專利名稱：藍寶石陶瓷金屬鹵化物燈的整體密封的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及高壓放電燈弧光管的密封，特別涉及高壓放電燈的由藍寶石構成的弧光管的密封。
高壓放電燈，例如陶瓷金屬鹵化物(CMH)燈，一般采用透明的或半透明的陶瓷弧光管。該陶瓷燈管應該具有高耐腐蝕性、高溫度容量和高透光性。由陶瓷端部組件例如栓塞或蓋閉合和密封陶瓷弧光管的相對端部。該端部組件還支撐由鉬或鎢制成的放電電極。電極延伸過端部組件并被氣密性地密封在該組件中。當電流供給電極時，在電極之間的燈管內形成弧光放電。
金屬鹵化物弧光管可由多晶氧化鋁構成，與通常的石英金屬鹵化物弧光管材料相比，該多晶氧化鋁具有優良的化學耐腐蝕性和較高的實際工作溫度。在當前的商業實踐中，多晶氧化鋁是優選的弧光管材料。多晶氧化鋁弧光管一般由多晶端部栓塞密封。
為了獲得燈性能的進一步改善，已提出使用藍寶石(單晶氧化鋁)代替多晶氧化鋁作為弧光管材料的建議。與多晶氧化鋁相比，性能的提高主要是由于藍寶石的較高的透射水平。
但是，制造藍寶石(單結晶氧化鋁)弧光管方面的問題是弧光管端部的密封。密封石英和多晶弧光管的常規方法已不能滿足要求。藍寶石的不同晶體取向有不同的熱膨脹系數。因此，藍寶石弧光管的晶體取向必須精確地取向，以便在最大膨脹和/或收縮方向上其熱膨脹系數與栓塞或蓋的熱膨脹系數接近匹配。當藍寶石燈管的晶體取向未按這種方式精確取向時，溫度的急速變化可使藍寶石弧光管破裂。因此，在技術上需要改善端部組件與藍寶石弧光管的連接方法。
本發明提供制造陶瓷金屬鹵化物放電燈的燈管組件的方法。該方法包括配置由藍寶石或單晶氧化鋁制成的燈管和配置由未燒結的多晶氧化鋁構成的端蓋的步驟。加熱該端蓋直至它被預燒結，去除粘接材料。然后，預燒結的端蓋被放置于燈管的端部上，在它們之間形成界面。加熱預燒結的端蓋和燈管，直至端蓋被燒結在燈管上和燈管的藍寶石晶體生長進端蓋中，在端蓋和燈管之間原先的界面上形成整體密封。
通過下面參照附圖的詳細說明，本發明的這些和其它特性及優點將變得明顯，其中
圖1是按照本發明的有藍寶石弧光管和陶瓷端蓋的燈組件一端在焙燒之前的剖面側視圖；圖2是與圖1相似的剖面側視圖，為焙燒之后的側視圖，表示在弧光管和端蓋之間形成整體密封；圖3是按照本發明第二實施例的有藍寶石弧光管和陶瓷端蓋的燈組件一端在點火前的剖面側視圖；和圖4是與圖3相似的剖面側視圖，為焙燒之后的側視圖，表示在弧光管和端蓋之間形成整體密封。
圖1表示按照本發明的陶瓷金屬鹵化物(CMH)燈組件10的端部。應該指出，燈組件10的兩個端部是相同的或大致相同，因此，這里僅詳細圖示和說明燈組件10的一個端部。燈組件10包括透明的高壓外殼或弧光管12，密封弧光管12開口端的套管或端蓋14，和電極組件16，該電極組件16穿過端蓋14并由端蓋支撐，以便當電流供給電極組件16時，在密封的弧光管12內形成弧光。
由完全致密的藍寶石(單晶氧化鋁)形成透明的弧光管12。可以用任何適當的方式制造該弧光管。例如，參見美國專利Nos.5427051、5451553、5487353、5588992和5683949所披露的制造藍寶石弧光管的適當方法，這些專利披露的內容在此作為整體被明確地引證。
弧光管12為具有環形端面17和圓柱形狀的外表面18及內表面20的管狀。而壁厚度可以是任何適當的尺寸。
由適當的處于未燒結狀態或“生料狀態”的多晶陶瓷材料，最好是多晶氧化鋁，構成端蓋14。端蓋14在有多晶氧化鋁粉末的情況下最好包含約0.02wt％至約0.2wt％的MgO。
最好通過把細陶瓷粉末的混合物冷模壓制成以下將詳細說明的期望形狀來形成端蓋14。但是，替換地，按噴射鑄造或按任何其它適當的工藝方法，把陶瓷粉末模壓成體或塊，并由塊機加工成期望的形狀，也可以形成端蓋14。
各端蓋14有圓盤形狀的主壁22，圓柱形狀的裙邊或凸緣24，和管狀的延伸部分26。主壁22有面對弧光管12端面的平的內表面28和背對弧光管12端面的平的外表面30。
凸緣24從主壁22的外周邊朝向弧光管12向內軸向延伸。主壁22與凸緣24一起形成蓋筒或管筒，以便在其中容納弧光管12的端部。凸緣24有圓柱形狀的內表面32，內表面32有規定尺寸的直徑，以便如下所詳細說明的那樣，形成與弧光管12的外表面18的充分的整體密封。凸緣內表面32的長度有規定的尺寸，以便如下詳細說明的那樣，在端蓋14和弧光管12之間提供足夠的密封面積。
延伸部分26從主壁22的外表面30向外軸向地延伸，并且延伸部分26一般處于主壁22的中心。延伸部分26和主壁22一起形成整體穿過端蓋14的軸向延伸的孔或洞34。孔34的尺寸和形狀，如下詳細說明的那樣，在電極組件16和端蓋14之間形成足夠的氣密性密封。孔34最好是圓柱形狀。延伸部分26的長度是規定尺寸，以便對電極組件16提供充分的支撐，并提供端蓋14和電極組件16之間的足夠的密封面積。
電極組件16為一般具有直線支桿36和固定于該支桿36內端上的線圈38的標準結構。支桿36和線圈38各自經高溫形成，并由例如鉬或鎢這樣的導電金屬構成。
“生料”端蓋14最初被加熱至預燒或預燒結溫度，以除去有機或粘接材料，并增強生料強度。與燒結溫度相比，預燒溫度較低。預燒溫度最好在約900℃至約1100℃的范圍內。最好在空氣中完成預燒，另外，也可以在其它適當的氧化氣氛中完成預燒，以便燒掉有機材料。
一旦冷卻，便將預燒結的端蓋14放在弧光管12的端部上，使弧光管12的端面17與端蓋主壁22的內表面28嚙合，并使弧光管12的外表面18與端蓋凸緣24的內表面嚙合。因此，端蓋14閉合弧光管12的開口端。
如圖2中的最佳表示所示，弧光管12和端蓋14被加熱至燒結和/或結晶生長溫度，導致在弧光管12和端蓋14之間的整體密封。燒結溫度最好在約1800℃至約1900℃的范圍內。燒結最好在氫氣氛中進行，但另一方面，也可以在真空、氦或任何其它適當的還原性氣氛中進行。在兩個原先的界面上產生整體密封，第一界面40在弧光管端面17和端蓋內表面28之間，而第二界面42在端蓋內表面32與弧光管外表面18之間。
由于端蓋14是“生料”，所以當它們被加熱至燒結溫度時，該端蓋收縮。藍寶石弧光管12是完全致密的，以致當其被加熱至燒結溫度時，藍寶石弧光管的尺寸也不收縮。最好測量弧光管12和端蓋14的尺寸，以便由端蓋14的收縮產生端蓋14的內徑，在燒結后，該內徑比弧光管12的外徑約小3％至約7％。端蓋14的收縮產生應力，由于該應力有利于擴大的晶粒生長過程，因而該應力驅使整體密封的形成。弧光管12的藍寶石(單晶氧化鋁)生長成多晶端蓋14，以形成整體密封。在燒結溫度下進行連續加熱處理以退火因端蓋14的收縮性在界面上起初產生的應力。
在圖2中，虛線表示原先在弧光管12和端蓋14之間的界面40、42。但是，應該指出，在部件12、14之間不再有間斷，在原先的界面上整體密封完全連續。還應該指出，在有晶粒邊界的多晶區域與沒有晶粒邊界的藍寶石區域之間有可見的邊界，該邊界在原先的界面上并不明顯。美國專利No.5451553的圖2中示出了這種邊界，該專利所披露的全部內容在此引證。
可以用邊界可動性(mobility)增強材料例如鎵或鉻摻雜端蓋14。該摻雜物增強界面上的孔隙去除和藍寶石(單晶氧化鋁)變成為多晶氧化鋁的生長。或者，可以用邊界增強材料涂敷部件12、14的界面區域。
用普通的密封劑涂敷并焙燒電極組件16，并把該組件插入孔中。接著，按公知的方式，預燒該組件10，熔化密封劑，于是在陶瓷端蓋14和金屬電極組件16之間提供氣密性密封。
圖3展示按照本發明第二實施例的陶瓷金屬鹵化物(CMH)燈組件44的端部，其中相同的參考標號用于相同的結構。除端蓋14有環形凹槽46而不是凸緣24(圖1)之外，燈組件44與圖1所述的燈組件10相同。
凹槽46從主壁22的內表面28向外軸向延伸進入主壁22。凹槽46形成在其中容納弧光管12端部的支座或插座。由環形底部表面48、圓柱形的外表面50和圓柱形的內表面52形成凹槽46。外表面50的直徑，設計得使與弧光管12的外表面18形成充分的整體密封，并且內表面的直徑也設計得使與弧光管12的內表面20形成充分的整體密封。凹槽46的軸向長度或深度這樣確定，以便在端蓋14和弧光管12之間提供充分的密封面積。
如上述第一實施例所述，一旦預燒結端蓋14，那么，弧光管12的端面17與端蓋凹槽46的底部表面48嚙合、弧光管12的外表面18與端蓋凹槽46的外表面50嚙合和弧光管12的內表面20與端蓋凹槽46的內表面52嚙合，端蓋14就被放置在弧光管12的端部上。
如圖4所示，因燒結在弧光管12和端蓋14之間產生整體密封。在所有界面上不產生整體密封。在弧光管端面17和凹槽底部表面28之間的第一界面40上和在弧光管的外表面18和凹槽外表面50之間的第二界面上產生整體密封，但在弧光管內表面20和凹槽內表面52之間不產生整體密封。由于在燒結期間“生料”端蓋14的收縮，當凹槽內表面52脫離弧光管內表面20時，在弧光管內表面20和凹槽內表面52之間產生環形間隙或空間。最好用合適的玻璃相材料54填充該間隙，以便端蓋14與弧光管12進一步密封。
盡管已經詳細說明了本發明的特定實施例，但應該指出，本發明并不限于此，而包括在所附權利要求的精神和范圍內的所有變化和改進。
權利要求
1.一種制造高壓放電燈的燈管組件的方法，所述方法包括下列步驟配置由藍寶石制成的燈管；配置由未燒結的多晶氧化鋁制成的端蓋；加熱所述端蓋，直至所述端蓋被預燒結，以除去粘合劑；將所述預燒結的端蓋放置于所述燈管的端部上，在它們之間形成界面；和加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管，直至所述端蓋被燒結在所述燈管，和所述藍寶石燈管生長進所述端蓋，在所述端蓋和所述燈管之間原來的界面上形成整體密封。
2.如權利要求1的方法，其特征在于，加熱所述端蓋和所述燈管的所述步驟包括使所述端蓋的內徑縮小達到小于所述燈管外徑的尺寸。
3.如權利要求2的方法，其特征在于，將所述端蓋的所述內徑縮小至比所述燈管的所述外徑小約3％至約7％的尺寸。
4.如權利要求1的方法，其特征在于，配置端蓋的所述步驟包括形成圓盤形狀的主壁和從所述主壁的外周邊軸向延伸的凸緣，而加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管的所述步驟包括在所述端蓋凸緣的內表面與所述燈管的外表面之間的界面形成整體密封。
5.如權利要求4的方法，其特征在于，在所述燈管的端部上放置所述預燒結的端蓋的所述步驟包括使所述燈管的端面與所述端蓋主壁的內表面嚙合。
6.如權利要求5的方法，其特征在于，加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管的所述步驟包括在所述端蓋主壁的所述內表面與所述燈管的所述端面之間的界面形成整體密封。
7.如權利要求1的方法，其特征在于，配置端蓋的所述步驟包括形成圓盤形狀的主壁和從所述主壁側軸向延伸的環狀凹槽。
8.如權利要求7的方法，其特征在于，加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管的所述步驟包括在所述端蓋凸緣的外表面與所述燈管的外表面之間的界面形成整體密封。
9.如權利要求8的方法，其特征在于，將所述預燒結的端蓋放置于所述燈管端部上的所述步驟包括把所述燈管的端面與所述端蓋凹槽的底部表面嚙合。
10.如權利要求9的方法，其特征在于，加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管的所述步驟包括在所述端蓋凹槽的所述底部表面與所述燈管的所述端面之間的界面形成整體密封。
11.如權利要求8的方法，其特征在于，加熱所述預燒結的端蓋和所述燈管的所述步驟包括在所述端蓋凹槽的內表面與所述燈管的內表面之間的界面形成環形的間隙。
12.如權利要求11的方法，其特征在于，還包括用玻璃相材料填充該間隙以進一步密封端蓋與弧光管的步驟。
13.如權利要求1的方法，其特征在于，還包括在所述端蓋完全燒結到所述燈管上后繼續加熱所述端蓋和所述燈管，直至消除所述界面的初始應力的步驟。
14.如權利要求1的方法，其特征在于，設置端蓋的所述步驟包括形成圓盤形狀的主壁，從所述主壁側軸向延伸的管狀延伸部分，和穿過所述主壁和所述延伸部分的軸向延伸的孔。
15.如權利要求1的方法，其特征在于，還包括用邊界增強材料摻雜所述端蓋的步驟。
16.如權利要求15的方法，其特征在于，還包括從鎵和鉻中選擇所述邊界增強材料的步驟。
17.如權利要求1的方法，還包括用邊界增強材料涂敷在界面上的所述端蓋和所述燈管中的至少一個的步驟。
18.如權利要求17的方法，其特征在于，還包括從鎵和鉻中選擇所述邊界增強材料的步驟。
19.用權利要求1的方法制造的高壓放電燈。
20.用權利要求1的方法制造的陶瓷金屬鹵化物放電燈。
全文摘要
一種制造陶瓷金屬鹵化物(CMH)放電燈的方法,該放電燈在藍寶石(單晶氧化鋁)弧光管與多晶氧化鋁端蓋之間有整體密封。該方法包括配置完全致密的藍寶石弧光管和配置由未燒結的加壓多晶氧化鋁粉末制成的端蓋的步驟。加熱端蓋直至該端蓋被預燒結,以除去有機粘合劑材料。將預燒結的端蓋放在弧光管的端部上,在它們之間形成界面。然后加熱組裝的預燒結的端蓋和弧光管至燒結溫度,其中端蓋被完全燒結在弧光管上,并且藍寶石燈管生長進入端蓋。在端蓋和弧光管之間的原來的界面上形成整體密封。
文檔編號H01J61/36GK1256787SQ99800130
公開日2000年6月14日 申請日期1999年2月10日 優先權日1998年2月11日
發明者C·E·斯科特, M·S·卡里斯澤維斯基 申請人:通用電氣公司