Силикатное стекло для колб галогенных ламп с вольфрамовой нитью накала и его применение

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, Н₂О - 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.

 

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
Al2O3	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
TiO2	0-0,2
Na2O	0,02-0,05
K2O	0,01-0,02
Fe2O3	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
Al2О3	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)
TiO2	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:

α20-400°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
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
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 10^13,0-10^14,5 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
SiO2		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
В2О3		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
α20-400	106K-1	4,50	4,51	4,44	4,45	4,55	4,55	4,43	4,45	4,61	4,60
Tstr	*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 Gmax	μm/ 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 T_str 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 Т_str 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.

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
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
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.