силикатное стекло для колб галогенных ламп с вольфрамовой нитью накала и его применение
Классы МПК: | C03C3/091 содержащие алюминий |
Автор(ы): | БЕРГМАНН Ханнелоре (DE), БЕРГМАНН Ханс-Юрген (DE) |
Патентообладатель(и): | Телукс-Шпециальглас ГмбХ (DE) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-05-04 публикация патента:
27.04.2006 |
Изобретение относится к силикатному стеклу, которое применяется для впаивания молибдена в стекло в форме колб в качестве наружных оболочек ламп, в частности для ламп с регенеративной галогенной циркуляцией при температурах колб от 550°С до 700°С. Техническая задача изобретения - возможность использования стекла для галогенных ламп и удешевление его изготовления. Силикатное стекло имеет следующий состав, вес.%: SiO2 - 55,0-62,5, Al2O3 - 14,5-18,5, В2O3 - 0-4,0, BaO - 7,5-17,0, CaO - 6,5-13,5, MgO - 0-5,5, SrO - 0-2,0, ZrO2 - 0-1,5, TiO2 - 0-1,0, ZnO - 0-0,5, CeO2 - 0-0,3, R2O < 0,03, Н 2О - 0,025-0,042. Стекло применяют в качестве колб для галогенных ламп с вольфрамовой нитью накала с температурами от свыше 550°С до 700°С. 2 н.з. ф-лы, 5 табл.
Формула изобретения
1. Силикатное стекло для колб галогенных ламп с вольфрамовой нитью накала, содержащее соединения алюминия и щелочноземельных металлов, отличающееся тем, что оно имеет следующий состав, вес.%:
SiO2 | 55,0-62,5 |
Al2 O3 | 14,5-18,5 |
В2O3 | 0-4,0 |
BaO | 7,5-17,0 |
CaO | 6,5-13,5 |
MgO | 0-5,5 |
SrO | 0-2,0 |
ZrO2 | 0-1,5 |
TiO 2 | 0-1,0 |
ZnO | 0-0,5 |
CeO 2 | 0-0,3 |
R2O | < 0,03 |
Н2О | 0,025-0,042 |
2. Колба для галогенных ламп с вольфрамовой нитью накала с температурами от свыше 550 до 700°С, изготовленная из стекла по п.1.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к силикатному стеклу, содержащему соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, для впаивания молибдена в стекло в форме колб в качестве наружных оболочек ламп, в частности для ламп с регенеративной галогенной циркуляцией при температурах колб от 550°С до 700°С.
Известно, что стабильность регенеративной гелогенной циркуляции в галогенной лампе является условием достижения необходимого срока службы галогенной лампы. Решающим фактором здесь является сохранение равновесия «образование/распад» соединений галогенов с вольфрамом. Нарушения галогенной циркуляции могут случиться, среди прочего, из-за незначительного количества примесей как в стекле, так и в спиральном и проволочном проводящем материале. Эти примеси могут, кроме того, ослабить галогенную циркуляцию из-за высоких температур лампы, а также сильной энергии излучения вольфрамовой спирали, так что металлический вольфрам образуется на внутренней стороне колбы в виде черного осадка. Таким образом снижается мощность лампы и светопроницаемость. Точно известно, что, в частности, ионы щелочи вредно влияют на галогенную циркуляцию. Поэтому массовое производство стекол для галогенных ламп ведется практически без щелочи, что означает содержание оксида щелочи (R2O) <0,03 вес.%, поскольку никакие стабилизирующие компоненты не могут частично компенсировать это влияние. Наряду с отрицательно воздействующими ионами щелочи агрессивное влияние, т.е. нарушение процесса циркуляции, приписывают также и таким компонентам, как, например, Н2, ОН, СО и СО2.
Из уровня развития науки и техники известны тугоплавкие стекла, которые применялись и применяются для галогенных ламп, например стекла 180 GE, 1720, 1724 и 1725 Cor-ning, а также 8252 и 8253 Schott, с содержанием в их составе воды ниже 0,025 вес.%, частично ниже 0,02 вес.%. Состав таких стекол представлен в таблице 1.
Таблица1 | |
Оксиды | Bec.% |
SiO2 | 56,4-63,4 |
Al2O 3 | 14,6-16,7 |
B2O3 | 0-5,0 |
BaO | 7,5-17,0 |
CaO | 6,7-12,7 |
MgO | 0-8,2 |
SrO | 0-0,3 |
ZrO2 | 0-1,1 |
TiO 2 | 0-0,2 |
Na2O | 0,02-0,05 |
K2O | 0,01-0,02 |
Fe2 O3 | 0,03-0,05 |
Известные из уровня развития техники составы силикатных стекол для колб галогенных ламп представлены в таблице 2.
Таблица 2 | |
Оксиды | Вес.% |
SiO2 | 52-71 |
Al2О 3 | 13-25 |
B2O3 | 0-6,5 |
ВаО | 0-17 |
СаО | 3,5-21 |
MgO | 0-8,3 |
SrO | 0-10 |
ZrO2 | 0-5,5 |
R2O | 0-0,08(1,2) |
TiO 2 | 0-1 |
Вода | <0,025. |
К недостаткам известного силикатного стекла можно отнести тот факт, что соблюдение граничных значений, в частности низкое содержание воды, предъявляет повышенные требования как к применяемым исходным материалам, так и к процессу стекловарения, например: применение сухого сырья и боя; обезвоженные исходные материалы; повышенные технические и тем самым финансовые издержки для установок и эксплуатация стекловаренных установок для достижения температур плавления свыше 1600° С при низком парциальном давлении водяного пара над расплавом.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является стекло для колб ламп, включающее соединения алюминия и щелочно-земельных металлов (см., например, патент US №4605632, кл. С 03 С 3/06, опубл.1986).
К недостаткам известного технического решения можно отнести относительную дороговизну получения стекла с повышенным допускаемым содержанием Н2О в составе стекла.
Задачей изобретения является изготовление стекол, которые можно получить более экономичным способом и использовать для ламп, в частности для галогенных ламп.
Неожиданным образом и вопреки сегодняшнему мнению было найдено, что силикатное стекло, содержащее соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, с содержанием воды от 0,025 до 0,042 весовых% отвечает требованиям, предъявляемым к стеклу для галогенных ламп, оно не имеет недостатков из-за этих примесей, например воды, в отношении процесса галогенной циркуляции при температурах колбы от 550° до 700°С. В стеклах с содержанием воды от 0,025 до 0,042 весовых% вода не оказывает влияния как примесь в смысле нарушения равновесия между образованием и распадом соединений галогена с вольфрамом. Почернение внутренней поверхности колбы лампы не происходит или происходит, но не сильнее, чем у стекал колб со значительно меньшим содержанием воды.
Изобретение охватывает все силикатные стекла, содержащие соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, которые обладают всеми необходимыми качествами колб для галогенных ламп с вольфрамом, такими как:
- применение молибдена в качестве проволочного проводящего материала и напряжение сжатия в стекле, достигаемое коэффициентом термического расширения,
- высокое термическое размягчение стекла, которое ограничивает верхнюю температуру лампы:
20-400°С | 4,4-4,8* 10 -6 К--1 |
Tstr | 665-730°С |
Tsoft | 925-1020°С |
При этом согласно изобретению силикатное стекло, содержащее соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, имеет следующий состав (весовые%):
SiQ2 | 55,0-62,5 |
Al2 O3 | 14,5-18,5 |
В2O3 | 0-4,0 |
BaO | 7,5-17,0 |
CaO | 6,5-13,5 |
MgO | 0-5,5 |
SrO | 0-2,0 |
ZrO2 | 0-1,5 |
TiO 2 | 0-1,0 |
ZnO | 0-0,5 |
CeO 2 | 0-0,3 |
R2O | <0,03 |
Н2О | 0,025-0,042 |
Заявленные стекла можно применять в галогенных лампах при температуре колбы от 550 до 700°С, они не имеют недостатков из-за этих примесей, например воды, в отношении процесса галогенной циркуляции по сравнению со стеклами с низким содержанием воды и являются экономически выгодными при изготовлении в отличие от стекол, применявшихся до сих пор.
Исследования влияния содержания воды на силикатные стекла, содержащие соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, дали неожиданные результаты:
- снижение температуры ликвидуса в среднем на 10-15 К в области состава по сравнению с температурой обработки в области формования трубки,
- снижение температур вязкости в области вязкости 1013,0-1014,5 в среднем на 6-14 К при сохранении температур вязкости в области обработки,
- улучшение характеристик стекловарения в пламени при впаивании и спаивании.
Из этих результатов следуют значительные экономические выгоды для массового изготовления стекол для галогенных ламп, такие как
- применение энергоэффективных способов стекловарения при изготовлении стекол для галогенных ламп, например «oxy-fuel-melter», со значительной экономией энергии,
- экономия энергии путем снижения температур плавления стекломассы при одновременном уменьшении износа жаропрочного материала стекловаренных установок,
- повышение качества при изготовлении стеклянных трубок при полном отсутствии кристаллизации стекла во время формования трубок вследствие снижения температуры ликвидуса в отличие от температуры обработки,
- применение для стеклянных трубок материалов, содержащих воду,
- увеличение скорости обработки при изготовлении ламп вследствие «круто падающей» температурной характеристики вязкости стекла.
Изобретение поясняется ниже более подробно при помощи следующих примеров выполнения.
Для обеспечения непосредственного применения стекла в указанных примерах выплавляли в стекловаренной ванне, вмещающей 3,5 т, после чего формовали трубки.
Стекловаренная ванна оборудована комбинированным обогревом газ/кислород или газ/воздух, так что был возможен как обогрев газ/кислород или газ/воздух, так и варианты сочетания. Таким образом, содержание воды в стекле можно было варьировать с помощью парциального давления атмосферы печи и регулировать.
В качестве исходного материала использовались кварцевая мука, окись алюминия, гидроокись алюминия, борная кислота, карбонат кальция, бария и стронция, окись магния, кремнекислый цирконий, окись титана, окись цинка и окись церия. Исходные материалы были бедны щелочью и обладали технической чистотой. Исходные материалы, содержащие воду, например гидроокись алюминия, вводились для дополнительного регулирования содержания воды в стекле. Исходные материалы и бой применялись в сухом или влажном виде.
Стекловаренная ванна имеет дополнительно вспомогательные устройства для подачи водяного пара прямо в стекломассу; это еще одна возможность изменять содержание воды в стекле.
Таким образом, было возможно варьировать состав стекла, содержание воды и условия плавления, например температуру и время плавления, в рамках поставленной задачи изобретения.
Стекло варили при температуре от 1600 до 1660°С, промывали и гомогенизировали. Полученные таким образом трубки не имели погрешностей стекла и отвечали всем требованиям, предъявляемым к изготовлению ламп. Из трубок изготовляли галогенные лампы и подвергали испытанию на длительность горения. Материал для электродов прокаливали для исключения его влияния на процесс циркуляции галогена.
Составы стекла и важные свойства выплавленного стекла в примерах (А) сравнили с известным стеклом (V) с низким содержанием воды. Результаты сравнения представлены в таблице 3.
Таблица 3 Состав стекла и свойства в примерах выполнения и сравнительных примерах А или V | |||||||||||
Окиси | Вес. % | A1 | V1 | А2 | V2 | A3 | V3 | А4 | V4 | А5 | V5 |
SiO 2 | 59,4 | 59,4 | 55,5 | 55,5 | 60,8 | 60,8 | 60,4 | 60,4 | 61,9 | 61,9 | |
Al2O3 | 16,0 | 16,0 | 17,6 | 17,6 | 16,2 | 16,2 | 16,2 | 16,4 | 16,4 | 14,2 | |
В2О 3 | 1,7 | 1,7 | 4,0 | 4,0 | 0,5 | 0,5 | 1,9 | 1,9 | |||
ВаО | 11,1 | 11,1 | 8,7 | 8,7 | 8,2 | 8,2 | 6,9 | 6,9 | 16,6 | 16,6 | |
СаО | 9,5 | 9,5 | 7,8 | 7,8 | 12,5 | 12,5 | 11,3 | 11,3 | 6,7 | 6,7 | |
MgO | 1,0 | 1,0 | 5,5 | 5,5 | 1,0 | 1,0 | |||||
SrO | 0,3 | 0,3 | 1,2 | 1,2 | 0,2 | 0,2 | |||||
ZrO2 | 1,0 | 1,0 | 0,2 | 0,2 | 1,5 | 1,5 | 0,2 | 0,2 | |||
TiO2 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,3 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | |||
ZnO | 0,2 | 0,2 | 0,3 | 0,3 | |||||||
CeO2 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | |||||||
R2O | 0,026 | 0,026 | 0,028 | 0,028 | 0,028 | 0,028 | 0,026 | 0,026 | 0,029 | 0,029 | |
Вода | 0,039 | 0,021 | 0,041 | 0,021 | 0,040 | 0,020 | 0,033 | 0,018 | 0,039 | 0,019 | |
20-400 | 106 K-1 | 4,50 | 4,51 | 4,44 | 4,45 | 4,55 | 4,55 | 4,43 | 4,45 | 4,61 | 4,60 |
T str | *C | 700 | 710 | 675 | 683 | 715 | 725 | 707 | 712 | 723 | 735 |
Tann | °С | 760 | 770 | 723 | 730 | 766 | 780 | 759 | 765 | 775 | 786 |
Tsoft | °C | 987 | 990 | 929 | 930 | 996 | 998 | 982 | 984 | 1017 | 1018 |
Twork | °C | 1294 | 1295 | 1198 | 1197 | 1309 | 1310 | 1291 | 1290 | 1366 | 1367 |
Tliqu | °C | 1181 | 1195 | 1138 | 1150 | 1225 | 1240 | 1215 | 1230 | 1190 | 1200 |
KW G max | m/ min | 8 | 12 | 18 | 25 | 14 | 16 | 12 | 13 | 5 | 8 |
Как можно видеть из таблицы 3, стекла, имеющие разный состав, имеют разную характеристику размягчения в отношении максимально допустимой температуры колбы в лампе. Поэтому лампы, допускающие большую термическую нагрузку, были изготовлены из высокоразмягчаемых стекол, а лампы с нормальной нагрузкой - из стекол с более низкой температурой размягчения. В результате испытания на длительность горения галогенных ламп оценивались почернение (образование пятен на поверхности колбы) и потери светового потока. Время горения составляло от 135 до 720 часов для каждого типа ламп. Результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4 Результаты испытания на длительность горения галогенных ламп. Спад светового потока / В среднем 20 ламп в% | ||||||||||
А1 | V1 | А2 | V2 | A3 | V3 | А4 | V4 | А5 | V5 | |
2,4 | 1,9 | 4,7 | 4,5 | 2,0 | 2,1 | 3,7 | 4,1 | 6,4 | 5,9 | |
Почернение | 0 | 0 | 3 легкое | 2 легкое | 0 | 0 | 1 легкое | 2 легкое | 3 среднее 2 легкое | 3 среднее 1 легкое |
Без почернения | 20 | 20 | 17 | 18 | 20 | 20 | 19 | 18 | 15 | 16 |
Для подкрепления результатов испытания галогенных ламп были проведены дальнейшие тесты:
- тест на удаление газа в глубоком вакууме при температурах от 900 до 1600°С для определения содержания газа в стекле и
- определение выхода воды из стекла при низкой температуре снятия нагрузки Tstr в вакууме по сравнению с общим содержанием воды в % (IR-спектроскопия). Результаты представлены в таблице 5.
Таблица 5 Выделение газа из стекла в глубоком вакууме при температуре от 900 до 1600°С /10-4 Ра. V - стекло = 1 по сравнению с А. | ||||||||||||||||||||
А1 | V1 | А2 | V2 | A3 | V3 | А4 | V4 | А5 | V5 | |||||||||||
Общий выход газа в % | 0,969 | 1 | 1,043 | 1 | 1,007 | 1 | 0,932 | 1 | 0,992 | 1 | ||||||||||
Выделение воды из стекла при Tstr (120 часов, 1·10-1 мбар) | ||||||||||||||||||||
А1 | VI | А2 | V2 | A3 | V3 | А4 | V4 | А5 | V5 | |||||||||||
Обще е содержание | 392 | 211 | 410 | 208 | 401 | 203 | 332 | 180 | 394 | 193 | ||||||||||
Выхо д: ррт | 3 | 3 | 5 | 4 | 7 | 5 | 3 | 4 | 7 | 5 | ||||||||||
% | 0,9 | 1,4 | 1,3 | 1,9 | 1,9 | 2,5 | 1,0 | 2,2 | 1,8 | 2,6 |
Результаты показывают, что как при выделении газа абсолютно в глубоком вакууме, так и при выделении воды при Тstr нет никаких значимых различий в стеклах с низким и более высоким содержанием воды. Результаты тенденциально совпадают с результатами испытаний на длительность срока службы галогенных ламп. Выход воды для стекол с более высоким содержанием воды (0,025-0,042 весовых%) не больше, чем для стекол со значительно более низким содержанием воды. То же относится к общему выделению газа из стекол. Результаты испытаний на длительность горения галогенных ламп показывают, что нет никакого значимого отличия между применением стекол с высоким и менее высоким содержанием воды в отношении срока службы (выход из строя, снижение светового потока, почернение). Применение стекол с более высоким содержанием воды и их доказанная пригодность к использованию в галогенных лампах позволяют в полной мере использовать вышеназванные экономические выгоды при изготовлении стекол, стеклянных трубок и галогенных ламп. Это относится к стеклам в широко защищенной области состава.
Класс C03C3/091 содержащие алюминий