CN1204857A - 设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯 - Google Patents

Abstract

设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯至少在一个端头(6a)上的堵头(11)是由至少四个沿轴向排列的金属陶瓷层构成的,其中各层的金属含量从内向外逐渐增加。最外层与引线(9)焊接在一起。

Description

设有陶瓷放电腔的 金属卤化物灯

本发明涉及一种金属卤化物灯，该灯设有如同权利要求1前序部分中所说的陶瓷放电腔。它特别关系到那些工作温度较高，可达1000℃数量级的灯。

这种灯的一个主要问题是在陶瓷放电腔内的引线特别是在使用陶瓷堵头时如何保持耐久的密封。为此曾提出多种解决方案，其中常见的是用一个钨或钼的金属管或销通过玻璃焊料／熔化陶瓷焊接或直接烧结在陶瓷堵头内作为引线。但其时在陶瓷和金属间并不产生连结层，因此不能得到耐久的密封。还有建议用金属陶瓷即一种陶瓷与金属的复合材料作为堵头材料的方案(US-PS 5 404 078和US-PS5592049)。

为了更好适应热膨胀系数，堵头还要通过试验确定，堵头由具有不同比例的金属／陶瓷的多层金属陶瓷构成。EP-A 650 184曾公开过一种不导电的金属陶瓷堵头，该堵头具有沿轴向布置的层。但密封非常复杂并用到带螺纹的引线、外部圆盘(法兰)和金属焊料或玻璃焊料。

US-PS 4 602 956曾公开过一种设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯，其中电极被烧结在由导电的金属陶瓷制成的圆盘状的引线内。该引线另外被由金属陶瓷制成的环状堵头包围着，该堵头与由氧化铝制成的陶瓷放电腔用玻璃焊料连结在一起，但玻璃焊料通过侵蚀性的充填物(特别是卤素)会被腐蚀，由于这个原故因此使用寿命较短。这种配置还有一些缺点，即电极被嵌入到金属陶瓷的引线内能在金属陶瓷上产生应力，最后使它开裂。另外由于圆盘状的导电引线的直径较大，电流除了发放电弧外，还能容易地返回冲击到引线上，使它很快变黑。

US-PS 4155 758的图16曾公开过一种不用外管套而设有陶瓷放电腔的金属卤化物的特殊配置，其中引线被制成一个能导电的金属陶瓷销，电极也是被烧结在金属陶瓷销内。金属陶瓷销被烧结在由纯氧化铝制成的堵头内，而堵头通过玻璃焊料与放电腔连结。这种配置具有与上面所说类似的缺点。

在EP-A 587 238中描述了一种设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯，其中需要有一由氧化铝制成被拉得很长的毛细管作为内部的堵头件，用玻璃焊料将一销状金属引线固定在其外端(熔化区)，其时重要的是熔化区要处在足够低的温度下。引线销可由两部分组成，其中面向放电的部分可由导电的、含有碳化物、硅化物或氮化物的金属陶瓷制成。这种密封技术可产生总长度较长的放电腔，但它在制造时很费钱并且同样要用容易被腐蚀的玻璃焊料。它的一个特别严重的缺点是，在毛细管和引线之间的间隙内有一巨大的容积，大部分充填物会在其内凝结，因此充填物需要有一巨大的超用量。此外还有，侵蚀性的充填物一开始就会与密封区内容易被腐蚀的构件猛烈接触。这种技术只在小功率级(到150W)使用，因为毛细管的内直径增大时在金属陶瓷引线销和毛细管之间在热膨胀系数上的差异太大。

本发明的任务是要提供一种设有如权利要求1的前序部分中所说的陶瓷放电腔的金属卤化物灯，它有一个长久的使用寿命，因为几乎完全不用玻璃焊料。特别是在密封区采用真空密封，因此能承受高温并不易被腐蚀。

这个任务通过权利要求1的特征可以完成，另外一些有效的配置可在从属权利要求中找到。

按照本发明，在放电腔的至少一个端头上，堵头是由至少四个沿轴向分层堆放的金属陶瓷件组成的，而该金属陶瓷件是由氧化铝和金属(钨或钼)构成的。金属含量随着向外(即远离放电侧)的程度而增加。对金属陶瓷为了简便起见，可这样理解，即最内层由纯氧化铝构成，最外层由纯金属构成。对本发明来说重要的是堵头最外层的金属含量应高到这样程度，使该层能够具有与引线焊接的性能。为此该层必需具有5mΩ的导电性，而这相当于金属的份额至少应为50％的体积比。随着层数的增加，最外层的金属含量还可提高。当总层数为六层时，最外层甚至可由纯金属构成，只要相对的热膨胀差异能够保持在足够小的程度即可。

引线通过焊接与这最后一层真空密封地连结。引线从另外一个在里面的较远层通过一个毛细管大的间隙(几个μm宽)进入到放电腔内。通过焊接进行放电腔的密封具有的优点是可以得到高的耐腐蚀能力、高的温度承受能力和这样焊接带来的高强度。

能导电的销或管都可用作引线。引线的材料应该适合，至少就热膨胀系数而论，在堵头的最外层上，特别是在其组装件上，应尽可能地做好。在理解情况下，它们应一致，但偏差也是允许的。例如最外层和引线都可由纯金属制成。或者两者都可由能焊接的金属陶瓷构成，而其中的金属含量至少为50％的体积比。

堵头的最内层与放电腔的端头不用玻璃焊料地被连结。一般情况堵头的分层是通过直接烧结连结的。

上述发明的一个重大优点为，可以保证堵头的最外层和引线所用的材料具有类似性，因此不会出现显著的热膨胀的差异。密封特别耐用，因为通过焊接可以得到一个牢固而耐久的结合，而这种结合是在烧结或熔化技术中考虑到的。另外在采用如钼和钨那样的纯金属或采用高金属含量的金属陶瓷时不会很快引起开裂，因为通过金属弹性产生的应力很容易被消除。另一方面对于堵头最内层可选择一个与放电腔类似的材料，因此在这区域内密封也可耐用。

引线可由耐高温材料特别是钨或钼，或者由氧化铝和钨混合而成的金属陶瓷构成。

在第二实施例中，引线由耐高温金属制成管状。这一实施例对高瓦灯(典型地从250到400W)特别有效。使用管作为引线具有这样的优点，即在堵头内也可有较大的孔，这对高瓦灯用的大电极的引线来说是必需的，而电极能被密封得不会有太大的热损失。当人们使用一个由管状引线和电极构成的电极系统时，这种系统可先在放电腔的端头暂时与堵头烧结在一起，这样管状孔就可与所选电极的大小无关。在这种情况下在充气后这种孔可先用充填销封闭，随后充填销、引线管和金属陶瓷堵头便可在一个工步内焊接在一起。这样迄今为止经常需要在堵头内另设的充填孔便可完全不要。

现在单独论述本发明的金属卤化物灯，该灯设有一个陶瓷放电腔(由氧化铝制成)，通常被一外灯管围护着。放电腔具有两个端头，要用密封装置予以密封，通常用单件或多件的堵头。至少在放电腔的一个端头上要有下列构造。通过密封装置的中心孔真空密封地引入一条可导电的引线，其上紧固着一个带杆的电极，它们向放电腔的内部伸出。引线是一个由金属或金属陶瓷制成的构件，其金属含量高到这样程度，使它能像金属一样可被焊接，其时引线没有用玻璃焊料而是通过直接烧结被紧固在堵头内，此外堵头也没有用玻璃焊料而是用直接烧结被紧固在放电腔内。

金属陶瓷内的陶瓷成分为氧化铝，金属成分为钨、钼或铼。由合适材料组成的金属陶瓷的主要结构已被公开，例如可见本文开始时所述现有技术或文件EP-A 528 428和EP-A 609 477。

按照本发明的合适的金属陶瓷构件的材料必须是既能焊接又能导电的。一个具体实例为在总的金属陶瓷中，钼的份额为50％的体积比，其余为氧化铝。另外的例子可在本文开始时所提到的同族申请中找到。

在一个特别有效的实施例中，引线为一个由可导电的金属陶瓷制成的销，其时电极杆被对焊在销的端面上，而销本身则与堵头焊接在一起。这种配置的优点是，销和堵头之间的热膨胀差异较小。此外由于金属陶瓷不像金属那样容易传热，结果由金属陶瓷制成的销就能只需较少的堵头层数，如在使用金属引线时，堵头原本需要五层或六层，现在只要四层就足够了。

可有效地将引线加深地植入到堵头内，这样引线与充填物的接触便可减少，温度载荷亦可减少。

在第二个特别有效的实施例中(该例特别适用于小瓦灯)，引线为一由金属制造的可导电的销。该销本身可作为电极杆或与电极杆连在一起。它还可穿过毛细管向外突出以便容易与外供电线连接。这种引线最好由钨或钼构成。

下面将根据多个实施例较详细地说明本发明，其中：

图1为设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯，其中部分被剖开，

图2为按照图1的灯的放电腔的端部，

图3为陶瓷放电腔端部的另一个实施例，分别示出将引线植入之前(图3a)和之后(图3b)的情况，

图4为陶瓷放电腔端部的另一个实施例，

图5为陶瓷放电腔端部的又一个实施例。

图1概略地示出一个功率为150W的金属卤化物灯。它由下列构件制成：一个由石英玻璃制成的环绕灯轴线的圆筒形外管套1，其两端被挤压(2)并装有灯座(3)。沿轴向布置的由Al₂O₃陶瓷制成的放电腔4在中间5鼓起并具有两个圆筒形端头6a和6b。该放电腔通过两根越过薄膜8与灯座件3连结的供电线7被夹持在外管套1内。供电线7与引线9、10焊接，这两引线分别进入到放电腔端头上的堵头11内。

引线9、10为金属陶瓷销，其直径约为1mm，金属陶瓷为既可导电又能焊接的，其中具有约50％体积比的钨(或钼)，其余为氧化铝。

两根引线9、10分别露出堵头11并夹持着放电侧的电极14，该电极由一根钨制电极杆15和一个向放电侧端头延伸的盘绕灯丝16构成。引线9、10分别与电极杆15如同与外供电线7那样对焊。灯丝的直径约小于引线的直线，所以，整个电极系统可以来后引入堵头相应的中心孔中。

放电腔的充填物除了惰性的点燃气体如氩外，还有汞和金属卤化物上的添加剂。也有可能例如使用一种金属卤化物而不使用汞，从而为点燃气体氙选用较高的压力。

端堵11主要由沿轴向分层堆装的金属陶瓷构成，该金属陶瓷的陶瓷成分为Al₂O₃，金属成分为钨或钼。端堵被直接烧结在放电腔的端头6内。

图2示出放电腔端部的详情。堵头11由四个沿轴向分层重叠堆放的圆环或层构成，其中最内的圆环朝向放电侧。最内的圆环11a由纯氧化铝或一个具有很少金属含量的金属陶瓷构成。最内圆环的金属陶瓷最好含有最多为8％体积比的金属，其余为氧化铝。圆环11a部分植入到放电腔的端头6a内并与放电腔的圆筒形端头6a直接烧结(不用玻璃焊料)，第二圆环11b含有10-25％的体积比的金属，第三圆环11c含有25-40％体积比的金属。第四圆环11d含有至少为50％体积比的金属，因此是可焊的，其外表面用激光焊接与引线9连结。

在图2的具体实例中，堵头的最内层11a具有7．5％体积比的钼。第二层11b具有15％体积比的钼，第三层(11c)为30％体积比，而最外层(11d)为50％体积比。

图3a、3b示出这样一种端部的另一个实施例。引线20为由纯钼制成的销。这里堵头21由六层金属陶瓷的圆环构成。最内层21a含有5-8％体积比的钼，其余为氧化铝。第二圆环21b含有10-25％体积比的钼，第三圆环21c含有25-40％体积比的钼，第四圆环含有50-70％体积比的钼，第五圆环21e含有70-90％的钼，而最外层21f由纯钼构成，因此非常好焊。在堵头上还设有一个衣领状的延伸件21a，大约有1mm长和一个约为0．5mm的壁厚。引线20要多少突出到这个衣领件之外，在其外端有一端部加厚23(例如一个切口或焊接点)，该加厚部将引线20固定在堵头21内。包括衣领件21的最外圆环21f通过焊接与引线连结成一熔化圆球19。

在一个具体实例中，堵头21的最内层21a具有5％体积比的钼，第二层21b具有15％体积比的钼，第三层(21c)为30％体积比，第四层(21d)为55％体积比，第五层(21e)约为80％，包括衣领件21g在内的最外层21f由纯钼或一个可焊的具有高钼含量的陶瓷金属构成。在这实施例中，热膨胀系数的相对差异很小。

在这变型中引线销20将被插入到堵头的中心孔22内一直到其深度通过加厚部23能被固定为止。随后销端与包括衣领件21g在内的最后一个金属陶瓷层21f通过焊接(19指焊珠)被封闭。参考图1，外供电线(7)就可无问题地直接与堵头最外层的衣领件21g接触连通，因为该衣领件同样能很好地导电。图3a指出该孔首先要用来抽真空并充气，然后将销插入并在外面焊接。焊接技术与烧结技术相比，前者快而容易实行，并能在焊接范围外造成不高的温度。

在另外一个实施例中(图4)，在放电腔的两个端头6a和6b上，在六层的金属陶瓷堵头31内的作为引线的钼管30在其外端被焊接(19)。

钼管30通过其收口33夹持着电极32并在该收口上将电极气密地焊接。在这里堵头内的孔同样先被用来充气，随后再将管状电极系统插入，并在外端将环状间隙焊封。

在另外一个功率为250W的高瓦灯的实施例中(图5)，钼制的引线管35也被制成一个直通的圆筒形管。在其放电侧一端的外面偏心地紧固着具有大头39(双层盘绕灯丝)的电极32。为了临时固定在堵头37内，堵头的最外层37f先通过烧结与钼管35连结。

管35在抽真空和充填后首先用金属销36予以封闭，使该销与管35焊接在一起，同时将管35与堵头37的最外层焊接在一起。这样通过焊接就可使堵头孔得到端头适用的、耐久的密封，因为这种技术比直接烧结好。

使用管子作为引线的优点是，电极能极容易地固定在其上。另外的优点是，尽管使用堵头内的一个小得多的孔，也能将较宽的电极带入到放电腔内。其时可将堵头连同那些早已松动地植入其内的电极系统引入到放电腔的端头6内并直接烧结，同时将引线临时烧结在最外侧的堵头端(堵头的最后一层)上。或者可将引线的端头用一横向设置的挡块临时保持。

这样电极的大小就不必受通过堵头孔的限制。此外管状引线在插入金属销36之前可用作充填孔36。

特别是这样可保证充填孔与电极大小无关，电极大小可根据灯的瓦数来选择。

采用管子的技术对大功率灯也能很好适用。其时电极有一大直径和大的横向尺寸。管直径相对不是关键，因为在引线和堵头端上最外层之间在热膨胀上的差异能被保持在很小的范围内，其时管子和堵头的最外层可选用类似的材料，甚至相同的材料。

在管子和堵头及管子和引线销之间的焊接对这些零件的大直径来说也是没有问题的。

最好在大瓦灯上用管子作为引线，因为与电极所需大直径适应的销会取走过多的热。这样在点燃灯时将会导致巨大的点燃困难。这时这里所提出的采用管子的技术就可放在首位了，设有陶瓷放电腔的金属卤化物灯在大功率(大于150W)时也能可靠地密封。公知电极的大小(特别是其直径)随着功率而增大，但按照本发明，现在引线的直径可不再相应地增大了。

在一较优的实施例中，引线由纯钼(销或管)构成。堵头由六层金属陶瓷构成。金属陶瓷中的金属成分为钨，因为采用这种金属，由于它有比钼大的热膨胀系数，单层能够比较容易地控制。最内层由2％体积比(相当于10％重量比)的钨构成，其余为氧化铝，因此它能与由纯氧化铝构成的放电腔很好地适应。第二层含有约为15％体积比的钨，相当于46％重量比的钨。第三层含有约为28％体积比的钨，相当于67％重量比的钨。第四层含有约为42％体积比的钨，相当于78％重量比的钨。第五层含有约为56％体积比的钨，相当于88％重量比的钨。最外层含有约为69％体积比的钨，相当于90％重量比的钨。这个最后一层因此得与钼制引线的热膨胀系数合乎理想地适应。

上述这些值是这样选定的，使堵头所有各层相互之间的热膨胀系数的差异大致相同，这样载荷便能均匀地被分配。其时1000℃的温度被取作标准。

Claims (10)

1. 权利要求书

   1．设有由氧化铝制成的陶瓷放电腔(4)的金属卤化物灯，其中放电腔有两个端头(6)被堵头(11)封闭，并且有可导电的引线(9、10；20；30；35)真空密封地穿过这个堵头而被引入，在该引线上固定着电极(14)和杆(15)，它们在放电腔内突出，其中堵头由沿轴向排列的层构成，各层的材料为金属陶瓷，其中金属含量从内向外增加，其特征为，至少在放电腔一个端头(6)上的堵头是由至少四个沿轴向排列的层构成的，并且堵头的最外层(11d)是由一种具有至少50％体积比的金属(其余为陶瓷)的可焊材料构成的，其中引线(9)通过焊接(19)与堵头的最外层连结，而堵头的最内层(11a)不用玻璃焊料，被固定在放电腔的端头上。
2. 2．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，引线为一销(9、10)由耐高温材料，特别是钨或钼构成，或由能导电的金属陶瓷构成，其中特别是销，采用与金属陶瓷堵头最外层材料相近的材料。
3. 3．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，堵头由至多为六个层组成，各层的金属含量随着位置的向外而增加。
4. 4．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，堵头的最外层由纯金属构成。
5. 5．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，堵头的最内层由纯氧化铝构成。
6. 6．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，堵头的最内层(11a)被直接烧结在放电腔的端头上。
7. 7．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，引线为一管(30；35)，由耐高温的金属，特别是钨或钼构成。
8. 8．按照权利要求7的金属卤化物灯，其特征为，电极头比管的外直径宽。
9. 9．按照权利要求1的金属卤化物灯，其特征为，用一充填销(36)植入到管状引线(35)内。
10. 10．按照权利要求7的金属卤化物灯，其特征为，管状引线可用于至少为150W的高功率的灯内。

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