DE2152349A1 - Oxidationsbestaendige Zufuehrungsleitungen fuer elektrische Geraete - Google Patents

Description

Dr. rer. nat. Horst Schuler 6 Frankfurt/Main ι, den 20. okt. 1971

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Oxidationsbeständige Zuführungsleitungen für elektrische Geräte

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf elektrische Geräte, wie Lampen, mit Zuführungsleitungen, welche hermetisch in ein glasartiges Material mit hohem Siliciumdioxidgehalt eingeschmolzen sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf elektrische Geräte mit Zuführungsleitungen, welche ein Folienzwischenteil aufweisen, das hermetisch in im wesentlichen geschmolzenes Siliciumdioxid (fused silica) eingeschmolzen ist und das der Oxidation durch den atmosphärischen Sauerstoff ausgesetzt ist, wenn die ganze Einschmelzstelle eine erhöhte Temperatur hat, üblicherweise oberhalb 35O°C.

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Lediglich, beispielsweise, ohne daß sie sich darauf beschränken soll, wird die Erfindung im Zusammenhang mit Quarz-Halogenlampen beschrieben, welche eine Umhüllung aus Quarz oder im wesentlichen geschmolzenem Siliciumdioxid umfassen, in denen ein WoIframdraht enthalten ist, welcher an den Zuführungsleitungen befestigt ist. Die Zuführungsleitungen wiederum sind hermetisch in die aus geschmolzenem Siliciumdioxid bestellende Umhüllung mittels eines Quetschverschlusses eingeschmolzen. Die Zuführungsleitungen umfassen einen vergleichsweise dünnen Folienteil, mit dem ein äußerer Zuführungsdraht zu einer Energiequelle und ein innerer Zuführungsdraht zu einem Wolframfaden verbunden sind. Beispielsweise sind in der Lampe ein Füllgas enthalten, von dem ein Teil ein Inertgas, wie Stickstoff oder Argon ist, und ein Halogendampf, wie Jod, Brom, Chlor, Fluor oder deren Verbindungen, um den bekannten Halogenzyklus ablaufen su lassen.

Die meisten hermetischen Verschlüsse sind bis zu einer Temperatur von etwa 350 C zufriedenstellend. Oberhalb dieser Temperatur von 350 C findet eine Oxidationsreaktion zwischen dem Sauerstoff der umgebenden Atmosphäre und der Molybdän— folie oder anderem oxidierbarem Folienmaterial statt und schadet der Lampe, indem sie deren übliche Lebenszeit beträchtlich verringert. Die Oxidationsreaktion kann stattfinden, da mikroskopische Durchgänge, die um die Zuführungsdrähte gebildet sind, den Zugang des Sauerstoffs zum Folienbereich der Lampe gestatten. Diese Durchgänge werden auf Grund einiger Eigenschaften hermetisch eingeschmolzener Zuführungsleitungen gebildet.

Bei der Durchführung des Quetschverschlusses verbindet sich der Quarz nicht völlig mit den relativ schwereren, äußeren und Inneren ZuleituBUsdrähten. Die Ursache dafür, daß der Quarz während der Durchführung des Quetschverschlusses nicht vollständig den äußeren ZuiüHrungsdraht umgibt und sich mit

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diesera verbindet, ist dessen relativ hohe Viskosität. Eine andere Ursache für die mikroskopischen Durchgänge, welche nicht nur entlang dem äußeren Zuleitungsdraht existieren, sondern auch entlang der äußeren Kante des Folienteils, ist der wesentliche Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Quarzes, verglichen mit dem des äußeren Zuführungsdrahtes, der üblicherweise aus Wolfram oder Molybdän besteht. Es sind in der Vergangenheit Anstrengungen unternommen worden, die Oxidation des Teiles der Molybdänfolie zu verhindern, die infolge der Durchgänge dem atmosphärischen Sauerstoff ausgesetzt ist. Ein solcher Versuch ist im einzelnen in der U.S. Patentschrift Nr. 3 420 944 beschrieben, bei dem die Hälfte der oxidierbaren Molybdänfolie mit einem Chromfilm bedeckt wird. Obwohl die Chrombeschichtung der zuführungsleitung eine Anzahl von Problemen löst, wurde festgestellt, daß bei der Lampenherstellung durch den Schweißprozeß, der aus der U.S. Patentschrift 'J 420 9kk bekannt ist und bei dem zwei Folienstücke vereinigt werden, einige Schwierigkeiten hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und Folien-Ebenheit auftreten. Es besteht einige Wahrscheinlichkeit für die Oxidation der inneren Hälfte der Folie, d.h. des nicht verchromten Teiles, infolge eines neuen Durchganges, der dann gebildet wird, wenn die Chromschicht zu dick ist. Diese Nachteile wurden mit der vorliegenden Erfindung überwunden.

Dem, ^ntsprechend ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine

Zuführungsleitung zu schaffen, welche die Oxidation der Folie des Zuführungsleiters wirksam verhindert und gleichzeitig einen hermetischen Verschluß hoher Qualität ergibt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer billigen Zuführungsleitung mit einem Minimum von Herstellungsschritten und einem Minimum an Ausschuß bei der Fabrikation.

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Erfindungsgemäß werden die oben genannten Aufgaben durch. Belegen; der Oberfläche der dünnen Folie der Zuführungsleitung mit einem dünnen Chromfilm gelöst. Dies geschieht durch ein Belegungsverfähren, welches die Dicke des cixidationsbeständigen Films variiert und einen abgesctirägrfcen. Filmbexeieh bildet, dessen größte Dicke an der Außenkante

g des Folie-R-teiis liegt,, mit einem vergieichweiae dünnen Teil dort,. an dem die Folie ein Beatandteil des herum tischen ?ers.chlusses werden sail.

Nachfolgend wird, die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der Beispiele der J&rfindung; dargestellt sind. Im einzelnen zeigen:

Fig. t eine Seitenansicht einer Wolframhalogenlampe mit zwei Ends tücken,

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht eines Endstückes der Lampe mit der Folie der Zuführungsleitung und dem Quetschverschlußteil,

Fig. 'J einen vergrößerten Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 2 einer mit Chromschicht versehenen Molybdänfolie,

Fig. k eine vergrößerte Ansicht eines Endstückes der Lampe nach Fig. 1 mit den winzigen Durchgängen, die bei Verwendung der bekannten mit Chrom bedeckten Folien auftreten können,

Fig. 5 eine Ansicht einer bekannten, zusammengesetzten Zuführung s1ei tung,

Fig. 6 einen vergrößerten (Querschnitt längs der Linie VI-VI der Fig. 7 einer erfindungsgemäßen Folie,

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7 ffiiaa© 'vergrößerte Ansicht eines ISndstfcückes der Lampe maolk Fig. 1 mit !der er findungsgemäßen EuJTu und

Fig. ß eine Ansicht der erfindiäaigsgemäßen Folie vor deai Auf

der Chromsehicht.

Die in. Fig* 1 gezeigte CJuarz;—Halogenlampe hat eine ütahüllimg 11 aus im isreseaiifclichen gesclmolzeiiem Siliciumdioxid aiii: Queisctnrerscliliiuieileai 12,innerhalb dereP Zuführungsleitungen 13 herjaetiscaa eingeschmolzen sind. Mit den Leitungen 1_J ist ein faden i4l- verbunden. Träger 15 verhindern das Duttdriiängen des Fadens 14. Die Zuführungsleitung 13 besteht aus einem inneren Ziaführnngsdraht 16, einer Folie 17 und einem äußeren Zufünruzagsdraht 18. Innerhalb der aus geschmolzenem Siliciumdioxid bestehenden Umhüllung ist eine Gasat- mosphäre, die im wesentlichen ein Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, und einen Halogendampf, wie beispielsweise Jod oder Brom umfaßt»

Der Folienteil 17 besteht vorzugsweise aus einem Material, wie Molybdän, das bei erhöhten Temperaturen, wie '35^ C, oxidierbar ist. Um einen hermetischen Verschluß sicherzustellen, sind die Folienkanten 19 zugespitzt. Durch die Zuspitzung· oder Verjüngung der Folienkante wird ein hermetischer Verschluß entlang der Kanten 19 mit der aus geschmolzenem Siliciumdioxid bestehenden Umhüllung- 11 sichergestellt.

Der Ausdehnungskoeffizient der Bestandteile der Zuführungsleitung, nämlich des äußeren und inneren Zuleitungsdrahtes 16 und 18 und der Folie 17 ist ungefähr J bis 1U mal größer als der Ausdehnungskoel'fizient des geschmolzenen Siliciumdioxids. Der Unterschied der Ausdehnungseigenschaften ist die Ursache für die Bildung mikroskopischer Längsdurchgänge 20 entlang dem äußeren Zufiihrungsdraht und dex' Querdurch-gänge

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21 entlang der äußeren Kante 22 der Folie 17· Diese Durchgänge sind in der Zeichnung in Fig. 2 sehr vergrößert dargestellt, um das Verständnis der ErJfindung zu erleichtern. Ähnliche mikroskopische Durchgänge, nämlich die Durchgänge 2'J und 24 bilden sich entlang den Seiten des inneren Zuführungsdrahtes und ebenso entlang der Innenkante 25 der Folie 17.

Der Längsdurchgang 20 des äußeren Zuführungsdrahtes 18 und der Querdurchgang 21 entlang der äußeren Kante 22 der Folie gestatten den zutritt geringer Mengen atmosphärischen Sauerstoffes, die die Folie 17 oxidieren, wenn der Quetschverschlußteil 12 auf einer Temperatur von etwa 350 C oder darüber ist. Die Oxidationsreaktion entlang der Außenkante

22 der Folie verursacht möglicherweise ein Zerbrechen des Quarzes und schafft schließlich eine unerwünschte Stromkreisunterbrechung.

Bei der in der U.S. Patentschrift 3 420 944 dargestellten Konstruktion wurde eine Hälfte der Folie mit einem nichtoxidierendan Film bedeckt, wie Chrom. Es wurde jedoch festgestellt, daß beim Erhitzen der Umhüllung, wenn der Quetschverschluß hergestellt werden soll, ein Teil der dünnen Chromschicht 26 zerfließt und die zugespitzte Kante der Folie bedeckt. Dieses Phänomen ist vergrößert in Fig. 3 dargestellt, in der die Flußrichtung durch die Pfeile 27 und 28 veranschaulicht ist. Wenn der nicht-oxidierende Film 2ί> zu dick ist, d.h. dicker als ungefähr 0,025 mm (O,UOO1 inch) bildet dieser Chromfluß einen zusätzlichen Längsdurchgang 29, der ebenfalls vergrößert in Fig. 4 gezeigt ist.

Der Längsdurchgang 29 gestattet dem atmosphärischen Sauerstoff den Eintritt in den hermetischen Verschlußteil 30 an einem Ort, wo die nicht-oxidierende Schicht zu Ende ist, wie bei 31. Der Teil der Folie 17« der nicht mit der nicht-

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oxidierenden Chromschicht 26 bedeckt ist, wird dadurch, oxidiert, und zerbricht möglicherweise den Quarz des Verschlusses und verursacht eine Stromkreisunterbrechung. Diese Stromkreisunterbrechung tritt wesentlich später auf» als wenn die Zuleitungen nicht mit Chrom bedeckt sind.

Es besteht ein zusätzliches Problem in Zusammenhang mit der Ver\vendung der bekannten Chromzuleitung. Vie in Fig. 5 gezeigt, besteht die bekannte Zuleitung 32 aus einer zwei Stücke umfassenden Folie 33 und 3^, welche mit der zuführungsleitung 35 verbunden sind. Eine Hälfte des Folienteils 33 ist mit nicht-oxidierendem Chrom 3b bedeckt, und muß mit der anderen Folienhälfte 3^ auf irgendeine Weise, z.B. durch Schweißen, verbunden werden. Dies führt nicht nur zu einer mechanisch schwachen Folie sondern schafft auch Probleme hinsichtlich der Aufrechterhaltung eines geraden und parallelen Folienteils.

Die vorliegende Erfindung eliminiert die beschriebenen Sclu.iex'igkeiten durch Schaffung einer neuen zuführungsleitung mit einem abgeschrägten verchromten Folienteil. Die erfindungsgemäße Folienstruktur ist in Fig. 6 dargestellt. Das Chrom oder ein anderer oxidationsbeständiger Film 37 gemäß der Erfindung besteht aus einem gleichmäßigen Chromteil 39 und einem abgeschrägten Kantenteil 4o. Die Dicke des Chromteils 39 beträgt ungefähr 0,025 mm und die Enddicke des abgeschrägten Teiles 40 etwa 0,0025 mm (0,00001 inch). Diese Dickeänderung gestattet es dem viskosen, geschmolzenen Siliciumdioxid, einen Ort auf der Folie JS zu finden, bei dem es den hermetischen Verschluß beginnt.

Vegen der verhältnismäßigen Dicke des Chromteils 39 fließt das Chrom ähnlich wie bei der bekannten Folie und wenn, wie bei der bekannten Folie, der Film zu dick ist, bildet sich dabei ein Durchgang 29, wie in Fig. 7 dargestellt. Wegen

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des abgeschrägten Teiles 4o ist der Durchgang 29 jedoch ähnlich bis zu einem Punkt abgeschrägt (wie bei 41 gezeigt), bei dem ein zuverlässiger, hermetischer Verschluß gebildet wird. Zusätzlich zu der Unterbrechung des Durchganges 29 ergibt der erfindungsgemäße Polienteil eine glatte, gleichmäßig ebene Zuführungsleitung, die hermetisch in die Umhüllung 11 eingeschmolzen werden kann.

In einem der für die Herstellung der erfindungsgemäßen Zuführungsleitung verwendeten Verfahren wird ein normierter Streifen von Molybdänfolie 17a, zum Beispiel durch Schweißen, mit einem Zuführungsdraht 18a verbunden. Wie in Fig. 8 dargestellt ,- wird der Bausatz 42 aus der normierten Folie I¹Ja. und dem Zuführungsdraht 18a in einem Behälter 43 angeordnet, der Chrom und Aluminiumoxidpulver 44 enthält. Das Aluminiumoxid dient der Verteilung der Chromteilchen und nimmt nicht an der chemischen Reaktion teil, die den oxidationsbeständigen Film schafft. Der zusammengesetzte erfindungsgemäße Leiter wird dann in das pulverisierte Chrom und Aluminiumoxid eingetaucht, bis ungefähr die Hälfte oder ein anderer gewünschter Teil der Folie 17a über die pulverisierte Oberfläche hinausragt, wie bei 45 gezeigt. Der Behälter wird dann in einen Ofen gestellt, dessen Temperatur ungefähr 1000 C beträgt. Man läßt eine gasförmige Mischung aus Wasserstoff und Chlorwasserstoff für ungefähr 5 Minuten durch den Ofen strömen. Während der Gasströmung reagiert das Chrom mit dem Chlor und bildet Chrota-II- oder Chrom-III-chlorid, welches sich zersetzt, wenn es in Kontakt mit dem Molybdän kommt· Das aus dem zersetzten Chrom-II- oder Chrom-III-chlorid stammende Chrom verbindet sich mit dem Molybdän und bildet den oxydationsbeständigen Film.

Da bei dem eingetauchten Teil der Zuleitung mehr Chrom-XI·? oder Chrom-III-chlorid vorhanden ist, weist dieser Teil die dickste Schicht wie bei 39 auf. Da weniger Material für die

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Reaktion am Mittleren Teil der Folie vorhanden ist, wird dort ein dünnerer Film niedergeschlagen, wie bei 40 gezeigt. Diese Materialverfügbarkeit ist die Ursache für die Abschrägung des oxidationsbeständigen Films.

Nach den 5 Minuten Gasströmung und den damit verbundenen chemischen Reaktionen im Ofen beläßt man die Zuleitung und die pulverisierten Verbindungen für weitere 15 Minuten unter Wasserstoff im Ofen. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, wird der Zyklus 5 Minuten Gasströmung und 15 Minuten Glühen (Soak) in Wasserstoff wiederholt.

Ein anderes Verfahren, das verwendet werden kann, um den Chromfilm aufzubringen, besteht darin, Chrom-II- oder Chrom-III-chlorid in den Behälter zu geben, und diese Verbindung mittels Aluminiumoxid-Partikeln zu dispergieren. Dieses Ge-. misch wird dann bei einer Temperatur von 1000 C Wasserstoff ausgesetzt und es tritt die gleiche Zersetzung des Chrom-II- oder Chrom-III-chlorids in Chrom und chlor auf. Die so entstandenen Chromteilchen verbinden sich mit dem Molybdän.

Die vorbeschriebene Ausführungsform der Erfindung stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar. Einige Beispiele für mögliche Modifikationen bestehen in der Verwendung von Nickel, Molybdändisilicid und Legierungen des Chroms und Nickels anstelle des Chromfilms.

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Claims (11)

1. - ίο -

   Patentanspruch»

   / 1 ./elektrische Zuführungsleitung zum Einschmelzen in ein Verschlußstück aus geschmolzenem Siliciumdioxid, wobei die Zuführungsleitung aus einem dünnen Folienteil aus hitzebeständigem Material sowie inneren und äußeren Leitern besteht, die elektrisch leitend an den gegenüberliegenden finden des Folienteils befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich an dem einen Endstück des Folienteiles, der an dem äußeren Leiter befestigt ist, mit einem oxidationsbeständigen Film bedeckt ist, wobei sich der Film bis zu einer Minimaldicke verjüngt, bei der er an dem unbedeckten Bereich des aus hitzebeständigem Metall bestehenden Folienteils endet, der mit dem inneren Leiter verbunden ist.
2. 2. Zuführungsleitung nach Anspruch 1 , dadurch ge kennzeichnet , daß der oxidationsbeständige Film aus chrom, Nickel, Chromlegierungen, Nickellegierungen oder Molybdändisilicid besteht.
3. 3* Zuführungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oxidationsbeständige Film Chrom und das hitzebeständige Metall Molybdän ist.
4. 4. Zuführungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Film etwa eine Hälfte der Folie bedeckt.
5. 5« Zuführungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Zuleitungsdraht ebenfalls mit einem oxidationsbeständigen Film bedeckt ist.

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6. 6. Verfahren zur Herstellung des abgeschrägten, oxidationsbeständigen Films auf einer Zuführungsleitung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Stufen:

   a) Eintauchen eines Teiles der Folie in ein gepulvertes Gemisch eines oxidationsbeständigen Materials und einer dispergierenden Verbindung,

   b) Erhitzen der eingetauchten Folie und der Mischung

   für etwa 5 Minuten auf eine Temperatur von etwa 1000 C in einer gasförmigen Atmosphäre, die im wesentlichen aus Wasserstoff und einem Halogenwasserstoff besteht,

   c) Glühen der eingetauchten Folie und der Mischung bei der vorgenannten Temperatur in Wasserstoff für etwa 15 Minuten und

   d) Abkühlen der Folie.
7. 7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Stufen b) und c) wiederholt werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die gepulverte Mischung aus Aluminiumoxid und das oxidationsbeständige Material aus Chrom, Nickel, Molybdänsilicid, einer Chromlegierung oder einer Nickellegierung besteht.
9. 9» Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Halogenid des Halogenwasserstoff gases Jod, Fluor, Chlor oder Brom ist.
10. 10. Verfahren zur Herstellung eines abgeschrägten, oxidationsbeetändigen Filas auf einer Zuführungsleitung, gekennzeichnet durch folgende stufent

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    a) Eintauchen eines Teils der Folie in eine pulverisierte Mischung aus Chrom-IX-chlorid und einer dispercierenden Verbindung,

    b) Erhitzen der eingetauchten Folie und der Mischung fü\r ungefähr 10 Minuten auf eine Temperatur von etwa 1000 C in einer Wasserstoffatmosphäre und

    c) Abkühlen der Folie.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet , dai.1 die pulverisierte Mischung aus Chrom-IH-chlorid und einer dispergierenden Verbindung besteht„

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