CN1511336A - 用于放电灯的陶瓷放电室 - Google Patents

Abstract

一种用于灯的放电室，该放电室包括一具有主体和通常相面对的端部件的整体的陶瓷物件，该主体限定一电弧室，该端部件限定容纳电极或电极引入端的开口。一种制造陶瓷放电室的方法，该方法包括以下步骤，形成包括陶瓷粉末和粘合剂的混合物，并将混合物注入一模并围绕一模具，以至少形成该放电室的主体。

Description

用于放电灯的陶瓷放电室

技术领域

本发明大体涉及一种照明装置，尤其涉及用于例如陶瓷金属卤化物灯或高压钠气灯的灯的陶瓷放电室。本发明还涉及一种制造陶瓷电弧室的方法。

放电灯通过使诸如金属卤化物和汞的混合物之类的填充物电离而产生出光，其中电弧在两个电极之间穿过。电极和填充物密封在半透明或透明的放电室内，该放电室保持被激励的填充物材料的压力并使得光经其发射出。通常称为“配料”的填充物根据由电弧激励而响应，以发射出所需的光谱能量分布。

在放电灯中的放电室可由例如熔凝石英的玻璃质材料制成，其在被加热成软化状态之后成型为所需的室的几何形状。然而，熔凝石英具有由于其在高的工作温度下易反应的性质而引起的特定缺点。例如，当温度大于约950-1000℃，卤化物填充物与玻璃发生反应，以产生卤化硅酸盐和卤化硅，使得填充物的成分量降低。高温还导致钠渗透过石英壁。这些填充物的损耗导致长时间的色移，其降低灯的使用寿命。

为了改进色温、显色性和发光功效，陶瓷放电室逐步发展以在高温下工作，同时显著降低与填充材料的反应。例如美国专利4285732和5725827公开了半透明的多晶烧结体，其中可见波长的辐射足以穿过，以使烧结体作为电弧管有效地使用。

陶瓷放电室通常由陶瓷粉末挤压或模压并随后一起烧结成的多个部件构造成。例如，关于欧洲专利申请No.0587238，五个陶瓷部件用于构造金属卤化物灯的放电室。两个带有中心孔的端部塞通过模压陶瓷粉末和粘合剂的混合物而制造成。中心孔和两个腿通过经一模挤压陶瓷粉末/粘合剂混合物而制造。在形成该部件之后，其经900-1400℃之间的空气烧结以去除有机加工助剂。放电室的组装需要将腿定位焊到圆柱塞上，并且将端部塞定位焊到中心圆柱体上。该组件随后被烧结以形成连接部，其通过独立部件的受控的收缩被粘接。

陶瓷放电室通常由多个陶瓷粉末挤压或模压制成的部件构造成。例如，带有中心孔的端部塞可通过模压包括陶瓷粉末和有机粘合剂的混合物来制造。一中心圆柱体和两个腿可通过经一模挤压陶瓷粉末/粘合剂的混合物来制造。放电室的组装包括将腿放置并定位焊到端部塞上，并且将端部塞定位焊到中心圆柱体上。该最终组件随后烧结以形成四个连接部，其通过独立部件的受控的收缩被粘接。

常规的陶瓷放电室的构成方法具有许多缺点。例如部件的数量较多，并引入了相应数量的变型和缺陷的机会。另外，常规陶瓷放电室包括四个粘接区域，如果粘接不适当地形成，每一区域引入了由于填充材料的泄漏而导致灯损坏的机会。每一粘接区域还引入相对薄弱的区域，即使粘接适当地形成，在处理过程中粘接可能破损，或在处理过程中的破坏足以在工作中诱导致损坏。

另一缺点涉及部件组装的精度和由此得到的光质量的效果。已知的是，光质量取决于穿过电极间距之间的电压的大致程度，其又需要间距尺寸始终如一地落入可接受的公差内。优选的是，该结果不需要投入重大努力以优化制造过程就能实现。然而，各种形状部件的相异的收缩率限制了以可靠方式制造的能力。因此，所需要的是将必需用于制造陶瓷电弧室的部件减至最少。

发明内容

根据本发明的一典型实施例，提供了一种用于灯的放电室。该放电室包括一整体的陶瓷物件，其具有主体和至少一个端部件，该主体确定电弧室，该端部件确定一可容纳电极或用于电极的引入端的开口。第二端部件可作为整体主体的一部分或作为一单独的部件形成。

在本发明的另一典型实施例中，放电室通过一包括形成陶瓷材料和粘合剂的混合物的步骤的方法来制造。该混合物随后注塑入一模中，以至少形成放电室的主体部段。注塑模制步骤包括围绕模具形成主体部分，以产生电弧室。因为放电室可构造成一个整体主体，或构造成具有一个主体和端部件的整体主体和分离的第二端部件，所以本发明的方法和所得到的产品可大大地有助于用于陶瓷放电管的制造过程。粘接数量的减少降低了潜在的粘接缺陷并降低了放电室在处理过程中在粘接区域出现断裂的可能性。本发明的典型实施例可用于提高各种类型的灯的性能，例如提高金属卤化物灯、高压汞蒸气灯和高压钠蒸气灯的性能。

附图说明

结合以下附图，基于阅读以下详细描述本发明的其它特征和优点可更容易地理解。

图1示出了本发明典型实施例的包括陶瓷放电室的光源；

图2为预组装的放电室的详细视图；

图3示意性地示出了本发明的一个典型注塑模制过程；和

图4示出了本发明的注塑模制的另一代表性实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的典型实施例的放电灯10。放电灯10包括放电室50，其包含两个电极52、54和填充材料(未示出)。电极52、54连接导体56、58，其在电极之间施加一电位差。在运行中，电极52、54产生出电弧，该电弧将填充材料电离以在放电室50中产生等离子体。由等离子体产生的光的发射特性主要取决于填充材料的成分、电极间的电压、放电室的温度分布、放电室内的压力以及放电室的几何形状。对于陶瓷金属卤化物灯，填充物一般包括Hg；稀有气体例如Ar和Xe；以及金属卤化物例如NaI、ThI、DyI₃的混合物。对于高压钠灯，填充材料一般包括钠、稀有气体、和Hg。其它填充材料在本领域也是公知的，并且本发明被认为适用于与任何其它公认的可电离材料工作。

如图1所示，放电室50包括一中心主体部60；和两个包括腿部62、64的端部件61、63。电极52、54的端部一般位于主体部60的相面对的端部附近。电极通过设置在每一个腿部62、64的中心孔内的导体56、58连接到电源。电极一般包括钨。导体一般包括钼和铌，铌具有接近矾土的热膨胀系数，以减小作用在矾土的腿部62、64的热诱导应力。

放电室50在带有密封66、68的腿部62、64的端部处被密封。密封66、68一般包括氧化镝矾土硅玻璃，其可通过以下步骤形成，即，将玻璃原料围绕导体中的一个例如56放置成环形形状、将放电室50垂直取向以及熔化玻璃原料。熔化的玻璃随后向下流入腿62，在导体56和腿62之间形成密封。然后，在填充了填充材料之后，放电室倒置以密封另一腿64。

腿部62、64远离放电室50的中心轴向地延伸。相对于放电室50的中心处的温度，腿部62、64的尺寸被选择成，以使在密封66、68的区域中的温度为一所需数值。例如在70瓦的灯中，腿部具有约10-15mm的长度、0.8-1.0mm的内径、以及约2.5-3.0mm的外径，以将密封66、68处的温度降低到约600-700℃，该温度比放电室的中心处的温度低约400℃。在35瓦的灯中，腿部具有约10-15mm的长度、0.7-0.8mm的内径、以及约2.0-2.5mm的外径。在150瓦的灯中，腿部具有约12-15mm的长度、0.9-1.1mm的内径、以及约2.5-3.0mm的外径。这些尺寸以及其它的规格当然是作为示例给出，并不用于限定。

放电室的主体部60一般为大致圆柱形。对于70瓦的灯，主体部一般具有约7mm的内径和约8.5mm的外径。对于35瓦的灯，主体部一般具有约5mm的内径和约6.5mm的外径。对于150瓦的灯，主体部一般具有约9.5mm的内径和约11.5mm的外径。

现参照图2，主体部60和至少一个端部件61通过注塑模制一体地形成。图2所示的放电室为在图4的设备中形成的类型，其中仅有一个端部件与主体成一体。然而，基于对本公开文本的整体阅读，清楚的是，本发明还提供一种用于形成两个与主体部60成一体的端部件61和63的方法。

用于形成放电室的陶瓷混合物按重量可包括60-90％的陶瓷粉末和2-25％有机粘合剂。陶瓷粉末可包括矾土(Al₂O₃)，其具有至少99.98％的纯度和约1.5-约10m²g的表面积，一般在3-5m²g之间。陶瓷粉末可掺有氧化镁以抑制晶粒生长，例如掺入量按重量等于矾土的0.03％-0.2％，优选为0.05％。其它可使用的陶瓷材料包括无活性的难熔氧化物和氮氧化合物，例如氧化钇和氧化铪，以及例如钇矾土石榴石和氮氧化铝的矾土的复合物。可单独或结合使用的粘合剂包括有机聚合物，例如多元醇、聚乙烯醇、乙酸乙烯酯、丙烯酸酯、纤维素塑料、聚脂、硬脂酸酯和蜡。

根据一示例，粘合剂包括：

熔点为52-58℃的按重量计为33份的石蜡；

熔点为59-63℃的按重量计为33份的石蜡；和

熔点为73-80℃的按重量计为33份的石蜡。

将以下物质加入按重量计为100份的石蜡中。

按重量计为4份的白蜂蜡；

按重量计为8份的油酸；和

按重量计为3份的硬脂酸铝。

在注塑模制的过程中，陶瓷材料和粘合剂的混合物被加热，以形成高粘性的混合物。该混合物随后注塑入适当形状的模具中，并接着被冷却随后形成模制件，在注塑模制之后，一般通过热处理将粘合剂从模制件中去除，以形成去除粘合剂的部件。热处理可如下进行，即在空气或受控的环境中加热模制件至最高温度，并随后保持最高温度，该环境例如真空、充氮气、稀有气体。例如，温度可从室温以每小时约2-3℃单独升高到160℃。接着，温度以每小时约100℃升高到900-1100℃的最高温度。最后，温度保持在900-1100℃约1-5小时。部件接着冷却。在该热处理步骤之后，孔隙率通常为约40-50％。

现参照图3，示出了一模制模100，其包括顶单元102和底单元104，顶半模102垂直于当半模102和104接合时形成的模腔106的轴线105可移动。模100的端部由可收缩的块108、110限定。注塑模制通道112设置在模100中。塞114在模腔106中由支承销116和118支承，该支承销本身支承在可收缩的块108、110上。模具适当地设计成，以在半模102和104的壁、支承销116和118、以及塞114之间提供配合间隙。而且，当陶瓷材料经通道112注入时，所需间隙设置成以形成对于放电室50的适当的壁厚度。

在本发明的一个实施例中，支承销和模具部件由硬质工具钢制成。还应注意到，支承销116、118移去后，其在腿部件62、64中提供了在外部大气和内部塞114之间的通道。这些通道以后将容纳电极52、54。

塞114可包括蜡或具有熔点温度比使用在陶瓷混合物中的粘合剂的熔点温度高的聚合物。优选的是，熔点温度至少比使用在陶瓷混合物中的粘合剂的熔点温度高约50-100℃。

在注塑模制之后，所得到的预烧结的室120可存放在储单元122的紧配合的凹口中，以支承强度较低的主体。而且，在当粘合剂和塞114被加热到其熔点以上并从放电室去除的加热过程中，预烧结的室120存放在单元122中。设置一真空辅助口124，以助于粘合剂和塞材料的去除。所得到的整体的电弧室有利地没有连接部。有利的是，内部塞设定了模制件的内部形状和体积。

在一替代实施例中，陶瓷主体可首先经去除低熔点的粘合剂而成形，并随后去除内部塞。粘合剂一般通过热高温分解去除。素瓷烧制部件的孔隙率一般为约40-50％。因此内部塞可由蜡或例如聚乙烯的聚合物制成，该蜡或聚合物具有的熔点比使用在陶瓷混合物中的蜡的熔点高50-100℃。或者，对于塞的材料可选择成溶解于水或其它溶剂，或选择成通过气态方法使得陶瓷混合物在以后的步骤中去除粘合剂。类似地，可在较低的温度熔化的合金，例如铋/锡，可用于内部塞。在去除塞和去除陶瓷材料的粘合剂之后，部件的传统的烧结可完成，以形成加工完成的半透明物件。

接着参照图4，示出了一替代实施例，其中注塑模制的放电室可轴向移去，不需要模具本身的分离。这种结构提供了制造生产率的提高。特别是，模具200由两个单元202、204构造成(在图中所示的是分开的，而使用中是配合的)，当接合时形成注塑模206。该模具包括一沿轴线206的开口，其包括用于移出电弧放电室60的开口端208。该设备更具体地包括一腔210，放电室在该腔中模制。一喷嘴入口212设置用于陶瓷材料的喷注入。腔210更具体地包括主体区域214和腿部件区域216。一芯件218定位在模具200内，以有助于形成电弧室的内尺寸。芯件218包括一主体部220和一室成形延伸部222。芯主体部220密封腔210的上部区域。芯件218还包括腿孔成形销224。有利的是，室成形延伸部222可包括一冷却机构(例如水或空气循环芯)。在注入陶瓷材料和固化的足够冷却之后，芯件218可沿轴线206的方向移出，抽出成一整体的放电室和第一端部件。放电室60可随后从芯件218上取下。

该实施例的一个特别的优点通过直接注入微量陶瓷而提供。更具体地说，喷嘴入口212将陶瓷材料直接注入腔210。该设计有利地消除了一般用在注塑模制设备中的流道的使用。而且，现有的陶瓷电弧管注塑模包括在模具体中的喷嘴注入通道(“流道”)，该模具体又将陶瓷材料传送到独立的模腔中。这些流道对于陶瓷材料存在问题，其设置成浪费材料，具有阻塞的共同位置，并且经常需要加热的汇流管以保持适当的材料粘度。

更具体地说，绝大多数注塑模制设备设计用于模制塑料材料。在这点上，该设备通常提供了材料在高温下高压注入模腔。在塑料固化之后，模具打开并且具有模腔形状的部件被取出。注塑模制机通常包括注入单元和夹具单元。注入单元一般为往复的单螺杆挤压机，其使材料熔化并将材料注入模具。夹具单元打开、关闭并克服注入压力将模具保持紧闭。绝大多数注塑模制设备由液压动力操作并且包括电动马达和液压泵。液压缸打开和关闭模具，并且在注入过程中保持模具紧闭，另一缸迫使螺杆向前，以将熔化物注入模具。

模具一般由钢定制加工而成。模制件一般称为“注射件”。来自模具的一般的注射件至少包括注入口、流道、浇口和部件。注入口通常被被认为是从挤压机接受熔化物的通道，并且流道作为通道引导熔化物进入多个模腔。在这点上，单个注入口一般与至少两个流道连接。一浇口一般定位在流道和每一模腔之间。当模制件脱模之后，注入口、流道、以及浇口的废料与模制件分离，并返回注入单元中以便再加工。该过程尽管适用于塑料，但不适于用于制造电弧室的陶瓷材料。

当模具打开时，模制件可被取出。接附有移动模板的半模常装备有起模杆，当模具打开时其将模制件推出模腔。而特定的现代模制技术被设计成通过热的流道、绝热的流道或通过将喷嘴直接紧靠模腔设置来减少或消除注入口和浇口的废料，这些以前没有应用于陶瓷放电管的模制。在这方面，已发现通过将挤压喷嘴定位在模腔附近，和/或作为在模腔附近的移动模板的一部件，可实现显著地降低陶瓷废料和提高产品的质量。

如果使用图4所示的实施例，并且第二端部件以后再连接到整体主体上(见图2)，用于形成主体和端部件的素瓷烧制部件的密度选择成，以使在烧结步骤中获得不同程度的收缩率。不同的密度可通过使用具有不同表面积的陶瓷粉末获得。例如，用于形成主体的陶瓷粉末的表面积可为每克6-10平方米，而用于形成端部件的陶瓷的表面积可为每克2-3平方米。在主体中较细的粉末导致主体具有的密度比由较粗的粉末制成的端部件的密度更小。因为主体件的密度低于端部件，在烧结过程中，主体部以比过渡部114更大的程度(例如3-10％)收缩，以在两个部件的界面处形成密封。

在本发明的任一实施例中，烧结步骤可通过在具有约为10-15°的低露点的氢气中加热素瓷烧制部件来进行。一般地，温度在两个小时中从室温升高到约1300℃。接着，温度保持在约1300℃约2小时。随后，温度以每小时约100℃升高到约为1850-1880℃的最高温度。接着温度保持在1850-1880℃约3.5小时。最后，温度在两个小时内降低到室温。所得到的陶瓷材料包括致密烧结的多晶铝。

虽然本发明参照典型实施例进行了描述，但是在不脱离本发明的精神和范围情况下可作出各种变化和变型。例如，参照图4，芯件被加工以提供第二腿部件也是可行的，其中包括销形的延伸部形成腿开口，并且可熔化/可分解的模具可用于放电室的成形。类似地，图4的直接微量注入可在腿部件附近和/或与之成一直线。这些和其它变型意在落入由以下权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (22)

1.一种用于灯的放电室(10)，该放电室(50)包括一具有主体(220)和通常相面对的端部件(61、63)的陶瓷物件，该主体限定一电弧室，该端部件限定容纳电极或电极引入端的开口，所述陶瓷物件具有的主体(220)和至少一个端部件(61、63)形成一整体主体。

2.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，该放电室由注塑模制形成。

3.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，该放电室具有至少为95％的可见光透射率。

4.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，所述陶瓷是矾土。

5.如权利要求4所述的放电室(50)，其特征在于，所述矾土掺有氧化镁。

6.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，所述主体(220)为大致圆柱形状。

7.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，所述电弧室通常为椭圆体形状。

8.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，所述端部件(61、63)包括通常为盘状部分，该部分具有从端面延伸出的细长管。

9.如权利要求1所述的放电室(50)，其特征在于，所述主体(220)和每一个所述端部件(61、63)形成一整体主体。

10.一种制造陶瓷放电室(50)的方法，该方法包括以下步骤，形成包括陶瓷粉末和粘合剂的混合物，并将所述混合物注入一模(100)并围绕一模具(200)，以至少形成所述放电室(50)的主体(220)。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末是矾土。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述粘合剂是蜡。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，其还包括将所述混合物注入所述模(100)中，以形成一整体的物件，该物件具有主体(220)和至少一个端部件(61、63)，该主体限定所述电弧管，其中所述模具(200)在混合物固化之后可从所述整体的物件上移出。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述模具(200)包括一塞(114)，在所述混合物固化之后，该塞(114)通过熔化或分解可从所述整体的物件中去除。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，可移去的销(116、118)在所述混合物注入所述模(100)的过程中支承所述塞(114)，并且在至少一个所述端部件(61、63)中产生引入端或电极开口。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述塞(114)为蜡或聚合材料，其在温度高于所述粘合剂的熔点温度下熔化。

17.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述陶瓷放电室(50)沿所述主体(220)的纵轴线从所述模(100)中可滑动地移出。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述陶瓷放电室(50)还可与所述模具(200)可滑动地分离。

19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述整体的物件包括主体(220)和两个端部件(61、63)。

20.一种制造陶瓷放电室(50)的方法，该方法包括以下步骤，形成包括陶瓷粉末和粘合剂的混合物，并将所述混合物注入模(100)内的腔中，其中所述模(100)为无流道的结构，其具有将所述混合物基本上直接注入所述腔的喷嘴(212)。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述喷嘴包括所述模(100)的一部件。

22.一种包括如权利要求1所述的放电室(50)的灯。

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