CN101377995B - 短的金属蒸汽陶瓷灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度弧光放电灯以及一种操作高强度、高压力放电灯的方法。该高强度弧光放电灯具有短的金属密封插塞，该密封插塞比典型的毛细管密封更热地运行，能够使具有金属填充物的灯达到比由对毛细管密封灯是典型的冷点温度设定的蒸发压力高的蒸发压力。腐蚀性的填充材料，如卤素被排除。锌可以用于启动灯。

Description

短的金属蒸汽陶瓷灯

技术领域

本发明涉及电灯，特别是涉及高强度弧光放电电灯。更具体而言，本发明涉及具有纯金属填充物的陶瓷高强度弧光放电灯。

背景技术

陶瓷高强度弧光放电灯是良好的强白光源，并且便于用于投影器和其他光束产生装置。这些陶瓷高强度弧光放电灯通常用陶瓷体制成，该陶瓷体可以是圆柱形的或者球根状的，并具有支承密封导线的两个轴向延伸的细长毛细管。毛细管通常具有10或更大的长度直径比。长毛细管在接近主体的热内端部和接近毛细管尖端的较冷外端部之间存在大的温度梯度。因而，金属电极(通常为钨电极尖端的延伸棒组件)可以沿着铌部分对毛细管的较冷端部以玻璃料密封，该金属电极具有可为钼或金属陶瓷的延伸部分以及一般为铌的密封部分。细长的毛细管必然形成轴向长灯，其难以安置在小容量装置中，诸如难以安置在小型投影器中。因此，存在对没有毛细管或毛细管密封件的陶瓷放电灯的需求。

在工作中，HID(高强度放电)灯的密封温度必须保持在最弱元件的熔化温度之下。通常，最弱元件是玻璃料密封件。通过借助于长的毛细管使该密封件从主陶瓷体延伸出来而保持玻璃料冷却。玻璃料的最大工作温度通常设定了灯的冷点温度，因此限制了在灯工作期间在其中可被蒸发的材料。因而存在对具有较高工作密封温度的灯的需求。

通过使用窄的横截面并且通过辐射热、对流冷却或以其它方式在延伸的毛细管长度上释放热来热阻挡沿着毛细管的热流。冷却在延伸的毛细管上的电极以保持玻璃料存在几个问题。第一个问题是，毛细管扩大了灯的尺寸，限制其安置在小型装置中。第二个问题是，电极冷却中的热损耗实际是来自光产生的能量损耗。热损耗也延长了从点燃到完全导通状态的启动时间。因而存在对具有热密封件的灯的需求。

在毛细管中环绕电极组件的剩余容积用作填充材料的贮存处。该贮存处可以不均衡地保持填充材料或向放电部提供填充材料，或者可以提供与放电部、电极组件或外壳壁相互作用产生不期望的化合物的反应区。以不受控方式进入和离开剩余容积的盐会导致随时间变化的色移。需要减小或消除放电灯的密封区中的剩余容积，并由此限制这些效应。

纯金属一般比在高强度放电灯中通常使用的碘化物盐更具反应性，并因此通常会引起玻璃料密封材料的问题。本发明的目的是使密封件能耐受金属填充物成为可能。

发明内容

高强度弧光放电灯可以由基本上由陶瓷材料形成的外壳而制成。外壳具有通过内表面限定封闭容积的壁。由至少一个从封闭容积的内表面延伸到该壁的外侧的通道来形成该壁。该灯至少具有第一导电电极组件，该第一导电电极组件延伸到封闭容积中并且穿过具有气密地密封在该通道中的金属密封部的密封插塞而耦合到外壳的外部，以便在没有使用玻璃料的情况下关闭该通道。在超过800摄氏度的正常工作期间，密封插塞具有最小的工作温度。化学填充物位于封闭容积中，该化学填充物包括在800摄氏度和1000摄氏度之间具有蒸发作用的一种或更多种纯金属。化学填充物不包括在正常的灯工作温度下与金属密封部化学反应的任何非金属成分。使用在20摄氏度下填充压力大于五千帕斯卡的惰性填充气体。

附图说明

图1示出了高强度放电灯的示意性横截面视图。

图2示出了高强度放电灯外壳的示意性横截面视图。

图3示出了第一密封插塞的示意性横截面视图。

图4示出了第二密封插塞的示意性横截面视图。

图5至图8示出可替选的高强度放电灯的横截面视图。

具体实施方式

图1示出了高强度放电灯10的示意性横截面视图。灯10包括陶瓷外壳12、密封在外壳12中的一个或更多个电极组件32、33、填充化学物16和惰性填充气体。

图2示出了高强度放电灯外壳12的示意性横截面视图。陶瓷外壳12可以由各种陶瓷形成。为此，玻璃、硬质玻璃和石英在此并不被视为陶瓷，而多晶氧化铝、多晶镝、氧化钇、氮氧化铝、氮化铝和类似的固体金属氧化物和金属氮化物材料(及其混合物)被视为陶瓷。优选的陶瓷是多晶氧化铝(PCA)。所选的陶瓷外壳12具有用于与密封部36、37的热膨胀系数匹配的陶瓷热膨胀系数。优选的外壳12具有壁18，该壁被成形为用于通过内表面22限定球状封闭容积20。优选的内表面22无角地成球状。长球体、扁圆球、椭圆体或类似的内部成圆形的表面是可接受的。如圆柱形外壳的情形那样，优选无角表面22，以便避免在角或裂缝中可能形成的冷点。壁18具有平均厚度24。优选的壁厚度24大于或等于0.1毫米且小于或等于2.0毫米，厚度为大约0.9毫米较佳。申请人已经制造出厚度为0.4毫米的壁，并且可以制造更薄的壁，但是灯的寿命随着壁越来越薄而越来越短。壁可以制造成厚于2.0毫米，但是透射率被减少并且较厚壁增加热质量变成问题。优选的封闭容积20具有大于1.0毫米且小于或等于42.0毫米的内径26，优选值为7.9毫米。

壁18限定第一通道28和类似的第二通道38。第一通道28和第二通道38从灯外部延伸到封闭容积20。第一通道28具有内径30，该内径的大小被确定以便与金属密封插塞32形成压配合。过盈密封(interferenceseal)于是可以沿着通道28在密封插塞32和外壳陶瓷(PCA)之间形成。优选的通道28和38分别形成有肩部41和49用以分别设置密封插塞32、33的轴向插入。第一通道28的冷内径30比密封部36的相应冷外径42小百分之三至百分之九(3％-9％)(图3)。这在最后的烧结工艺(1850摄氏度)中发生的致密化(densification)期间被实现。完全烧结的PCA部件的优选通道28具有比密封部36的相应外径42小百分之七(7％)的内径30。第二通道38可以简单地形成并密封。圆柱形通道28具有大于或等于0.8倍的平均壁厚度24且小于或等于平均壁厚度24的长度40的两倍，优选值为平均壁厚度24的1.11倍。第二通道38具有类似的短轴向长度43。相对短的通道28、38不具有毛细管形状，并且不提供对毛细管密封件典型的相同冷却梯度。而通道28、38具有最小的轴向长度40、43。在灯工作期间，通道28、38由于相对短的长度40、43和与金属密封插塞32、33的密切热接触因而具有几乎等温的温度。

图3示出密封插塞32的示意性横截面视图。通道28用具有电极34和密封部36的密封插塞32来密封。优选的密封部36是具有直径42和高度44的圆柱体。在一个优选实施例中，直径42和高度44大致相等。可在内侧上形成的有轴向对准的盲孔以容纳电极杆34。电极杆34对高强度放电灯是典型的，并且可以是具有任何已知端部尖端结构(诸如绕接或其他的结构)的钨杆，并且轴向延伸，用于暴露在封闭容积20中。一旦杆34插入在盲孔中，则该杆被焊接或以类似方式结合到密封部36。便利的是，相似的导线35插在密封部36的外侧上以便能够以电或机械的方式耦合到灯。

图4示出了由第二密封部37和第二电极杆39形成的第二密封电极组件33。密封部37可以是具有直径43和高度45的圆柱体。在一个优选实施例中，直径43和高度45大致相等。为了填充封闭容积20，穿通通道形成在第二密封部37中。在填充化学物和填充气体进入封闭容积20之后，通过将第二电极39插入穿通通道中并且焊接或以类似方式结合第二密封部37和第二电极39来关闭第二密封部37。优选的电极杆39也可以对高强度放电灯是典型的并且可以是具有任何已知的端部尖端结构(诸如绕接或其他尖端)的钨杆，并且轴向延伸以便暴露在封闭容积20中。电极39可被保持在适当的位置，使得其在通过现有技术中的任何众所周知的手段来焊接时不移动位置，即对杆夹紧或刮擦使其轻微地变形以产生摩擦表面干涉，或者焊接垂直于电极胫(shank)的止挡线。优选的内胫部在尺寸和形状上相似，并具有类似的绕接的端部。优选的第二电极39形成为两部分组成的胫，所述胫具有内胫，该内胫在密封部的内表面开始并支承绕接的端部。内胫和绕接端部所具有的组合外径足够小以便通过密封部通道，使得它们可以穿过密封部通道被插入以出现在封闭容积中。

优选的密封部36、37是具有外径42、43的插塞，所述插塞的尺寸被确定以分别配合外壳通道28、38，所有插塞都优选为圆柱形。密封部直径42、43被选择，使得完全烧结的外壳通道28、38的内径30、31(冷温度)略微较小，比如说在密封部36、37的相应外径42、43的0.91倍和0.97倍之间，优选值为密封部外径42、43的0.94倍。优选的密封部36、37所具有的从密封部36、37的内表面到外侧的轴向尺寸44、45为平均壁厚度24的一倍至平均壁厚度24的大约4倍，优选为不大于平均壁厚度24的两倍。相对薄的密封部36、37因而不用作散热器，但是更为可能被保持在围绕的外壳壁18的平均工作温度或在该平均工作温度之上。密封插塞32、33不是毛细管密封件，因为它们没有玻璃料，并且在轴向上是薄的以便与围绕的外壳大致等温。

密封部36、37可以通过混合两种或更多种金属粉末来形成，这些金属粉末可以被挤压、烧结、热均衡地挤压或以其他方式致密化。例如，一种金属粉末可以具有比所选的陶瓷更高的膨胀，而其他金属粉末可以具有比陶瓷更低的膨胀。相对于氧化铝(优选的陶瓷)，第一金属粉末可以选自包括钼、钨及其合金的组，并且第二金属粉末可以选自包括铬、钛、钒及其合金的组。然后，这两种金属粉末被混合以具有与所选陶瓷外壳材料的陶瓷热膨胀系数接近匹配的组合热膨胀系数。特别地，金属粉末被混合以具有与陶瓷热膨胀系数相差不大于正的或负的百分之四的热膨胀系数。

位于封闭容积20中的是化学填充物16，该化学填充物在被施加电能时可被激励来进行光发射。优选的化学填充物包括一种或更多种纯金属，所述纯金属在密封插塞32、33可维持的工作温度下具有实质蒸发压力。相对热的密封插塞32、33使得能够使用包括在典型的玻璃料熔化温度之上且在陶瓷外壳材料的烧结温度之下实质蒸发的纯金属的填充物成为可能。优选的填充物20包括选自由钡、钙、铯、铟、锂、汞、钾、钠、铊和锌组成的组中的各纯金属或这些纯金属的组合物。其他纯金属可以用于产生特殊的光源。例如，来自周期表的其他金属可以使用来自包括IA、IIA、VA、VIA、VIIA、VIIIA、IB、IIB、IIIB、IVB、VB和VIB的族的金属，只要它们在工作温度下不与密封插塞反应。作为例子，可以使用镁，但是不可以使用会形成金属硫化物的硫。有益的是，将汞用作电压产生添加物(voltage developing additive)；然而，汞对于某些用途可能是不可接受的。本高温密封结构的特殊优点是，纯锌可被用于替代汞来辅助产生灯电压。优选的是锌与金属钡、钙、铯、铟、锂、钾、钠和铊中的一种或更多种的填充组合物。化学填充物16被选择以排除卤素、卤素化合物和其他在正常灯工作温度(大约1200摄氏度)会与金属密封部36化学反应的化合物。在将卤素和其他起反应的化合物从填充物16中排除的情况下使用纯金属防止了PCA溶解到如现有技术中那样熔化的化学填充物中。因而，减少了外壳12的内部腐蚀。

封闭容积20还包括惰性填充气体。优选的填充气体可以是氩、氪或氙或其混合物。在20摄氏度的填充压力可以在10帕斯卡至2兆帕斯卡(20个大气压)的范围。优选的填充气体压力在20摄氏度大约为60千帕斯卡。优选的填充气体是氙，其具有比10千帕斯卡(十分之一个大气压)大的冷填充压力。

在一个实施例中，陶瓷外壳由PCA制成，并且在1000摄氏度下具有的热膨胀系数为每摄氏度8.3×10^-6。密封插塞由71.0重量百分比的钼的第一组分制成。第二组分由29.0重量百分比的钒制成。钼粉末(71.0％)与钒(29.0％)混合。然后将该两种组分的混和物挤压并烧结以在具有封闭气孔的情况下具有大于95％的密度，并且被机加工以形成直径为2.0毫米且轴向长度为20.0毫米的圆柱形插塞。该插塞在1000摄氏度具有的热膨胀系数为大约每摄氏度8.3×10^-6，几乎与PCA的热膨胀系数相同。直径为0.68毫米且长为2.2毫米的钨杆被焊接到密封插塞的端部上。陶瓷凸出的外壳(大致球体，具有无角的成圆形的内部)由PCA制成，该PCA在1000摄氏度具有的热膨胀系数为每摄氏度8.3×10^-6，该陶瓷凸出的外壳包括具有烧结直径的圆柱形通道以便相对于匹配的2毫米直径的钼钒插塞进行密封。该插塞插入圆柱形通道并且将这两个部分烧结在一起。第二通道类似地形成并且通过类似的插塞和电极来密封。一个优选的密封过程是将第一密封插塞(32)和第二密封部(37)密封入外壳的相应的通道中。然后，将填充物16通过在第二密封部(37)中敞开的通道引入。组件被置于具有激光窗口的压力容器中，并且用所选惰性填充气体(氩、氙等)加压至所期望的冷填充压力。电极杆(39)插入到第二密封部(37)中。激光束透过该窗口来焊接第二密封部(37)和电极杆(39)，用于密封封闭容积。优选的填充物是随同在大约50千帕斯卡的冷压力下的氙填充气体一起的钠、铊、铟、汞。在一个实施例中，填充物包括摩尔百分比为大约6.64的铟、摩尔百分比为大约49.64的钠、摩尔百分比为大约38.06的汞和摩尔百分比为大约5.65的铊的组合物。灯具有9.7毫米的外部赤道直径和12.6毫米的外部轴向长度。电极端部从外壳的主体轴向地延伸2.0毫米(内部插塞表面至电极尖端)，并且具有0.25毫米的直径。灯在大于1000摄氏度的温度下工作。

图5至8示出了可替选的高强度弧光放电灯的横截面视图。图5示出了具有轴向对准的密封插塞50、52的可替选高强度弧光放电灯的横截面视图，每个密封插塞都具有阶梯状凸缘54、56用以与相应圆柱形通道的端部一同进行密封。T形或“礼帽”形的插塞辅助该插塞在灯外壳体中装配和定位。图6示出了具有类似于图5中的配置的电极的可替选高强度弧光放电灯，其中电极杆62延伸穿过密封插塞64。密封插塞64沿着电极杆62从阶梯状凸缘66倾斜向上以延伸密封接合。图6的“锥形的礼帽”与如图1和图5所示的角焊相比便于焊接用于锥形焊的薄的锥形区。图7示出了具有插塞密封件70、72的可替选的高强度放电灯的横截面视图。虽然电极杆尖端大致在主外壳轴线上，但是插塞密封件70、72偏离主外壳轴线，并且电极杆74、76与主外壳轴线形成角度。图7示出了两个不必正相对的通道。相反，电极可以处于外壳中的相同纬度处，而不只是处于极(pole)位置。图8示出了具有插塞密封件80、82的可替选地高强度弧光放电灯的横截面视图，其中插塞密封件80、82具有小于外壳壁厚度86的轴向厚度84。第一电极部分87、89可以直接焊接到插塞密封80的相应面而不是保持在盲孔中。图8示出了其中插塞80的厚度小于直径、具有更像“硬币”的纵横比的实施例。这在经济上是有吸引力的，因为使用更少的混合金属材料，如钼钒材料。

重要的是，在正常的工作期间提高灯密封温度以便使优选的填充材料能够蒸发，并避免在密封区域中或其周围的填充物冷凝或填充物分离(fillsequestration)。为了提高密封温度，在通道28、38和密封部36、37之间的各个密封不用玻璃料形成。玻璃料已知为具有多种化合物的像玻璃的材料，用于熔化密封在陶瓷外壳和金属电极之间的接触面。玻璃料具有典型为大约1600摄氏度的熔点，该熔点小于陶瓷外壳烧结温度，并且小于金属电极软化温度。玻璃料仍然可以在相对低的温度下，例如小于780摄氏度下与灯填充材料进行化学反应，并且为了减少这种反应且保持它们的机械密封特征，玻璃料通常保持在它们熔点以下的温度。这在毛细管密封中是通过将玻璃料设置在毛细管的外(较冷)端部处来实现的。在毛细管型灯中，毛细管或邻近区域于是变成或包括灯的冷点。冷点温度是确定灯的冷凝特性时的重要驱动因素。用于毛细管密封中的玻璃料材料仅能耐受大约780摄氏度，并且该温度因而设定在毛细管型灯的外壳中什么可被蒸发。在本结构中，密封不具有玻璃料，并因而可以耐受较高的工作温度。密封插塞32、33的区域因而可以变得与剩余灯体几乎同样热(如果不是比剩余灯体更热的话)，由此将冷点温度推到超过1000摄氏度。这与传统的毛细管灯的情况不同，在传统的毛细管灯中，热点通常沿着灯体，并且毛细管区域相对较冷(如果不是冷点的话)。

本结构新颖且有益的特征是，密封区(外壳壁18和密封插塞32的接合的区域)可以在提高后的温度下操作以便迫使填充化学物进入到高温封闭容积区中。热密封插塞使得填充物可包括在典型的玻璃料温度限制以上的温度下可蒸发的材料。例如，纯金属现在可以在更高的温度被蒸发，并且为弧光光谱贡献它们各自的光发射。在工作中，围绕密封插塞的圆柱形区域通常在比灯外壳的赤道区域热50至100摄氏度的情况下地工作。在以40瓦工作的情况下，如图1所示被构造的一个灯示出了圆柱形密封区，当赤道外壳区域工作在973摄氏度的温度时，该圆柱形密封区要在相对密封插塞区的变化小于5摄氏度的1039摄氏度温度下工作。这是沿着本体5.8毫米的距离上的大约66度的温度梯度或从外壳和插塞之间的内部接合点至外壳赤道所测量到的每毫米大约11.3摄氏度的温度梯度。希望的是，在外壳壁和密封插塞之间在灯的内部上的焊接接头的温度测量值是更热的。

在本结构中，从密封中消除玻璃料，使得使用较高温度填充材料和更少腐蚀性的纯金属填充材料成为可能。在较高的工作温度的情况下，达到相同的压力需要较少的填充材料。在较高的工作温度的情况下，可以实现更有效的光产生。虽然这里已示出且描述了当前被视为本发明的优选实施例的内容，但是对本领域技术人员显而易见的是可以进行各种改变和修改而并不背离所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种高强度弧光放电灯(10)，包括：

由陶瓷材料形成的外壳(12)，所述外壳具有壁(18)，所述壁具有限定封闭容积的内表面(22)，所述内表面是无角的，所述壁限定平均厚度(24)，所述壁进一步形成有从封闭容积的内表面延伸到壁的外侧的至少一个通道(28)；其特征在于

所述至少一个通道(28)具有小于平均厚度的两倍的轴向延伸；

至少第一导电电极(32，33)，所述至少第一导电电极延伸到封闭容积中，并且通过具有气密地密封在所述通道中的金属密封部(36)的密封插塞(32)而电耦合到所述外壳的外部，以在不使用玻璃料的情况下关闭所述通道；所述金属密封部具有小于平均壁厚度的两倍的轴向延伸，所述金属密封部旨在在超过800摄氏度的正常工作期间具有最低的工作温度；

位于封闭容积中的化学填充物，所述化学填充物不包括在正常的灯工作温度下与金属密封部化学反应的任何非金属组分；所述化学填充物包括选自以下组中的纯金属：铝、锑、砷、钡、铯、铟、锂、镁、汞、钾、钠、锶、碲、铊和锌；以及

惰性填充气体，该惰性填充气体在20摄氏度具有大于10千帕斯卡的填充压力。

2.根据权利要求1所述的灯，其特征在于所述密封插塞在正常的灯工作期间具有的工作温度超过灯外壳的平均工作温度。

3.根据权利要求1所述的灯，其特征在于化学填充物包括选自钡、铯、铟、锂、汞、钾、钠、铊和锌中的至少一种金属。

4.根据权利要求1所述的灯，其特征在于所述化学填充物包括锌以及选自钡、铯、铟、锂、汞、钾、钠和铊中的至少一种金属。

5.根据权利要求1所述的灯，其特征在于密封件的金属密封部具有被匹配为外壳陶瓷的热膨胀系数的正的或负的百分之四之内的热膨胀系数。

6.根据权利要求1所述的灯，其特征在于金属密封部是第一金属和第二金属的混合物，并且其中在灯工作的温度下，第一金属具有比外壳陶瓷的热膨胀系数小的热膨胀系数，并且第二金属具有比外壳陶瓷的热膨胀系数大的热膨胀系数。

7.根据权利要求1所述的灯，其特征在于化学填充物不包括任何卤素或卤素化合物。

8.根据权利要求1所述的灯，其特征在于化学填充物包括摩尔百分比为6.64的铟、摩尔百分比为49.64的钠、摩尔百分比为38.06的汞和摩尔百分比为5.65的铊的组合物。

9.一种操作根据权利要求1所述的高强度、高压力放电灯的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供具有无玻璃料电极密封件的高压力陶瓷放电灯外壳，所述无玻璃料电极密封件具有耦合到陶瓷外壳的金属密封部；以及

b)操作所述灯，使得金属密封部具有超过平均外壳温度的温度。

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