CN101882559B - 一种具有等温结构的陶瓷电弧管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有等温结构的陶瓷电弧管，包括放电腔、设于放电腔两边的电极管及通过电极管伸入放电腔内的电极组件，放电腔为非齐次的偶次等温曲面腔体；非齐次的偶次曲面腔体为：其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a∶b≥1，c∶b＞1，c_n∶c_n-1≥5。本发明能有效保证电弧管内部性质的均匀性和一致性，有助于提高其光效、显色性和寿命。

Description

一种具有等温结构的陶瓷电弧管

技术领域

本发明涉及一种具有等温结构的陶瓷电弧管，尤其应用于陶瓷金卤灯或陶瓷投影灯。

背景技术

陶瓷放电腔是陶瓷电弧管的关键部件，陶瓷材料选用的透明陶瓷材料如氧化铝，氧化氮铝，钇铝石榴石(YAG)等。陶瓷电弧管的结构直接影响灯的性能和制作工艺。在给定灯的工作功率下，陶瓷电弧管的形状和尺寸决定了陶瓷管的工作温度，而工作温度决定了发光物质的工作气压。发光物质的工作气压与光源的电参数，如管电压，和光参数，如光效，显色性等有直接关系。

电弧管的结构与电弧管承受的应力直接有关。应力来自于两部分，一是在成型烧结过程中本身带来的，减少小曲率的弧线可以帮助减少这种应力；另一种应力是在灯工作时由于温度梯度带来的，这就要求在设计中尽量做到温度分布均匀。然而现有的陶瓷电弧管均未能提出一种具有等温结构的陶瓷电弧管。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种保证电弧管内部性质的均匀性和一致性，有助于提高其光效、显色性和寿命的具有等温结构的陶瓷电弧管。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种具有等温结构的陶瓷电弧管，包括放电腔、设于放电腔两边的电极管及通过电极管伸入放电腔内的电极组件，该放电腔为非齐次的四次等温曲面腔体。

这样的曲面保证了电弧管内部性质的均匀性和一致性，最合理地减少电弧管的结构应力。腔体设计不同于被采用的圆柱，球体或纯粹的椭球型。腔体的内表面设计为最接近电弧管工作的等温面和等压面。由于温度遵从二次微分方程，同时考虑到电极是线性分布的，实际的等温面是含二次项的非齐次的四次曲面，即由于线性电弧分布修正的等温曲面。这样的曲面设计可以使得电弧管的温度梯度最小，承受压力能力最大，有助于提高灯的光效，显色性和寿命。

该非齐次的偶次曲面腔体为：

${\left(\frac{x}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{b}\right)}^2+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{c_n}\right)}^{2n}=1,$

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a∶b≥1，c₂∶b＞1，c_n∶c_n-1≥5。

进一步地，该非齐次的四次曲面腔体为：

${\left(\frac{x}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{b}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{c}\right)}^4=1,$

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a∶b≥1，c∶b＞1。

等温面数学描述说明：对于一个点热源，其产生热的等温面是球面，即

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，而a为球面的半径。一般的陶瓷灯其热源是一对电极间的电弧和电极本身，其热源轴向尺寸大于横向尺寸，所以其产生热的等温面接近椭球面，即

或

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，而a、b为椭球曲面的半长轴与半短轴，a∶b≥1，即电极轴向的尺度大于横向的尺度。而当电极间距较大时，即热源是比较长的线性热源时，等温线中间一段温度变得更加平缓，这种情况下的等温面的描述是椭球面的修正。考虑到热源的轴对称和中心面的镜面对称，原来的二次方方程增加了偶次的高次修正项，一般情况下主要是四次方项的修正，其中c_n∶b越小，修正越大，即椭球中间段越“压扁”。所以，长电极距的陶瓷灯c_n∶b较小，而短极距的陶瓷灯，如陶瓷投影灯的c_n∶b较大。

进一步地，放电腔曲面的半长轴范围为2mm＜a＜10mm。

该放电腔的等温曲面由放电腔内壁延伸至与电极管内壁交接处，以去除其他工艺让交接部分形成喇叭口结构而带来的“冷点”。现有技术放电腔和电极管等壁厚，以致于在其两者交汇处形状呈喇叭形开口，造成冷点。此发明在这一点也是遵照等温面的设计，一直延续到电极管部分，这样消除了电弧管内壁上的冷点。

该电极管包括相连接的内管段及焊接槽，该内管段靠近放电腔，焊接槽位于端面处，且焊接槽的内径较内管段大，焊接槽通过填充焊料实现放电腔的气密密封。本方案中，采用在电极管的端面处形成一焊接槽结构，将以往的封接位置由电极管壁转移到管口，管口的直径较大，大大方便了放焊料和完成封接。而且，焊料基本在焊接槽融化和完成封接，而不需要通过相当长的流动到电极管壁来完成封接。另外，焊料比起在现有现有技术焊接的工艺更远离电弧高温区，电极管的长度可以相应减小，有助于一些对电弧管尺度要求短小一点的应用。此方案的冷端位置能有效控制靠前，由于更接近热源部分，提高了冷端温度，保证光源的工作压力。

该电极组件包括依次相连接的钨芯棒、金属陶瓷杆及引线，该钨芯棒伸入放电腔内，该金属陶瓷杆位于内管段，且金属陶瓷杆的外径与内管段的内径相当，引线与金属陶瓷杆末端连接并穿过焊接槽中的焊料伸出电极管外。由于电极管内壁没有焊接的功能，电极管和电极组件可以尽可能的减小间隙，以阻拦汞和卤化物进入电极管间隙而带来的流失。由于金属陶瓷杆部分主要在内管段内，其功能为输送电流并且有效地阻拦热量的传导。外加一条引线，用于与外电路相接。该金属陶瓷杆的膨胀系数与电极管很接近，能有效避免由于电极管或导电杆的膨胀系数不一致，而导致的电极管破裂或存在间隙。较小的间隙有效地防止了发光物质如卤化物和汞进入间隙而带来的发光物质的流失和由此引起的光效减低和光的颜色的变化。

或者，该电极组件包括依次相连接的钨芯棒、导电杆及导电管，该钨芯棒伸入放电腔内，该导电杆位于内管段，且导电杆的外径与内管段的内径相当，该导电管与导电杆末端连接并穿过焊接槽中的焊料伸出电极管外与引线相接。

该金属陶瓷杆末端设有与焊接槽配合定位的凸台结构。封接时，将电极组件插进电极管中，由于凸台结构的作用，电极组件能很好地定位在预设位置，插装后，再将填料填充到焊料槽上，此方案中，由于焊料不是填充在电极组件与电极管的间隙中，能有效减少密封工艺的复杂性。该凸台结构外侧端面形成有若干种锥面，使焊料更容易润湿焊接槽和电极。

进一步地，为防止焊料老化后由焊料槽脱落，该焊接槽呈一向外缩口结构或该焊接槽侧面上设有若干凹/凸槽结构。

该放电腔的外曲面与电极管的连接处为光滑过渡结构，避免锐角曲率，以减小陶瓷电弧管的应力。

附图说明

图1为本发明具有等温结构的陶瓷电弧管的框架示意图；

图2为本发明具有等温结构的陶瓷电弧管的剖面图；

图3为不带凸台结构的陶瓷电弧管的剖面图；

图4为凸台结构为圆台型的陶瓷电弧管的剖面图；

图5为凸台结构为方形的陶瓷电弧管的剖面图；

图6为实施例2具有等温结构的陶瓷电弧管的剖面图；

图7为c₂∶b＝1.5时的陶瓷电弧管的管壳的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明公开了一种具有等温结构的陶瓷电弧管，包括放电腔18、设于放电腔18两边的电极管15及通过电极管15伸入放电腔18内的电极组件，该放电腔18为非齐次的偶次等温曲面腔体。

该非齐次的偶次曲面腔体为：

其中本实施例以四次方项的修正为例说明，

${\left(\frac{x}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{b}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{c}\right)}^4=1,$

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，曲面中方程中的四次项使得曲面在y轴和z轴方向向对称轴x轴收缩。a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a∶b≥1，c∶b＞1。等温面的这个修正是由于作为热源的电弧线性分布带来的修正。其中c参数一般大于a和b的数值。如图7所示，为c₂∶b＝1.5时的陶瓷电弧管的管壳的结构示意图。

进一步地，放电腔18曲面的半长轴范围为2mm＜a＜10mm。

电弧管是以一对电极组件为轴的轴对称结构，由于热主要来自放电腔，放电腔等温曲面的数学表达式是四次曲面，即同时含有四次和二次项的轴对称曲面。

该放电腔18的等温曲面由放电腔内壁延伸至与电极管内壁交接处。

如图2至图5所示，该电极管15包括相连接的内管段19及焊接槽13，该内管段19靠近放电腔18，焊接槽13位于端面处，且焊接槽13的内径较内管段19大，焊接槽13通过填充焊料12实现放电腔18的气密密封。该放电腔18及电极管15采用了透明陶瓷材料。

本方案中，采用在电极管15的端面处形成一焊接槽13结构，将以往的封接位置由电极管壁转移到管口，管口的直径较大，大大方便了放焊料和完成封接。另外，焊料比起在现有现有技术焊接的工艺更远离电弧高温区，电极管的长度可以相应减小，有助于一些对电弧管尺度要求短小一点的应用。此方案的冷端位置20能有效控制靠前，由于更接近热源部分，提高了冷端温度，保证光源的工作压力。放电腔内壁和电极管的交接处由于距离电弧和电极头最远，一般是放电腔内最冷的表面，也常常被称为冷端。

该电极组件包括依次相连接的钨芯棒16、金属陶瓷杆14及引线11，该钨芯棒16伸入放电腔18内，该金属陶瓷杆14位于内管段19，且金属陶瓷杆14的外径与内管段19的内径相当，引线11与金属陶瓷杆14末端连接并穿过焊接槽13中的焊料伸出电极管15外。由于电极管内15壁没有焊接的功能，电极管15和电极组件可以尽可能的减小间隙，以阻拦汞和卤化物进入电极管15间隙而带来的流失。电极管15内壁可以通过研磨、内抛光，加上金属陶瓷杆14的外表面加工，他们之间的间隙可以控制在小于2微米的精度。这样的精度有利于提高陶瓷电弧管的寿命并且增加了制作灯过程中电极组件的同轴度，保证电弧在陶瓷电弧管的中心。避免偏离的电弧会导致对陶瓷电弧管等温的偏离，甚至带来灯局部的过热而影响灯的使用效果和寿命。

该金属陶瓷杆14外加一条引线11，用于与外电路相接。该金属陶瓷杆14的膨胀系数与电极管15很接近，能有效避免由于电极管15或导电杆14的膨胀系数不一致，而导致的电极管15破裂或存在间隙。

该金属陶瓷杆14末端设有与焊接槽13配合定位的凸台结构17。封接时，将电极组件插进电极管15中，由于凸台结构17的作用，电极组件能很好地定位在预设位置，插装后，再将填料12填充到焊料槽13上，引线11再从焊料12中穿过。此方案中，由于焊料12不是填充在电极组件与电极管15的间隙中，能有效减少密封工艺的复杂性。

该凸台结构17顶部形成有若干种锥面，使焊料更容易润湿焊接槽和电极。该凸台结构17可成圆台型或方形结构。

进一步地，为防止焊料12老化后由焊料槽13脱落，该焊接槽13呈一向外缩口结构，缩口结构给焊料12的整体结构施加一轴向的压力，能有效防止其脱落。

进一步地，该焊接槽13可呈圆台结构或球形结构。

同样地，该焊接槽13侧面上也可设有若干凹/凸槽结构，凹槽/凸槽结构对焊料整体具有抓紧力，能有效防止焊料12老化后由焊料槽13脱落。

进一步地，该焊接槽13的内径尺寸为1到5毫米范围内，深度在1到5毫米，内管段19内径在0.4-1.5毫米范围内。

该放电腔18的外曲面与电极管15的连接处21为光滑过渡结构，避免锐角曲率，以减小陶瓷电弧管的应力。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的结构相近似，其区别在于，该电极组件包括依次相连接的钨芯棒16、导电杆14及导电管22，该钨芯棒16伸入放电腔18内，该导电杆14位于内管段19，且导电杆14的外径与内管段19的内径相当，该导电管22与导电杆14末端连接并穿过焊接槽13中的焊料12伸出电极管15外与引线11相接。

Claims (9)

1.一种具有等温结构的陶瓷电弧管，包括放电腔、设于放电腔两边的电极管及通过电极管伸入放电腔内的电极组件，其特征在于，该放电腔为非齐次的偶次等温曲面腔体；该非齐次的偶次曲面腔体的参数变量满足下述公式：

${\left(\frac{x}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{b}\right)}^2+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{c_n}\right)}^{2n}=1,$

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a：b≥1，c₂：b＞1，c_n：C_n-1≥5。

2.根据权利要求1所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，放电腔曲面的半长轴范围为2mm＜a＜10mm。

3.根据权利要求2所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该放电腔的等温曲面由放电腔内壁延伸至与电极管内壁交接处。

4.根据权利要求1所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该电极管包括相连接的内管段及焊接槽，该内管段靠近放电腔，焊接槽位于端面处，且焊接槽的内径较内管段大，焊接槽通过填充焊料实现放电腔的气密密封。

5.根据权利要求4所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该电极组件包括依次相连接的钨芯棒、金属陶瓷杆及引线，该钨芯棒伸入放电腔内，该金属陶瓷杆位于内管段，且金属陶瓷杆的外径与内管段的内径相当，引线与导电杆末端连接并穿过焊接槽中的焊料伸出电极管外。

6.根据权利要求4所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该电极组件包括依次相连接的钨芯棒、导电杆及导电管，该钨芯棒伸入放电腔内，该导电杆位于内管段，且导电杆的外径与内管段的内径相当，该导电管与导电杆末端连接并穿过焊接槽中的焊料伸出电极管外与引线相接。

7.根据权利要求5或6所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该金属陶瓷杆末端设有与焊接槽配合定位的凸台结构。

8.根据权利要求7所述的具有等温结构的陶瓷电弧管，其特征在于，该凸台结构外侧端面形成有若干种锥面。

9.一种具有等温结构的陶瓷电弧管，包括放电腔、设于放电腔两边的电极管及通过电极管伸入放电腔内的电极组件，其特征在于，该放电腔为非齐次的偶次等温曲面腔体；该非齐次的偶次曲面腔体的参数变量满足下述公式：

${\left(\frac{x}{a}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{b}\right)}^2+{\left(\frac{\sqrt{y^2+z^2}}{c}\right)}^4=1,$

其中x、y、z代表放电腔曲面的参数变量，a、b为放电腔曲面的半长轴与半短轴，其数值由功率要求而定，而a∶b≥1，c∶b＞1。

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