CN1006748B - 半导体陶瓷材料阴极的放电灯装置 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种放电灯装置，包括一灯管及置于该灯管内的阴极，该阴极由一价补偿半导体陶瓷材料、或一强制还原半导体陶瓷材料、或一价补偿且强制还原的半导体陶瓷材料所制成。由于阴极不包含一电子放射材料，而使用一半导体陶瓷材料，因此阴极不产生蒸气，或阴极不与填入于灯管内的水银蒸气反应。因此，此放电灯装置具有改良之特性例如象耐热性、耐化学性及放电特性。由于用作阴极的半导体陶瓷材料价廉，因此放电灯装置较为便宜。

Description

本发明系关于设有由半导体陶瓷材料制成之阴极的放电灯装置。

过去已有使用冷阴极之放电灯装置诸如钠气灯。此一放电灯之阴极或放电电极包括一待加热之线圈状钨丝，钨丝表面上包覆有电子放射材料，该材料为主要由钡、锶及钙构成之氧化物。

然而，传统的阴极之缺点为：电子放射材料有蒸发以及与充入于灯管内之水银蒸气反应的倾向，无法满足放电灯装置之各种所期望的要件，诸如耐热性、耐化学性及放电特性。另外的问题是：由于钨的价格昂贵，因此放电灯装置之成本高。

鉴于传统的放电灯装置之前述缺点，本发明之一目的系提供一可充分满足各种所期望的要件，诸如耐热性、耐化学性及放电特性的放电灯装置。

本发明之另一目的系提供可廉价制造的放电灯装置。

依照本发明，可提供一放电灯装置，包括一灯管及置于该灯管内的阴极，该阴极系由价补偿半导体陶瓷材料、或强制还原半导体陶瓷材料、或价补偿并强制还原半导体陶瓷材料所制成。由于阴极不包括电子放射材料而使用一半导体陶瓷材料，因此阴极不发生蒸气或阴极不与充入于灯管内的水银蒸气反应。因此，放电灯装置具有改良之特性诸如耐热性、耐化学性及放电特性。由于用作阴极的半导体陶瓷材料价格不贵，故放电灯装置较便宜。

本发明之前述及其他目的、特色及优点将由后面的说明连同附图而表述得更加清楚，附图中的例子显示了本发明之较佳实施例。

图1为本发明之实施例的放电灯装置之部分横剖视图。

图2为供本发明之放电灯装置中阴极实验用的系统的示意图。

图3为表示阴极之实验数据的图。

图4为本发明之另一实施例的放电灯装置的部分横剖面图。

图5为图4中所示之放电灯装置内的阴极之底视图。

图6为图5阴极之修改例的阴极的放大部分横剖面图。

图7为本发明另一实施例的放电灯装置之部分横剖面图。

图8为图7中所示的放电灯装置内之阴极的底视图。

图9为图8阴极修改例的阴极的放大部分横剖面图。

图10为本发明另一实施例的部分横剖面图。

图11为图10中所示之放电灯装置内的阴极之侧视图。

图12为图11阴极修改例的阴极的放大部分横剖面图。

图13为本发明另一实施例的放电灯装置之部分横剖面图。

图14为图13中所示之放电灯装置内的阴极之平面图。

图15及16为图13中所示的阴极之修改例的阴极端部的部分横剖面图。

图17为本发明另一实施例的放电灯装置之部分横剖面图。

图18为图17中所示之放电灯装置内的阴极之侧视图。

图19及20为使用图17中所示之阴极修改例的阴极端部的放电灯装置之部分横剖面图。

图1显示了本发明一实施例的放电灯装置。此放电灯装置包括一玻璃质灯管1，此灯管1有一端部1a，一阴极2延伸穿过该端部1a。阴极2包括位于灯管1内的圆锥形放电表面2a、受支持于管端部1a上的一圆筒形基部2b、伸出于管端部1a外的一外端2c、阴极2由配置在基部2b及管端部1a间的一玻璃质密闭层4密闭于一密闭区3内。灯管1被填充以水银蒸气。阴极2系由一半导体陶瓷材料构成。

半导体陶瓷材料可为例如原子价补偿陶瓷材料。一种典型的价补偿陶瓷材料为钛酸钡。

正如人们所熟知的，价补偿是这样实现的：加入金属离子作为杂质，该金属离子之价数与金属氧化物的构成金属离子之价数相差±1，对于因杂质之加入所造成的电荷随构成金属离子之价数的增减予以补偿。

用以制造半导体材料的价补偿添加剂之例子为Y、Dy、Hf、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Ho、Er、Tb、Sb、Nb、W、Yb、Sc、Ta等。此等添加剂可单独使用或组合使用。此等添加剂应以0.01至0.8摩尔%之范围的量被添加，最好为0.1至0.5摩尔%。

阴极2之材料宜为钛酸钡、钛酸锶、钛酸钙及钛酸镧等钛酸盐中之一者或其组成物。对上述钛酸盐中之钛酸可用锆酸、硅酸及锡酸中的一种或一种以上来取代。

本发明之半导体陶瓷材料可为一强制还原的半导体陶瓷材料。特别是，不使用前述还原过程，在充分的还原条件下，不使用前面提过的添加剂，即可制造可用作阴极的半导体陶瓷材料。

在该情况下，还原过程系在N₂或H₂之还原性气氛中进行，且宜在700℃或更高温度，更宜在1200至1450℃的范围中进行。

阴极亦可依如下方式通过将价补偿过程及强制还原过程组合而形成：

（a）添加供制造半导电性阴极材料的添加剂，以制造价补偿半导体陶瓷材料的成形体;且

（b）形成体直接被焙烧以实现还原，或者是，已在空气中通过焙烧而烧结的陶瓷材料再更进一步被焙烧从而实现还原。

以下说明在半导体陶瓷材料上进行的实验。

已施行价补偿的半导体陶瓷材料的末端被研磨成60°之圆锥形。如此而得到的半导体陶瓷材料之电阻系数为9.9Ωcm。

半导体陶瓷材料进而于稳定状态下在H₂+N₂之还原气氛（H₂之密度为20%）中，于1250℃之温度被焙烧2小时。焙烧材料之电阻系数为0.90Ωcm。

由其他钛酸盐亦得到实质上相同之结果。表1显示了供用作放电灯阴极的各种半导体陶癖材料之电用系数。

其中钛酸盐之钛酸被硅酸及锡酸中之一者或更 多者所取代的材料，所得结果实质上是相同的。

为了检验电子放射能力，表1中的阴极材料（1）至（3）之场强度已被测定。具有较低作动功能的其他材料例如象A1，亦被测定以作比较。测定结果显示于图3中。图3的垂直轴线表示在一聚乙烯容器中的放电电压（KV），而水平轴线表示样品阴极，此包括比较阴极Cu、Al、Fe及本案之阴极（1）至（3）。

实验系以图2中所示之系统施行之。聚乙烯容器5的宽度为15mm、深度为5mm、高度为10mm，其底部包覆有一水银糊层6。一样品2′被置放于容器底部上，且有一AC电源7被连接在样品阴极2′与水银糊层6之间。样品阴极2′的球状尖端之半径R为20μm，且与水银糊层6隔开4mm之距离D。最初，由AC电源7施加在样品阴极2′与水银糊层6之间的电压为10KV，然后在每1分钟内增大1KV。

由图3所示之结果可知，本案之阴极可在较比较阴极为低的电压下发生放电。我们已了解到：本发明之半导体陶瓷材料具有的放电特性相同于或更优于金属材料者。本发明的由半导体陶瓷材料制成的阴极2（图1）具有稳定的放电特性且可以廉价制造。

图4显示了本发明另一实施例的放电灯装置。此放电灯装置包括：灯管11、由半导体陶瓷材料制成且置于灯管11内的阴极12、一对引线13a、13b，该对引线13a、13b在管端部11a附近将阴极12支持于灯管11内。

如图5中所示，阴极12具有圆形之横剖面。阴极12成半圆形，包括具有半圆形放电表面12a的基部12b。基部12b之相反端部用作为连结于引线13a、13b之连结部12c、12d。引线13a、13b延伸穿过管端部11a且彼此分隔开。延伸穿过管端部11a的引线部由管端部11a所密闭。引线13a、13b之端部13c、13d伸入于灯管11内，并绕阴极12之连结部12c、12d卷绕数匝以支持阴极12，从而使阴极12实质上垂直于管端部11a。引线13a、13b亦具有伸出于管11外的后端部13e、13f。一电源被连结于后端部13e、13f之间以使一电流通过阴极12。

如图6中的放大显示，导电膜14可利用蒸气沉积或溅射方式而附于连结部12c之外周。虽未图示，但阴极12之另一连结部12d亦包覆有相同的导电膜。导电膜减少了在引线13a、13b与阴极12之间的接触电阻。

图7及8显示了本发明的另一实施例。在图7中，与图4所示部分具有相同功能之部分以相同记号表示之。图7之阴极12与图4之阴极的不同处为：基部12b之相反端具有直径小于基部12b之直径的连结部12c、12d，从而引线13a、13b之端部13c、13d通过以数匝环绕连结部12c、12d以支持阴极12。图7之放电灯装置与图4之放电灯装置依相同方式发生作用。由于引线13a、13b被卷绕于较小直径之连结部12c、12d，故卷绕引线13a、13b之过程易于施行。如图9中所示者，导电膜14可被包覆在连结部12c之外周。另一连结部12d亦可被一导电膜包覆。

图10及11说明了本发明之另一实施例的放电灯装置。此放电灯装置包括：灯管21、由半导体陶瓷材料制成且置于灯管21内的阴极22、一对引线23a、23b，该对引线23a、23b在管11内的管端部21a附近处支持着阴极22。

如图11中所示，阴极22具有一圆形横剖面。阴极22成半圆形，包括具有半圆形放电表面12a的一基部22b。基部22b之相反端部用作为连结于引线23a、23b的连结部22c、22d。连结部22c、22d形成为半径小于基部22b的凹部，这是通过切除位于其相反端部的稍内侧的基部22b的周缘面来实现的。

引线23a、23b延伸穿过管端部21a且彼此相隔开。延伸穿过管端部21a的引线部分被管端部21a所密封。引线23a、23b之端部23c、23d伸入灯管21内并以数匝卷绕于阴极22的连结部22c、22d外以支持阴极22从而使阴极22实质上垂直于管端部21a。引线23a、23b亦具有伸出于灯管21外的后端部分23e、23f。一电源被连结于后端部分23e、23f间以使电流穿过阴极22。

如图12中所示，一导电膜24可利用蒸气沉积或溅射方式而附着于连结部22c之外周上。虽未图示，但阴极22之另一连结部22d亦包覆有相同之导电膜。导电膜减少了在引线23a、23b与阴极22间的接触电阻。

参照图13及14中的另一实施例，一放电灯装置包括：玻璃制的灯管22、由半导体陶瓷材料 制成并置于灯管41内的阴极42、一密封件43，该密封件43密封性地将阴极42外周部或其中间筒身部固定于灯管41的端部41a。

阴极42包括一圆柱形基部42b，在其一端有一圆形放电表面42a，基部42b延伸穿过管端部41a。玻璃制的密封层44系以包覆或烤熔方式形成在基部42a的延伸穿过管端部41a的区域之外周上。密封部43系密封性地将密封层44贴附于阴极42的延伸穿过管端部41a的部分而形成。灯管41及密封层44系由玻璃制成以利于密封过程及增加密封部43之气密性。放电表面42a平行于管端部41a。阴极42具有一外伸端42c，在外伸端42c上置有一银制电极45以供外部连接。通过将电极45连结至一电源（未图示）可使电流通入阴极42。

如图15中所示，连结于一引线46的螺丝47可被旋在外伸端42c内，以代替图13之阴极45的使用，且电流可经螺丝47而通入阴极。另一方式如图16中所示，可将连结于一引线46的盖48安装在阴极之外伸端上，以将电流通至阴极。

图18及19显示了本发明之又一实施例的放电灯装置。放电灯装置包括：灯管51、由半导体陶瓷材料制成且置于灯管51内的阴极52、一密封支持部53。该密封支持部53在管51内的管端部51a附近处支持着阴极52。

如图18所示，阴极52包含一基部52b及一圆筒形突部52c。基部52b实质上成一平行六面体形状，其上方相对的两边缘被斜切而留下一线状放电表面52a。圆筒形突部52c自基部52b的下方中央表面向下伸出。

密封支持部53具有一引线54，该引线54延伸穿过管端部51a并被密封地支持在管端部51a上。引线54具有设在灯管51内部的内端部并被卷绕在突部52c外以将阴极52支持于灯管51内，该放电缘部52a平行于管端部51a。引线54之另一端部54b伸出管端部51a外。

图19显示了图17阴极的一修改例。在图19中，其功能与图17中之元件相同的元件系以同样记号表示。在图19中，突部52c由中央延伸穿过管端部51a，且其外端部52d自管端部51a伸出。引线54的上端部54a嵌入于一螺丝55内，螺丝55被旋在伸出端52d内，因而形成一密封支持部53。引线54被连结于一电源（未图示），以使电流通入阴极。

如图20中所示，引线54及阴极52可通过这样一种方式来相互连结，即把固定有引线54的上端部54a的一盖56装于突部52c的伸出端52d上。

虽然本发明之某些较佳实施例已被图示及说明，但应了解的是，在不违背后面之权利要求书部分之范围下，仍可作许多变更与修改。

Claims (14)

1、一种放电灯装置，包括一个灯管及其端部和设在灯管内的阴极，其特征在于该阴极由价补偿或/和强制还原之半导体陶瓷材料制成，其主要成分选自钛酸钠、钛酸锶、钛酸钙和钛酸镧中之一或其组合物；或者，上述钛酸盐中之钛酸可用锆酸、硅酸及锡酸中的一种或一种以上来取代。

2、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该价补偿之半导体陶瓷材料包括一价补偿添加剂，此添加剂系选自Y、Dy、Hf、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Ho、Er、Tb、Sb、Nb、W、Yb、Sc及Ta的族群中。

3、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该阴极具有一弧形放电表面，更包括延伸穿过该灯管一端部并支持该阴极的引线。

4、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该阴极包括一基部，该基部具有一弧形放电表面及在其相反端上的连结部，更包括分别延伸穿过该灯管一端部并支持该连结部的引线。

5、如权利要求4所述的放电灯装置，其中，在各该连结部之表面上包覆有一导电膜。

6、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该阴极具有一线状放电表面，该灯管具有一密封支持部，该阴极系由该密封支持部所支持。

7、如权利要求6所述的放电灯装置，其中，该密封支持部包括延伸穿过并被密封地固定于该灯管一端部的引线，该引线具有卷绕于设在该阴极上远离该放电表面的突部的端部。

8、如权利要求6所述的放电灯装置，其中，该密封支持部包括配置在该阴极上远离该放电表面处并密封地固着于该灯管之一端的一突部。

9、如权利要求6所述的放电灯装置，其中，该密封支持部包含：一突部，该突部配置于该阴极上且具有伸出于该灯管外的一端部;及一引线，该引线被连结于该突部之突出端。

10、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该阴极具有一弧形放电表面及分别形成于其相反端部中的凹口，又包括卷绕于该凹口中并将该阴极支持于该灯管内的引线。

11、如权利要求10所述的放电灯装置，其中，在该阴极之各凹口内包覆有一导电膜。

12、如权利要求1所述的放电灯装置，其中，该阴极包括其一端上具有一放电表面的圆柱形构件，该圆柱形构件有一相反端延伸穿过并密封地固定于该灯管的一端。

13、如权利要求12所述的放电灯装置，其中，该灯管系由玻璃制成，又包括环绕该圆筒形构件且密封地附着于该灯管的玻璃层。

14、如权利要求12所述的放电灯装置，其中，该阴极具有一引出电极，配置于该灯管外作外部连结。

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