СИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО ДЛЯ КОЛБ ГАЛОГЕННЫХ ЛАМП С ВОЛЬФРАМОВОЙ НИТЬЮ НАКАЛА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2006 года по МПК C03C3/91 

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.

Таблица1ОксидыBec.%SiO₂56,4-63,4Al₂O₃14,6-16,7B₂O₃0-5,0BaO7,5-17,0CaO6,7-12,7MgO0-8,2SrO0-0,3ZrO₂0-1,1TiO₂0-0,2Na₂O0,02-0,05K₂O0,01-0,02Fe₂O₃0,03-0,05

Известные из уровня развития техники составы силикатных стекол для колб галогенных ламп представлены в таблице 2.

Таблица 2ОксидыВес.%SiO₂52-71Al₂О₃13-25B₂O₃0-6,5ВаО0-17СаО3,5-21MgO0-8,3SrO0-10ZrO₂0-5,5R₂O0-0,08(1,2)TiO₂0-1Вода<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°С4,4-4,8* 10^-6 К^--1T_str665-730°СT_soft925-1020°С

При этом согласно изобретению силикатное стекло, содержащее соединения алюминия и щелочно-земельных металлов, имеет следующий состав (весовые%):

SiQ₂55,0-62,5Al₂O₃14,5-18,5В₂O₃0-4,0BaO7,5-17,0CaO6,5-13,5MgO0-5,5SrO0-2,0ZrO₂0-1,5TiO₂0-1,0ZnO0-0,5CeO₂0-0,3R₂O<0,03Н₂О0,025-0,042

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 VОкисиВес.
%A1V1А2V2A3V3А4V4А5V5SiO₂ 59,459,455,555,560,860,860,460,461,961,9Al₂O₃ 16,016,017,617,616,216,216,216,416,414,2В₂О₃ 1,71,74,04,00,50,51,91,9  ВаО 11,111,18,78,78,28,26,96,916,616,6СаО 9,59,57,87,812,512,511,311,36,76,7MgO 1,01,05,55,5  1,01,0  SrO   0,30,3  1,21,20,20,2ZrO₂ 1,01,00,20,21,51,50,20,2  TiO₂ 0,20,20,10,1  0,30,30,20,2ZnO   0,20,2  0,30,3  CeO₂     0,20,2  0,10,1R₂O 0,0260,0260,0280,0280,0280,0280,0260,0260,0290,029Вода 0,0390,0210,0410,0210,0400,0200,0330,0180,0390,019            ^α20-40010⁶K^-14,504,514,444,454,554,554,434,454,614,60T_str*C700710675683715725707712723735T_ann°С760770723730766780759765775786T_soft°C98799092993099699898298410171018T_work°C1294129511981197130913101291129013661367T_liqu°C1181119511381150122512401215123011901200KW G_maxμm/ min81218251416121358

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% А1V1А2V2A3V3А4V4А5V5 2,41,94,74,52,02,13,74,16,45,9Почернение003 легкое2 легкое001 легкое2 легкое3 среднее 2 легкое3 среднее 1 легкоеБез почернения20201718202019181516

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. А1V1А2V2A3V3А4V4А5V5Общий выход газа в
%0,96911,04311,00710,93210,9921Выделение воды из стекла при T_str (120 часов, 1·10^-1 мбар) А1VIА2V2A3V3А4V4А5V5Обще е содержание392211410208401203332180394193Выхо
д: ррт3354753475%0,91,41,31,91,92,51,02,21,82,6

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.

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.

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.%:

SiO₂55,0-62,5Al₂O₃14,5-18,5В₂O₃0-4,0BaO7,5-17,0CaO6,5-13,5MgO0-5,5SrO0-2,0ZrO₂0-1,5TiO₂0-1,0ZnO0-0,5CeO₂0-0,3R₂O< 0,03Н₂О0,025-0,042