CN1105396C - 无电极放电灯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种无电极放电灯，其特征在于包含：至少封入稀有气体和发光金属与金属卤化物中一种的放电管、至少采用熔融玻璃真空密封的所述放电管上的开口以及位于提供使所述无电极放电灯发光的激发能量的腔体外部的所述放电管的密封单元。

Description

无电极放电灯及其制造方法

本发明涉及无电极放电灯及其制造方法，具体而言涉及包含高蒸气压金属卤化物的陶瓷放电管，以及采用陶瓷平板和熔融玻璃密封管子的方法。

作为一种输入微波以产生发光能量的无电极放电灯，在已有的商品上采用的是石英放电管封入硫和稀有气体的那种灯(参见第7届光源科学与技术国际讨论会：B.P.Turner等人1995，p.125)。而且，正如在日本专利申请公开No.54-119783中所揭示的那样，一种无电极陶瓷放电灯正在研制之中，这种灯用单晶氧化铝或者多晶氧化铝来密封碱金属和惰性气体。

但是，普通的微波激发具有石英放电管的高压无电极放电灯的热导率较小，所以如图7所示，需要提供马达驱动的支撑杆以使加热均匀。由于不会因为电极材料的蒸发而发黑，所以无电极灯的寿命较长。但是，灯的寿命取决于用来使灯管加热均匀的马达的耐用程度。

另一方面，由于采用单晶氧化铝或者多晶氧化铝来密封的无电极放电灯内的碱金属并不处于卤化状态，所以据信必须提供极大的功率以使碱金属蒸发并获得有效的发射谱。因此，在实际应用中还没有采用在陶瓷放电管中密封作为发光材料的高蒸气压卤化物的无电极放电灯。

在唯一已成为商品的陶瓷放电灯的钠灯中，对于放置于电极密封单元内的合金陶瓷应加热，以熔化熔融玻璃完成密封。但是，由于没有电极，所以感应加热无法用于微波无电极放电灯。在实践中已经有采用铌粉末管作为密封单元的高压钠灯。但是如果放电管在提供能量的腔体内包含有金属，则合金陶瓷内的金属部分或者铌金属就会被局部加热，从而很容易损坏放电管。

为了实现无需转动机构而能输入较高能量的微波无电极放电灯，可以采用耐热性高于透明石英的陶瓷材料。为了实现采用陶瓷材料的无电极放电灯，可以将陶瓷管插入耐热管，并且可以采用吸热器来加热密封单元，代替用感应加热直接对该单元的加热。

由此可见，本发明提供了如下的无电极放电灯。

即，本发明的无电极放电灯包含：至少封入稀有气体和发光金属与金属卤化物中一种的放电管、至少采用熔融玻璃真空密封的所述放电管上的开口以及位于提供使所述无电极放电灯发光的激发能量的腔体外部的所述放电管的密封单元，所述密封单元用于密封放电管的所述开口。

本发明无电极放电灯的制造方法包括以下步骤：

将陶瓷放电管插入耐热管，所述陶瓷放电管包括先行气密密封并至少封入金属卤化物和发光金属中的一种的一端和开口的另一端；以及

将密封单元和熔融玻璃插入所述陶瓷放电管的所述另一端，随后将开口加热至高于其它部分的温度以借助密封单元和熔融玻璃真空密封所述陶瓷放电灯的所述另一端。

图1a为本发明一个实施例的陶瓷无电极放电灯的剖面示意图，并且进一步示出了其中一端先行烧结的放电管。

图1b为本发明另一个实施例的陶瓷无电极放电灯的剖面示意图。

图1c为本发明另一个实施例的陶瓷无电极放电灯的剖面示意图。

图2为描述本发明一个实施例的无电极放电灯制造方法一个步骤的示意图。

图3为描述本发明该实施例的无电极放电灯制造方法另一个步骤的示意图。

图4为描述本发明该实施例的无电极放电灯制造方法还有一个步骤的示意图。

图5为描述本发明该实施例的无电极放电灯制造方法还有一个步骤的示意图。

图6a为描述本发明该实施例的无电极放电灯制造方法还有一个步骤的示意图。

图6b为描述本发明另一个实施例的无电极放电灯制造方法一步骤的示意图。

图7a为普通微波激发石英管无电极灯的剖面示意图。

图7b为普通的有电极陶瓷灯的剖面示意图。

图8为采用本发明一个实施例的无电极灯的微波激发无电极灯的剖面示意图。

图9为采用熔融玻璃密封合金陶瓷和陶瓷管的普通陶瓷灯的剖面示意图。

图10为采用熔融玻璃密封覆盖有陶瓷的合金陶瓷与陶瓷管的普通陶瓷灯的剖面示意图。

图11为采用位置控制马达使本发明另一个实施例的放电管移动的陶瓷灯剖面示意图。

以下借助附图详细描述本发明的较佳实施例。

如图1a所示，陶瓷管1的端2已经通过烧结先行密封。瓶塞状陶瓷部件5从陶瓷管1的另一端插入其中。陶瓷部件5包括盘状端部3和杆状部分4。盘状端部3和杆状部分4的外径分别大于和小于作为放电管的陶瓷管1的内径。杆状部分4和管1的长度决定了电弧长度。具体而言，整个管1的长度减去杆状部分4的长度就得到了电弧长度。直径大于管1内径的熔融玻璃环6附着于陶瓷部件5上面以密封管1。

上述构造使得通过改变陶瓷部件5杆状部分4的长度或者管1的内径和杆状部分4的直径可以随意地改变电弧尺寸。这是因为当微波激发的无电极放电灯放电时，电弧放电接近管壁并扩展到整个管子，从而使管1与电弧的尺寸基本相等。

为了获得投影用的放电灯，需要提供较短的电弧，这就要求缩短管1的尺寸。但是，当石英管用作管1时，由于耐热能力差，所以需要冷却系统。因此，在普通方法中，向管1提供了马达驱动支撑杆。相反，当管1如本发明那样由陶瓷材料组成时，与石英管的情形相比，在相同功率下加热的均匀性更好。而且，不用旋转机构就能获得足够好的发光性质。

在本实施例中，当烧结陶瓷时只密封了陶瓷放电管1的端2。但是，如图1b所示其它端也可以用陶瓷部件5密封。

虽然在上述阐述中陶瓷部件5是凸形的，但是也可以采用如图1c所示的陶瓷平板3。但是在封入发光材料和稀有气体之前必须密封管1的一端。

本发明的陶瓷放电管1由高熔点的透明陶瓷构成，例如高纯氧化铝、YAG(钇铝石榴石)、氧化钇和氮化铝。由于这些材料可以在高于石英的处理温度下处理，所以脱水处理更充分。这样就限制了发光材料与管子的反应，从而抑制了失透。

以下借助图2-5描述采用陶瓷管的本发明无电极放电灯的制造方法。

如图2所示，包含发光材料7的陶瓷放电管1由熔融玻璃6和瓶塞状陶瓷部件5密封，并且随后放入真空玻璃容器8内。容器8相当于本发明的耐热管。

随后，如图3所示，为了抽空容器8将它与真空系统连接。具体而言，容器8由真空系统的法兰17、连接法兰18和O形圈19密封。当紧固连接法兰18时，O形圈19由压紧圈20压迫，因此完成了气密连接。随后，容器8内的空气被抽至某一背景真空度，并且封入一定气压的惰性气体(例如氩气)。

如图4所示，在密封部件处提供用于局部加热的加热器9以熔化熔融玻璃6，从而使管1与陶瓷部件5连接。此时，存有陶瓷发光材料7的管1下部由冷却器10用水或空气冷却。该冷却操作避免了陶瓷发光材料7从放电管材料上蒸发出来。

而且，法兰17和18的接头最好用空气或水冷却以防止O形圈受热损坏。

在本发明的抽气和放电管密封方法中，容器8用作冷却器10与管1之间的缓冲器以减少对管1的热冲击。因此，在密封操作期间管1不会因受热而损坏，并且在密封时没有金属卤化物蒸发出来。

已经确认的是，如果采用由Kanthal(商标)制成的加热器9(钼硅化物加热器)在2-3毫米范围内局部加热至1450℃，密封管1时不会有发光材料7蒸发出来。用于本试验的容器8和管1分别由透明石英和氧化铝或YAG构成。

如果熔融玻璃6受热熔化并与透明石英容器8接触，则在冷却操作期间的膨胀系数的差异可能会使透明石英破裂或者无法取出管1。为此，在密封操作之前，如图5所示，先用由氧化锆或氮化硼构成的隔离圈16覆盖熔融玻璃6。由此避免了熔融玻璃6与透明石英容器8之间的直接接触，因而没有管1无法取出的麻烦。

如图6a所示，可以采用加热器9局部加热熔融玻璃6并如同在容器8中那样冷却发光材料7。冷却介质可以是水等物质。如图6b所示，如果在容器8的外部提供微波吸热器25以输入微波，则可通过控制功率而只熔化熔融玻璃6以密封管1。

与普通加热器相比，该方法使管1的加热区域可以更为集中，从而可以在不引起发光材料7蒸发的同时更牢固地密封。

以下借助附图7-11描述使这样制造的无电极陶瓷放电管通过微波激发而发光的不同装置。

如图7a所示，在普通方法中，透明石英放电管23完全放入微波腔体12内部并焊接在由外部马达14驱动旋转的支撑杆22上。如果陶瓷灯上有电极29，则如图7b所示，密封单元21不得不放置在电弧附近。

相反，在本发明中，如图8所示，陶瓷放电管1的密封单元21放置在微波腔体12的外面而只有发光单元A在腔体12的内部。因此，熔融玻璃6温度的升高受到了抑制，而这使得可以在确定能量大小时只考虑管1的耐热特性。此外，熔融玻璃6附近密封单元21温度的升高也受到了抑制，从而也抑制了发光材料7与熔融玻璃6之间的反应。因此，改善了因密封单元21泄漏引起的短寿命性质。

因此，如果采用这种输入微波的构造，则如图9所示，可以采用由普通的合金陶瓷15和熔融玻璃6组成的密封单元21来密封管1。

当如图10所示提供陶瓷杆24来保护合金陶瓷15不受电弧损坏时，发光材料7与合金陶瓷15之间的反应受到了抑制。

图11所示的构造可以较为容易地控制管1的位置。这种方便的控制位置的性能使得可以控制输入管1的能量的匹配，因此可以优化发光强度。而且，如果采用检测器监视与亮度或者发光强度对应的电信号，则可以检查产生最大光强的优化位置。因此，将位置控制马达26与监视设备连接在一起可以较为方便地控制位置。为此，管1被固定在向微波腔体提供的法兰27上，而法兰27上通孔28的直径调整得使输入微波没有泄漏。虽然无法完全密封，但是可以将泄漏控制在1％或更小。管1的优化位置随着灯寿命条件的变化而变化。但是，如图11所示的构造可以根据能量输入条件的不同使位置协同变化。

虽然在上面的阐述中输入能量的形式为微波，但是本发明也可以用于输入能量形式为电场或磁场时的情形。

本发明简化了采用陶瓷材料的无电极放电灯的制造过程。采用陶瓷材料代替石英提高了灯的耐热性能并且对冷却机构的依赖程度也不是很大。因此，可缩小管子本身的尺寸，并且适于用作点光源。而且，本发明的制造方法可以不用对普通合金陶瓷采用感应加热就可以密封陶瓷。

此外，由于管1由诸如氧化铝之类的陶瓷材料构成，所以与透明石英管相比，与发光材料之间的反应受到了抑制。这样就获得了长寿命的灯。

将密封单元放置在微波腔体外部使得可以将合金陶瓷或者钼管用于密封单元。此外，由于抑制了密封单元的温度升高，所以可以改善因泄漏引起的短寿命性质。

而且，当管子做成可移动时，即使在初始设定或者在发光过程中也可以很容易地完成能量匹配。

Claims (15)

1.一种无电极放电灯，其特征在于包含：至少封入稀有气体和发光金属与金属卤化物中一种的放电管、至少采用熔融玻璃真空密封的所述放电管上的开口以及位于提供使所述无电极放电灯发光的激发能量的腔体外部的所述放电管的密封单元，所述密封单元用于密封放电管的所述开口。

2.如权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于所述放电管由陶瓷构成。

3.如权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于进一步包含一个法兰以使泄漏至所述密封单元的所述激发能量被限制在1％以下。

4.如权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于对所述放电管的发光强度进行检测并改变所述放电管的位置以使发光强度最大。

5.如权利要求1所述的无电极放电灯，其特征在于所述腔体带有通孔以使所述放电管从外部插入。

6.如权利要求1或2所述的无电极放电灯，其特征在于所述用于密封所述放电管开口的密封单元为陶瓷部件。

7.如权利要求1或2所述的无电极放电灯，其特征在于所述用于密封所述放电管开口的密封单元为合金陶瓷部件。

8.如权利要求6所述的无电极放电灯，其特征在于所述陶瓷部件为一个由盘状端部和杆状部分组成的瓶塞状陶瓷部件，所述盘状端部和杆状部分的直径分别大于和小于所述放电管的内径，并且所述放电管内部不存在所述杆状部分的自由空间决定了电弧长度。

9.如权利要求6所述的无电极放电灯，其特征在于所述陶瓷部件为陶瓷平板，其直径大于所述放电管的外径。

10.如权利要求7所述的无电极放电灯，其特征在于所述合金陶瓷包含伸入陶瓷放电管内的陶瓷杆。

11.一种如权利要求1所述无电极放电灯的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

将陶瓷放电管插入耐热管，所述陶瓷放电管包括先行气密密封并至少封入金属卤化物和发光金属中的一种的一端和开口的另一端；以及

将密封单元和熔融玻璃插入所述陶瓷放电管的所述另一端，随后将开口加热至高于其它部分的温度以借助密封单元和熔融玻璃真空密封所述陶瓷放电灯的所述另一端。

12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于所述其它部分具有金属卤化物和发光金属中的一种并且采用水或空气来冷却。

13.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于所述密封单元为陶瓷部件并且所述陶瓷部件为一个由盘状端部和杆状部分组成的瓶塞状陶瓷部件，所述盘状端部和杆状部分的直径分别大于和小于所述放电管的内径。

14.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于通过在所述耐热管与所述陶瓷放电管之间插入隔离圈进行加热，所述隔离圈由氮化硼和氧化锆中的一种构成。

15.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于所述耐热管由透明石英组成。

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