CN101562117A - 防止或减少通过金属卤化物灯外壳的氦泄漏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了防止或减少通过金属卤化物灯外壳的氦泄漏的方法。一种灯(100)和减少高温灯中气体流失的方法包括提供光源和围绕的外罩(150)，在光源外侧和外罩内侧使用具有比氮更高热导率的填充气体，和改进外罩使其至少在灯的额定工作寿命中容纳初始填充气体的至少20％。外罩(150)优选通过选择外罩材料、控制外罩厚度、在外罩上提供涂层和选择填充气体中的一种或多种进行改进。

Description

防止或减少通过金属卤化物灯外壳的氦泄漏的方法

技术领域

本发明涉及高温灯，其特征在于具有受限于光源的高温或封装光源的外壳的高温的光学或光度性能、或寿命或可靠性。其可以应用于有电极和无电极的高温放电灯、白炽灯和卤素灯、LED灯以及其它高温灯。其特别应用于具有陶瓷或石英电弧管外壳的金属卤化物灯，其中在电弧管和围绕的灯罩或外部护套之间使用氦、氢、氖或其它轻质气体取代氮或真空作为填充气体。本公开特别应用于作为汽车头灯、狭点灯或紧凑型灯的金属卤化物灯。然而，本公开在整个照明工业的广泛应用是可以预期的。

背景技术

当前有市售的头灯设计基于石英罩的使用，该罩密封地贴附和围绕石英金属卤化物电弧管。下一代的头灯设计可以使用陶瓷金属卤化物电弧管并且还结合石英罩，在头灯电弧管和外罩之间填充N₂或抽真空。预期用陶瓷替代石英获得的通常的益处在陶瓷放电头灯中增加，可能包括更高的LPW、更好的色彩、无汞剂量，以及改进的灯全寿命过程中流明和色彩的保持性。然而，由于典型的陶瓷电弧管外壳的光散射，为了提供产生高性能光束所要求的高亮度、低光散射水平的紧凑光源，在相同的应用中陶瓷电弧管的尺寸必须显著地小于石英电弧管的尺寸。典型地，为了获得相当的光学性能，陶瓷电弧管的外部尺寸必须做得与石英电弧管的内部尺寸相当。在这样的设计中的这种小陶瓷电弧管工作时所获得的陶瓷电弧管温度典型地达到或超过陶瓷材料的最大可接受温度。典型地，工作在真空环境中的电弧管要比工作在充气(典型地N₂)环境中的相同电弧管热，尽管即使是在N₂气氛中，如此小的陶瓷电弧管的温度通常也会过度地高。换句话说，在陶瓷电弧管用于放电头灯的应用中，陶瓷电弧管的尺寸不能做得足够小而不招致高温的负面影响。类似的情况典型地见于其中陶瓷金属卤化物电弧管的良好的性能特征比石英金属卤化物电弧管的更好的其它灯的应用中，然而尽管陶瓷电弧管有散射，但为了提供高亮度光束，陶瓷的尺寸必须做得如此小以至陶瓷工作时会太热。类似的情况也典型地见于其中希望将高亮度光源装入比现有产品的更小的外部护套或更小的灯反射器以便可以将灯装入更小的反射器或更小的外壳中，然而更紧凑的几何形状导致陶瓷电弧管外壳的工作温度高到无法接受的程度的任何应用。电弧管外壳过热时，不利的结果可能包括短的灯寿命、低可靠性、全寿命过程中流明或色彩的保持性差、以及电弧管破裂的风险等。

降低陶瓷或石英电弧管外壳温度的一个办法是使用填充在电弧管和外部护套或灯罩之间的空间中的气体，其比当前的典型填充气体具有更好的导热性，通常是氮或氮及其它气体的混合物，或者是真空。使用具有比氮显著更高传热性的填充气体导致更低的电弧管温度。这样的冷却能力允许电弧管的尺寸更小从而整个灯组件也更小，因此得到更加良好光学性能的光源。在陶瓷电弧管的情况下，更小的尺寸能另外提供更等温的外壳温度，该温度显著减小应力并由此减小破裂故障发生的可能性。

几种气体，包括氦和氢，已经被建议用作填充气体以降低电弧管温度，从而允许更小的电弧管设计(例如，可参见US20070057610A1，其公开了一充气外罩以提供冷却器电弧管)。更小的电弧管设计将改进头灯、集束灯或紧凑型灯的光学性能，也用于减小应力，得到更长的灯寿命。

本发明要解决的问题是在围绕电弧管的石英罩或外部护套中容纳供替换的(alternate)诸如氦或氢的具有较高传热性的填充气体以便该供替换的气体的冷却益处能够使具有比常规电弧管更小尺寸的电弧管成功工作时遇到的困难。建议使用的气体均具有高于N₂气的传热性，并且这种气体的原子或分子通常小于N₂分子，且通常具有比N₂气更高的石英或玻璃的渗透率。特别地，氦和氢非常快速地渗透穿过石英，并且渗透率随着石英温度的升高而增加。在多数气体向外渗透并通过外罩流失在外面后，氦或氢冷却气体的热和应力益处流失。冷却气体流失后，电弧管由于其小尺寸而将依然以非常高的亮度工作，但它将比预期热得多地工作并将遭受源于过热的不利结果。在以具有用于金属卤化物灯的典型石英罩的高温灯的典型工作温度下工作时，对于容纳于石英壳内的氦来说，上述情况在工作大约100小时后发生，而对于氢而言，上述情况在工作大约250至500小时之间发生。这和典型的放电头灯大约2000-5000小时以及一般发光放电灯通常10000小时或更长数量级的设计寿命形成了对照。很明显，需要一种容纳设计以使氦或氢在数千小时的工作中保持在灯罩中。

鉴于上述情况，虽然使用氦、氢或其它具有比氮更高传热性的填充气体可以解决围绕使用氮而产生的一定问题，但是这样的使用要求外罩的改进以消除或令人满意地减少通过石英的渗透。

然而对于头灯性能来说另一个缺点是，在头灯罩中氮气的功能之一是抑制电击穿电弧管的外部电引线之间的气体。这在由灯镇流器或电源施加例如25kV数量级的高压点火脉冲时发生。由于氦非常高的电离势能，氦气可以充分地抑制击穿，但它可能需要额外的少量N₂或其它气体以进一步抑制击穿。

发明内容

发明概述

本发明涉及一种将具有比氮更高热导率的氦、氢或类似填充气体置于电弧管和灯罩之间的灯，其中在灯的额定寿命中氢、氦或类似填充气体初始容量的至少20％被保持在外罩(shroud)内。

本发明另外涉及一种消除或减少氦或氢(或类似填充气体)渗透穿过外罩或外部护套的方法。

优选的方法和灯包括提供一个灯电弧管和围绕的外罩，在电弧管外部和外罩内部使用具有比氮更高热导率的填充气体，以及改进外罩使其在灯的至少额定寿命中含有初始填充气体的至少20％。

外罩改进步骤和所得灯包括以下中至少之一：选择外罩基材、外罩上的涂层、外罩壁的厚度以及用于容纳目的的气体的选择。

所述方法和灯包括使用具有比氮更高热导率的诸如氦、氢或氖之一的填充气体作为填充气体(或者可以向其中加入一定数量的氮气)，并且其中涂层包括氧化铝、二氧化硅、氧化钽、二氧化钛、氧化铌、二氧化铪和NiO或其它透光性高温材料氧化物、氮化物或氮氧化物或它们的组合之一。

所述方法和所得灯包括形成硅铝酸盐玻璃(Corning 1720型或GE 180型硅铝酸盐)或其它在玻璃中含有至少5％摩尔份数的碱金属氧化物和碱土金属氧化物的高温玻璃的外罩。

所述方法和所得灯包括对外罩的内和外表面之一或两者施涂高温涂层。

主要的益处在于更低的电弧管温度，以及伴随而来的把电弧管和灯组件设计得更小的能力。

另一个益处由可能减小的应力产生，相应地减小了破裂故障发生的可能性。

又一个益处是在灯组件数千小时的工作时间内保持较低的电弧管温度。

此外其它的益处和优势将在阅读和理解以下详细叙述后更加显而易见。

附图说明

图1表示一个双头灯的设计。

图2表示一个单头灯的设计。

图3是在不同电弧管的外部导线间距下使用氦和氮的曲线图。

图4是列出几种候选玻璃包括它们的软化点和碱金属加碱土金属氧化物的摩尔含量的表。

图5是550℃时氦在由各种基材组成的容器中的保留量的曲线图。

图6是550℃时氦在具有各种涂层的石英容器中的保留量的曲线图。

图7是550℃时氦在石英、GE 180型硅铝酸盐玻璃和钠钙玻璃容器中的保留量的曲线图。

图8是显示容器壁厚度对氦的保留量的影响的预测和实验值的曲线图。

图9是氢在掺杂的石英容器中的保留量的曲线图。

图10是氢在硅铝酸盐玻璃容器中的保留量的曲线图。

图11是显示在约550℃熔炉中200小时后，保留在各种测试容器中的冷却气体的测量百分比的表。

图12是显示在约550℃熔炉中2000小时后，保留在一个测试容器中的冷却气体的预期百分比的表。

图13是显示在约550℃熔炉中10000小时后，保留在一个测试容器中的冷却气体的估计百分比的表。

具体实施方式

提供一种高温放电电弧管如陶瓷金属卤化物(CMH)灯，特别是用作头灯的CMH灯，其在小的高温透光外罩中容纳有氦、氢或其它冷却气体，其中冷却气体导致热点温度的降低和设计更小的光学性能更良好的电弧管的能力。为了参考的目的，如上所述，高温灯的特征在于具有受限于光源的高温或封装光源的外壳的高温的光学或光度性能、寿命或可靠性。高温灯包括例如有电极和无电极的高温放电灯、白炽灯和卤素灯、LED灯以及其它高温灯。

为了在外罩中容纳诸如氦或氢的冷却气体，可以使用三种布置中的一种或几种。第一种构思涉及一种最小壁厚度的外罩。第二种构思涉及用高温玻璃罩，例如硅铝酸盐玻璃替代传统的石英罩。第三种构思涉及将高温涂层施涂于外罩的表面。例如，所有三种特征的组合的特征在于厚度为1-2mm由硅铝酸盐玻璃制成并涂覆有高温薄膜的外罩。硅铝酸盐玻璃具有1015℃的高软化温度，和785℃的高退火温度，从而保证了该玻璃适合于多数的高温灯应用，特别是CMH头灯的应用。可以在硅铝酸盐外罩的内和/或外表面涂覆进一步阻止氦或氢从外壳扩散流失的材料，如50nm至10μm厚，更优选1至3μm厚的下述材料的层：氧化铝、二氧化硅、氧化钽、二氧化钛、氧化铌、二氧化铪、氧化锆、NiO或其它透光性高温材料氧化物、氮化物或氮氧化物或它们的组合，具有高于500℃的分解点，或氧化钽-二氧化硅、二氧化钛-二氧化硅或其它高温、高或低系数材料的组合的多层干涉涂层，其为了利于抗反射。

灯100包括主体或也被称为外壳或电弧管的容器102，102具有带有沿轴向外延伸的第一和第二支柱106、108的腔或放电室104。所述支柱分别接纳被连接至外部电源(未显示)的电极/导线组件120、122。此外，在支柱的每一外端提供密封124、126以紧密地密封相应于支柱的电极组件。例如，优选的密封是通常沿着导线组件的一部分提供的玻璃料密封。每一电极/导线组件的内端延伸入放电室，并与位于电弧室对面的相应的内端隔开预定的距离，该距离被定义为由附图标记128所示的电弧间隙或弧长。电弧室的内径或孔径130也参考图1。

图1的双头灯的轴外部部分或外部导线部分140、142分别与第一和第二电极/导线组件120、122电和机械连接。在图2的单头灯中，支撑柱144总体上以与电弧管平行分支的关系延伸并支撑外部导线部分140。灯100优选地容纳于外部护套、封壳或外罩150中。在本公开中所有提及“外罩”这个词的地方，都是指用以在围绕光发射器的体积内提供受控气体环境的围绕灯的光发射器的任何外壳。文献中在一些灯的描述中，“外罩”这个词可以被“外部护套”或“外部灯泡”或“灯壳”或“外壳”或类似的描述替代。

图1和2所示的电弧管几何结构可被归为双头电弧管设计，尽管灯、或外部护套或外罩的构造在图1中被归为双头的，而在图2中被归为单头的。然而，本公开同样很好地适用于其中两个电极/导线组件120、122是彼此相邻布置的单头电弧管设计。这样的单头电弧管几何结构通常被安装在类似于图2中的单头灯几何结构中。另外，本公开也同样很好地适用于无电极放电灯。

根据本发明，电弧管由多晶氧化铝或者PCA构成。PCA的使用允许该灯以比石英灯更高的温度工作而又不会遭受失透或电弧管外壳材料的其它不利反应。外罩通常由石英制成，并且在本公开选择的实施方案中外罩由高温玻璃罩形成，例如硅铝酸盐玻璃(Corning 1720型或GE 180型硅铝酸盐)或其它在玻璃中含有至少5％摩尔份数的碱金属氧化物和碱土金属氧化物的高温玻璃。

除上述外，使用标准电极材料，例如铌丝、钼丝和钨丝。这些电极材料的备选方案是已知用作电极的含陶合金(金属陶瓷)材料。

CMH灯的电弧管进一步包括标准填充气体成分，例如氩、氪或氙，其被密封在电弧管上部结构中，以及金属和金属卤化物成分，例如Ca、Ce、Tl、Na、Nd、Dy、Ho、Tm、La、Sc、Li、Cs、Mg、Sr、Ba、Al、Sn、In、Ga的碘化物、溴化物或氯化物，或其它已知的配料材料，以及Hg或Zn或ZnI₂或其它预期用于提供对放电电弧有高电阻抗的配料材料。电弧管的外壳材料可以是多晶氧化铝(PCA)、微晶氧化铝(MCA)、单晶氧化铝(蓝宝石)、钇铝石榴石(YAG)、铝的氮氧化物(AlON)、氧化钇、镁-铝氧化物(尖晶石)或其它高温、透光性陶瓷。

外罩密封在电弧管周围，即采用容纳于密封端(图1)或密封端(图2)中的钼箔152密封在每一端。电弧管和外罩150之间的空间或腔154通常充满氮气，并且根据本公开的教导，在约1个大气压的压力下，在头灯外罩和头灯的陶瓷放电电弧管之间的空间中充满氦(本公开提到氦，尽管应意识到诸如氢、氖或其它具有比氮显著更高传热性的冷却气体也可以被使用)，或者是真空。在外罩或外部护套的工作温度达到约500℃的条件下，约1个大气压的初始氦填充压力的至少约20％优选被保持达约3000小时。在更高的工作温度下实现氦流失的上述最小化的几种方法在这里被公开。

用氦气替代存在于头灯电弧管和外罩之间的空间中的传统氮填充气体在头灯的几个工作参数方面提供优势。在一个实施方案中，用氦替代氮允许电弧管外壳在更低的温度下工作。在另一个实施方案中，氦的使用导致电弧管外壳在更低的温度下工作，这提供了以小得多的形式设计头灯组件得到光学性能更良好的光源的能力。然而氦的使用也伴随着自己的问题，例如，氦倾向于非常快速地渗透穿过石英罩，特别是在较高的温度下。随着氦填充气体扩散穿过外罩，这种氦的渗透最终导致开始时通过氦的使用而获得的热和应力益处的丧失，这将会在工作约100小时后发生。

不丧失热和应力益处地使用氦作为填充气体在这里通过改进外罩150实现，从而阻止或令人满意地减少氦的渗透。在一个实施方案中，通过用硅铝酸盐玻璃罩替代石英罩对头灯设计进行改进。玻璃用作外罩材料要考虑其温度的限制。硅铝酸盐玻璃具有约1015℃的软化点，和约785℃的退火点。这些温度超过了预期的外罩热点温度即大约500-700℃。因此，对于在最长约3000小时的长时间中减少氦渗透，硅铝酸盐玻璃是可行的选择。

在灯寿命的终点应该保留的冷却气体的数量可以估计如下。在冷却气体以流体的形式通过热传导或对流而不是以低压分子的形式工作时，冷却气体在排除来自电弧管的热量方面是最有效的。只要气体介质处于连续体或流体形式而不是分子形式，气体介质的热传导率就与气体压力无关。从自由分子形式向连续体形式的转变发生在克努森(Knudsen)数减小到小于约0.1时。克努森数(Kn)是无量纲的流体参数，等于气体碰撞平均自由程除以气体外壳中典型空间尺寸，在本例中是电弧管外侧和外罩内侧之间的间隙。对于Kn小于0.01的处于电弧管外侧和外罩内侧之间的间隙为1.0mm的外罩中的氦或氢冷却气体来说，冷却气体压力必须大于200托。因此，在灯制造过程中如果外罩内初始被施加约1个大气压(1巴，760托)，那么在灯全寿命过程中保持初始冷却气体量的仅仅30％就足够了。由于气体冷却效果适度的退化，和/或如果外罩和电弧管之间的间隙大于1.0mm的话，灯全寿命过程中冷却气体需要保留的量可以比30％小很多。如果灯全寿命过程中有相当大的冷却气体的损失，并且如果为了隔绝高压电击穿的利益而加入一定百分比的N₂，那么为了保持冷却气体对电弧管冷却效果的有效贡献，灯全寿命过程中冷却气体必须保留的量应该大于N₂的大约初始百分比(通常约5-20％)。对于很多灯应用来说，在灯寿命的额定终点冷却气体需要保留的量的估计值可以取冷却气体初始填充压力的约20％，或者说从初始填充的约600托保留约120托。

如前所述，罩内氮气的功能之一是当从镇流器施加高压(约25kV)点火脉冲时，抑制电弧管的外部电导线之间的气体的电击穿。当灯设计是单头的(图2)而不是双头的(图1)，并且两根导线处于灯的同侧时，这是所关心的问题。由于氦非常高的电离势能，认为氦气可能或不可能充分地抑制击穿。如果氦气不能提供足够的电绝缘，那么一定数量的氮气可以在一定的氮气分压下被加入氦气中，该氮气分压足够低(小于氦气压的约1/4)以避免减小氦的热益处，但又应足够高以便氮的负电益处得以实现。

对这个构思进行了研究，其结果示于图3中。纯氦和纯氮在各种间隙宽度下的情况都被进行了研究，两种气体的组合也进行了研究。对号(check)标记代表击穿不发生的点，而“x”标记表示发生击穿的点。线代表两者间的阀值。总之，氮确实比氦进行得更好，但两种气体的组合在实际的间隙宽度下可以用于抑制击穿。观测到的纯氦状态下的击穿间隙与纯氮状态下的相当不同，17mm对比8mm。然而，加入仅仅少量的氮(约10％，在约500托总填充压力下)就将间隙降到12mm，在此达到平台区。换句话说，进一步加入氮不会明显影响击穿间隙宽度。

在另一个实施方案中，通过使用薄膜氧化物涂层减少氦的渗透对头灯设计进行改进。例如，二氧化钛、氧化钽、氧化铌、或氧化铝或其它合适的涂层，具有约1μ-3μ的厚度，可以涂覆在外罩150的内和/或外侧上以最小化氦渗透。涂层可以施涂为多层涂层或单层涂层，并且可以通过任何已知的涂覆技术，包括化学气相沉淀或溅射施涂。当然，单层涂层也可以通过更简单的方法，包括浸涂或喷涂施涂。

正如已经陈述过的，氧化铝、二氧化钛、氧化钽或其它厚约1-3μ的合适涂层的单层涂层，或在交替层中掺入例如二氧化钛或氧化钽或其它合适的材料及二氧化硅的多层涂层可以被使用。在后者中，交替的层充当阻止氦冷却气体渗透的扩散阻挡层，并且也充当用以改善灯的光学聚束性能的抗反射涂层。带有上述涂层的硅铝酸盐外罩150应该优选为至少1mm厚，更优选为2mm厚，因为更大的厚度进一步抑制氦渗透。如上所述，该涂层可以被沉积在外罩的内侧、外侧或两个表面上。

已经进行了量化石英中氦和氢保留量的试验。众所周知(参见“材料科学导论(Introduction to Material Science)”第251页，A.G.Guy，McGraw-Hill，1972)室温下He在钠钙玻璃、或硼硅酸盐(BSC)或派热克斯(Pyrex)玻璃中的渗透性比石英的分别低约4、2和1个数量级。但它们的软化点(分别为700、770、820℃)和最大工作温度(分别为450、500、550℃)太低无法在大多数高温灯应用中作为外罩材料。因此，作为钠钙玻璃、BSC或派热克斯玻璃的实验的替代，对硅铝酸盐玻璃(软化点～1000℃，最大工作温度等于650℃)的氦和氢的保留能力进行试验，并且也对石英上的各种高温、透过可见光(visibly-transmitting)的薄膜涂层进行了试验。灯设计领域的技术人员将意识到一些低温灯应用可以获益于钠钙玻璃、BSC或派热克斯或其它类似的低温玻璃的使用，以及高温灯应用可以获益于硅铝酸盐玻璃或其它类似的高温玻璃，因为一般来说He和H₂对玻璃的渗透性比对石英的低几个数量级。目前的发展中对硅铝酸盐玻璃进行试验的原因在于硅铝酸盐玻璃在商用高温灯应用中的成功使用，但本公开的益处适合于其它玻璃而不仅限于硅铝酸盐玻璃。He在玻璃中的渗透性比在石英中的低的物理解释最早可见于1938的Journal of Chemical Physics，vol.6，pp，612-619，更近的带有更详尽玻璃列表的可见V.O.Altemose，Journal of Applied Physics，vol.32，#7，例如其中的1314页。对于玻璃成分中每一附加的约8％碱金属和碱土金属氧化物，300℃时He穿过玻璃的渗透率将减小约10倍(参见V.O.Altemose，Journalof Applied Physics，vol.32，#7，1314页，图6)。即使在高达玻璃软化点的更高的温度下渗透率减小的幅度也是类似的大。尽管存在太多的商用玻璃以至于无法列出所有能够为高温灯外部护套内的He提供良好容纳性的候选玻璃，但图4提供了一个代表性玻璃的列表。那些含有较高摩尔％碱金属和碱土金属原子结合较高软化温度的是最适合的。因为软化温度是玻璃在其自身重量下变形的温度，因而作为灯部件的最大有用温度将会低得更多。如图4所见，所示的硅铝酸盐玻璃都具有高于925℃的软化温度，并且碱金属加碱土金属氧化物的摩尔百分比等于17-25％。钠钙玻璃尽管具有等于28％的高摩尔百分比的碱金属加碱土金属氧化物，但它的软化温度(约700℃)使它仅在更冷的、更低温的灯设计中用作含He的玻璃。应该很明显，在高温灯应用中，其它结合高温能力和高摩尔含量碱金属加碱土金属氧化物的玻璃也将提供良好的He和其它冷却气体的容纳性。

已经进一步进行量化各种薄膜涂层容纳氦和氢能力的试验。试验在550℃下长时间地进行，该温度是灯工作过程中典型外罩外表面的近似温度。试验首先通过在许多已知容量的管子中填充已知压力(～600托)的试验气体进行。然后将被填充的管子放入密封的550℃的炉子多个时间间隔。在每一时间间隔后，大约三个管子被从炉子中取出并通过质谱分析测量它们的气体压力。然后将这些压力值平均，并且当与原始压力(0小时质谱读数)进行比较时，它们代表在该特定时间基材的百分比容纳能力。图5和6显示氦在硅铝酸盐玻璃中与在石英中的比较结果，以及石英上的薄膜涂层的结果。在每个例子中3000小时时目标保留量是初始气体压力的至少20％。

图5显示GE 180型硅铝酸盐玻璃的性能优于石英的。带涂层的石英中氦的保留量数据能得到，但带涂层的硅铝酸盐玻璃不能，因此，产生了涂覆硅铝酸盐玻璃罩的益处的分析估计：

x^t _G+F＝x^t _G+(1-x^t _G)*(x^t _F)

该产生的方程式提供GE 180型硅铝酸盐玻璃和薄膜覆盖层的组合益处的估计。组合益处通过量化0.3微米二氧化钛涂层自身的益处来确定，使用了涂覆的石英管与裸石英管的比较结果。以下方程式显示各参数之间的关系。在这些方程式中，每一个x代表给定基材包含的氦的百分比，

x^t _Q+F＝x^t _Q+(1-x^t _Q)*(x^t _F)

因此意味着1-x代表从给定基材中漏出的氦的百分比。上标t代表时间，意味着方程式用以解决在许多单独的感兴趣的时间组合益处响应问题。下标代表被考虑的基材或涂层，其中

G＝玻璃

F＝膜

Q＝石英

因此，x_F首先使用涂有薄膜的石英罩中的氦保留数据和无涂覆(裸露)的石英罩的数据进行确定。然后x_F的确定使得估计x_G+F，也就是预期的GE 180型硅铝酸盐玻璃和0.3微米二氧化钛膜的组合益处成为可能。

图7显示了估计的涂有0.3微米二氧化钛薄膜的GE 180型硅铝酸盐玻璃的氦保留能力的曲线。

增加氦或氢在外罩中的保留的另一种方法是增加涂层或基材的厚度。为了理解涂层或基材厚度对保留能力的影响，使用了通量对比(flux correlation)。该对比用以预测较厚的硅铝酸盐玻璃将会怎样更好地保留填充气体，以及类似的较厚的氧化物涂层将会怎样更好地保留填充气体。于是研究了较厚的硅铝酸盐玻璃以确定预测的精确性。图8显示理论预测的保留量相当近似于观测到的较厚玻璃的保留量。这些理论预报因此被用于预测基材厚度、基材类型、涂层和冷却气体的各种组合的保留量。

已经试验了550℃时氢在各种基材中的保留量。图9显示氢在内径3mm和外径5mm石英管中的保留量。该研究清楚地显示，相比容纳氦，石英容纳氢更有效(如图5所示)。

氢和氦两种气体的保留量之间的对比，量化了氢在给定基材中的扩散比氦少多少。这个关系被用于预测硅铝酸盐玻璃将保留比氦高得多百分比的氢。实验结果证明了预测的正确性，甚至超过了预测的百分比保留量。图10显示硅铝酸盐玻璃当与氢搭配时是用于本应用的有力的候选者。1000小时时氢被保留了86％(420托保留)，这就达到了3000小时时150托保留量的目标。

这个可能的解决方案的确认导致了其它可能的基于组合了基材、涂层、厚度和气体选择的益处的解决方案的确定。图11、12和13显示了一些感兴趣的可能的候选方案的鉴定。这些图显示，除了基材和涂层的厚度，基材和涂层选择均影响外罩或外部护套的气体保留能力。各种解决方案显示了3000小时时保留足够气体的保证。图11显示各种外罩单元在200小时时的预测保留量，而图12和13显示2000和10000小时时的量。这些百分比保留量的估计值基于实验数据、厚度对比计算以及氦和氢保持力之间的对比。

图11、12和13显示了在2000或甚至10000小时时可能得到足够的氢或氦气保留量的几种可能的设计。优选的2000小时设计的实施方案包括：带有氢和3微米二氧化钛涂层的石英(1mm或2mm)；带有氢和无涂层的GE 180型硅铝酸盐玻璃(0.78mm或2mm)；以及带有氦或氢和3微米二氧化钛涂层的GE 180型硅铝酸盐玻璃(0.78mm或2mm)。优选的10000小时设计的实施方案包括所有2000小时的优选实施方案，可能例外的是石英或硅铝酸盐玻璃中的He需要更厚的壁。预计所有这些解决方案在外罩中容纳足够的气体以便为电弧管或光源提供充分的冷却气氛。

关于He的保留量，使用由例如NiO的晶格常数与氦的相当的磁性化合物组成的高温涂层可能是特别有益的。

氦是具有以下物理参数的惰性气体(A.F.Schuch和R.L.Mills，Phys.Rev.Lett，1961，6，596)

结构：ccp(立方密堆积)

晶胞参数：

a：424.2pm

b：424.2pm

c：424.2pm

α：90.000°

β：90.000°

γ：90.000°

基态：ls²

具有使其有益于高温应用的1960℃的分解点的NiO的基态如下。

Ni    78.58    2[Ar].3d⁸

O     21.42    -2[He].2s².2p⁶

由于其惰性的基态构型，氦仅与其它元素或化合物产生一个偶极矩。由于NiO的电子构型，该化合物能够对氦产生强偶极矩从而比其它氧化物更好地捕获氦。然而，偶极/四极矩也可以被其它很多类似磁性氧化物或氮化物感生。例如，GaMnN、MnO、FeO、BiO、V₂O₃或它们的合金，或任何具有与氦如上所示的424.2皮米相当的晶格常数的磁性化合物。此外，该化合物可以是非磁性的但却通过产生一个非常微弱的偶极而表现得与磁性材料相似。例如，Sr₁₄Cu₂₄O₄₁和La₂Cu₂O₅。

氧化物涂层通常可以在高于200℃的基材温度下通过电子束溅射沉积提供无缺陷的膜。

虽然氢和氦，连同氖已经成为大多数试验的对象，但其它几种冷却气体也可以被考虑应用到灯上，特别是那些具有超过氮的传热性的气体。通过结合本公开，预期在灯应用中这些相对小的分子中的大多数或全部将得益于更长的保留时间。

在另一实施方案中，使用根据上述的硅铝酸盐玻璃罩替代传统的石英罩，并与如上所述的薄膜氧化物涂层组合以进一步减少和限制氦渗透。在这种情况下，硅铝酸盐玻璃罩和薄膜氧化物涂层的组合有助于保持期望的冷却气体在外罩中的工作压力以实现最佳的性能。例如，其上具有薄膜氧化物涂层的硅铝酸盐玻璃罩可以容纳期望的大约150托的氦压力。

可选的，其它改进的二氧化硅涂层诸如掺杂熔凝硅石的TiO₂和/或硼改进的石英也可以被使用。涂层可以通过任何常规的方法施涂，包括粉末涂覆、熔融涂覆、等离子喷涂、化学气相沉淀、MO-CVD、溶胶-凝胶涂覆等。当然，前述方法的组合，包括选择区域红外反射涂覆，也可以被用来进一步减少氦流失。低渗透性涂层包括但不限于钠钙玻璃、TiO₂、B₂O₃、P₂O₅、AlPO₄、BPO₄改进的玻璃。

在那些涂层用于外罩上的实施方案中，涂层可以是例如约1到5μm的二氧化钛、氧化钽、氧化铝或其它减缓氦流失的合适的材料。

优选的实施方案已经被描述。明显地，其他人在阅读和理解前面详细描述的基础上将可得到变型和改造。本公开拟被解释为包括所有这些变型和改造。

附图标记	部件
		100	灯
102	外壳/电弧管
		104	放电室/腔
106	第一支柱
		108	第二支柱
		120	电极/导线组件
122	电极/导线组件
		124	密封
126	密封
		128	电弧间隙
		140	外部导线部分
142	外部导线部分
		144	支撑柱
		150	外罩
152	钼箔
		154	空间/腔
		160	双室灯
162	第一外罩
		164	第二外罩

Claims (10)

1、一种减少气体流失的方法，包括：

提供具有高温光源(162)和围绕的外罩(150)的灯(100)；和

在高温光源和外罩之间使用具有比氮更高热导率的填充气体。

2、权利要求1的方法，其中外罩(150)至少在灯的额定工作寿命中容纳初始填充气体的至少20％。

3、权利要求1的方法，其中使用步骤包括使用氦或氢或氖中的一种作为填充气体。

4、权利要求1的方法，进一步包括由具有比石英更低的对氢或氦或氖的扩散率的硅铝酸盐玻璃或其它高温玻璃形成外罩(150)。

5、权利要求1的方法，进一步包括对外罩(150)的表面施涂高温涂层。

6、权利要求1的方法，进一步包括对外罩(150)的内表面施涂高温涂层。

7、权利要求1的方法，进一步包括对外罩(150)的外表面施涂高温涂层。

8、一种高温灯(100)，包括：

高温光源(102)；和

围绕光源的外罩(150)，并且其在光源和外罩之间具有热导率比氮更高的填充气体，其中外罩至少在灯的额定工作寿命中容纳填充气体的初始量的至少20％。

9、权利要求8的灯，其中外罩(150)包含石英或硅铝酸盐玻璃或其它具有比石英更低的对氢或氦或氖的扩散率的高温玻璃。

10、权利要求8的灯，其中外罩(150)包括外罩内和外表面中的至少一个上的高温涂层。

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