CN1051872C - 高压气体放电灯 - Google Patents

Abstract

一种高压气体放电灯，它包括具有用石英玻璃壁面封闭着放电空间的密封灯管，金属箔嵌入在壁面内，并且和具有石英玻璃周边涂层的金属杆相连，此涂层至少和金属箔相邻接。涂层对杆有坚固的粘附性。它在其与杆/涂层界面的边界含有添加剂。可选择的另一种方法是把铼添到杆的表面，使杆和它的涂层具有联锁结构。由于在完成密封时，石英玻璃和杆具有很强的粘附性及它们之间膨胀系数的很大差异，涂层会脱离壁面而和壁面失去机械上的接触。此涂层能防止此灯由于漏电而引起的制成前早期损坏。

Description

高压气体放电灯

本发明涉及高压气体放电灯，它包括：

用真空密封方式密封的灯管，该灯管具有用石英玻璃壁面封闭着的放电空间；

嵌入在灯管壁面内的金属箔，每个金属箔分别和外部的电流导体连接；

可具有添加剂的钨电极杆，它们分别和上述的一个金属箔连接，该电极杆从灯管壁面中伸入到放电空间；

位于放电空间内的电离填充剂；

在美国专利4594529中可了解这种高压气体放电灯。这种公知的灯适合用作车辆的前灯，并具有可能用敷钍钨制成，在其端头可能具有也可能不具有包络线圈的电极杆。

这种灯的反应速度要求高，当灯被激励后，提供在稳定工作时必须提供的主要部分的光通量。当灯已先工作一段时间而变热时，要求此灯仍能被点亮。为了符合这些要求，要在几千伏和几千赫兹的电压下点亮此灯。

人们发现，如果这种公知的灯在短时间内经常打开又关闭，寿命就短。当灯管内填充物泄漏后，灯管就会漏电，灯也就不能再被点亮或者灯管因此而破裂。

在制造这种公知的灯时，做成一个密封结构，并把一个或几个上述的金属箔密封在玻璃壁面内。在此过程中，存在有金属箔、外部电流导体和电极杆处的石英玻璃就会变软。此后，灯或将要制成的灯冷却下来。由于电极杆具有相对高的线性热膨胀系数(大约45×10^-7K^-1)，而石英玻璃里含有重量至少占98％的SiO₂(膨胀系数约6×10^-7K^-1)，因此，电极杆就比石英玻璃收缩得厉害。这样会在上述电极杆周围产生毛细空间。因为金属箔的形状原因，在金属箔的周围不会产生这种毛细空间，金属箔通常是钼箔。

当点亮这种公知的灯时，由于有很高的电流流过电极杆和放电所产生的热传递，电极杆的温度将急骤上升。而石英玻璃的温度不会随之立刻上升。由于电极杆温度和膨胀系数都较高，电极杆就会逐渐接触到石英玻璃，并且对它产生压力。人们发现，这样会损坏石英玻璃，比如产生微小裂纹，在随后灯被点亮的期间，这些微小裂纹数目和大小都会增加并引起灯的漏电。

避免这些影响的可能的方法在于在电极杆的周围产生一个相对宽的空间，这样就防止了在制造密封的时侯石英玻璃壁面的玻璃和电极杆相接触。然而，这种可能性在实践中不总是可行的。因为在制作过程中会因此使一个温度相对低的空间增加，具有低挥发性的空间填充成份可能会积聚在此空间，并可能不再参予放电。欧洲专利0206598-B1公开了一种在电极杆周围具有一相对较宽，但受一定限制的空间的灯。

美国专利3868528-A公开了一种金属卤化物灯，其中用于主电极和辅助电极的电流供电导体被灯管的密封层所封闭并且彼此相邻。在导体的相对电势和金属卤化物的影响下，此灯的密封层可能失去透明。为了防止出现这种情况，此灯中电极杆周围的空间被填入了熔点相对低，线性热膨胀系数和钨接近的碱土硅酸盐玻璃。

这种灯的缺点在于在制造密封时，为了使硅酸盐流入并停留在电极杆周围的空间，必须使电极杆位于金属箔的上方。在此位置，不可能使灯管内的电离填充物充分地冷却下来。在随后的步骤中，必须通过一排气管来提供填充物，随后把此排气管密封。然而，此排气管会干扰产生的光的光路。

本发明的目的是提供一种在首段提到的高压气体放电灯，它结构简单，并能消除制作完成前的早期破损。

根据本发明，该目的是这样完成的，即在壁面内，电极杆具有石英玻璃的周边涂层，该涂层至少和相应的金属箔相邻，并且该涂层和石英玻璃壁面不机械连接。

本发明是基于以下认识，即电极杆质量增加而不因此实质上改变它的电特性和放电特性。电极杆的石英涂层增加了电极的质量也因此增加了它的热容量，即温度上升一度所需的能量，同时增加了电极杆的直径，并因此而增加了它们的导热性。另一方面，电极杆的导电性不增加。质量的增加减弱了在灯点亮期间电极杆温度的上升，以使壁面的包绕石英玻璃能承受由于玻璃与嵌入的金属箔永久性接触而引起的较高的温度和膨胀，这些温度和膨胀一部分也是由于电流通过金属箔而产生的热量所引起的。

根据本发明，这种高压气体放电灯很容易制造。

例如，制作过程从制作至少在其表面上含有ThO₂添加剂的电极杆开始。用外部电流导体固定到金属箔上的电极杆密封在灯管壁面内，其中制造中的灯管的玻璃在壁面内局部加热，并和上述的金属部件进入接触。随着冷却产生收缩，玻璃因此而发生变形，从而引起玻璃裂化，这样就能获得电极杆周边的石英玻璃涂层，并且由于此裂化它和壁面的玻璃不机械接触。

裂化是沿着在涂层表面变形最小的路径而发生：裂化开始于电极杆与放电空间相邻的壁面失去接触的地方，并相对于电极杆成锐角α，裂化沿着金属箔方向呈实际上圆柱形发生并且以相对于电极杆呈钝角结束。象通常一样，灯管的真空密封层位于金属箔端头之间的区域。如果电极杆应延续到灯管的外部，同时相应地嵌入的金属箔不和电极杆相连接，灯管显然从开始就漏电。

人们发现，同属一种灯的各具体的灯的涂层可能具有不同的长度，因为在制作密封时，电极杆和壁面脱离接触的地方因各具体的灯而不同。这可能是因为在制作密封时，石英玻璃的温度有少许的不同。

在制作密封时，面朝放电空间的壁面部分应尽可能少受热，以避免变形。相应地，由于在制作密封时有很大的温度差，因此密封位置有少许不同。

如果在密封处于单个灯的密封中密封位置时，该密封位置具有比其它位置低些的高温，那么在此位置的石英玻璃就会相对较粘，且在冷却后就不会附在电极杆上。人们也发现，尽管涂层的长度是变化的，即具有涂层的电极杆的径向部分的长度不同，也能完成本发明的目的。实际上，在附在用于完成密封的石英玻璃的金属箔的相邻区域中，该涂层是靠高温和石英玻璃与密封过程中的电流导入点之间的紧密接触达到的，或是在制造压紧密封时利用压紧部件在电极杆上施加压力而获得。

由于至少在上述电极杆的表面含有添加剂并且此添加剂也渗入到与电极杆和涂层界面相邻的那层涂层里，所以此涂层的石英玻璃对电极杆有很强的附着力。

该灯除了经久耐用，易于制造以外，它的优点是由于裂纹而产生的路径宽度很小，它比上述的毛细空间的宽度还要小。

欧洲专利0330268-A1公开了一种用真空密封方式密封的灯，该灯的钨电线直接地通过壁面从灯管的外部进入内部。该电线相应地具有一个石英玻璃涂层，且壁面密封在两个涂层端点之间，以便涂层从灯管的内部及外部伸出。该涂层是分别提供的并且在每一边都以锐角结束。重要的是该涂层在邻接于金属/玻璃界面的层中包括有添加剂，如钍。

尽管此方法具有优点，根据本发明，在本发明的灯中还是使用常用的包括箔部分的电流导入点，因为对其的工业应用已非常熟悉。

如果该添加剂出现在电极杆体中，根据引用的欧洲专利申请，例如对敷钍钨电极杆的情况，必须把添加剂敷到电极杆的表面，以便使石英玻璃附到电极杆上。为达到此目的，首先必须把电极杆氧化，然后通过蒸发除去氧化钨，这样就从杆上除去了其表层。然而，位于其表层中的添加剂，仍留在其表层下。

可选择另一种方法，即可以一种悬浮物的形式把添加剂加到杆的表面，可以参照所引用的欧洲专利申请。一旦具备了石英玻璃涂层，那么添加剂就会渗透到和金属玻璃界面相邻接的那层涂层中，这样会使石英玻璃粘附于电极杆上。

根据所引用的欧洲专利申请，可以使用的添加剂有：例如钍，铪，铬，铝，钛，钽，镁，钙，锶，钡，锆，镧，钪，镧系元素，铌，硼和钇，它们可作为一种元素或以氧化物或盐的形式出现。通过使用“X射线能量扩散分析”和“X射线波长能量扩散分析”，在“扫描式电子显微镜”中观察到在金属/涂层界面的涂层玻璃中的添加元素。

另外一种方法，此方法处理过程可以从至少在其表面含有铼的电极杆开始。铼可以一种悬浮物或它的氧化物或盐的悬浮物的形式提供。把它的盐和氧化物加热到比如2200℃，该化合物就会分解，铼仍会留下。另一种制造过程可以钨/铼电线而开始，例如铼的重量占总重量的百分之一到百分之几，且可以把铼加到电线表面，在此表面，电线已被氧化，钨的氧化物已经蒸发。

从欧洲专利0410511-A1中得知，在其表面含有铼的钨线对石英玻璃涂层具有很强的附着性，并具有机械上的联锁结构，且该已涂复的导线可直接密封入涂层两端间的石英灯管。在紧邻金属/玻璃界面的石英玻璃中不能直接观察到铼。

可以选择在制造灯前，采用一单独的步骤提供电极杆的涂层，例如，利用石英玻璃管。

根据本发明的高压气体放电灯可以用作车辆前灯，或者在不同类的光学系统中使用。为此目的，可以用灯帽固定灯，并且可以用外壳或不用外壳包围此灯。灯帽可以带有一个反光罩，也可以不带。

金属箔可以嵌在接近另一壁面的区域，或者嵌入与另一壁面有一定距离的区域，例如在其对面。

根据本发明的高压气体放电灯的实施例在附图所示，其中

图1是灯的侧视图；

图2是对图1的细节进行放大的图；

图3和图4是带有灯帽的图1中灯的侧视图。

附图中的高压气体放电灯具有灯管1，灯管1用真空密封方式封闭，且具有封闭放电空间3的石英玻璃壁2。分别和外部电流导体5连接的金属箔4被嵌在灯管壁内。

钨电极杆6分别和上述的一个金属箔连接，在图中金属箔用含有0.5％重量的Y₂O₃的Mo制成，电极杆从灯管壁伸出进入到放电空间。通常金属箔具有羽毛状的边缘。放电空间内装有电离填充剂。

在几乎和相应的金属箔接近的壁面2中，电极杆6分别具有石英玻璃周边涂层7，此杆和玻璃壁面2没有机械上的接触。

电极杆6至少在与电极杆6和涂层的界面相邻接的那层涂层7中含有添加剂。

添加剂从包括下列元素的组中选取：钍，铪，铬，铝，钛，钽，镁，钙，锶，钡，锆，镧，钪，镧系元素，铌，硼和钇。

图1和图2中的电极杆含有少量的钨晶体生产调节物质，例如完全由K，Al和Si组成的重量占0.01％的物质，也可把重量占1.5％的ThO₂作为添加剂分布到所述杆中。钨晶体的大小尺寸为3×3×10μm³，从电极杆6移去表层，其中电极杆6是氧化的且形成的氧化物也被移去，从而ThO₂达至表面。在本发明实施例中，由Mo制成、连至金属箔4并从而连至外部导体5的电极杆6被部分封装在灯管壁内，其中石英玻璃融合其上或压紧其上以便制成压紧密封。

在图中，外壳9包围着灯管并与之相连。使用具有金属紧固套筒10的灯帽可以卡紧此灯。

灯内填有例如水银、碘化钠和碘化钪和氙这些填充剂中的一种，氙在室温下，压力为7巴时，在额定电压下工作时，消耗35W的功率。

从图2中可以看到，电极杆6在灯管1的壁面2内部具有至少和金属箔4相邻的涂层7。该涂层布满杆的周边，并用石英玻璃制成，即灯管1的玻璃。涂层基本上为圆柱形，在它与箔相邻处及金属杆和玻璃失去接触处具有一锥形端头。因此，涂层具有一锐边缘角α。虚线7′表示和电极杆/涂层界面相邻的那层涂层7。注意到用2′表示的那部分灯管壁面在制作密封时没有变形，因为在制作密封前，灯管在此位置已经具有了最终的外形。在此位置，杆与玻璃之间紧密的周边接触并没有受到影响。在具有长度至少为箔和定位点2′之间距离三分之一且具有凸缘的电极杆区域中，石英玻璃的温度总是足够高，以使灯在制造过程中，石英玻璃和(电极杆)接触紧密，并能粘附到(杆)上。

在所示的实施例中，电极杆厚度为250μm，涂层厚度约40μm。可以看到，涂层7和围绕它的裂纹在杆与箔之间的接头4′处结束，或在箔上结束。在外部电流导体和电极杆6之间的区域中密封2是真空密封的。

在图3中，灯管被一不同的外壳9′封闭并且外壳与之相联结。灯管固定在一种卡口式的灯帽中，这种灯帽设有中央销形接触头11和环形接触头12，它们分别和电极杆6相连，环形接触头通过连接导体13连接。电极杆腔内及电极杆涂层的玻璃中含有重量占3％的Y₂O₃作为添加剂。

图4中，灯管被另一种不同的灯帽8′封闭，灯帽8′具有接触头11′和12′，它们分别有导线与外部相连。在与电极杆/涂层界面相邻接的那层涂层中电极杆6含有HfO₂作为添加剂。在连接导体13的四周具有陶瓷绝缘层14。

在一种改进的方案中，图4中的钨电极杆含有1％的铼分布其内。铼也位于杆的表面，因此，由于杆与其涂层的联锁表面结构，在石英玻璃涂层与电极杆之间具有根强的粘附性。

Claims (5)

1.一种高压气体放电灯，它包括：

用真空密封方式密封的灯管(1)，该灯管具有用石英玻璃壁面(2)封闭着的放电空间(3)；

嵌入在灯管壁面内的金属箔(4)，每个金属箔分别和外部的电流导体(5)连接；

钨电极杆(6)，由从钨和具有添加剂的钨形成的组中选择的一种材料制成，它们每个分别和所述的一个金属箔连接，并从灯管壁面中伸出到放电空间内；

位于放电空间内的电离填充剂；

其特征在于在壁面(2)内，电极杆(6)具有石英玻璃的周边涂层(7)，该涂层至少和相应的金属箔(4)相邻，并且该涂层和石英玻璃壁面(2)不机械连接。

2.如权利要求1的高压气体放电灯，其特征在于电极杆(6)至少在与电极杆(6)和涂层的界面相邻接的那层涂层(7)含有添加剂。

3.如权利要求1的高压气体放电灯，其特征在于添加剂从包括下列元素的组中选取：钍，铪，铬，铝，钛，钽，镁，钙，锶，钡，锆，镧，钪，镧系元素，铌，硼和钇。

4.如权利要求1的高压气体放电灯，其特征在于电极杆至少在其表面含有铼。

5.如上述权利要求中任何一个的高压气体放电灯，其特征在于该灯固定在一灯帽(8)中。

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