CN101790772A - 具有不透明区的陶瓷放电容器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
高强度放电灯的多晶(PCA)放电容器中的不透明区可以通过在最终烧结的放电容器的预定区中产生残留孔而制成。对于所述不透明区的布置的控制通过最终烧结之前在所述放电容器的特定区中形成含碳残留物而被实现。在烧结期间，含碳材料在被烧结的PCA中引起残留的孔隙。不透明PCA的较高辐射系数提供了局部冷却，以便提供对放电容器中凝结行为更好的控制。
Description
技术领域
本发明涉及高强度放电(HID)灯的陶瓷放电容器，并且更具体地，涉及金属卤化物灯的多晶氧化铝(PCA)放电容器。
背景技术
金属卤化物放电灯由于其高功效和源于其稀土化学成份所产生的复杂发射频谱的高显色性能而被喜爱。尤其理想的是陶瓷金属卤化物灯，它提供优于具有石英放电容器的传统金属卤化物灯的改善了的显色、色温和功效。这是因为陶瓷放电容器可以工作在比其石英对照物更高的温度下，并且较不容易与各种金属卤化物化学成份反应。
多数商用陶瓷金属卤化物灯包含有包括金属卤化物(尤其是碘化物)的复杂组合和一定量的水银的填充。金属卤化物灯的填充化学成份被仔细的选择，以便实现具有高显色指数(CRI)和高功效(流明/瓦，LPW)的白光发射。放电容器(也通常被称为电弧管)内填充材料的凝结和蒸发行为影响灯在其工作寿命期间的性能。对此行为缺乏控制可能导致灯的关联色温(CCT)或者CRI的不可预计的改变。因而，理想的是在放电容器中形成用于凝结的良好界定的区，使得金属卤化物灯具有更稳定的色彩特性。
各种控制金属卤化物和相似的金属汞合金填充的凝结-蒸发行为的装置已经被研发用于不同类型的HID灯。例如，反射性涂层(特别是ZrO2)已经被施加于金属卤化物灯中石英电弧管的外表面上，并且金属热屏蔽已经被缠绕在小瓦数高压钠(HPS)电弧管的冷端上。对于陶瓷金属卤化物灯，用来实现良好界定的、小尺寸冷点的现有技术方案包括使用非对称电极馈线和最小化在馈线与放电容器壁之间的距离。
发明内容
在高温下，用于形成放电容器壁的陶瓷材料的辐射系数(ε)影响壁温，辐射系数越低，壁温越高。例如，从氧化钇形成电弧管已经被示出增加了壁温约100℃。氧化钇具有比多晶氧化铝低的辐射系数，在约1000℃下约为0.1，与PCA的约0.2相对照。相反，较高辐射系数的材料将导致较低的壁温。
多晶氧化铝的辐射系数与其透射率相关。不透明的PCA具有1000℃下约0.4的高的总辐射值，而半透明的PCA典型地具有1000℃下约0.2的总辐射值。不透明PCA和半透明PCA之间辐射系数的差别足以改变放电容器的特定区中的壁温，以便促进金属卤化物填充的凝结。
尽管不透明的陶瓷通常地不会被认为对于放电容器是期望的，但是发明人发现可以在多晶氧化铝放电容器中形成适当良好界定的不透明区。因为不透明区的位置和范围可以被操纵，所以不透明区可以被设计，以便最小化对于放电容器的光线输出的任何负面影响。对于不透明区的布置的控制通过在最终烧结之前在放电容器的特定区中形成含碳残留物而被实现。在烧结期间，含碳材料在被烧结的PCA中引起残留的孔隙。多个氧化铝微粒之内的残留孔散射并且吸收光线，引起不透明性和较高的辐射系数。在本发明的上下文中，术语“不透明”意味着入射光线被散射达到使PCA不再透明这样的程度。这表现为从毛玻璃外观至全白的范围的、PCA外观的视觉可觉察改变。
定制的不透明区意欲在放电容器中提供较冷的、局部化的温度区以便控制金属卤化物凝结的位置，从而产生更好的灯与灯一致性和在灯的工作寿命期间CCT和CRI的较小分散。相比施加高辐射系数涂层至表面(其可能由于热膨胀失配以及重复的加热和冷却循环而剥离放电容器)的实例，该方法更加有效和更加持久。而且，不透明区可以制作在任何位置和具有任何外形和尺寸，而不用重新设计放电容器。除了不需要加工改变之外，这还具有保持与原始设计相同的放电容器的热质而使得工作特性相对地未被改变的额外益处。
在本发明的一方面中，提供了一种在陶瓷放电容器中形成不透明区的方法。所述方法包括：(a)由氧化铝和有机粘合剂的混合物形成放电容器；(b)焙烧放电容器模型，以便去除有机粘合剂并且形成预焙烧的放电容器；(c)施加有机化合物的溶液至预焙烧的放电容器的预定区中的表面；(d)在氮气或者惰性气体的气氛中焙烧预焙烧的放电容器，以便在预定区中形成含碳残留物；以及(e)烧结预焙烧的放电容器，以便在预定区中形成不透明区。
附图说明
附图是示出用于布置不透明区的优选区域的陶瓷放电容器的截面图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明以及本发明的其它和进一步的目的、优点和能力，结合上述附图来参考以下公开和所附权利要求。
不透明的PCA区可以通过在最终烧结的放电容器的预定区中产生残留孔而被制成。研究表明引起不透明性的残留孔被俘获在对于放电容器不具有明显负面效应的多个微粒之内。来自不透明PCA和半透明PCA的几个研究数据的汇集在下表中给出。
| 在600nm的散射系数(cm-1) | 平均孔尺寸(μm)，和孔尺寸范围(μm) | 孔密度(#个孔每mm3) | |
| 不透明PCA | 28至48 | ～2，0至5 | 1至4×106 |
| 半透明PCA | 10至20 | ～1，0至3 | 4至5×105 |
因而，本发明的不透明区优选具有在600nm等于或者大于28cm-1的散射系数，更加优选为28至48cm-1。不透明区的孔密度(pore population)优选等于或者大于每mm31×106个孔，具有约2μm的优选的平均孔尺寸。更加优选，不透明区具有每mm31至4×106个孔的孔密度。
产生残留孔的优选方法涉及在生料状态陶瓷模型已经被焙烧从而去除有机粘合剂并且赋予部件强度之后，把例如聚乙烯醇的有机化合物的溶液施加到目标区中。该粘合剂去除步骤典型地在空气中进行并且通常被称作预焙烧，因为它先于用来烧结部件的最终焙烧。在粘合剂已经被去除并且有机化合物被施加至目标区之后，部件在惰性气体(例如氩或者氦)或者氮气中进行第二预焙烧，使得在预焙烧体中留下含碳残留物。优选第二预焙烧在从约700℃至约1400℃的温度下进行，更加优选在约900℃的温度下进行。
预焙烧的放电容器随后在从约1750℃至约1950℃的温度下经历最终烧结，典型地在含氢气氛中，例如，湿H2，或者湿75％H2/25％N2。包含含碳残留物的区域在含氢气氛中的最终烧结之后变为不透明区。所述方法灵活得足以与任何放电容器结构一起使用，并且能够形成几乎任何形状和尺寸的不透明区。
附图是根据本发明优选实施例的电弧放电容器的截面图。电弧放电容器21具有主要包括半透明多晶氧化铝的陶瓷体23。陶瓷体23界定电弧放电腔25并且具有从放电腔25沿相反的方向向外延伸的两个毛细管27。优选地，放电腔壁的厚度约为0.8mm。毛细管适用于容纳并且密封电极组件(未示出)于其中，所述电极组件提供向放电容器提供电力的导电路径，以便起弧并且保持放电腔内的电弧。
基本上半球形的端部33在工作的放电容器中产生比在圆柱管中更均匀的温度分布。尽管更均匀的分布对于灯性能的许多方面是优选的，但是这不提供稀土卤化物会一致地驻留的放电容器内部的良好界定的冷角。一致的“冷点”是有益的，以便产生大量相同种类灯的组内窄的颜色分散。
考虑到此，因而优选在放电容器的漏斗区中设立不透明区，以便提供局部的冷却，从而产生在灯的工作寿命期间色温和显色指数的较好的一致性。放电容器的两个均由管颈和茎干构成的不透明漏斗区的尺寸包括放电容器的对应半球形端部33的高度的约30％(管颈)并且延伸近似5mm进入相邻的毛细管(茎干)。漏斗区(上和下端)在图中被示出由虚线矩形29所界定。
<实例>
高纯度(≥99.97％纯度)的Al2O3粉末被用作初始粉末。粉末包含具有0.05μm的微晶尺寸、30-6m2/g的平均比表面积和0.45μm的平均颗粒尺寸的细碎粒的Al2O3颗粒。烧结辅助设备基于MgO+ZrO2+Y2O3系统。氧化铝粉末与有机粘合剂混合以便形成放电容器模型。生料模型的预焙烧在850-1350℃在空气中进行，以便去除有机粘合剂。
为了形成不透明区，使用小刷子把包含10重量百分比(wt％)聚乙烯醇的水溶液涂覆到空气预焙烧的放电容器的目标区上。经涂覆的放电容器被放置于真空干燥器中，以允许10wt％聚乙烯醇水溶液渗透进入氧化铝并且干燥。这些步骤被重复三次，以便充分渗入预焙烧的放电容器的壁。经涂覆的部件随后被垂直地放置于炉中，并且在流动的氮气下在900℃被预焙烧2小时(8℃/分钟的斜率上升以及15℃/分钟的冷却)。在氮气预焙烧之后，被渗入的区呈现浅灰，指示残留的碳被有效地引入。
N2预焙烧、聚乙烯醇渗入的放电容器在移动的带式炉中在1850℃下、干N2-8％H2气氛中、利用1g的10％MgO-Al2O3装入料被烧结。另一组放电容器在静止炉中在下列条件下被焙烧：(1)包括1.5小时从20℃至1415℃的升温、在1415℃保持30分钟、24分钟中升温至1850℃、在1850℃保持3至4小时、并且随后1小时冷却的温度循环，(2)从20℃至1415℃为干H2(露点＝-40℃)气氛，从1415℃起为湿H2(露点＝0℃)气氛，以及(3)1g的10％MgO-Al2O3装入料。
在带式炉中被焙烧的放电容器中的不透明区容易明显。但是，在静止炉中被焙烧的放电容器中的不透明区尽管可见但是相对模糊。不透明程度的差别被认为与烧结气氛的差别相关。特别地，认为相比带式炉中的N2-8％H2气氛，静止炉中的H2气氛引起残留含碳材料的更多燃尽。不透明漏斗放电容器的总透射率值在标准半透明PCA容器的总透射率(～99％)的1％内。
带式炉烧结的PCA容器的不透明漏斗的抛光截面的微结构分析发现：尺寸约1-5μm的残留孔被分布在漏斗壁内多个微粒之内。不透明管颈的接近内表面区或者外表面区实际上是完全密实的，没有孔，可能是因为直接吹在表面上的干N2-8％H2的大风引起来自聚乙烯醇的未燃烧碳的耗尽。完全密实的表面层意味着灯的熔融盐填充的润湿行为会与标准PCA漏斗的润湿行为相同。
利用在其漏斗区中具有强不透明区的PCA放电容器制成的两个试验灯的频谱特性与对照灯组对比。数据指示1小时工作下色温分散(±CCT)显著的减小(24K，相对于对照组的81K)，但是100小时下±CCT适中的增加(74K，相对于对照组的57K)。然而，试验灯中从1至100小时CCT的变化(63K)比对照组中的变化(76K)小。而且，在1小时和100小时下Ra和R9的显色值对于试验灯都被显著地改善。在1小时，Ra和R9值对于试验灯分别是91和31，而对于对照组分别是85和-7。在100小时，Ra和R9值对于试验灯分别是92和42，而对于对照组分别是86和6。
尽管已经示出和描述了当前被认为是本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员显见，在此可以进行各种变更和修改，而不偏离在所附权利要求中所界定的本发明的范围。
Claims (20)
1.一种在陶瓷放电容器中形成不透明区的方法，所述方法包括：
(a)由氧化铝和有机粘合剂的混合物形成放电容器；
(b)焙烧放电容器模型，以便去除所述有机粘合剂并且形成预焙烧的放电容器；
(c)施加有机化合物的溶液至所述预焙烧的放电容器的预定区中的表面；
(d)在氮气或者惰性气体的气氛中焙烧所述预焙烧的放电容器，以便在所述预定区中形成含碳残留物；以及
(e)烧结所述预焙烧的放电容器，以便在所述预定区中形成不透明区。
2.根据权利要求1的方法，其中所述有机化合物是聚乙烯醇。
3.根据权利要求2的方法，其中所述溶液包含10重量百分比的聚乙烯醇。
4.根据权利要求1的方法，其中在溶液于多次施加中被施加之后使所述溶液在各次施加之间干燥。
5.根据权利要求1的方法，其中步骤(d)中的焙烧在氮气气氛中进行。
6.根据权利要求1的方法，其中步骤(d)中的焙烧在约700℃至约1400℃的温度下进行。
7.根据权利要求5的方法，其中步骤(d)中的焙烧是在900℃。
8.根据权利要求1的方法，其中步骤(e)中的烧结在含氢的气氛中在从约1750℃至约1950℃的温度下进行。
9.根据权利要求6的方法，其中步骤(e)中的烧结在含氢的气氛中在从约1750℃至约1950℃的温度下进行。
10.根据权利要求9的方法，其中所述有机化合物是聚乙烯醇。
11.根据权利要求10的方法，其中所述溶液包含10重量百分比的聚乙烯醇。
12.一种陶瓷放电容器，包括由多晶氧化铝制成的陶瓷体，所述陶瓷体除了位于预定区中的不透明区之外是半透明的，所述不透明区具有比所述陶瓷体的半透明部分大的孔隙。
13.根据权利要求12的陶瓷放电容器，其中所述陶瓷体具有基本上半球形的端部，所述基本上半球形的端部具有向外延伸的毛细管，所述预定区包括所述基本上半球形的端部的部分和所述毛细管的相邻部分。
14.根据权利要求12的陶瓷放电容器，其中所述预定区具有圆形的形状。
15.一种陶瓷放电容器，其包括由多晶氧化铝制成的陶瓷体，所述陶瓷体除了位于预定区中的不透明区之外是半透明的，所述不透明区在600nm具有等于或者大于28cm-1的散射系数。
16.根据权利要求15的陶瓷放电容器，其中在600nm的散射系数是从28cm-1至48cm-1。
17.一种陶瓷放电容器，其包括由多晶氧化铝制成的陶瓷体，所述陶瓷体除了位于预定区中的不透明区之外是半透明的，所述不透明区具有等于或者大于每mm31×106个孔的孔密度。
18.根据权利要求17的陶瓷放电容器，其中平均孔尺寸是约2μm。
19.根据权利要求17的陶瓷放电容器，其中所述孔密度是从每mm31×106个孔至每mm34×106个孔。
20.根据权利要求19的陶瓷放电容器，其中平均孔尺寸是约2μm。
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