CN1303121A - 单端陶瓷电弧放电灯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

陶瓷放电灯(20)包括以非轴向关系设置的第一和第二电极(24,26)。在优选例中,电极从灯的一端向内伸展、从而限定一个单端陶瓷放电灯。在一优选例中,平行设置的电极给电弧间隙提供精确地控制;在另一优选例中,非平行成角度设置的电极(134,138)可限制腔体外部的电弧电势。腿(62,64)整体地形成在一个主体部件(60)中,整体式透镜(104)设置在另一个主体部件(100)中,由于没有腿干扰来自腔体的辐射,故可提高光通量分布。

Description

单端陶瓷电弧放电灯 及其制造方法

本发明总的涉及照明领域，尤其涉及一陶瓷电弧放电灯。

放电灯利用穿过两电极之间的电弧使诸如金属卤化物和水银混合物的填充材料电离而产生光照。电极和填充材料被密封在半透明或透明的放电腔内，放电腔对被激励的填充材料保持压力、并使发射的光穿过它。填充材料也被称作“配料”，它根据电弧的激励而发射所需的光谱能量分布。例如，卤化物产生的频谱能量分布对于例如色温、彩色再现、和发光效率等光学特性可以提供宽范围的选择。

为了改善色温、彩色再现、和发光效率，同时明显地减小与填充材料的反应，目前的陶瓷放电灯腔已可以在较高温度下、即在950℃以上工作。一般来说，陶瓷放电腔由许多利用陶瓷粉挤压或模压制成的部件构成。普通占有的同为待审的美国申请、即1998年4月28日申请的序列号为09/067,816申请和1999年2月16日申请的序列号为09/250,634的申请公开了一种使形成陶瓷放电腔的连接件数量最小化的普通陶瓷放电腔。例如，在先的实践者使用了包括中心圆柱的五个部件，而中心圆柱的两端基本上由在其中具有第一和第二腿的第一和第二端塞封闭。参考的申请中只使用两个部件来构成陶瓷放电腔。

市场上可得到的所有陶瓷金属卤化物灯至少具有一个共同的特征。即，每个陶瓷金属卤化物灯均具有一放电管几何结构，其中接收导线的陶瓷腿，陶瓷-金属的真空密封和电极都位于该放电管体的相反端部上。这种标准的双端陶瓷放电管结构示于图1。但是，这种结构的几何形状不能满足小型灯结构的要求。因此，减小灯的总长度或发光中心的长度、以及提高灯设计的紧凑性是不可能的。

减小如图1所示的标准双端放电管结构中电弧放电管的长度仍不能满足工业生产中的所有需要。减小放电管的长度受到位于陶瓷腿之端部处的陶瓷金属密封能够承受的最高温度的限制。由于密封玻璃管要保证气体真空度，设计者必须避免使密封暴露给可能对密封玻璃管带来不利影响的升高或过高的温度。

如参考的同为待审申请所述，限制电弧管中的部件数量和连接数量能产生所需的效率并减少制作成本。因此，在无闪烁工作中基于电弧间隙长度取得较好的控制、更可靠的启动、更稳定的操作、和增高的灯效率及彩色效果的同时，删减制作步骤和部件、并改善热传导和热辐射的损耗从而得到较高的灯效率等均是所希望的特性。

一种陶瓷放电灯包括一个陶瓷外壳，该外壳具有适于接纳一填充物的空腔。第一和第二电极以一定空间关系设置在空腔内、以产生与横跨施加在电极上的电位差相应的电弧。电极以彼此非轴向的关系而设置。

在本发明的示例性实施例中，陶瓷放电灯的电极限定一单端电弧管，即、电极从电弧管的同一端伸入所述空腔内。

本发明的另一个优选的示例性实施例提供一个圆顶形端部、并在其中选装一个整体式透镜。

又一个示例性实施例使电极相互倾斜一个角度，以使设置在所述空腔中的第一端比设置在空腔外的第二端更近地相距。

图1表示具有已有技术的陶瓷放电腔的灯装置。

图2-13是根据本发明示例性实施例的各种陶瓷电弧放电腔的放大视图。

图1表示已有技术的陶瓷放电灯20，它包括一双端放电腔22，放电腔22中装有第一和第二电极24、26和密封在放电腔中的填充材料。电极24、26连接到导体28、30，导体28、30以已有技术中公知的方式横跨电极施加一电位差。在工作中，电极产生使填充材料电离的电弧以在放电腔中产生一等离子体。对于一陶瓷金属卤化物灯，该填充材料一般包括Hg，诸如Ar或Xe的稀有气体，和诸如Nal、Tll、或Dyl₃的金属卤化物的混合物。其它填充材料的实例是已有技术中众所周知的。

放电腔包括一中心圆筒体部分32和第一、第二腿部34、36。电极由导线连接到电源(未示出)。电极一般由钨构成，而由于热膨胀系数与氧化铝相近，所以为了减小作用在氧化铝腿部的热应力，导线是铌和钼。

放电腔在由标号40、42表示的相反端部被密封。该密封结构优选地是在熔化时能被接纳在导体周围的氧化镝-氧化铝-硅石玻璃粉，该玻璃流入腿部中而在导体与腿之间形成密封。通过选择腿部的尺寸以便相对于放电腔的温升使密封的温度降低一希望数量。显然，电极的轴向位置影响横跨电极的电压降，该电压降显著地影响产生的照明质量。因此，控制该影响电极之间间隔的腿部轴向位置十分重要。

作为上述同为待审申请中的教导，应当减少构成放电腔的部件数量，以便减少部件之间的连接数量。这样做的优点是加快了放电腔的装配、减少了制作过程中的潜在连接缺陷，因而降低了在处理过程中放电腔破损的可能性。部件最好通过模压陶瓷和粘结剂的混合物而构成。例如，混合物包括95-98％重量的陶瓷粉和2-5％重量的有机粘结剂。陶瓷粉可包括纯度99.98％、表面积约2-10m²/g的氧化铝(AL₂O₃)。氧化铝粉可掺杂例如等于0.03-0.2％、优选0.05％氧化铝重量的氧化镁，以抑制晶粒长大。可使用的其它陶瓷材料包括诸如氧化钇、氧化镥、氧化铪等非活性耐高温氧化物，和它们的固溶体以及诸如钇铝石榴石和氮氧化铝(alumina oxynitride)的与氧化铝的化合物。粘结剂可以单独使用或与诸如多元醇、聚乙烯醇、乙烯基醋酸酯、丙烯酸盐、纤维素和聚酯的有机聚合物组合使用。

一个用于模压实心圆柱的示例性组分包括97％重量的氧化铝粉，该氧化铝粉具有7m²/g的表面积、并可从BaikowskiInternational,Charlotte,NC得到，其产品号是CR7。氧化铝粉掺杂其重量为氧化铝之0.1％的氧化镁。该组分还包括可从GE Lighing得到的、产品号115-009-018的2.5％重量的聚乙烯醇，和可从Interstate Chemical得到的1/2％(0.5％)重量的Carbowax600。

模压之后，通常利用高温分解将粘结剂从未加工部分除去并形成素瓷烧成的部件。高温分解的过程是将空气中的半成品部件从室温(经4-8小时)加热到900-1100℃的最高温度导入的、此后保持该最高温度1-5小时、最后冷却该部件。高温分解之后，该素瓷烧成(初烧)的部件的孔隙率一般约40-50％。

然后机加工该初烧部件。可沿实心圆柱的轴线钻一个用于第一腿部的孔道。而后，沿该轴线钻一个直径较大的孔道、以形成所述空腔。最后，利用例如车床沿该轴线的一部分加工原始实心腔体的外部，以形成第一腿部的外表面。可以类似的方式形成第二腿部。首先钻一个穿过腿部的小孔道，加工原始实心圆柱的外部以形成腿部，之后加工过渡部分并保留径向延伸的凸缘。

在烧结之前将加工的部件装配，以便烧结步骤将部件连接在一起。根据示例性的连接方法，选择用于形成主体部件和腿的初烧部件的密度，以实现烧结过程中不同程度的收缩量。初烧部件的不同密度可通过使用具有不同表面积的陶瓷粉而达到。例如，用于形成第一部件的陶瓷粉的表面积可以是6-10m²/g，而用于形成第二部件的陶瓷粉的表面积可以是2-3m²/g。第一部件中的细粉末使初烧的主体第一部件的密度比由粗粉末制成的初烧的第二部件的密度小。第一部件的初烧密度一般是氧化铝理论密度(3.986g/cm³)的42-44％，第二部件的初烧密度一般是氧化铝理论密度的50-60％。由于初烧第一部件不如初烧第二部件致密，所以在烧结中产生相对的收缩量(即3-10％)，从而围绕过渡部分形成密封。在烧结之前将两个部件装配，烧结步骤使两个部件连接在一起形成一放电腔。

烧结步骤可这样进行，即在耐高温金属型燃烧室中、以在1850℃下并在具有约0℃-+15℃之露点的氢气(H₂)中加热初烧部件三到五小时。加热处理后，部件经过约两小时冷却到室温。陶瓷粉中所含的氧化镁通常抑制晶粒增长到大于75μm。得到的陶瓷包含具有光学半透明度的紧密烧结的多晶氧化铝。

根据另一个方法，将例如含有耐高温玻璃的玻璃粉可设置在第一与第二部件之间、以便经加热将两个部件连接在一起。根据这个方法，在装配部件之前可以单独烧结各部件。

在烧结后，第一和第二部件一般均具有小于或等于0.1％、优选小于0.01％的孔隙率。孔隙率通常被定义为一个表示由空隙所占据一物体总体积之比例的无单位数。0.1％或更小的孔隙率的氧化铝一般具有适宜的光学透过率或半透过率。这种透过率或半透过率可被限定为“总透过率”，它是被来自裸露的小型白炽灯的透射光通量所除的放电腔内的小白炽灯的透过光通量。在孔隙率为0.1％或更小时，总透过率一般是95％或更大。

根据另一个示例性构成方法，通过模注包含45-60％体积的陶瓷材料和45-60％体积的粘结剂的混合物而形成放电腔的部件。陶瓷材料可包含具有约1.5-约30m²/g、通常在3-5m²/g之间的表面积的氧化铝粉。根据一个实施例，氧化铝粉至少具有99.98％的纯度。氧化铝粉可以掺杂含量等于氧化铝重量的0.03-0.2％、最好是0.05％的氧化镁、以抑制晶粒长大。

粘结剂可包括蜡混合物或聚合物混合物。根据一个实施例的粘结剂包括：

33α重量份的石蜡，熔点52-58℃；

33α重量份的石蜡，熔点59-63℃；

33α重量份的石蜡，熔点73-80℃。

下述物质加入到100重量份的石蜡中：

4重量份的白蜂蜡；

8重量份的油酸；

3重量份的硬酯酸铝。

上述石蜡可从Aldrich Chemical得到，其产品号分别是371659、327212、和411671。

在模注工艺中，陶瓷和粘结剂的混合物被加热而形成高粘度的混合物。将该混合物注入一适当形状的模子中，而后冷却形成一模制的部件。

模注之后，通常利用热处理将粘结剂从模制部件除去、而形成非粘结部件。可在空气中或在控制的环境中，例如在真空、氮气、稀有气体中将模制部件加热到最大温度并保持该最大温度而进行热处理。例如，温度可以每小时提高约2-3℃的方式从室温逐渐加热到160℃。之后，温度以每小时提高约100℃的方式加热到最高温度900-1100℃。最后，温度在900-1100℃保持约1-5小时。而后冷却该部件。热处理之后，孔隙率约为40-50％。

通常在烧结之前装配初烧部件、以便实现烧结步骤将部件连接在一起。选择用于形成第一和第二部件的初烧部件的密度，以便实现烧结中不同程度的收缩度。利用具有如上所述不同表面积的陶瓷粉可实现初烧部件的不同密度。

根据一个实施例，产品由包含48％体积的氧化铝和52％体积的粘结剂的混合物构成。氧化铝具有3m²/g的表面积、并掺杂为氧化铝重量0.05％的氧化镁。使用上述的蜡粘结剂。厚度为约3mm的产品在被压靠到新闻纸上时具有充分的透明度，通过该产品阅读新闻纸没有任何困难。

在不脱离本发明的范围和目的的前提下，对于本领域的技术人员来说，显然可将诸如绿色加工或初烧陶瓷、注浆浇铸、和溶胶-凝胶处理用于制作和连接陶瓷放电灯中所使用的放电腔。

借助上述的一般制作及连接工艺或替代的工艺，将结合图2-13说明陶瓷放电灯中使用的各种单端放电腔。例如，图2和3表示具有双部件结构的单端陶瓷放电腔的第一和第二实施例。第一部件50包括可按上述方法加工或形成的凹槽52。连续侧壁54给最终的放电腔结构提供一基本圆柱结构。第二部件60包括从其上分别伸出的第一和第二腿62、64。两个腿基本上平行设置，其原因将在下文说明。腿62、62从圆盘66向外伸展，圆盘66的尺寸被设置成容纳在第一部件侧壁54之内。一旦烧结并连接在一起，第一和第二部件限定一个只具有一个连接结构的密封的陶瓷电弧放电腔。

对于这种结构，其放电管的总长度明显地比图1所示的双端结构的总长度短。由于减小总的灯长度将使灯设计更加紧凑。另外，由于两个腿62、64从电弧放电腔的一端伸展，所以发光中心长度尺寸也减小。这种结构也可避免因高温度而加速的有毒化学反应物对陶瓷金属密封的有害的影响。即，每个腿62、64中的密封位于远离腔体中电弧或等离子体之高温工作的一位置。这个实施例和下述变化实施例的其它优点也是明显的。特别是，可实现更适宜的光密度分布。由于提供放电管的一清洁的端部，所以可得到更大的光通量和光密度分布。电极或腿不再干扰光辐射能量从电弧管的非腿端的传输。放电管的清洁端部具有较高的光透射性，所以放电管辐射和损失减小，灯效率和彩色效果提高。

因为只使用一单个的连接结构，所以电弧管可在单个周期内被密封，因此消除了此前密封所需的制作步骤。从另一方面说，这种只具有一个共同烧结连接结构的双组件电弧管结构保持了该同为待审申请中的许多优点、同时还增加了其它的有益特征。

再一个优点是能够精细地控制电弧间隙尺寸。电极不是从电弧放电腔的相反端***的，因而在已有技术的双端腔体中将电极从电弧放电腔的相反端***时难以控制所需的电弧间隙。相反地，图2所示的单端放电管结构根据陶瓷腿的平行度限定了电弧间隙。显然，这种结构比已有技术更易于控制所需的电弧间隙。

另一种考虑是单端设计可以使电极在部件烧结期间被密封到腿中。此外，本提议的单端放电管结构不会对插头或第二部件60的结构施加任何限制。再有，如在同为待审申请中所述的，插头的形状可以是平的、球形的、圆柱形的、或这些结构的组合。通过精细地控制电极设置，可确保电极表面上的无闪烁运作和稳定的电弧固定点位置。

图3表示图2结构的改型，其中，相似部件用相同标号表示，新部件限定新的结构特征。这里，第二部件或插头包括一凸肩70，凸肩70与第一部件侧壁54的末端72抵靠地接合。这种抵靠给插头提供了相对陶瓷电弧放电腔之第一部件50的精确可靠的轴向位置。

图4的示例性实施例略微地改变了第一部件80，其限定一插头使之具有凸肩82，凸肩82在第二部件的伸展侧壁84中为插头提供可靠的轴向位置。还应注意，腿62、64分别具有伸展到腔体内的部分86、88，以实现更可靠的启动和更稳定的运作。

在图5中，排气管90被整体地形成在第一模制部件或盖塞80上。这表明本设计的灵活性以及许多有益的改进均可组合到该陶瓷放电腔设计方案中。

图6和7表示具有不同形状的第一部件或盖部件的优选实施例。在图6中，盖部件100具有常规的圆拱形102。可知，可模压或模注该部件100以提供具有圆顶盖的单端放电灯结构。圆周连续的侧壁平滑地过渡或并入该曲面形或圆顶形结构中。第二部件60的凸肩70抵靠地与第一部件侧壁的末端边缘接合，以形成部件之间的单个连接。在图7中，圆顶结构包括一整体式透镜104。当然，这增大了光密度分布，且正如将一特殊设计的透镜直接安装到电弧管内的结果一样地产生更大的光通量。

图8和9示出了单端放电腔结构的变型。在最后装配时，能够制成具有紧凑结构的单端陶瓷金属卤化物灯。但是，在这些实施例中，腿110、112形成在分别注射模制的腿插头部件114、116中。除了反向或镜像配合边缘118、120外，这些腿插头部件基本相同。这就允许一个腿插头部件收缩并与第二腿插头部件形成一烧结连接结构。每个部件包括一整体模制其中的单个腿，该腿可精确地相对每个部件定位该电极。当组合在一起时，这些腿插头部件共同限定一完整的单端陶瓷放电腔，在该放电腔中电极之间的电弧间隙尺寸可精确地设定。

在图9的较相似的方案中，还包括由例如模压体122构成的中心体部分。尽管增加了连接部位的数量，但是中心体部件122可以由例如模压的熔融氧化铝或氧化铝部件构成。用与上述相同的烧结和连接步骤可在中心体的相反端与单独的腿插头部件进行所需的连接。如果每个腿插头部件114、116包括面向外的并尺寸设置得用于接收模压体122相反端的凹槽118，则还可简化装配。

如上所述，利用平行的腿得到的、也称作电弧间隙的电极之间的精确尺寸可实现某些优点。另一方面，图10和11表示通过使电极彼此间形成角度而得到某些优点的情况。例如，在图10中，模制的腿插头体部件130包括腿132、134，当腿132、134向放电腔伸展时形成向内的角度。即，电极136、138以预定尺寸定位在分开的位置，该尺寸小于腿外端导体140、142之间的尺寸。这种结构避免了在腔体外侧的一范围内的导线之间发生电弧。由于电弧腔外侧导线之间的距离较大，电弧就不大可能在与所需腔体内之相反对置的外部位置处产生。

图11的优选实施例也包括成角度的电极结构。它也表明其它特征可组合到陶瓷电弧放电腔结构中。例如，腔内部包括弯曲的凹槽150、152。本领域的技术人员可知，这种陶瓷电弧放电腔结构在所选择的环境中是合乎需要的。

图12和13表示前述特征的变化组合。例如，在图12中，圆顶形盖160与具有弯曲内凹槽164的第二部件162相结合。腿仍然被限定在已装配放电腔的一个部件中，于是能得到单端腔体的所有优点。这个结构在图13中略有改变，其中，腿包括伸入到放电腔内的部分166、168。但在所有其它方面，图13的实施例基本与图12的实施例相似。

已经结合示例性实施例说明了本发明。阅读和理解了本说明书的其它人将能作出改善和变形。例如，US4,285,732中的处理及合成材料可用于制作与本发明结合使用的光学半透射氧化铝陶瓷。本发明将包括处在所附权利要求范围内或其等同物范围之内的那些改型和变化。

参考标号	部件
		20	灯
22	放电腔
		24	第一电极
26	第二电极
		28	第一导体
		30	第二导体
32	中心体部分
		34	第一腿部
36	第二腿部
50	第一部件
		52	凹槽
54	侧壁
60	第二部件/插头
		62	第一腿
64	第二腿
		66	端部

参考标号	部件
70	凸肩
		72	顶端
		80	第一部件/插头
82	凸肩
		84	侧壁/第二部件
86	腿伸出部
		88	腿伸出部
		90	排气管
		100	盖部件
102	圆顶结构
		104	透镜
		110	第一腿插头部件
112	第二腿插头部件
		114	凸肩
116	凸肩

参考标号	部件
120	中心体部件
130	第二部件
		132	第一腿
134	第二腿
		136	第一电极
138	第二电极
140	第一导体
		142	第二导体
150	凹面/弯曲凹槽
		152	凹面/弯曲凹槽
		160	圆顶盖
162	第二部件
		164	弯曲凹槽
166	腿伸出部分
		168	腿伸出部分

Claims (19)

1．一种陶瓷放电灯(20)包括：

一个具有空腔(22)的陶瓷外壳，空腔(22)内适于容纳一填料；

第一和第二电极(24,26)在空腔中隔开地设置，以便根据横跨于电极所施加的电压产生一电弧，该电极以彼此非轴向的关系设置。

2．如权利要求1的陶瓷放电灯，其特征在于，陶瓷外壳由模注制成。

3．如权利要求1的陶瓷放电灯，其特征在于，陶瓷材料包含氧化铝。

4．如权利要求1的陶瓷放电灯，其特征在于，电极相互间基本平行地配置。

5．如权利要求1的陶瓷放电灯，其特征在于，电极(136,138)彼此之间非平行地形成一角度地配置。

6．如权利要求1的陶瓷放电灯，其特征在于，陶瓷外壳由第一和第二主体部件(50,60)连接在一起而构成。

7．如权利要求6的陶瓷放电灯，其特征在于，第一和第二主体部件(50,60)被烧结在一起。

8．如权利要求6的陶瓷放电灯，其特征在于，第一和第二主体部件(50,60)沿一单个连接区被连接在一起。

9．如权利要求6的陶瓷放电灯，其特征在于，第一和第二电极(24,26)均从第一主体部件伸入空腔中。

10．如权利要求9的陶瓷放电灯，其特征在于，第二主体部件被形成于一个整体式透镜(104)中。

11．如权利要求6的陶瓷放电灯，其特征在于，第一和第二电极(24,26)分别从第一和第二主体部件伸入空腔中。

12．一种制作陶瓷放电腔体的方法，其步骤包括：

用陶瓷材料形成第一主体部件(50)；

用第二陶瓷材料形成第二主体部件(60)；

将第一和第二主体部件定位以限定一位于它们之间的空腔；

将第一和第二电极(24,26)以彼此非轴向的关系安装到第一和第二主体部件的至少一个部件上。

13．如权利要求12的方法，其特征在于，还包括步骤：将第一和第二主体部件(50,60)连接在一起。

14．如权利要求13的方法，其特征在于，连接步骤包括将第一和第二主体部件(50,60)烧结在一起。

15．如权利要求12的方法，其特征在于，安装步骤包括将第一和第二电极安装在第一主体部件中。

16．如权利要求15的方法，其特征在于，安装步骤包括使第一和第二电极以彼此基本平行的关系定位。

17．如权利要求15的方法，其特征在于，安装步骤包括使第一和第二电极(136,138)相互之间形成一角度地定位。

18．如权利要求12的方法，其特征在于，安装步骤包括将第一电极安装在第一主体部件上、将第二电极安装在第二主体部件上。

19．如权利要求12的方法，其特征在于，还包括步骤：将第二主体部件整体地形成于一透镜(104)上。

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