專利名稱：單端陶瓷電弧放電燈及其制造方法
技術領域：
本發明總的涉及照明領域，尤其涉及一陶瓷電弧放電燈。
放電燈利用穿過兩電極之間的電弧使諸如金屬鹵化物和水銀混合物的填充材料電離而產生光照。電極和填充材料被密封在半透明或透明的放電腔內，放電腔對被激勵的填充材料保持壓力、并使發射的光穿過它。填充材料也被稱作“配料”，它根據電弧的激勵而發射所需的光譜能量分布。例如，鹵化物產生的頻譜能量分布對于例如色溫、彩色再現、和發光效率等光學特性可以提供寬范圍的選擇。
為了改善色溫、彩色再現、和發光效率，同時明顯地減小與填充材料的反應，目前的陶瓷放電燈腔已可以在較高溫度下、即在950℃以上工作。一般來說，陶瓷放電腔由許多利用陶瓷粉擠壓或模壓制成的部件構成。普通占有的同為待審的美國申請、即1998年4月28日申請的序列號為09/067,816申請和1999年2月16日申請的序列號為09/250,634的申請公開了一種使形成陶瓷放電腔的連接件數量最小化的普通陶瓷放電腔。例如，在先的實踐者使用了包括中心圓柱的五個部件，而中心圓柱的兩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閉。參考的申請中只使用兩個部件來構成陶瓷放電腔。
市場上可得到的所有陶瓷金屬鹵化物燈至少具有一個共同的特征。即，每個陶瓷金屬鹵化物燈均具有一放電管幾何結構，其中接收導線的陶瓷腿，陶瓷-金屬的真空密封和電極都位于該放電管體的相反端部上。這種標準的雙端陶瓷放電管結構示于
圖1。但是，這種結構的幾何形狀不能滿足小型燈結構的要求。因此，減小燈的總長度或發光中心的長度、以及提高燈設計的緊湊性是不可能的。
減小如圖1所示的標準雙端放電管結構中電弧放電管的長度仍不能滿足工業生產中的所有需要。減小放電管的長度受到位于陶瓷腿之端部處的陶瓷金屬密封能夠承受的最高溫度的限制。由于密封玻璃管要保證氣體真空度，設計者必須避免使密封暴露給可能對密封玻璃管帶來不利影響的升高或過高的溫度。
如參考的同為待審申請所述，限制電弧管中的部件數量和連接數量能產生所需的效率并減少制作成本。因此，在無閃爍工作中基于電弧間隙長度取得較好的控制、更可靠的啟動、更穩定的操作、和增高的燈效率及彩色效果的同時，刪減制作步驟和部件、并改善熱傳導和熱輻射的損耗從而得到較高的燈效率等均是所希望的特性。
一種陶瓷放電燈包括一個陶瓷外殼，該外殼具有適于接納一填充物的空腔。第一和第二電極以一定空間關系設置在空腔內、以產生與橫跨施加在電極上的電位差相應的電弧。電極以彼此非軸向的關系而設置。
在本發明的示例性實施例中，陶瓷放電燈的電極限定一單端電弧管，即、電極從電弧管的同一端伸入所述空腔內。
本發明的另一個優選的示例性實施例提供一個圓頂形端部、并在其中選裝一個整體式透鏡。
又一個示例性實施例使電極相互傾斜一個角度，以使設置在所述空腔中的第一端比設置在空腔外的第二端更近地相距。
圖1表示具有已有技術的陶瓷放電腔的燈裝置。
圖2-13是根據本發明示例性實施例的各種陶瓷電弧放電腔的放大視圖。
圖1表示已有技術的陶瓷放電燈20，它包括一雙端放電腔22，放電腔22中裝有第一和第二電極24、26和密封在放電腔中的填充材料。電極24、26連接到導體28、30，導體28、30以已有技術中公知的方式橫跨電極施加一電位差。在工作中，電極產生使填充材料電離的電弧以在放電腔中產生一等離子體。對于一陶瓷金屬鹵化物燈，該填充材料一般包括Hg，諸如Ar或Xe的稀有氣體，和諸如Nal、Tll、或Dyl3的金屬鹵化物的混合物。其它填充材料的實例是已有技術中眾所周知的。
放電腔包括一中心圓筒體部分32和第一、第二腿部34、36。電極由導線連接到電源(未示出)。電極一般由鎢構成，而由于熱膨脹系數與氧化鋁相近，所以為了減小作用在氧化鋁腿部的熱應力，導線是鈮和鉬。
放電腔在由標號40、42表示的相反端部被密封。該密封結構優選地是在熔化時能被接納在導體周圍的氧化鏑-氧化鋁-硅石玻璃粉，該玻璃流入腿部中而在導體與腿之間形成密封。通過選擇腿部的尺寸以便相對于放電腔的溫升使密封的溫度降低一希望數量。顯然，電極的軸向位置影響橫跨電極的電壓降，該電壓降顯著地影響產生的照明質量。因此，控制該影響電極之間間隔的腿部軸向位置十分重要。
作為上述同為待審申請中的教導，應當減少構成放電腔的部件數量，以便減少部件之間的連接數量。這樣做的優點是加快了放電腔的裝配、減少了制作過程中的潛在連接缺陷，因而降低了在處理過程中放電腔破損的可能性。部件最好通過模壓陶瓷和粘結劑的混合物而構成。例如，混合物包括95-98％重量的陶瓷粉和2-5％重量的有機粘結劑。陶瓷粉可包括純度99.98％、表面積約2-10m2/g的氧化鋁(AL2O3)。氧化鋁粉可摻雜例如等于0.03-0.2％、優選0.05％氧化鋁重量的氧化鎂，以抑制晶粒長大。可使用的其它陶瓷材料包括諸如氧化釔、氧化镥、氧化鉿等非活性耐高溫氧化物，和它們的固溶體以及諸如釔鋁石榴石和氮氧化鋁(alumina oxynitride)的與氧化鋁的化合物。粘結劑可以單獨使用或與諸如多元醇、聚乙烯醇、乙烯基醋酸酯、丙烯酸鹽、纖維素和聚酯的有機聚合物組合使用。
一個用于模壓實心圓柱的示例性組分包括97％重量的氧化鋁粉，該氧化鋁粉具有7m2/g的表面積、并可從BaikowskiInternational,Charlotte,NC得到，其產品號是CR7。氧化鋁粉摻雜其重量為氧化鋁之0.1％的氧化鎂。該組分還包括可從GE Lighing得到的、產品號115-009-018的2.5％重量的聚乙烯醇，和可從Interstate Chemical得到的1/2％(0.5％)重量的Carbowax600。
模壓之后，通常利用高溫分解將粘結劑從未加工部分除去并形成素瓷燒成的部件。高溫分解的過程是將空氣中的半成品部件從室溫(經4-8小時)加熱到900-1100℃的最高溫度導入的、此后保持該最高溫度1-5小時、最后冷卻該部件。高溫分解之后，該素瓷燒成(初燒)的部件的孔隙率一般約40-50％。
然后機加工該初燒部件。可沿實心圓柱的軸線鉆一個用于第一腿部的孔道。而后，沿該軸線鉆一個直徑較大的孔道、以形成所述空腔。最后，利用例如車床沿該軸線的一部分加工原始實心腔體的外部，以形成第一腿部的外表面。可以類似的方式形成第二腿部。首先鉆一個穿過腿部的小孔道，加工原始實心圓柱的外部以形成腿部，之后加工過渡部分并保留徑向延伸的凸緣。
在燒結之前將加工的部件裝配，以便燒結步驟將部件連接在一起。根據示例性的連接方法，選擇用于形成主體部件和腿的初燒部件的密度，以實現燒結過程中不同程度的收縮量。初燒部件的不同密度可通過使用具有不同表面積的陶瓷粉而達到。例如，用于形成第一部件的陶瓷粉的表面積可以是6-10m2/g，而用于形成第二部件的陶瓷粉的表面積可以是2-3m2/g。第一部件中的細粉末使初燒的主體第一部件的密度比由粗粉末制成的初燒的第二部件的密度小。第一部件的初燒密度一般是氧化鋁理論密度(3.986g/cm3)的42-44％，第二部件的初燒密度一般是氧化鋁理論密度的50-60％。由于初燒第一部件不如初燒第二部件致密，所以在燒結中產生相對的收縮量(即3-10％)，從而圍繞過渡部分形成密封。在燒結之前將兩個部件裝配，燒結步驟使兩個部件連接在一起形成一放電腔。
燒結步驟可這樣進行，即在耐高溫金屬型燃燒室中、以在1850℃下并在具有約0℃-+15℃之露點的氫氣(H2)中加熱初燒部件三到五小時。加熱處理后，部件經過約兩小時冷卻到室溫。陶瓷粉中所含的氧化鎂通常抑制晶粒增長到大于75μm。得到的陶瓷包含具有光學半透明度的緊密燒結的多晶氧化鋁。
根據另一個方法，將例如含有耐高溫玻璃的玻璃粉可設置在第一與第二部件之間、以便經加熱將兩個部件連接在一起。根據這個方法，在裝配部件之前可以單獨燒結各部件。
在燒結后，第一和第二部件一般均具有小于或等于0.1％、優選小于0.01％的孔隙率。孔隙率通常被定義為一個表示由空隙所占據一物體總體積之比例的無單位數。0.1％或更小的孔隙率的氧化鋁一般具有適宜的光學透過率或半透過率。這種透過率或半透過率可被限定為“總透過率”，它是被來自裸露的小型白熾燈的透射光通量所除的放電腔內的小白熾燈的透過光通量。在孔隙率為0.1％或更小時，總透過率一般是95％或更大。
根據另一個示例性構成方法，通過模注包含45-60％體積的陶瓷材料和45-60％體積的粘結劑的混合物而形成放電腔的部件。陶瓷材料可包含具有約1.5-約30m2/g、通常在3-5m2/g之間的表面積的氧化鋁粉。根據一個實施例，氧化鋁粉至少具有99.98％的純度。氧化鋁粉可以摻雜含量等于氧化鋁重量的0.03-0.2％、最好是0.05％的氧化鎂、以抑制晶粒長大。
粘結劑可包括蠟混合物或聚合物混合物。根據一個實施例的粘結劑包括33α重量份的石蠟，熔點52-58℃；33α重量份的石蠟，熔點59-63℃；33α重量份的石蠟，熔點73-80℃。
下述物質加入到100重量份的石蠟中4重量份的白蜂蠟；8重量份的油酸；3重量份的硬酯酸鋁。
上述石蠟可從Aldrich Chemical得到，其產品號分別是371659、327212、和411671。
在模注工藝中，陶瓷和粘結劑的混合物被加熱而形成高粘度的混合物。將該混合物注入一適當形狀的模子中，而后冷卻形成一模制的部件。
模注之后，通常利用熱處理將粘結劑從模制部件除去、而形成非粘結部件。可在空氣中或在控制的環境中，例如在真空、氮氣、稀有氣體中將模制部件加熱到最大溫度并保持該最大溫度而進行熱處理。例如，溫度可以每小時提高約2-3℃的方式從室溫逐漸加熱到160℃。之后，溫度以每小時提高約100℃的方式加熱到最高溫度900-1100℃。最后，溫度在900-1100℃保持約1-5小時。而后冷卻該部件。熱處理之后，孔隙率約為40-50％。
通常在燒結之前裝配初燒部件、以便實現燒結步驟將部件連接在一起。選擇用于形成第一和第二部件的初燒部件的密度，以便實現燒結中不同程度的收縮度。利用具有如上所述不同表面積的陶瓷粉可實現初燒部件的不同密度。
根據一個實施例，產品由包含48％體積的氧化鋁和52％體積的粘結劑的混合物構成。氧化鋁具有3m2/g的表面積、并摻雜為氧化鋁重量0.05％的氧化鎂。使用上述的蠟粘結劑。厚度為約3mm的產品在被壓靠到新聞紙上時具有充分的透明度，通過該產品閱讀新聞紙沒有任何困難。
在不脫離本發明的范圍和目的的前提下，對于本領域的技術人員來說，顯然可將諸如綠色加工或初燒陶瓷、注漿澆鑄、和溶膠-凝膠處理用于制作和連接陶瓷放電燈中所使用的放電腔。
借助上述的一般制作及連接工藝或替代的工藝，將結合圖2-13說明陶瓷放電燈中使用的各種單端放電腔。例如，圖2和3表示具有雙部件結構的單端陶瓷放電腔的第一和第二實施例。第一部件50包括可按上述方法加工或形成的凹槽52。連續側壁54給最終的放電腔結構提供一基本圓柱結構。第二部件60包括從其上分別伸出的第一和第二腿62、64。兩個腿基本上平行設置，其原因將在下文說明。腿62、62從圓盤66向外伸展，圓盤66的尺寸被設置成容納在第一部件側壁54之內。一旦燒結并連接在一起，第一和第二部件限定一個只具有一個連接結構的密封的陶瓷電弧放電腔。
對于這種結構，其放電管的總長度明顯地比圖1所示的雙端結構的總長度短。由于減小總的燈長度將使燈設計更加緊湊。另外，由于兩個腿62、64從電弧放電腔的一端伸展，所以發光中心長度尺寸也減小。這種結構也可避免因高溫度而加速的有毒化學反應物對陶瓷金屬密封的有害的影響。即，每個腿62、64中的密封位于遠離腔體中電弧或等離子體之高溫工作的一位置。這個實施例和下述變化實施例的其它優點也是明顯的。特別是，可實現更適宜的光密度分布。由于提供放電管的一清潔的端部，所以可得到更大的光通量和光密度分布。電極或腿不再干擾光輻射能量從電弧管的非腿端的傳輸。放電管的清潔端部具有較高的光透射性，所以放電管輻射和損失減小，燈效率和彩色效果提高。
因為只使用一單個的連接結構，所以電弧管可在單個周期內被密封，因此消除了此前密封所需的制作步驟。從另一方面說，這種只具有一個共同燒結連接結構的雙組件電弧管結構保持了該同為待審申請中的許多優點、同時還增加了其它的有益特征。
再一個優點是能夠精細地控制電弧間隙尺寸。電極不是從電弧放電腔的相反端插入的，因而在已有技術的雙端腔體中將電極從電弧放電腔的相反端插入時難以控制所需的電弧間隙。相反地，圖2所示的單端放電管結構根據陶瓷腿的平行度限定了電弧間隙。顯然，這種結構比已有技術更易于控制所需的電弧間隙。
另一種考慮是單端設計可以使電極在部件燒結期間被密封到腿中。此外，本提議的單端放電管結構不會對插頭或第二部件60的結構施加任何限制。再有，如在同為待審申請中所述的，插頭的形狀可以是平的、球形的、圓柱形的、或這些結構的組合。通過精細地控制電極設置，可確保電極表面上的無閃爍運作和穩定的電弧固定點位置。
圖3表示圖2結構的改型，其中，相似部件用相同標號表示，新部件限定新的結構特征。這里，第二部件或插頭包括一凸肩70，凸肩70與第一部件側壁54的末端72抵靠地接合。這種抵靠給插頭提供了相對陶瓷電弧放電腔之第一部件50的精確可靠的軸向位置。
圖4的示例性實施例略微地改變了第一部件80，其限定一插頭使之具有凸肩82，凸肩82在第二部件的伸展側壁84中為插頭提供可靠的軸向位置。還應注意，腿62、64分別具有伸展到腔體內的部分86、88，以實現更可靠的啟動和更穩定的運作。
在圖5中，排氣管90被整體地形成在第一模制部件或蓋塞80上。這表明本設計的靈活性以及許多有益的改進均可組合到該陶瓷放電腔設計方案中。
圖6和7表示具有不同形狀的第一部件或蓋部件的優選實施例。在圖6中，蓋部件100具有常規的圓拱形102。可知，可模壓或模注該部件100以提供具有圓頂蓋的單端放電燈結構。圓周連續的側壁平滑地過渡或并入該曲面形或圓頂形結構中。第二部件60的凸肩70抵靠地與第一部件側壁的末端邊緣接合，以形成部件之間的單個連接。在圖7中，圓頂結構包括一整體式透鏡104。當然，這增大了光密度分布，且正如將一特殊設計的透鏡直接安裝到電弧管內的結果一樣地產生更大的光通量。
圖8和9示出了單端放電腔結構的變型。在最后裝配時，能夠制成具有緊湊結構的單端陶瓷金屬鹵化物燈。但是，在這些實施例中，腿110、112形成在分別注射模制的腿插頭部件114、116中。除了反向或鏡像配合邊緣118、120外，這些腿插頭部件基本相同。這就允許一個腿插頭部件收縮并與第二腿插頭部件形成一燒結連接結構。每個部件包括一整體模制其中的單個腿，該腿可精確地相對每個部件定位該電極。當組合在一起時，這些腿插頭部件共同限定一完整的單端陶瓷放電腔，在該放電腔中電極之間的電弧間隙尺寸可精確地設定。
在圖9的較相似的方案中，還包括由例如模壓體122構成的中心體部分。盡管增加了連接部位的數量，但是中心體部件122可以由例如模壓的熔融氧化鋁或氧化鋁部件構成。用與上述相同的燒結和連接步驟可在中心體的相反端與單獨的腿插頭部件進行所需的連接。如果每個腿插頭部件114、116包括面向外的并尺寸設置得用于接收模壓體122相反端的凹槽118，則還可簡化裝配。
如上所述，利用平行的腿得到的、也稱作電弧間隙的電極之間的精確尺寸可實現某些優點。另一方面，圖10和11表示通過使電極彼此間形成角度而得到某些優點的情況。例如，在圖10中，模制的腿插頭體部件130包括腿132、134，當腿132、134向放電腔伸展時形成向內的角度。即，電極136、138以預定尺寸定位在分開的位置，該尺寸小于腿外端導體140、142之間的尺寸。這種結構避免了在腔體外側的一范圍內的導線之間發生電弧。由于電弧腔外側導線之間的距離較大，電弧就不大可能在與所需腔體內之相反對置的外部位置處產生。
圖11的優選實施例也包括成角度的電極結構。它也表明其它特征可組合到陶瓷電弧放電腔結構中。例如，腔內部包括彎曲的凹槽150、152。本領域的技術人員可知，這種陶瓷電弧放電腔結構在所選擇的環境中是合乎需要的。
圖12和13表示前述特征的變化組合。例如，在圖12中，圓頂形蓋160與具有彎曲內凹槽164的第二部件162相結合。腿仍然被限定在已裝配放電腔的一個部件中，于是能得到單端腔體的所有優點。這個結構在圖13中略有改變，其中，腿包括伸入到放電腔內的部分166、168。但在所有其它方面，圖13的實施例基本與圖12的實施例相似。
已經結合示例性實施例說明了本發明。閱讀和理解了本說明書的其它人將能作出改善和變形。例如，US4,285,732中的處理及合成材料可用于制作與本發明結合使用的光學半透射氧化鋁陶瓷。本發明將包括處在所附權利要求范圍內或其等同物范圍之內的那些改型和變化。
權利要求
1．一種陶瓷放電燈(20)包括一個具有空腔(22)的陶瓷外殼，空腔(22)內適于容納一填料；第一和第二電極(24,26)在空腔中隔開地設置，以便根據橫跨于電極所施加的電壓產生一電弧，該電極以彼此非軸向的關系設置。
2．如權利要求1的陶瓷放電燈，其特征在于，陶瓷外殼由模注制成。
3．如權利要求1的陶瓷放電燈，其特征在于，陶瓷材料包含氧化鋁。
4．如權利要求1的陶瓷放電燈，其特征在于，電極相互間基本平行地配置。
5．如權利要求1的陶瓷放電燈，其特征在于，電極(136,138)彼此之間非平行地形成一角度地配置。
6．如權利要求1的陶瓷放電燈，其特征在于，陶瓷外殼由第一和第二主體部件(50,60)連接在一起而構成。
7．如權利要求6的陶瓷放電燈，其特征在于，第一和第二主體部件(50,60)被燒結在一起。
8．如權利要求6的陶瓷放電燈，其特征在于，第一和第二主體部件(50,60)沿一單個連接區被連接在一起。
9．如權利要求6的陶瓷放電燈，其特征在于，第一和第二電極(24,26)均從第一主體部件伸入空腔中。
10．如權利要求9的陶瓷放電燈，其特征在于，第二主體部件被形成于一個整體式透鏡(104)中。
11．如權利要求6的陶瓷放電燈，其特征在于，第一和第二電極(24,26)分別從第一和第二主體部件伸入空腔中。
12．一種制作陶瓷放電腔體的方法，其步驟包括用陶瓷材料形成第一主體部件(50)；用第二陶瓷材料形成第二主體部件(60)；將第一和第二主體部件定位以限定一位于它們之間的空腔；將第一和第二電極(24,26)以彼此非軸向的關系安裝到第一和第二主體部件的至少一個部件上。
13．如權利要求12的方法，其特征在于，還包括步驟將第一和第二主體部件(50,60)連接在一起。
14．如權利要求13的方法，其特征在于，連接步驟包括將第一和第二主體部件(50,60)燒結在一起。
15．如權利要求12的方法，其特征在于，安裝步驟包括將第一和第二電極安裝在第一主體部件中。
16．如權利要求15的方法，其特征在于，安裝步驟包括使第一和第二電極以彼此基本平行的關系定位。
17．如權利要求15的方法，其特征在于，安裝步驟包括使第一和第二電極(136,138)相互之間形成一角度地定位。
18．如權利要求12的方法，其特征在于，安裝步驟包括將第一電極安裝在第一主體部件上、將第二電極安裝在第二主體部件上。
19．如權利要求12的方法，其特征在于，還包括步驟將第二主體部件整體地形成于一透鏡(104)上。
全文摘要
陶瓷放電燈(20)包括以非軸向關系設置的第一和第二電極(24,26)。在優選例中,電極從燈的一端向內伸展、從而限定一個單端陶瓷放電燈。在一優選例中,平行設置的電極給電弧間隙提供精確地控制;在另一優選例中,非平行成角度設置的電極(134,138)可限制腔體外部的電弧電勢。腿(62,64)整體地形成在一個主體部件(60)中,整體式透鏡(104)設置在另一個主體部件(100)中,由于沒有腿干擾來自腔體的輻射,故可提高光通量分布。
文檔編號H01J9/24GK1303121SQ0013644
公開日2001年7月11日 申請日期2000年12月22日 優先權日1999年12月23日
發明者C·E·斯科特, A·波羅茨基, A·J·譚比尼, C·D·格雷斯克維奇, B·普雷斯頓 申請人:通用電氣公司