verlängern, ist es vorzuziehen, es aus einem Metall auszubilden, das aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihren Legierungen ausgewählt ist. Die Metalle mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Metallhalogenid besitzen jedoch im Allgemeinen kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise ist der Wärmedehnungskoeffizienl der Aluminiumoxidkeramiken 8 · 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹ und jener von Molybdän höchstens 6 · 10&supmin;&sup6; K&supmin;¹.
Wenn Molybdän als Material des leitenden Elements verwendet wird, ist es besonders vorzuziehen, dass zumindest eines von La&sub2;O&sub2; und CeO&sub2; im Molybdän in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 2,0 Gew.-% vorhanden ist.
Als die Metallisierungsschicht bildendes Metall sind ein oder mehrere Metalle, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niobium, Tantal und ihren Legierungen, vorzuziehen. Um insbesondere die Korrosionsbeständigkeit der Metallisierungsschicht gegenüber dem Halogen zu verbessern, sind Metalle, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihren Legierungen, vorzuziehen.
In der Metallisierungsschicht kann eine keramische Komponente eingebaut sein. Als Keramikkomponente sind Keramiken mit Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem ionisierbaren lichtaussendenden Material vorzuziehen. Genauer gesagt sind eine oder mehrere Keramiken, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, Y&sub2;O&sub3;, Dy&sub2;O&sub3; und B&sub2;O&sub3;, vorzuziehen. Insbesondere sind die gleichen Keramiken wie das Material der Keramik-Entladungsröhre vorzuziehen; Aluminiumoxid-Keramiken sind besonders vorzuziehen.
Das Inhaltsverhältnis zwischen der metallischen Komponente und der keramischen Komponente in der Metallisierungsschicht beträgt 30/70 Vol.-% bis 70/30 Vol.-%. Die Dicke der Metallisierungsschicht beträgt vorzugsweise 10 bis 200 um.
Es ist besonders vorzuziehen, dass die die Metallisierungsschicht bildende metallische Komponente vor allem aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium und ihren Legierungen ausgewählt ist, dass die keramische Komponente vor allem aus einer oder mehreren Keramiken, ausgewählt aus Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Mullit und Silica, ausgewählt ist, und dass das Verhältnis zwischen beiden Komponenten 30/70 bis 70/30 Vol.-% beträgt. Wenn höchstens 20 Vol.-% metallisches Silizium dem Metallisierungsmaterial vor dem Brennen zugesetzt wird, reagiert Silizium mit Sauerstoff in der Feuchtigkeit einer Brennatmosphäre, so dass sich das Silicium an die metallische Komponente in der Metallisierungsschicht über diesen Sauerstoff bindet, um so die Gasdichtheit des metallisierenden Gewebes zu verbessern.
Um die Metallisierungsschicht der Erfindung auszubilden, wird eine Schicht des Metallisierungsmaterials zwischen dem Durchgangsloch eines nicht-gebrannten Körpers des Stöpselelements oder eines nicht-gebrannten Körpers der Keramik-Entladungsröhre und dem leitenden Element angeordnet. Das Metallisierungsmaterial soll ein Material sein, das nach dem Brennen eine Metallisierungsschicht bildet. Genauer gesagt kann das Metallisierungsmaterial die obigen metallischen und keramischen Komponenten enthalten.
Eine Schicht des Metallisierungsmaterials kann vorzugsweise gemäß einem der folgenden Verfahren ausgebildet oder bereitgestellt werden.
(1) Eine Metallisierungspaste wird auf die innere Umfangsfläche des Durchgangslochs des nicht-gebrannten Körpers des Stöpselelements oder auf die innere Umfangsfläche des Durchgangslochs des nicht-gebrannten Körpers der Keramik-Entladungsröhre aufgetragen und aufgedruckt. Alternativ dazu wird die Metallisierungspaste auf eine äußere Umfangsfläche des leitenden Elements aufgetragen und aufgedruckt.
Es ist vorzuziehen, ein Bindemittel mit hoher thermischer Zersetzbarkeit dem Metallisierungsmaterial, das die Metallisierungsschicht bildet, zuzugeben. Als Bindemittel kommen Ethylcellulose und Acrylbindemittel in Frage.
(2) Ein zylindrischer Formkörper des Metallisierungsmaterials ist zwischen irgendeinen der obigen nicht-gebrannten Körper und das leitende Element eingesetzt bzw. eingeschoben. Da dieser zylindrische Formkörper ausreichend strukturelle Festigkeit aufweisen muss, um einer Handhabung standzuhalten, wird er vorzugsweise durch Pressformen erzeugt.
Um den zylindrischen Formkörper zu erzeugen, wird der metallischen Komponente und jeglicher erforderlicher keramischer Komponente der Metallisierungsschicht ein Bindemittel zugesetzt. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Bindemittel, das sich thermisch leicht zersetzt und leicht gepresst werden kann. Als Bindemittel sind Polyvinylalkohol (PVA) und Acrylbindemittel vorzuziehen. Das Bindemittel und eine bestimmte Menge an Lösungsmittel werden der oder den obigen Komponente(n) zwecks Metallisierung zugesetzt und das Gemisch durch Einsatz eines Sprühtrockners granuliert, wodurch Granulat entsteht. Alternativ dazu werden das Bindemittel und etwas Lösungsmittel der oder den obigen Komponente(n) zwecks Metallisierung zugesetzt und das Gemisch geknetet, getrocknet und gemahlen, wodurch Granulat entsteht. Es wird ein zylindrischer Formkörper durch Pressformen des Granulats unter einem Druck von 2 bis 3 t/cm² erzeugt. Wenn der zylindrische Formkörper zwischen irgendeinen der obigen nicht-gebrannten Körper und das leitende Element einzupassen ist, wird der zylindrische Formkörper um das leitende Element herum angeordnet und der nicht-gebrannte Körper um den Außenumfang des Formkörpers herum angeordnet. Die Brennbedingungen sind die gleichen wie jene der Metallisierungspaste.
(3) Eine dünne Lage eines Formkörpers aus dem Metallisierungsmaterial wird zwischen dem nicht-gebrannten Körper und dem leitenden Element positioniert.
Um die dünne Lage des Formkörpers zu erzeugen, wird ein Bindemittel wie z. B. ein Acrylbindemittel oder Ethylcellulose der metallischen Komponente und gegebenenfalls irgendeiner erforderlichen keramischen Komponente der Metallisierungsschicht zugesetzt und die dünne Lage des Formkörpers unter Verwendung eines Lösungsmittels wie z. B. Butylcarbitolacetat (BCA) z. B. gemäß dem Rakelverfahren erhalten.
Als Material für das Stöpselelement wird das gleiche Material wie für die Keramik- Entladungsröhre verwendet. Dadurch wirken kaum Restspannungen in Richtung einer Mittelachse der Keramik-Entladungsröhre. Das "gleiche Material" bezieht sich hierin auf ein Material mit gemeinsamer Keramik als Basismaterial, obwohl sich ein oder mehrere Additiv(e) unterscheiden können.
Wenn das leitende Element aus einem Metall besteht, ist die metallische Komponente in der Metallisierungsschicht vorzugsweise die gleiche wie das leitende Element. In diesem Fall wird die Bindekraft zwischen dem leitenden Element und der Metallisierungsschicht verstärkt.
Das obige Abdichtungsverfahren kann in beiden Endabschnitten der Keramik- Entladungsröhre angewendet werden. Da das ionisierbare lichtaussendende Material in die Entladungsröhre durch das leitende Element hindurch an einem Endabschnitt zu gießen ist, muss das leitende Element röhrenförmig ausgestaltet sein. Im anderen Endabschnitt können die leitenden Elemente in Stab- oder Röhrenform oder einer anderen Ausgestaltung verwendet werden.
Die Keramik-Entladungsröhre kann im Allgemeinen die Form einer Röhre, eines Zylinders, eines Fasses o. dgl. aufweisen. Wenn das Elektrodeneinheit-Halterungselement röhrenförmig ist und das ionisierbare lichtaussendende Material dichtend in die Entladungsröhre durch das Elektrodeneinheit-Halterungselement eingefüllt wird, wird das Elektrodeneinheit-Halterungselement durch Laserschweißen oder TIG-Schweißen nach dem obigen dichtenden Laden abgedichtet.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der gesamten Struktur der Hochdruck-Entladungsröhre. Eine Keramik-Entladungsröhre 10 befindet sich in einer Außenröhre 2 aus Quarzglas oder hartem Glas, und die Mittelachse der Außenröhre ist präzise mit jener der Keramik-Entladungsröhre 10 ausgerichtet. Beide Enden der Außenröhre 2 sind gasdicht mit jeweiligen Kappen 3 abgedichtet. Die Keramik-Entladungsröhre 10 enthält einen fassförmigen Hauptkörper 11 mit einem aufgeblähten Mittelabschnitt und Endabschnitten 1 an beiden Enden des Hauptkörpers 11. Die Keramik-Entladungsröhre 10 wird durch die Außenröhre 2 über zwei Anschlussdrähte 1 gehalten. Jeder Anschlussdraht 1 ist über eine Folie 4 mit der Kappe 3 verbunden. Der obere Anschlussdraht 1 ist an ein röhren- oder stabförmiges Elektrodeneinheit- Halterungselement 6 angeschweißt, während der untere Anschlussdraht 1 an das röhrenförmige Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 angeschweißt ist.
Jedes der Elektrodeneinheit-Halterungselemente 5, 6 ist fix durch ein Durchgangsloch im Stöpselelement eingesetzt. Mit jedem Elektrodeneinheit-Halterungselement S. 6 ist gasdicht ein Elektrodenschaft 7 innerhalb des Hauptkörpers 11 durch Schweißen verbunden, und eine Wicklung ist um den Elektrodenschaft 7 gewickelt, wodurch eine Elektrodeneinheit entsteht. Die Form der Elektrodeneinheit unterliegt keinen besonderen Einschränkungen, wobei z. B. ein Endabschnitt des Elektrodenschaftes 7 kugelförmig ausgestaltet und als Elektrode verwendet werden kann. Eine Dichtungsstruktur der Endabschnitte der Entladungsröhre wird später beschrieben. Im Fall einer Metallhalogenid-Hochdruck-Entladungslampe werden ein Inertgas wie z. B. Argon und ein Metallhalogenid dichtend in einen Innenraum 13 der Keramik-Entladungsröhre 10 gefüllt; gegebenenfalls wird auch Quecksilber dichtend eingefüllt.
Fig. 2(a) und 2(b) sind Schnittansichten, die in vergrößertem Maßstab Bereiche von Endabschnitten der Keramik-Entladungsröhre zeigen. In Fig. 2(a) besitzt ein Hauptkörper 11 der Keramik-Entladungsröhre eine gekrümmte Innenfläche, und eine Innenfläche 12a eines Endabschnitts 12 ist gerade, wenn man sie in Richtung der Mittelachse der Keramik-Entladungsröhre betrachtet. Innerhalb des Endabschnitts 12 der Entladungsröhre ist ein Stöpselement 14 eingesetzt. Die Entladungsröhre 11 und das Stöpselelement 14 bestehen aus den gleichen Keramiken, vorzugsweise Aluminiumoxid-Keramik, und eine Grenzfläche zwischen der Entladungsröhre 11 und dem Stöpselelement 14 verschwindet fast während des Brennschritts.
Ein schlankes röhrenförmiges Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 ist durch ein Durchgangsloch 14a des Stöpselelements 14 eingeschoben. An einem Anschluß-Ende an der Außenseite des Elektrodeneinheit-Halterungselements 5 ist eine Öffnung vorgesehen, die nach dem dichtenden Einfüllen des Startergases und des ionisierbaren lichtaussendenden Materials abzudichten ist. Das Abdichten erfolgt zwischen dem Stöpselelement 14 und dem Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 mit einer Metallisierungsschicht 15.
In Fig. 2(b) besitzt ein leitendes Element 16 eine röhrenförmige Gestalt, und ein Elektrodeneinheit-Halterungselement 17, an dem eine Elektrodeneinheit direkt befestigt ist, ist im Inneren des röhrenförmigen Elements 16 eingesetzt. Dieses Befestigungsverfahren ist in JP-A-6 318435 geoffenbart. Genauer gesagt ist das röhrenförmige Element 16 an den äußeren Endabschnitten am Elektrodeneinheit-Halterungselement 17 angeschweißt.
Wie aus Fig. 3(a) ersichtlich, ist ein Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 in das Innere eines Endabschnitts 18 einer Keramik-Entladungsröhre 11 eingesetzt, und die Abdichtung erfolgt zwischen dem Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 und der inneren Umfangsfläche 18a des Endabschnitts 18 mit einer Metallisierungsschicht 19. In Fig. 3(b) ist ein Elektrodeneinheit-Halterungselement 17 in das Innere des röhrenförmigen Elements 16 eingesetzt, und die Abdichtung erfolgt zwischen dem röhrenförmigen Element 16 und der inneren Umfangsfläche des Endabschnitts 18 mit der Metallisierungsschicht 19.
Fig. 4(a) und 4(b) sowie Fig. 5(a) und 5(b) sind Schnittansichten zur schematischen Darstellung bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampen. In Fig. 4(a) sind Stöpselelemente 14 an Innenseiten gegenüberliegender Enden einer geraden und röhrenförmigen Keramik-Entladungsröhre 20 fixiert. Das Abdichten erfolgt zwischen dem röhrenförmigen Element 16 und der inneren Umfangsfläche 14a des Stöpselelements 14 durch die Metallisierungsschicht 15.
In Fig. 4(b) sind die Stöpselelemente an Innenseiten gegenüberliegender Enden einer geraden, röhrenförmigen Keramik-Entladungsröhre 20 befestigt. In Fig. 4(b) erfolgt das Abdichten zwischen dem Stöpselelement 14 und einem Elektrodeneinheit-Halterungselement 5 durch eine Metallisierungsschicht 15 an der oberen Endposition. An einer unteren Endposition ist das Stöpselelement 14A am Innenbereich eines Endabschnitts 20a fixiert und ein stabförmiges Elektrodeneinheit-Halterungselement 30 durch das Durchgangsloch 14a des Stöpselelements 14A eingesetzt. Das Abdichten erfolgt zwischen dem Stöpselelement 14A und dem Halterungselement 30 durch die Metallisierungsschicht 15.
In Fig. 5(a) sind jeweils röhrenförmige Elemente 16 in beide Endabschnitte einer geraden, röhrenförmigen Keramik-Entladungsröhre 21 eingeschoben und ein Elektrodeneinheit-Halterungselement 17 in einem Durchgangsloch jedes der röhrenförmigen Elemente 16 fixiert. Das Abdichten erfolgt zwischen dem röhrenförmigen Element 16 und dem Endabschnitt der Keramik-Entladungsröhre 21 durch die Metallisierungsschicht.
In Fig. 5(b) ist wie in dieser Figur gezeigt ein Vorsprung 22c an der Innenseite eines oberen Endabschnitts einer geraden, röhrenförmigen Keramik-Entladungsröhre 22 vorgesehen, und ein stabförmiges Elektrodeneinheit-Halterungselement 30 ist durch den Vorsprung 22c eingesetzt. Das Abdichten erfolgt zwischen der inneren Umfangsfläche 22b des Vorsprungs 22c und dem Halterungselement 30 durch die Metallisierungsschicht 19. Im unteren Endabschnitt ist ein Halterungselement 5 in einen Endabschnitt der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt, und das Abdichten erfolgt zwischen dem Halterungselement 5 und der inneren Umfangsfläche 22a des Endabschnitts durch die Metallisierungsschicht 19.
In den oben erwähnten Ausführungsformen ist es bevorzugter, dass die Metallisierungsschicht auf dem leitenden Element und gleichzeitig eine gebrannte Keramikschicht zwischen der Metallisierungsschicht und der Entladungsröhre oder dem Stöpselelement ausgebildet wird. Dies wird nachstehend weiter erklärt. Fig. 6(a) ist eine Schnittansicht, die in vergrößertem Maßstab eine Laminarstruktur zwischen der Keramik-Entladungsröhre 11, 21, 22 oder dem Stöpselelement 14 und dem leitenden Element 5 (16, 30) über die Metallisierungsschicht 15 (19) zeigt. Fig. 6(b) ist eine schematische Darstellung in vergrößertem Maßstab einer Schnittansicht einer Mikrostruktur. C steht für das leitende Element mit kompakter und fast dichter Mikrostruktur, B zeigt die Metallisierungsschicht, und A zeigt die Entladungsröhre oder das Stöpselelement. Bei der Erzeugung der Verbindungsstruktur wird die Metallisierungsschicht fest an die Keramik-Entladungsröhre oder das Stöpselelement angefügt; dies erfolgt durch Diffusion des Metalls aus dem Metallisierungsmaterial in das leitende Element. Da die Entladungsröhre oder das Stöpselelement fest formgrepresst wurden und Teilchen mit kleineren Poren aufwiesen, ist es unwahrscheinlich, dass sich die keramische Komponente bewegt oder diffundiert. Wenn die metallische Komponente aus dem Metallisierungsmaterial in die Entladungsröhre oder das Stöpselelement diffundiert, tritt wahrscheinlich eine negative Wirkung ein.
Aus diesem Grund ist es besonders vorzuziehen, wenn - wie aus Fig. 7(a) ersichtlich - eine gebrannte Keramikschicht 24 zwischen der Keramik-Entladungsröhre 11, 21, 22 oder dem Stöpselelement 14 und der Metallisierungsschicht 15 (19) ausgebildet ist. Diese Mikrostruktur ist in Fig. 7(b) zu sehen. Eine Metallisierungsschicht B wird benachbart zur fast dichten Mikrostruktur C erzeugt. D ist eine gebrannte Keramikschicht, und eine Keramikkomponente diffundiert wahrscheinlich zwischen der gebrannten Schicht und der Metallisierungsschicht, während die gebrannte Schicht und die Keramik- Entladungsröhre oder das Stöpselelement durch Diffusion der Keramikkomponente wahrscheinlich fest aneinander kleben, da ihre Materialien gleich oder ähnlich sind.
Wie oben erwähnt, diffundiert die Keramikkomponente in der Schicht des Brennkeramikmaterials wahrscheinlich in die Keramik-Entladungsröhre oder das Stöpselelement, so dass die Verbindungskraft zwischen der Keramikschicht und Keramik- Entladungsröhre weiter erhöht und stabilisiert wird. Außerdem wird die Diffusion der metallischen Komponente aus der keramischen Metallisierungsschicht 15 (19) in die Mikrostruktur der Entladungsröhre oder der Stöpselröhre reduziert.
Um die Brennkeramikschicht zwischen dem Stöpselelement oder der Keramik- Entladungsröhre und der Metallisierungsschicht vorzusehen, wird eine Schicht eines Brennkeramikmaterials dazwischen angeordnet. Das Brennkeramikmaterial soll ein Material sein, das nach dem Brennen das beabsichtigte Keramikmaterial erzeugt. Genauer gesagt enthält das Brennkeramikmaterial die oben erwähnte(n) keramische(n) Komponente(n).
Eine Schicht des Brennkeramikmaterials wird vorzugsweise durch eines der folgenden Verfahren geformt:
(1) Es wird eine Keramikpaste aufgetragen und aufgedruckt.
(2) Ein zylindrischer Formkörper aus einem Keramikmaterial wird zwischen einen nichtgebrannten Körper des Stöpselelements oder einen nicht-gebrannten Körper der Keramik-Entladungsröhre und einer Schicht des Metallisierungsmaterials eingesetzt bzw. dazwischen angeordnet. Da der zylindrische Formkörper ausreichende strukturelle Festigkeit aufweisen muss, um einer Handhabung standhalten zu können, wird er vorzugsweise durch Pressformen erzeugt.
Um den zylindrischen Formkörper herzustellen, wird der Keramikkomponente ein Bindemittel zugesetzt. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Bindemittel, das sich leicht zersetzt und leicht gepresst wird. Als Bindemittel sind Polyvinylalkohol (PVA) und Acrylbindemittel vorzuziehen. Das Bindemittel und eine bestimmte Menge an Lösungsmittel werden der obigen Keramikkomponente zugegeben und das Gemisch mittels eines Sprühtrockners o. dgf. granuliert, wodurch Granulat entsteht. Alternativ dazu werden das Bindemittel und etwas Lösungsmittel der Keramikkomponente zugegeben und das Gemisch geknetet, getrocknet und gemahlen, wodurch Granulat entsteht. Ein zylindrischer Formkörper wird durch Pressformen des Granulats unter einem Druck von 200 bis 300 MPa (2 bis 3 t/cm²) erhalten.
(a) Eine dünne Lage eines Formkörpers aus Brennkeramikmaterial wird zwischen einem nicht-gebrannten Körper des Stöpselelements oder einem nicht-gebrannten Körper der Keramik-Entladungsröhre und einer Schicht des Metallisierungsmaterials angeordnet. Um die dünne Lage des Formkörpers zu erzeugen, wird ein Bindemittel wie z. B. Acrylbindemittel oder Ethylcellulose der Keramikkomponente zugesetzt und der dünnlagige Formkörper aus dem Gemisch unter Verwendung eines Lösungsmittels wie z. B. Butylcarbitolacetat z. B. mittels des Rakelverfahrens erhalten.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsformen der Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampen erklärt. Fig. 8, 9 und 10 sind Flussdiagramme zur Darstellung von Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hochdruck-Entladungslampen. Eine Hochdruck-Entladungslampe unter Einsatz von Stöpselelementen kann gemäß der in Fig. 8 gezeigten Abläufe erzeugt werden. Zunächst werden Formkörper für ringförmige Stöpselelemente durch Formen eines pulverartigen Materials (vorzugsweise Aluminiumoxidpulver) für die Stöpselelemente erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ist es vorzuziehen, dass durch einen Sprühtrockner o. dgf. granuliertes Pulver unter einem Druck von 200 bis 300 MPa (2000 bis 3000 kgf/cm²) pressgeformt wird. Ein kalzinierter Körper wird durch Entwachsen und Calcinieren des somit entstandenen Formkörpers erhalten. Das Entwachsen erfolgt vorzugsweise unter Erhitzung bei einer Temperatur von 600ºC bis 800ºC, das Calcinieren vorzugsweisebei einer Temperatur von 1200ºC bis 1400ºC in einer Wasserstoff-reduzierenden Atmosphäre. Dem Formkörper für das Stöpselelement wird durch dieses Calcinieren Festigkeit verliehen, so dass verhindert wird, dass die aufgebrachte Metallisierungspaste durch ein abgesaugtes Lösungsmittel ungleichmäßig aufgetragen wird; auf diese Weise wird auch die Handhabung des Stöpselelements erleichtert.
Dann wird eine Schicht einer Metallisierungspaste auf einer inneren Umfangsfläche des calcinierten Körpers für das Stöpselelement durch Auftragen der Metallisierungspaste geformt. In der bevorzugtesten Ausführungsform wird eine Metallisierungspaste mit 60 Vol.-% Mo, 40 Vol.-% von zumindest einem von Al&sub2;O&sub3; und Mullit, etwas Bindemittel und Lösungsmittel verwendet. Der calcinierte Körper wird vorzugsweise bei 90ºC bis 120ºC getrocknet. Vorzugsweise wird das Durchgangsloch des Stöpselelements mit der Metallisierungspaste bedruckt, indem diese dem Durchgangsloch des Stöpselelements von einem Ende über eine Maske zugeführt wird, die Paste unter Vakuum vom anderen Ende des Durchgangslochs angesaugt wird, damit sie in das Durchgangsloch gesaugt wird, und die gesamte Innenfläche des Durchgangslochs mit der Metallisierungspaste bedruckt wird.
Als nächstes wird das leitende Element in das Durchgangsloch des calcinierten Körpers eingesetzt (Montageschritt). Der calcinierte Körper wird bei einer Temperatur von 1200ºC bis 1600ºC in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Taupunkt von 20ºC bis 50ºC vorgebrannt (Brennschritt). Wenn dieses Vorbrennen abgeschlossen ist, wird das leitende Element am Stöpselelement fixiert.
Der Hauptkörper der Keramik-Entladungsröhre wird geformt und der calcinierte Körper für die Keramik-Entladungsröhre durch Entwachsen und Calcinieren des Formkörpers erhalten. Der vorgebrannte Körper für das Stöpselelement wird in die Endfläche des calcinierten Körpers für die Keramik-Entladungsröhre eingesetzt und die Struktur bei einer Temperatur von 1600ºC bis 1900ºC in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Taupunkt von -15ºC bis 15ºC endgebrannt. Auf diese Weise entsteht die Hochdruck-Entladungslampe.
Im in Fig. 8 gezeigten Verfahren kann die Metallisierungspaste auf die Oberfläche des leitenden Elements aufgedruckt werden, ohne dass die periphere Innenfläche des Stöpselelements mit der Metallisierungspaste bedruckt wird. Alternativ dazu kann eine Schicht der Keramikpaste aus dem gleichen Material wie das Stöpselelement auf der Oberfläche des Stöpselelements ausgebildet werden, indem die Keramikpaste dort aufgetragen und die Metallisierungspaste auf die Keramikpastenschicht aufgetragen wird. Im Verfahren von Fig. 9 wird der Hauptkörper der Keramik-Entladungsröhre geformt und ein calcinierter Körper der Keramik-Entladungsröhre durch Entwachsen und Calcinieren des Formkörpers erhalten. Metallisierungspaste wird auf die innere Umfangsfläche des wie oben calcinierten Körpers aufgetragen. Zu diesem Zeitpunkt wird gegebenenfalls Keramikpaste aus dem gleichen Material wie der calcinierte Körper auf diesen aufgetragen, bevor das Aufbringen der Metallisierungspaste erfolgt. Der calcinierte Körper wird bei 90ºC bis 120ºC in Luft getrocknet und ein leitendes Element in ein Durchgangsloch des getrockneten Körpers eingepasst und eingesetzt. Dann wird die resultierende Struktur bei 1200ºC bis 1600ºC in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Taupunkt von 20ºC bis 50ºC vorgebrannt und bei einer Temperatur von 1700 ºC bis 1900ºC in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Taupunkt von -15ºC bis 15ºC endgebrannt. Das Vorbrennen und das Endbrennen können unabhängig voneinander erfolgen, doch wenn ein Atmosphärenofen mit einer gemeinsamen reduzierenden Atmosphäre für diese Brennschritte verwendet werden kann können die zwei Brennschritte kontinuierlich durchgeführt werden.
Alternativ dazu wird der obige calcinierte Körper durch Erhitzen bei 300ºC bis 400ºC entwachst, gefolgt vom Montieren und Endbrennen bei 1700ºC bis 1900ºC in einer reduzierenden Atmosphäre mit einem Taupunkt von -15ºC bis 15ºC.
Im in Fig. 10 dargestellten Verfahren wird Metallisierungspaste (einschließlich gegebenenfalls der Keramikpaste) nicht auf den Hauptkörper eines Keramik-Entladungskörpers mit einer Keramikpaste wie im Verfahren von Fig. 9 aufgetragen. Im Verfahren von Fig. 10 wird die Metallisierungspaste (einschließlich gegebenenfalls der Keramikpaste) auf die Oberfläche des leitenden Elements aufgetragen.
Wie oben erwähnt, bietet die vorliegende Erfindung eine für Hochdruck-Entladungslampen geeignete neuartige Abdichtungsstruktur mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Zuverlässigkeit gegenüber Metallhalogenid o. dgl.

Claims

1. Hochdruck-Endladungslampe, umfassend eine Keramik-Entladungsröhre (10, 20) mit einem Innenraum (13), der mit einem ionisierbaren lichtaussendenden Material und einem Startergas gefüllt ist, Stöpselelemente (14), die jeweils zumindest teilweise an einer Innenseite eines jeweiligen Endabschnitts (12) der Keramik-Entladungsröhre befestigt sind und in denen jeweils ein Durchgangsloch vorgesehen ist, leitende Elemente (5, 6, 16, 30), die jeweils in oder durch die Durchgangslöcher der Stöpselelemente eingesetzt sind, und Elektrodeneinheiten (7), die im Innenraum vorgesehen sind, worin das Material der Stöpselelemente das gleiche wie jenes der Keramik- Entladungsröhre ist, worin an jedem Endabschnitt der Röhre (10, 20) eine Metallisierungsschicht (15) als Klebeschicht fungiert, die einander gegenüberliegende Flächen (a) des leitenden Elements (5, 6, 16, 30) und (b) des Stöpselelements (14) oder einer gebrannten Keramikschicht (24), die auf der Fläche des Stöpselelements (14) ausgebildet ist, die dem leitenden Element gegenüber liegt, gasdicht miteinander verbindet, wobei die Metallisierungsschicht eine Metallkomponente und eine Keramikkomponente in einem Verhältnis im Bereich von 30/70 bis 70/30 Vol.-% aufweist.

2. Hochdruck-Entladungslampe, umfassend eine Keramik-Entladungsröhre (10, 21, 22) mit einem Innenraum, der mit einem ionisierbaren lichtaussendenden Material und einem Startergas gefüllt ist, leitende Elemente (5, 6, 16, 30), die an deren jeweiligen Endabschnitten in oder durch Durchgangslöcher der Keramikentladungsröhre hindurch eingesetzt sind, und Elektrodeneinheiten (7), die im Innenraum vorgesehen sind, worin an jedem Endabschnitt der Röhre (10, 20) eine Metallisierungssschicht (15) als Klebeschicht fungiert, die einander gegenüberliegende Flächen (a) des leitenden Elements (5, 6, 16, 30) und (b) der Keramikentladungsröhre oder einer gebrannten Keramikschicht (24), die auf der dem leitenden Element gegenüberliegenden Fläche der Keramikentladungsröhre ausgebildet ist, gasdicht miteinander verbindet, wobei die Metallisierungsschicht eine Metallkomponente und eine Keramikkomponente in einem Verhältnis im Bereich von 30/70 bis 70/30 Vol.-% aufweist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruck-Entladungslampe, umfassend eine Keramikentladungsröhre (10, 20) mit einem Innenraum (13), der mit einem ionisierbaren lichtaussendenden Material und einem Startergas gefüllt ist, Stöpselelemente (14), die jeweils zumindest teilweise an einer Innenseite eines jeweiligen Endabschnitts der Keramikentladungsröhre befestigt sind und in denen jeweils ein Durchgangsloch vorgesehen ist, leitende Elemente (5, 6, 16, 30), die in bzw. durch die Durchgangslöcher der Stöpselelemente hindurch eingesetzt sind, sowie Elektrodeneinheiten (7), die im Innenraum vorgesehen sind, worin ein Material der Stöpselelemente (14) das gleiche wie jenes der Keramikentladungsröhre ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

das Einsetzen der leitenden Elemente in oder durch Durchgangslöcher nicht-gebrannter Vorformlinge der jeweiligen Stöpselelemente;

das Bereitstellen von Metallisierungssschichten zwischen den Durchgangslöchern der nicht-gebrannten Vorformlinge und der jeweiligen leitenden Elemente;

gegebenenfalls das Bereitstellen von Schichten eines Brennkeramikmaterials zwischen den Durchgangslöchern der nicht-gebrannten Vorformlinge und den jeweiligen leitenden Elementen, wobei das Brennkeramikmaterial mit den jeweiligen nichtgebrannten Vorformlingen in Kontakt gebracht wird; und

dann das einstückige Brennen der nicht-gebrannten Vorformlinge, der Metallisierungssschichten, des Brennkeramikmaterials, falls es vorgesehen ist, und der leitenden Elemente, so dass an jedem Endabschnitt der Röhre die Metallisierungsschicht eine Klebeschicht bildet, die einander gegenüberliegenden Flächen (a) des Leiterelements (5, 6, 16, 30) und (b) des Stöpselelements oder einer gebrannten Keramikschicht (24), die aus dem Brennkeramikmaterial, falls vorgesehen, auf jener Fläche des Stöpselelements ausgebildet ist, die dem leitenden Element gegenüberliegt, gasdicht miteinander verbindet, wobei die Metallisierungsschicht eine Metallkomponente und eine Keramikkomponente in einem Verhältnis im Bereich von 30/70 bis 70/30 Vol.-% aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruck-Entladungslampe, umfassend eine Keramikentladungsröhre (10, 20) mit einem Innenraum, der mit einem ionisierbaren lichtaussendenden Material und einem Startergas gefüllt ist, leitende Elemente (5, 6, 16, 30), die an deren jeweiligen Endabschnitten in oder durch Durchgangslöcher der Keramik-Entladungsröhre eingesetzt sind, und Elektrodeneinheiten (7), die im Innenraum vorgesehen sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

das Einsetzen der leitenden Elemente in jeweilige Durchgangslöcher eines nichtgebrannten Vorformlings der Keramikentladungsröhre;

das Bereitstellen von Schichten aus einem Metallisierungsmaterial zwischen den Durchgangslöchern des nicht-gebrannten Vorformlings und den jeweiligen leitenden Elementen;

gegebenenfalls das Bereitstellen von Schichten aus einem Brennkeramikmaterial zwischen den Durchgangslöchern der nicht-gebrannten Vorformlinge und den jeweiligen leitenden Elementen, wobei das Brennkeramikmaterial mit dem jeweiligen nicht-gebrannten Vorformling in Kontakt gebracht wird; und

dann das einstückige Brennen des nicht-gebrannten Vorformlings, der Schichten der Metallisierungspaste, des Brennkeramikmaterials, falls es vorgesehen ist, und der leitenden Elemente, so dass an jedem Endabschnitt der Röhre die Metallisierungsschicht eine Klebeschicht bildet, die einander gegenüberliegende Flächen (a) des Leiterelements (5, 6, 16, 30) und (b) der Keramikentladungsröhre oder einer gebrannten Keramikschicht (24), die aus dem Brennkeramikmaterial, falls vorgesehen, auf der Fläche der Keramikentladungsröhre ausgebildet ist, die dem leitenden Element gegenüber liegt, gasdicht miteinander verbindet, wobei die Metallisierungssschicht eine Metallkomponente und

eine Keramikkomponente in einem Verhältnis im Bereich von 30/70 bis 70/30 Vol.-% aufweist.