CN1218273A - 高气压放电灯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

高气压放电灯包括一个高熔点玻璃质材料的玻璃室,一对由相同的高熔点玻璃质材料制成的从该玻璃室延伸的密封组件。稀有气体和在室温下是固体或液体的材料被密封在该玻璃室中。电导棒被安置在密封组件中。电导棒周围的气密密封的形成使得从金属或这些金属的氧化物中选出的至少一种金属材料被用在靠近位于高熔点玻璃质材料和电导棒之间的区域。

Description

高气压放电灯及其制造方法
本发明涉及高气压放电灯，更具体地涉及高气压放电灯的密封结构，及其制造方法。
液晶投影仪等装置近来被作为放大，投影，和演示字符，图案，和其它图像的手段。因为这类图像投影装置要求特定的光输出，高亮度的高气压放电灯通常被广泛地用作光源。这类灯通常与反射镜相结合。减少高气压放电灯电极之间的距离(弧长)的需要近来有所增加以便增加反射镜的聚光效率。
然而，这种电极间距的减少造成灯电压的下降，如果想要保持相同的灯功率将导致灯电流增加。增加的灯电流导致电极损耗增加，造成电极材料更快地蒸发，促使电极过早变坏，即，减少灯的寿命。
这就是通常在灯使用过程中当电极间距减小时试图增加水银等的气压以防止灯电压减少(防止灯电流增加)的原因。日本待公开专利申请2-148561中公开了高气压水银灯的一个例子。
公开的灯的电极间距为1.2mm，当灯在额定功率50W点亮时工作压力达到约200atm。根据该公开，在这种高气压下可得到高的灯电压(76V)。
当电极间距以这种方式减少时，工作气压必须充分地高以便得到足够的灯电压。因此灯必须有耐压能力足够高的的密封结构以能够耐受工作时的超高气压。
图39(a)是显示日本待公开专利中请2-148561中公开的高气压灯的密封组件的整个结构的一部分的图。
在图中，100是一个由石英玻璃制成的基本上是球形的发光组件，101是从发光组件100延伸过来的横向管状组件，102是提供电流到发光组件100的钨电极。103是钼箔；104是引入外部电流的钼导线。这些组件组成电极部件105，通过连接电极102到钼箔103(电极的一端延伸进入发光组件100)的一端而得到，提供电流的导线104连接到另一端。电极部件105以密封箔的形式气密地密封在横向管状组件101中，其中钼箔103的弹性形变用来吸收相对于石英玻璃的热胀的差异。
能够耐受高的工作气压(达到200atm)的借助于该密封箔结构的一个有效的装置被详细描述，例如，在“第7届国际光源科学与技术会议(1995)，会议论文集，”第111页。
现在参照图39(b)给出上述文章的概述。
图39(b)是图39(a)AA′区域的剖面图。电极102的一部分安装在横向管状部件101中，非粘着区域107在电极102周围形成，如图37中的点所示。根据前面提到的文章，如果W是非粘着区域107的宽度，灯对高气压的耐受力可以通过减少非粘着区域107的宽度W而提高。特别是，据宣称采用较小宽度W的结构可使得减少非粘着区域107中的压力浓度成为可能，并改进灯对高气压的耐受力。
同时，如美国专利4,282,395公开的密封棒结构是已知的抗高气压的密封结构的另一个例子。在该结构中，如图40所示，电极102通过中间的玻璃(例如，膨胀系数32×10-7/℃的超硬玻璃200)气密地密封于横向管状组件101中，玻璃的热胀系数介于石英玻璃(膨胀系数5.5×10-7/℃)和钨(膨胀系数46×10-7/℃)之间，位于距离发光组件100一定距离的横向管状组件101的区域B中。电极102和石英玻璃通过中间的玻璃200相结合的力远大于钼箔和石英玻璃通过钼箔的弹性形变相结合的力，使得该结构对抵抗高气压而言是一种优秀的密封箔结构。
根据上述讲述，具有密封箔结构的灯的最大耐受气压受电极102的直径限制，因为电极102的直径就是图39(b)所示的宽度W的最小值。这是密封箔结构使得难于，例如，制造如日本待公开专利申请2-148561中描述的作为高输出灯而要求大的灯电流和充分粗的电极以适应这一电流的高工作气压(达到200atm)的灯的原因。因此，日本待公开专利申请2-148561中公开的所有例子都限制在50W或更低的低输出灯。
图40中描述的密封棒结构可得到比密封箔结构对高气压具有更高耐受力的灯，使得提供输出和工作气压高于采用密封箔结构的灯成为可能。然而，图40中描述的传统的密封棒结构并不适用于这样的灯，其中的发光物质包括水银或其它在工作过程中蒸气压随灯的温度大范围变化的物质，像，例如，上面提及的日本待公开专利申请2-148561中所描述的那样。
这是因为用于密封棒结构的中间的玻璃的最大工作温度低于石英玻璃的额定值900℃(最大值1100℃)，典型地超硬玻璃的额定值为230℃(最大值：490℃)，要求，通常地，电极被气密地密封在距离发光组件100最大距离的低温部件的B区域附近，它形成了工作时的最高温度，如图40所示。
因此，在图40中被指定为区域A的低温区域(横向管状组件101没有和电极102结合的空隙)位于密封棒结构灯的密封的发光组件100的内部。从而，水银借助于传统的密封棒结构被密封在，例如，发光组件100中，作为发光物质，即使当制成日本待公开专利申请2-148561中公开的高工作气压水银灯的目的达到时，区域A中的水银浓缩，使得达到期望的水银蒸气压或构造适当工作的灯成为可能。当试图确保灯通过在发光组件100和横向管状组件101的结合部附近形成一密封而适当工作时，中间的玻璃200暴露于高温并在工作过程中熔化，结合破裂且灯被高气压的发光组件100和外部，基本上是大气压，的压差弄碎。
本发明的一个目的是克服上述缺点，提供一种高气压放电灯的密封结构，它对高气压具有极佳的耐受力并适于制造高输出的灯，还提供一种制造具有这种密封结构的高气压放电灯的方法。
为了实现所述的目的，根据本发明的高气压放电灯的特征在于包括：至少一个高熔点玻璃质材料制得的玻璃室；用同样的高熔点玻璃质材料制得并从该玻璃室延展的密封组件；稀有气体和室温下是固体或液体的材料，密封在发光组件中；部分安装在密封组件中用来给发光组件内部形成的电弧提供电流的电导金属结构；气密密封，使得至少一种从金属中选择的金属材料及这些金属的氧化物用于位于密封结构中高熔点玻璃质材料和电导金属结构之间的区域附近，且电导金属结构气密地密封在高熔点玻璃质材料中。
这里，高气压放电灯的特征在于气密密封是通过在电导金属结构中散布金属材料粉末而形成的。
根据其它实施方案，高气压放电灯的特征在于气密密封是通过给电导金属结构涂敷金属材料薄膜而形成的。
根据其它实施方案，高气压放电灯的特征在于气密密封是通过将金属材料粉末混入该密封组件而形成的。
在至少部分电导金属结构表面上形成氧化的表面。
气密密封给高气压放电灯提供一种密封结构，它具有极佳的粘着性和对高气压的耐受性并可承受灯输出的增加。
制造根据本发明的高气压放电灯的方法至少包括如下步骤：制备高熔点玻璃质材料制成的具有玻璃室和从玻璃室延展的管状组件的外管，和用于提供电流以便在玻璃室中形成电弧的电导金属结构；将电导金属结构引入管状组件中，一端位于玻璃室中；在电导金属结构和管状组件的内表面之间施加从金属中选择的至少一种金属或这些金属的氧化物；加热并压扁管状组件以恰当地密封电导金属结构。
也可以这样制作高气压放电灯，即制备由高熔点玻璃质材料制成的具有玻璃室和从玻璃室延展的管状组件的外管，和用于提供电流以便在玻璃室中形成电弧的电导金属结构；在管状组件的内表面上施加至少一种金属粉末或金属氧化物粉末，或形成至少一种金属或金属氧化物薄膜；然后将电导金属结构引入管状组件使它们的一端暴露于玻璃室的内部；加热并压扁管状组件以气密地密封电导金属结构。
图1显示了根据本发明实施方案1构造的高气压放电灯。
图2显示了具有传统密封箔结构的高气压放电灯。
图3显示了用来测量灯的气密性和压力耐受性的试验灯。
图4显示了一种灯的结构，其中剖面表面区域垂直于沿产生电弧的区域的方向逐渐增加的电极的主轴。
图5显示了根据本发明实施方案2的放电电极棒的结构。
图6是根据本发明实施方案2的用于电极模件的模具的构造图。
图7显示了根据本发明实施方案2的玻璃外管的结构。
图8显示了根据本发明实施方案2的电极模件的制造方法。
图9显示了根据本发明实施方案2制造电极模件的一个步骤。
图10显示了根据本发明实施方案2的电极模件的制造方法。
图11显示了根据本发明实施方案2的电极模件的结构。
图12显示了与图9类似的一个步骤。
图13显示了与图7类似的一种结构。
图14显示了与图11类似的一种结构。
图15显示了根据本发明实施方案2的一种制造方法，其中金属蒸气沉积在电极棒上。
图16显示了根据本发明实施方案2的电极的结构。
图17显示了根据本发明实施方案2的外管的结构。
图18显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图19显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图20显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图21显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图22显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图23显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图24显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图25显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图26显示了根据本发明实施方案2的制造方法的一个步骤。
图27是显示了本发明实施方案3的高气压放电灯的构造图。
图28(a)是显示了本发明实施方案3的密封结构的构造图。
图28(b)是显示了传统密封结构的构造图。
图29是显示了本发明实施方案4的高气压放电灯的构造图。
图30显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图31显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图32显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图33显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图34显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图35显示了根据本发明实施方案5的高气压放电灯的制造方法的一个步骤。
图36是用于根据本发明实施方案6的高气压放电灯的制造方法的溅射装置的简图。
图37显示了本发明实施方案6的高气压放电灯。
图38显示了本发明实施方案6的的另一种溅射装置。
图39显示了传统高气压放电灯的密封箔结构。
图40显示了传统高气压放电灯的密封棒结构。
现在本发明的实施方案将参照附图进行描述。实施方案1
图1是本发明高气压放电灯实施方案1的结构图，具有密封结构，其中熔点低于石英玻璃的玻璃外管安装在放电电极棒和作为密封组件的石英玻璃之间。图1中，1是管状发光室或用作外放电管的组件，2是电极-密封组件，3是放电电极棒，4是玻璃外管，5是密封的水银和金属卤化物，6是电极-密封组件和发光管的内部之间的边界。石英玻璃用作管状发光组件1，96％的硅玻璃如Corning公司制造的Vycor用作玻璃外管4。放电电极棒3用钨材料制成且直径为0.9mm。此外，管状发光组件1的体积大约为0.45cc，电极-密封组件和发光管的内部之间的边界的内径6在密封之前为2.0mm。
当图1中，以密封形式，包含90mg的水银，0.4mg的碘化铟，和1.0mg的碘化铥(最后两个是金属卤化物)的灯以200W的功率点亮时，灯电压可达到约80V。相应的预计工作气压大约为200atm。奇怪的是，本发明的高气压放电灯，不具有传统的密封箔结构或密封棒结构，而是在其内部有安装于放电极棒3和密封组件的石英玻璃2之间的熔点低于石英玻璃的Vycor玻璃外管4，工作正常且能够耐受高达200atm的工作气压，密封的发光材料或蒸发的填充物不在管状发光组件1中移动。
本发明实施方案1中描述的高气压放电灯的密封结构的优点通过下述证明试验的结果可变得更显著。
这里，图2是描述利用传统金属箔得到的密封的高气压放电灯的结构图。7是外部放电管，8是密封组件，9是放电电极棒，10是金属箔，11是连接外部驱动器的导线，12是密封的水银和金属卤化物，13是发光管内部和密封组件之间的边界。放电电极棒9由钨材料制成直径为0.9mm。此外，电极密封组件和发光管内部的边界的密封之前的内径13为2.0mm。钼材料用于金属箔10。
图3是用来测量采用了上述结构的密封的灯的气密性和压力耐受性的试验灯的结构图。14是密封组件，像图1和2那样密封。(图3是显示利用图1的密封方法得到的密封结构的示意图)。15是一个组件，采用未密封玻璃管形式，用于对发光管的内部抽真空。
图3的测量灯，像图1和2那样密封，用来执行对密封组件中缝隙的观察。为了观察缝隙，利用注射器将墨水(New Kokushin,EdibleRed No.102)注入用以对发光管抽真空的组件15，当密封部分浸入水中时给予超声振动使墨水渗入小缝隙，该灯允许耐受数小时。
根据这一结果，未观察到墨水渗入图1的密封组件。然而，传统密封的灯，观察到墨水沿电极棒渗入金属箔和电极棒之间的连接。这表明得到了好于以往的气密性。
此外，用来对发光管抽真空的组件15被连接到一个真空台上，它自己连接到一个旋转真空泵和一个涡轮分子泵上，形成真空以便借助图3中测量灯以相同的方法，像图1和2中所示的那样密封来测量气密性。此后，所有的灯(图1和2)在几分钟内被抽真空至2.0*10-6atm。这一真空度对应于足够于耐受灯工作的水平。
接下来上述灯的最初耐受电压被测量。高气压气体通过对发光管抽真空的组件15引入，并测量爆破气压。灯的爆破气压被指定为它们最初耐受的压力。因为试验中使用的高气压气体的最高气压力为200kg/cm2，不能测量更高的压力水平。图1中的灯在200kg/cm2不破裂。
与之对照，传统的密封灯(图2中的灯)的初始耐受压力为100-150kg/cm2。因此知道不采用金属箔的密封结构是高的耐受电压的结构。
因此，本发明的高气压放电灯具有密封结构，其中熔点低于石英玻璃的Vycor玻璃外管位于放电电极棒和密封组件的石英玻璃之间，使得可能提供高气压密封灯，其中密封的水银或金属卤化物不会在密封组件的放电极棒附近浓缩。
当类似的试验在下述条件下进行时得到了相同的结果，即，将玻璃粉末注入放电电极棒3和玻璃外管4之间的缝隙中，将金属混入玻璃粉末，或给电极棒3涂敷金属膜。
当灯使用电极棒3和玻璃外管4一同密封时，有时密封后在电极棒和玻璃外管之间留有小的缝隙，造成灯的密封状态在各个灯之间不同，当采用玻璃粉末或将金属混入玻璃粉末中进行填充时这一差异消失且可得到更好的气密密封。
此外，玻璃和电极棒之间的热胀系数的差异不会使在密封过程中在电极棒3上形成金属氧化物薄膜而得到的产品造成任何碎裂。虽然它的原因还不完全清楚，据假设金属氧化物薄膜减小了玻璃和电极棒之间热胀系数的差异。在密封过程中没有碎裂改进了玻璃和电极棒之间的气密性。另一个影响，考虑到由于形成了大的碎裂，耐受压力比之于设计值极大减小，灯之间的不一致性可被减小。
通过制得以连续方式逐渐变细的电极棒进行相似的试验，以其剖面表面区域，在垂直于电极主轴的平面上测量，在电弧形成的侧面上为0.9mm2，部件连接到外部驱动器的侧面(在另一端)为0.05mm2。最终的灯描绘于图4。从这些试验中观察到由密封组件造成的压缩应力随着电极棒16的直径的减少而增加。这些结果说明得到了较高耐受压力的结构，因为密封组件的压缩应力通常改善耐受压力。实施方案2
下面是对实施方案1中描述的图1中的灯的制造方法的描述。
图5描述了电极棒50。此外，图6描述了用于形成电极模件的模具51。模具具有开口52用来制造电极棒50，和开口53用来插入玻璃外管。开口52的直径足够地小防止电极棒50在插入过程中偏向侧面。开口52的深度必须事先设定，因为在气密密封到灯的内部之后，电极棒50从电极穿过密封组件的末端连接到外部发动机上的一侧插入开口52。显然从电弧形成的一侧插入开口52也是可能的，在这一情形开口52的深度必须进行调节并设定为与电极棒从密封组件端点到电弧形成的端点的长度相匹配。此外，用于插入玻璃外管的开口53的直径足够地小以防止玻璃外管插入过程中偏向侧面。
图7描述了玻璃外管。玻璃外管是用一种熔点低于灯的外管的材料制成的，本情形是Vycor。组件制备为玻璃外管的外径小于灯侧面的管状组件的内径，玻璃外管的内径大于电极棒的直径。
如此制备的电极棒50在像图8那样插入后被安装到完全是钨的模具51。接下来玻璃外管54在像图9那样插入后安装入模具51。玻璃外管被填入用和玻璃外管相同的材料制备的玻璃粉末(像图10中55指示的那样)或熔点低于玻璃外管的材料。
玻璃粉末55借助圆环形的压缩成型工具56被沿图10中箭头57的方向压缩并压紧，该工具的外径使得工具可紧紧地插入模具的开口53，该工具的内径使得电极棒可以穿过。压缩成型工具56描绘于图10中。因此可得电极形状的模件。
这样得到的电极形状的模件还可在真空或氢气氛下进行加热和焙烧。必要时，上述步骤之后可将线圈焊在电弧形成的一侧。图11描述了附有线圈的电极形状的模件57。
如图12所示，玻璃外管54可用玻璃粉末55填充，不用电极棒50，而用和电极棒直径尺寸相同的圆柱形钨工具200。然后，如图13所示，用玻璃粉末填充的玻璃外管从模具51中取出并烧结，形成烧结的玻璃外管201。这样烧结的玻璃外管201滑入电极棒的预定位置，因此可用作电极模件202(图14)。虽然钨制成的模具51和圆柱形工具200用在本实施方案中，但是，显然在材料方面并不强加任何限制，本实施方案也可使用钼、不锈钢等组分实施。
热胀系数接近电极棒材料的金属粉末也可混入玻璃粉末中。可以，例如，以与上面相同的方式用在研钵中一同均匀摩擦钨粉、氧化钨粉、钼粉、氧化钼粉等和Vycor粉末得到的混合粉末填充玻璃外管。金属粉末的混合物使混合粉末的热胀系数接近电极棒的热胀系数并导致更好的气密密封。
当使用非均匀混合粉末时，高熔点混合粉末应该放置在接近产生电弧的末端。
甚至当不使用混合粉末时，金属蒸气也可被沉积在电极棒密封在外管中的部分。图15描述了金属蒸气沉积在电极棒上的方法。虽然并未显示在图15中，蒸气沉积在真空或惰性气体气氛下进行。电极棒50的两个末端固定在旋转卡盘58上，用来防止蒸气沉积在非沉积区域的节流板59安装在电极棒的下面，金属蒸气60从下面提供以沉积在电极棒的密封部件和外管上。玻璃外管放在这样得到的蒸气沉积电极棒上，形成电极形状的模件，如图9和10所示。
也可以进行金属溅射，热CVD，等离子体CVD，等等。甚至通过这样改进的步骤，最终得到的灯的密封结构显示出极佳的高气压耐受性和附着性。
当使用的玻璃外管包含不同材料制作的玻璃外管时，较高熔点的玻璃外管应该被安置在产生电弧的末端附近。当使用具有连续变化的熔点的玻璃外管时，逐渐增加熔点的玻璃外管的末端应该安置在产生电弧的末端附近。这是因为，作为一条规律，高熔点材料仅仅和密封的材料如金属卤化物轻微反应，并可在较高温度下工作，所以在最接近球形发光组件的部分采用高熔点材料就灯的寿命特性而言是高效的。
下面描述在灯的外管中密封电极形状的模件57的步骤。
图16描述了引入灯中的电极。为了将电极固定在横向管状组件中，金属弹簧61被焊接在电极形状的模件57的端部62上，从那里模具连接到外部驱动器上。
图17描述了在一个单独的步骤中制备的外管66。该管包括一个通过加热和延展石英玻璃到预定的形状而得到的中空的、基本上是球形的管状发光组件63，和从管状发光组件63的两个末端突出的横向管状组件64和65(石英玻璃管)。横向管状组件65通过插入并密封电极得到。横向管状组件64的一端封闭，而组件65的另一端开口以允许电极插入。
首先，在图17中的灯的球形发光组件形成和加工之后，图16中的放电电极插入外管的横向管状组件65。该电极借助直径比横向管的内径稍小的插入棒插入。放电电极的插入可借助投影仪观察。该电极的位置和发光管可在投影仪的屏幕上显示，据此插入电极。
接下来外管66的内部抽真空，如图18中的示意性箭头400所示。虽然并未显示在图中，使用真空泵进行抽真空，外管66的内部被抽到大约10-5torr的压力。然后在200mmbarr下将氩气密封在外管66的内部，如图18中箭头401所示意性显示的那样。在这种状态下，激光等用于加热和密封尚未密封的横向管状组件65开口端附近的末端68，如图19所示。虽然并未显示在图19中，仍有可能将外管66固定在旋转卡盘中并在旋转外管66的同时进行加热和密封，如箭头67所描述的那样。
虽然并未显示在图中，外管66接下来固定在旋转卡盘中，使得此时包含插入的电极的横向管状组件65位于上部，如图20所示。在这种状态下，外管66像箭头69所示的那样旋转，横向管状组件65的末端在旋转过程中加热并熔化。这一过程像箭头70所示意性描述的那样使用激光进行。激光在横向管状组件65的恰当长度内上下移动，如箭头71所示的那样；横向管状组件65通过加热和熔化气密地密封。
因为它们具有低于石英玻璃的熔点，具有特定熔点的玻璃外管和玻璃粉末有时会在加工过程中在石英玻璃熔化之前沸腾并膨胀。例如Corning制造的Pyrex玻璃软化点为821℃且由于这种沸腾和膨胀难于密封。前面所述Vycor玻璃软化点为1530℃，易于密封且不必经历沸腾或膨胀，并可以较高附着力结合，如实施方案1所描述的那样。
在上述步骤中单个电极被密封在发光管中。现在描述另一个电极的密封。横向管状组件64的初始密封端，例如，被用刀具切开(如箭头300所示意性显示的那样)，制作开口端301以便通过另一端插入另一个电极，如图21所示。然后，灯被放置使得开口端301面向上，如图22所示，水银72a、金属卤化物72b、和灯的其它发光物质通过开口端301引入并密封。电极302也被引入。封入的水银的量随着管状发光组件的体积和电极间矩而不同，当管状发光组件63的内部体积为0.45cc且电极间矩为1.5mm时，为90mg。结果，点亮时的灯电压为80V。
0.4mg的碘化铟和1.0mg的碘化铥作为金属卤化物被封入。
接下来，外管66被抽真空，如图23中箭头310示意性显示的那样。虽然并未显示在图中，用真空泵进行抽真空，外管66的压力减至大约105torr。然后预定量的干燥氩气被密封在外管66中，如图23中箭头311所示意性描述的那样。在这种状态中，接近横向管状组件54未密封一端的区域被利用激光等加热，如图24中箭头74所示意性描述的那样。虽然并未显示在图24中，外管66还可被固定在一个旋转的卡盘上，然后旋转，加热，密封，如箭头67所示。
由于水银，金属卤化物，和其它具有高蒸气压的物质被封入管状发光组件63中，该组件被气密地密封，同时被冷却以防止管状发光组件中密封的物质72在横向管状组件65被激光加热时气化。
此外，如图25所示，两个横向管的末端的玻璃都被切开(例如，用刀具)，如箭头320所示意性描述的那样，以便将电极暴露在电极棒连接到外部驱动器的一侧。各个电极末端的金属弹簧61此时也可被去掉。因此可以得到图1中实施方案1的具有极佳气密性和高气压耐受力的高气压放电灯。
虽然上面描述中采用的密封方法包含对部件的加热和熔化同时保持管状发光组件63的内部为降低的气压，并因此焙烧和熔化密封组件的外管，但是，如图26所示，也可以采用加热并熔化密封组件的方法，然后外管66的旋转停止，则密封组件被快速压缩并用模具75模制而成。使用这种方法，在制得与实施方案1中一样极佳气密性和高气压耐受性的高气压放电灯时不会遇到任何特殊的困难。借助金属模具进行模制的一个优点是设计的灯可容易地模制，在密封组件的形状上不会有任何改变。实施方案3
图27是显示本发明高气压放电灯的实施方案3的结构图。
在图27中，501是用石英玻璃制成的球状发光组件用来在放电空间中形成电弧，502是包括给电弧提供电流的、气密密封的、电导金属结构。503是用作给电弧提供电流的电导金属结构的圆柱形钨电极。
每个钨电极503的一端暴露于发光组件501中以维持电弧，另一端经过用来连接到给电弧提供电流的外部驱动器(图27中未示出)的密封组件502到达外面。
如图中小黑点所示，钨粉504被分布在石英玻璃和密封组件502中的钨电极503之间的分界面附近。水银505被作为发光物质密封在发光组件501中，还有氩气，虽未在图中示出，但被设计用来帮助灯的启动。
图27所示的灯的主要几何数据如下：球状发光组件501的内部体积大约为0.45cc，钨电极503的直径为0.9mm，球状发光组件501中的钨电极503之间的缝隙，即，电极间矩，为1.5mm。
当封入的水银505的量为90mg，且灯以200W的功率点亮时，可以得到大约80V的灯电压。相应的估计工作气压大约为200atm。令人惊奇的是，本发明的高气压放电灯，不具有传统的密封箔结构或传统的密封棒结构，而是采用钨粉504分布在钨电极503和石英玻璃之间的边界附近的密封结构，能正常工作并能耐受高达200atm的工作压力，水银505完全气化而不在密封组件502的钨电极503附近凝结。
本发明实施方案3中描述的高气压放电灯的密封结构的优点将通过下面描述的验证试验的结果变得更加显著。
图28(a)和28(b)显示了验证试验中采用的密封结构。图28(a)描述了通过在石英玻璃和直径为0.9mm的钨电极503之间的分界面附近分布钨粉，并且将电极用和图27中本发明实施方案3中相同的方式密封在外径6mm、内径2mm的石英玻璃管513中而得到的玻璃管。
此外，图28(b)描述了通过给石英玻璃管513提供箔密封而得到的玻璃管。510是具有和钨电极503相同直径(0.9mm)，但长度不同的钨电极；511和512分别是钼箔和钼棒。钼箔511的厚度为0.02mm。
氮气被压缩同时被以恒定速率通过石英玻璃513的开口端515通入图28(a)和28(b)所示的玻璃管，玻璃管碎裂的压力被测量以规定它耐受的最高气压。结果表明具有图28(b)所示的密封箔结构的玻璃管在大约160atm碎裂，图28(b)所描述的本发明实施方案3的密封结构不会发生碎裂，甚至在施加210atm的压力时。
在一个单独的测量中，石英玻璃管513被通过石英玻璃管513的开口端515抽真空，而且发现图28(a)和28(b)描述的玻璃管可分别被抽到大约10-6torr的真空水平。
这样，作为将钨粉504分布在钨电极503和石英玻璃之间的分界面附近用作结合石英玻璃和钨(钨电极503)的粘和剂的一种结果，这通常很难结合，图27和28(a)描述的本发明实施方案3的密封结构比之传统的密封箔结构具有更好的气密性和高气压耐受性。(虽然它的确切原因还不理解，但是可能是钨粉504分布于整个石英玻璃，使其热胀系数变得更接近钨的热胀系数并使之更难剥离，而且一些钨粉504形成和钨电极503形成强的化学键)。
虽然本实施方案是参照钨粉504分布在钨电极503和石英玻璃之间的分界面附近的高气压放电灯的情形进行描述的，但是还可使用氧化钨粉末代替钨粉504。钨以外的其它金属粉末，如钼，也可被使用，还可以是氧化钼粉末。利用这些替代粉末得到的灯保留了它们的极佳气密性或高气压耐受性。上述粉末的混合物也可以使用。实施方案4
现在将参照图29描述本发明的实施方案4。
图29描述的本发明实施方案4中的高气压放电灯具有如下密封结构，其中图27中实施方案3的灯中的钨粉504被钨薄膜506取代，钨电极503经由该薄膜506与石英玻璃(密封组件502)气密地密封。
在本实施方案的灯中，当封入的水银505的量为90mg，且灯以200W的功率点亮时，也可以得到大约80V的灯电压。水银505完全气化而不在密封组件502的钨电极503附近凝结，形成能耐受高气压的密封结构，可正常工作并耐受高达大约200atm的工作压力。
本实施方案的高气压放电灯，在采用钨薄膜506被氧化钨薄膜取代的密封结构的情况下，仍保持其极佳的气密性和高气压耐受性。还可以采用其它金属薄膜的结构，例如钼薄膜或氧化钼薄膜。由这些薄膜形成多层薄膜的结构也可采纳。
应注意对于实施方案3和4，对钨电极503的至少那些安装在密封组件502中的部分进行氧化处理是非常有好处的。这样的表面氧化使得可以几乎彻底防止在钨电极503的表面附近的石英玻璃上形成的碎裂，并高效地得到气密性和高气压耐受性。
此外，实施方案3和4参照用来给电弧提供电流的电导金属结构仅仅由钨电极503制成的情形进行描述，但是电导金属结构由钨电极(图39中的102；图28(b)中的510)，钼箔(图39中的103；图28(b)中的511)，见于图39和28(b)中的传统密封箔结构中的用来引入外电流的导线制成都具有一样的极佳气密性和高气压耐受性，和那些示于实施方案3和4中的灯一样，只要这些结构通过至少在钨电极(图39中的102；图28(b)中的510)和石英破璃之间的分界面附近分布钨粉、或是将钨电极和石英玻璃通过钨薄膜结合起来而获得。
此外，实施方案3和4被参照仅仅是水银被作为发光物质密封在高气压放电灯中的情形进行描述，但是也可以使用加入不是水银(例如，金属卤化物)的发光物质的灯。
虽然由实施方案3和4所规定的密封结构对包含密封的水银、金属卤化物、和其它室温下是液体或固体但在发光过程中会蒸发并发光的发光物质的高气压放电灯而言是非常优越的，但是显然该结构对仅仅包含稀有气体的灯，像，例如，氙放电灯，也是有效的。
此外，实施方案3和4参照其中密封组件502从发光组件501以相反的方向延伸出来的所谓的双端灯的情形进行描述，但是所谓的单端灯(具有单个密封组件且其中一对电极密封在该密封组件中)也是可以接受的，在这一情形中本发明的密封结构还可应用于具有加热线圈的白炽灯，它们不是放电灯。
下面的实施方案5和接下来的实施方案是关于由实施方案3和4规定的本发明的高气压放电灯的制造方法。实施方案5
图30到35是本发明实施方案5涉及的高气压放电灯的制造方法的过程图。
图30中，540，是在单独的一个步骤中制备的外管，包括一个通过加热和延展石英玻璃管到预定的形状而得到的中空的球形管状发光组件541，和从管状发光组件541的两个末端凸出的横向管状组件542a和542b(石英玻璃管)。横向管状组件542a和542b具有均匀的横截面并在其整个长度保持圆环形。显然其横截面小于发光组件541的横截面。
在这样制备的外管540中，横向管状组件542a和542b的内表面使用了钨粉。基于图31给出了详细描述。在图31中，543是一种将平均颗粒直径2μm的钨粉和平均颗粒直径20μm的SiO2粉末混入到由将硝化纤维溶解到醋酸丁脂中制备的有机粘和剂中得到的溶液。
溶液543被用于横向管状组件542a。如图31所示，该操作包括定位外管540使得横向管状组件542a和542b位于外管的上面和下面，并像箭头544所示的那样上下移动管。对横向管状结构组件542a使用溶液且自然干燥约10分钟之后，翻转外管540，溶液543以同样的方式用于另一个横向管状组件(横向管状组件542b)。接下来，通过对横向管状组件542a和542b使用溶液543制得的外管540在500℃被加热30分钟，有机粘合剂被热解，导致钨粉545粘着到横向管状组件542a和542b的内表面上，完成了涂敷步骤。
接下来密封横向管状组件542a的末端，且，如图32所示，在单独的一步中制备的且具有用来给电弧提供电流的电导金属结构的钨电极550被通过横向管状组件542b插入横向管状组件542a。这里，铁片551连接到钨电极550的与位于发光组件541中且用来支持电弧的末端相对的那个末端。虽然并未在图中显示，但是横向管状组件542a和542b在本状态下被固定在旋转卡盘上，且玻璃管540像箭头552所示的那样旋转。靠近横向管状组件542b尚未密封末端的区域被加热并在外管540被抽真空的同时密封。该操作被借助于，例如，激光，如箭头553所示意性描述的那样，进行。
虽然并未显示在图中，接下来外管540被固定在旋转卡盘上，这样此时横向管状组件542a容纳插入的向上的钨电极550，如图33所示的那样。此时可移动的磁铁560被安置在横向管状组件542a外部以产生磁力，作用在铁片551上且防止钨电极550脱落，钨电极550以恰当的方式安置在横向管状组件542a的内部使得用来支持电弧的钨电极550的末端安置在预定的发光组件541内部的位置上。
在这种状态中，外管540基本上绕着外管540的主轴旋转，如箭头565所示，且横向管状组件542a(石英玻璃)被加热并在旋转过程中压扁。该过程借助于激光如箭头561所示的那样进行。激光在横向管状组件542a的适当长度上垂直移动，软化并压扁横向管状组件542a(石英玻璃)，如箭头562所示的那样，并气密地密封横向管状组件542a。
接下来外管540被从卡盘支架上取下(如图34所示)，横向管状组件542b的密封端被切开，且钨电极550(铁片551连接到该电极的一端)被重新插入横向管状组件542b中。水银570，作为发光物质，被同时引入发光组件541中。虽然并未显示在图中，该操作通过横向管状组件542b的开口端引入管状针且一旦针的末端靠近发光组件541的中心便停止。针被连接到相对低压的干燥氩气源上，该气体流穿过针，推出水银570。封入的水银570的总量随着发光组件541的体积或电极间距显著地变化。具体地，当发光组件541的内部体积为0.45cc，且电极间距为1.5mm时，该量为90mg。
虽然并未显示在图中，但是横向管状组件542a和542b在本状态中固定在旋转卡盘中，且玻璃管540像箭头552所示的那样转动。接下来外管540被抽真空，，预定量的干燥氩气在此时被引入外管540，靠近横向管状组件542b一端的区域被加热并密封。加热借助于激光进行，如箭头553所示意性描述的那样。
最后横向管状组件542b借助于激光被加热并压扁，并因此以与图4中所描述的横向管状组件542a的情形相同的方式气密地密封。(必要时，加入用于冷却发光组件541的装置以防止水银570的蒸发。)横向管状组件542a和542b的末端被切开，铁片551所连接的钨电极550的末端被暴露，铁片551被移去，形成图35中的高气压放电灯，它具有和实施方案3中同样的极佳气密性和高气压耐受性。在该灯中，钨粉545分布在钨电极550和石英玻璃之间的分界面的附近。
还可以采用一种制造方法，其中在如图31中描述的横向管状组件542a和542b上分布钨粉545的步骤和密封图32中描述的横向管状组件542a的钨电极550的步骤之间加入一个氧化钨电极550表面的步骤(例如，一个阳极电镀的步骤)。实施方案6
现在描述根据本发明的高气压放电灯的制造方法。根据本发明的高气压放电灯的制造方法是这样的，在上面实施方案5中描述的制造方法中，参照图31描述的且用来对横向管状组件542a和542b施加钨粉545的步骤被在横向管状组件542a和542b的内表面上形成钨薄膜的步骤所取代，如下面所示，其它所有步骤与实施方案5的制造方法相同。
图36示意性地显示了用于在根据本发明的横向管状组件542a和542b的内表面上形成钨薄膜步骤的溅射装置。图中，580a和580b是一对分别从横向管状组件542a和542b的开口端引入的钨溅射电极，它们安置得使在横向管状组件542a的内部形成电极之间的区域Wsp。
接下来薄膜穿过该电极间区域Wsp生长，且必定因此在横向管状组件542a(或542b)内部形成电极间区域Wsp。用来在溅射过程中抑制温度增长的铝热辐射盘581被分别连接到每个溅射电极580a和580b的一端，且高频电源582被通过匹配装置583连接。利用这一装置，钨薄膜形成在横向管状组件542a和542b的内表面上，如下面所示。
首先借助于示意性显示的O形密封圈586和凸轮587和588在外管541的外部形成真空密封，它们被靠近横向管状组件542a和542b的开口端安置。在这一状态中，外管541被通过凸轮587的一个排气端口585抽真空达到一给定的背景水平，使用的是一种真空装置，其中涡轮分子泵(未示出)被用作主排气泵。然后氩气通过凸轮588的一个气体供给端口被引入。
氩气以约3sccm的恒定速率供给。20W的高频(500kHz)电源被用在溅射电极580a和580b之间，形成辉光放电，钨发生溅射。
这样钨薄膜在电极间区域Wsp中的横向管状组件542a的内表面上生长。维持放电到预定的时间形成约100nm后的钨薄膜590之后，溅射电极580a和580b被在横向管状组件542b的内部重新安置，钨薄膜以同样的方式在横向管状组件542b的内表面上形成。
钨薄膜590在横向管状组件542a和542b的内表面上形成以后，与实施方案5中参照图32到34所描述的步骤相同的步骤被采用，使得可能得到，如最终显示在图37(它描述了基本上像图35中描述的一样结构的灯)中的那样，通过石英玻璃中穿过石英玻璃层599的中间层的钨电极550的气密密封形成的具有密封结构的高气压放电灯，它们是通过散布和分布钨薄膜得到的。
虽然在图36中溅射是在氩气流下进行的，但是也可以在保持氩气密封在预定压力或加入氧气流并进行氧化溅射的同时进行溅射。也可以在钨薄膜590形成以后，进一步进行热氧化，等离子体氧化，和其它氧化处理，形成氧化钨薄膜。
还可以使用尖端氧化的钨电极，或使用钼制成的溅射电极并用形成钼薄膜的步骤或形成包括这些薄膜的多层膜的步骤取代形成钨薄膜的步骤。
本实施方案参照如下情形进行描述，其中溅射通过将一对钨电极580a和580b引入横向管状组件542a或542b进行，但是，如图38所示，还可以引入一个窄的圆柱形溅射电极592到横向管状组件542a(或542b)中，将圆柱形溅射电极593以溅射电极为中轴定位在横向管状组件542a(或542b)的外侧周围，并在氩替换的真空室591中进行溅射，形成钨薄膜590。
除了溅射以外的其它制造方法的例子包括热CVD、等离子体CVD、和真空气相沉积。利用这样改进的薄膜形成步骤，最终得到灯的密封结构展现出极佳的的气密性和高气压耐受性。
虽然实施方案5和6参照灯的这样的制造方法进行描述，其中用来给电弧提供电流的电导金属结构仅仅用钨电极制成，但是，也可以在电导金属结构用钨电极(图39中102；图28(b)中510)，钼电极(图39中103；图28(b)中511)，和见于图39和28(b)中的传统密封箔结构的用于引入外部电流的导线(图39中104；图28(b)中512)制成的同时，采用同样的方法来制造灯。
此外，那些不但封有水银而且还以同样方式封有金属卤化物的灯可用相同的制造方法制造。相反，没有水银的灯，如氙放电灯，可用相同的制造方法制造，并没有对任何关于封入物质类型的限制。
在实施方案3-6中，电导金属结构描述为由钨棒制成，但是各个棒可由其它材料制成，如由钨棒和钼棒熔和在一起制成的金属棒。
上面描述了本发明优选实施方案，显然该描述不是局限因素，允许进行各种改进。如这些实施方案所述，根据本发明的制造方法和高气压放电灯的发光只是作为一个说明，本发明的范围在权利要求中规定。
因此，本发明提出一种高气压放电灯的密封结构，该灯具有极佳的附着性和高气压耐受力，并可耐受灯输出的增加，且可制造具有该密封结构的高气压放电灯。

Claims (27)

1．一种高气压放电灯，包括
一个高熔点玻璃质材料制得的玻璃室；
用同样的高熔点玻璃质材料制得、并从该玻璃室延展的密封组件；
稀有气体和室温下是固体或液体的材料，密封在该玻璃室中；
部分嵌入密封组件中用来给在该玻璃室内部形成的电弧提供电流的电导金属结构；
气密密封，使得至少一种从金属及这些金属的氧化物中选择的金属材料用于位于密封组件中高熔点玻璃质材料和电导金属结构之间的区域附近，且电导金属结构气密地密封在高熔点玻璃质材料中。
2．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该气密密封是通过在电导金属结构中散布金属材料粉末而形成的。
3．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该气密密封是通过给电导金属结构涂敷金属材料薄膜而形成的。
4．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该气密密封是通过将金属材料粉末混入该密封组件而形成的。
5．根据权利要求1的高气压放电灯，其中每个电导金属结构的一端被安置在用来支持电弧的玻璃室中，且另一端被安置在灯的外部以进行外部电连接。
6．根据权利要求1的高气压放电灯，其中电导金属结构是一根钨棒。
7．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该金属材料的热膨胀系数基本上等于或低于组成电导金属结构的金属的热膨胀系数。
8．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该金属材料是钨、钼或氧化钼。
9．根据权利要求1的高气压放电灯，其中在金属导体结构的嵌入密封组件中的那些面积上的该电导金属结构的至少部分表面上形成氧化表面。
10．根据权利要求1的高气压放电灯，其中至少有水银密封在该玻璃室中。
11．根据权利要求1的高气压放电灯，其中至少有金属卤化物密封在该玻璃室中。
12．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该气密密封形成在该密封组件的至少部分之中。
13．根据权利要求1的高气压放电灯，其中该气密密封由玻璃质材料制成，其熔点低于组成该密封组件的玻璃质材料的熔点。
14．根据权利要求13的高气压放电灯，其中该金属材料被混入到熔点低于组成该密封组件的玻璃质材料熔点的玻璃质材料中。
15．根据权利要求1的高气压放电灯，其中垂直于该电导金属结构主轴的截面沿形成电弧的未端的方向逐渐增加。
16．一种高气压放电灯，包括
一个高熔点玻璃质材料的玻璃室；
用同样的高熔点玻璃质材料制得，并从该玻璃室延展的密封组件；
被密封在该玻璃室中的稀有气体；
安置在该玻璃室中的灯丝；
部分嵌入密封组件中用来给该灯丝提供电流的电导金属结构；和
气密密封，使得至少一种从金属及这些金属的氧化物中选择的金属材料用于位于密封结构中高熔点玻璃质材料和电导金属结构之间的区域附近，且电导金属结构气密地密封在高熔点玻璃质材料中。
17．一种高气压放电灯的制造方法，包括至少如下步骤：
制备玻璃质材料制成的、具有玻璃室的、和从该玻璃室延展的管状组件的外管，和用于提供电流以便在该玻璃室中形成电弧的电导金属结构；
将该电导金属结构引入管状组件中，一端位于该玻璃室中；
在该电导金属结构和该管状组件的内表面之间施加从金属或这些金属的氧化物中选择的至少一种金属材料；和
加热并压扁该管状组件以气密地密封该电导金属结构。
18．根据权利要求17的高气压放电灯的制造方法，其中施加该金属材料的步骤包括将粉末分布在该管状组件内表面的一个步骤。
19．根据权利要求17的高气压放电灯的制造方法，其中施加该金属材料的步骤包括将该金属材料的粉末分布于该电导金属结构的一个步骤。
20．根据权利要求17的高气压放电灯的制造方法，其中施加该金属材料的步骤包括该金属材料薄膜在该管状组件内表面上形成的一个步骤。
21．根据权利要求17的高气压放电灯的制造方法，其中施加该金属材料的步骤包括该金属材料薄膜在该电导金属结构上形成的一个步骤。
22．根据权利要求18的高气压放电灯的制造方法，其中将金属材料粉末分布在该管状组件内表面的步骤包括将SiO2粉末和该金属材料粉末在有机粘合剂中混合的一个步骤，该有机粘合剂溶液施加在该管状组件的内表面上，然后具有该管状组件且包括高熔点玻璃质材料的外管被加热。
23．根据权利要求20的高气压放电灯的制造方法，其中金属材料薄膜在该管状组件内表面上形成的步骤包括引入由该金属材料制成的一对电极到该管状组件中，且在该电极之间施加高频能量以生成辉光放电并形成溅射薄膜。
24．根据权利要求20的高气压放电灯的制造方法，其中金属材料薄膜在该管状组件内表面上形成的步骤包括引入通过将一对金属尖端上的该金属材料放置在该管状组件中而得到的电极，并在该电极之间施加高频能量以生成辉光放电并形成溅射薄膜。
25．根据权利要求20的高气压放电灯的制造方法，其中金属材料薄膜在该管状组件内表面上形成的步骤是这样的，即，包括该金属材料的一对电极被引入到该管状组件中，高频能量被施加在该金属电极之间，生成辉光放电，首先形成薄膜然后氧化，形成氧化的薄膜。
26．根据权利要求17的高气压放电灯的制造方法，其中施加该金属材料的步骤包括如下步骤：
制备熔点低于该外管熔点的玻璃质材料的玻璃粉末和管状结构；
将该电极封入该管状结构；和
将玻璃粉末压缩在该电极和该管状结构之间的缝隙中。
27．根据权利要求26的高气压放电灯的制造方法，进一步包括压缩该玻璃粉末的模件的一个步骤。
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