CN100375223C - 高压气体放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压气体放电灯，包括至少一个介于玻璃态材料与钼之间的气密熔凝冲压密封，其中熔凝冲压密封中的钼至少部分暴露在氧化环境中，并且至少暴露于氧化环境中的那部分钼覆盖了一层涂层，所述涂层包括至少一种选自Fe2O3，Ta2O5，Nb2O5，Al2O3，SiO2，TiO2，ZrO2，HfO2的氧化物，和/或一种选自TiN，ZrN，HfN，AlN，BN的氮化物，和/或一种选自TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，B4C的碳化物。

Description

高压气体放电灯
技术领域
本发明涉及一种高压气体放电灯，包括至少一个介于玻璃态材料与钼之间的气密熔凝冲压密封，其中熔凝冲压密封中的钼至少部分暴露在氧化环境中，并且至少暴露于氧化环境中的那部分钼覆盖了一层涂层。
背景技术
由于其光学性能优越，因而优选将这类高压气体放电灯(HID(高强度放电)灯)用于投影用途，用于高射(over head)投影和用作聚光灯。这种高压气体放电灯的例子有所谓的UHP或MSR灯(菲利浦)，但是本发明也包括其他制造商制造的类似的灯。这种高压气体放电灯的灯管优选由石英或高温玻璃组成。灯管通常包括至少两个钼馈通，其确保灯管按照气密方式封闭，并使得可以为安装在灯管内部的发光装置供给电压。
实际的能量供给通常通过优选由钨构成的内部电极来实现。在向外方向上，电极通常经由钼连接至外部镇流器。钼通常采用钼箔或钼带或钼丝的形式。气密密封通常由至少一个介于一般为石英的玻璃态材料与钼之间的气密熔凝冲压密封构成。熔凝冲压密封可以按照已知方式制成所谓的箍缩密封或者熔凝钼冲压密封。因为石英玻璃与钼的热膨胀系数差别很大，因此当温度变化很大时，例如在熔凝冲压密封制成后的冷却过程中，熔凝冲压密封中的钼必须能收缩。总的来说，熔凝冲压密封中的气密密封由钼，特别是钼箔的尺寸以及熔凝冲压密封的尺寸来保证。然而，延伸离开放电室的那部分钼，即使位于熔凝冲压密封内，也暴露在氧化环境中。在暴露于氧化环境中的熔凝冲压密封的这个区域中，在灯工作时钼的温度必须低于350℃，以防止通常为钼丝的钼在氧化过程中出现任何与材料相关的增益。在特定情况下，钼的温度随着沿纵向离开放电室的距离增加而降低。如果已知特定灯的温度状况和气密熔凝冲压密封的尺寸，以及特别是钼在固定接头中延伸的纵向距离，则可以确定熔凝冲压密封的最小必要长度。
例如，在可通过商业途径获得的UHP灯(120W型)中，这个区域的纵向长度约为3cm，设置有放电室的灯管区域的纵向长度约为0.9cm。迄今熔凝冲压密封的纵向长度必须符合这样的尺寸，而这在某些应用场合下是不利的。随着正在进行的开发以及新的应用领域的开拓，市场需要尺寸较小但功率相近、或者尺寸相近但功率较大、或者具有更好的耐高温性能的熔凝冲压密封的高压气体放电灯。
从文献可知有几种不同的增加钼的抗氧化性进而增加耐高温性能的方法。一种解决方法(见其中的DE19603300)涉及在具有石英灯管所用的钼箔馈通的电灯中，通过掺杂方法来提高钼的抗氧化性。替代地，文献还提出可在钼表面涂覆一层至少能提高钼的抗氧化性的涂层。但是没有一种材料可以保证在高压气体放电灯需要的在至少450℃以上的温度下具有可靠的耐高温性。
从US5,021,711可知一种石英灯，其位于箍缩密封之外的钼丝带有涂层，并且其中位于箍缩密封之中的钼，特别是呈钼箔形式，在钼的表面区域可富集着抗氧化材料。这种富集通过利用离子注入的成本昂贵的渗入方式来实现，这意味着，尽管在涂覆情况中不常见，钼箔层的厚度不会增加。相关抗氧化材料可选自铬、铝、硅、钛、钽、钯及其混合物。所公开的通过所谓的PCVD(等离子增强的化学汽相淀积)过程而涂覆于外部钼丝上的材料为氮化硅和/或碳化硅。
根据US5,021,711，在技术层面来说，对位于气密箍缩密封内的钼进行涂覆并不是非常可行，因为本领域技术人员曾经对此做过很多尝试，但是由于不同的原因，到那时为止在实际应用时都不是很成功。其需要分别提高位于灯中的箍缩密封内部和外部的那些部分钼的抗氧化性，而这是一个复杂而昂贵的过程。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种起始段落中所述类型的高压气体放电灯，以及一种具有这种高压气体放电灯的照明装置和/或投影装置，其具有包含有至少经过涂覆的钼的气密熔凝冲压密封，以提高灯的性能并允许其在工业生产的范围内高效制造。
涂层包括至少一种选自Fe2O3，Ta2O5，Nb2O5，Al2O3，SiO2，TiO2，ZrO2，HfO2的氧化物，和氮化物和碳化物中的至少一种，氮化物选自TiN，ZrN，HfN，AlN，BN，碳化物选自TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，B4C，由此使本发明的目的得以实现。
通过根据本发明选择适用作钼的涂层的材料，以便满足提高耐高温性能方面的要求并且能通过常用工业涂覆过程如PCVD或者CVD过程来制造，根据本发明的高压气体放电灯以及由后者形成功能元件的照明装置就能改进性能。由所建议的材料构成的涂层保证了在灯的整个使用寿命过程中都具有合适的耐高温性能，至少在350℃到600℃的温度范围内能保证。所选择的材料同样也需要具有合适的耐高温性能。一种度量方法是材料的熔点，举例来说，其通常应该高于玻璃态物质，如石英的软化温度。另外，它们的热膨胀系数应该尽可能地与钼相同(4.8ppm/K)，以便最大可能地减少在钼和涂层之间产生热应力和热应变。
与传统的高压气体放电灯相比，根据本发明得以提高的耐高温性能在对安装位置有限制的应用情况中非常有利。例如，目前某些投影灯只能在水平安装位置工作。安装于垂直位置将导致双冠(twin-cap)高压气体放电灯的上端产生过高的高温，进而导致其严重损坏。更高的耐高温性能克服了这些限制，并且使在利用根据本发明的灯来设计照明和/或投影装置的样式时可能有更多的自由度。
另外，对于迄今为止必需提供用于监控灯的温度并冷却灯的部件的大量投影装置来说，本发明至少能降低其中包含的成本和复杂程度。
一般来说，出于防腐蚀保护原因而必须在填充有惰性气体的外部封套中工作的灯中，现在还存在省却这些外部封套的可能性，因此本发明还涉及具有外部封套的高压气体放电灯。
在本发明的一个实施方案中，涂层优选地具有5nm至20μm的膜厚度，其中100nm至20μm的膜厚度被证明在工业生产环境下尤其有用。基本上，优选使用上述范围内的薄膜，尽管另一方面必须努力获得致密的膜，其在技术层面上来说更易于保证优选范围内的较大膜厚度。
涂层自身也优选地由多个层组成。在此情况下，这些层自身应该尽可能地性质均一并且气密性良好，它们可以具有不同功能、不同膜厚度和/或不同化学组成。例如，直接应用于钼上的层可以起到保护层的作用。特别是，其可以确保例如CVD涂覆过程中产生的化学腐蚀性处理气体不能直接与钼发生反应。当有多个层时，中间的层可以有助于减少在温度变化时由于钼和涂层材料的热膨胀性能不同而经常产生的热应力和应变。这可以由以下方法实现，例如，当有两层时，外层由Al2O3组成，中间层由钛(Ti)的氮化物(N)和碳化物(C)的混合物组成，选择合适的N和C的质量比以使得中间层的热膨胀系数的值介于钼(4.8ppm/K)的和Al2O3(8ppm/K)之间。
作为替代方案，直接应用于钼上的层优选由AlN(4-5ppm/K)或Ta2O5(2.8ppm/K)组成。
令人惊奇的是，使用Al2O3可以制得一种特别适用于本发明的涂层，虽然Al2O3的热膨胀系数(8ppm/K)与钼(4.8ppm/K)相差甚远。
本发明的一个特别实施方案使得熔凝冲压密封可以减少至达到耐高温用途所需的量，因为熔凝冲压密封的最小可能尺寸，特别是未暴露于氧化环境中的那部分钼的纵向长度，能作为组成涂层的特定材料的函数而得到。
由于根据本发明得到的钼的涂层，熔凝冲压密封的长度能大大缩短，因为在灯的工作过程中，暴露于氧化环境中的灯的端部的温度能升高至350℃到600℃。由于本发明实现了熔凝冲压密封的长度缩短，高压气体放电灯的燃烧器的尺寸常常也得以减小。这使得可以实现一些新式灯设计，例如尺寸较小但功率相同，或者尺寸相同但功率较大的灯。具有至少一个根据本发明的熔凝冲压密封的燃烧器的材料和生产成本，以及其他元件，如反射镜的成本能够得到显著降低。在灯的工作过程中，较小尺寸的熔凝冲压密封还能够吸收和散射更少的光，因此提高了灯或者反射镜发出的光的质量。
在功率较低的灯中，效率也得以提高，因为只需要加热较少的材料使灯达到必要工作温度。同时，由于热传导和辐射所造成的热损失可以降低，因为灯表面区域的热传导和辐射可以降低。
本发明的另一个方面涉及将根据本发明的高压气体放电灯用作投影用途。
根据本发明的高压气体放电灯所能实现的改进使所述灯非常适合以上用途。耐高温性能提高为已知的和新的应用提供了特别的优点。例如目前只能在水平安装位置上工作的某些高压气体放电型的投影灯现在就不再受这些安装方面的限制。灯尺寸的减小是目前世界范围内对作为投影用途的高压气体放电灯的研制工作的焦点，与利用高压气体放电灯的其他领域相比，其对投影应用具有更巨大的影响。
本发明的目的还可通过包含高压气体放电灯的照明装置和/或投影装置而实现。
与其它能够使用根据本发明的高压气体放电灯的装置相比，灯尺寸的减小或者其效率的增加具有非常巨大的影响。本发明使得在用于现有的和新的应用的照明装置和/或投影装置的样式和设计可以有全新的自由度，同时还可满足市场的迫切需求。
本发明的这些以及其他方面通过参照下文所述的实施方案可得到清楚地阐明。
附图说明
附图中：
图1是灯封套的示意图，其具有一个放电室，并属于高压气体放电灯(UHP灯)。
具体实施方式
图1是根据本发明的高压气体放电灯(UHP灯)的灯封套1的部分的示意图，其具有一个放电室2。灯封套1整个为一体式，将充满了通常用于此用途的气体的放电室2密封在其中，并且其材料通常是石英玻璃，并且其包含两个被熔凝冲压密封61，62占据的彼此相对的圆柱形区域，这两个熔凝冲压密封61、62各自沿纵向延伸了大约30mm，一个球形区域4位于这两个圆柱形区域之间，其直径大约为9mm。钼5的一部分，也就是延伸离开放电室2的至少部分钼带81，82，以及至少部分钼丝91，92，仍然暴露在氧化环境中，即使它们位于熔凝冲压密封61，62中。电极装置基本上包括一个第一电极31和一个第二电极32，在其相对的尖端之间，在放电室2内激发了放电电孤，这个电孤起高压气体放电灯的光源的作用。电极31，32的端部通过钼带81，82与钼丝91，92相连接。钼丝91，92还与灯的电接头(图1中未示出)连接，由此电灯工作所需的电源电压被从电源送入，电源通常还配有一个为通用线电源电压设计的镇流器。
涂层71，72位于钼带81，82和钼丝91，92的外表面上。涂层71，72各自都由两个层组成。
8μm厚的外层由Al2O3形成，4μm厚的中间层由钛(Ti)的氮化物(N)和碳化物(C)的混合物形成。选择合适的N和C的质量比以使中间层的热膨胀系数的值介于钼(4.8ppm/K)和Al2O3(8ppm/K)之间。两个层的涂覆通过本身已知的CVD过程来进行，在涂覆过程之前已将钼带81，82分别连接于钼丝91，92上。
对具有不带涂层的钼带以及按照本发明的带有涂层的钼带的上述类型UHP灯的抗氧化性能进行研究，作为改进使用寿命试验的一部分。在600℃下回火6小时后，不带涂层的钼带显示了明显的氧化特征，而按照本发明的带有涂层的钼带却未显示出任何氧化特征。

Claims (8)

1.一种高压气体放电灯，包括至少一个介于玻璃态材料与钼之间的气密熔凝冲压密封，其中熔凝冲压密封中的钼至少部分暴露在氧化环境中，并且至少暴露于氧化环境中的那部分钼覆盖了涂层，该涂层包括至少一种选自Fe2O3，Ta2O5，Nb2O5，Al2O3，SiO2，TiO2，ZrO2，HfO2的氧化物，和氮化物和碳化物中的至少一种，其中所述氮化物选自TiN，ZrN，HfN，AlN，BN，和其中所述碳化物选自TiC，ZrC，HfC，VC，NbC，TaC，B4C，其特征在于该涂层由至少两层组成，其中直接应用于钼上的涂层由氮化物和/或碳化物构成，而下一层由一种或多种氧化物组成。
2.根据权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于涂层的膜厚度为5nm至20μm。
3.根据权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于下一层由Al2O3构成。
4.根据权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于直接作用于钼上的层由AlN构成。
5.根据权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于熔凝冲压密封尺寸的减小作为构成涂层的特定材料的函数得到。
6.根据权利要求5所述的高压气体放电灯，其特征在于未暴露于氧化环境中的那部分钼的纵向长度尺寸的减小可作为构成涂层的特定材料的函数得到。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高压气体放电灯，用于投影用途。
8.包含根据权利要求1-6中任一项所述的高压气体放电灯的照明装置和/或投影装置。
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