TW200921752A - Ceramic discharge vessel having an opaque zone and method of making same - Google Patents

Description

200921752 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於高強度放電（HID)燈之陶瓷放電載體，以 及更具體來說是金屬鹵素燈之多晶氧化鋁（PCA)放電載體。 【先前技術】 金屬鹵化物放電燈係因其高效能和高演色性的特性而 受歡迎，該特性係由其稀土化學品產生之複雜發射光譜所 產生。特別理想的爲陶瓷金屬鹵素燈，該陶瓷金屬鹵素燈 較具有石英放電載體之傳統金屬鹵素燈，提供改良的演色 性、色溫、以及效能。這是因爲陶瓷放電載體可在較石英 對應物高的溫度下操作，以及較低的與各種金屬鹵化物化 學品的反應之傾向。 大部分的市售陶瓷金屬鹵素燈含有塡料，該塡料係包 括相當數量的汞以及複雜的金屬鹵化物組合，特別是碘化 物。金屬鹵素燈的塡料化學品被仔細地選擇，以達成具有 高演色性指數（CRI)和高效能（lumens/watt, LPW)的白光發 射。放電載體（通常亦稱爲電弧管）中，塡充材料的凝結及 蒸發行爲，在燈的使用壽命期間影響燈的性能。缺乏控制 此行爲，會導致燈的相對色溫（CCT)或CRI的非預期改變。 因此，爲了在放電體內形成凝結而需具有明確界定的區 域，以使金屬鹵素燈具有更穩定的顏色特徵。 控制金屬鹵化物和相似的金屬汞齊塡料的凝結-蒸發 行爲之各種方法，已爲了與不同種類的HID燈一起使用而 硏發。例如：反射塗層，特別是Zr〇2，已用於金屬鹵素燈 200921752 之石英電弧管的外表面’以及金屬隔熱層（metal heat shield) 已覆蓋在小瓦特數的筒壓鈉（Η P S )電弧管的冷端周圍。針對 陶瓷金屬鹵素燈，達成明確界定的小尺寸冷點（c〇ld sp〇t) 的先前技藝之方法’其包括不對稱饋入電極（asymmetric electrode feedthroughs)的使用以及將在該饋入與放電載體 壁之間的空間減到最小。 【發明內容】 在尚溫下，用於形成放電載體壁的陶瓷材料的發射率 ⑷影響壁溫—發射率越低、壁溫越高。例如：氧化釔形成 的電弧管’已顯示增加壁溫約1 0 0 °c。氧化釔具有較多晶氧 化鋁低的發射率，在約1000 °C下PCA爲約0.1比約0.2。 相反地，較高的發射率材料將導致較低的壁溫。 多晶氧化銘的發射率（emissivity)與透射率（transmittance) 有關。不透明PCA在1 000°C下具有約0.4的高的全發射率 値（total emittance value)，而半透明 PCA 在 1000°C 下典型 上具有約0.2的全發射率値。在不透明PCA及半透明PC A 之間發射率的不同，係足以爲了促進金屬鹵化物塡料的凝 結，改變放電載體特定區域的壁溫。 雖然不透明陶瓷不是普遍被認爲對放電載體是理想 的，但發明人已發現在多晶氧化鋁放電載體內形成相當明 確界定之不透明區的可能性。因爲可操縱不透明區的位置 和範圍，所以可設計該不透明區以使放電載體的光輸出之 任何負面影響減到最小。控制不透明區的配置，係藉由在 最終燒結前於放電載體的特定區域中形成碳質殘渣 200921752 (carbonaceous residue)而完成。燒結的期間中，碳質材料在 已燒結PCA裡導致殘餘孔隙度（residual porosity)。在氧化 鋁晶粒內的殘餘孔隙散射光以及吸收光，該光線導致不透 明性和較高的發射率。本發明內文中，術語「不透明」意 指入射光被散射到PCA不再是半透明的程度。這顯示視覺 上可看見PCA外觀的改變，該PCA外觀係爲自毛玻璃外觀 到全白的範圍。 訂做不透明區的目的是在放電載體裡提供一更冷的局 部溫度區域以控制金屬鹵化物凝結的位置，以便於產生在 燈的使用壽命期間較佳的燈跟燈之間的一致性以及較低 CCT和CRI分布。本方法係較，例如施用高發射率塗層於 表面要更有效以及更耐用，該塗層會因熱膨脹失配（thermal expansion mismatches)和重複加熱冷卻循環而可自放電載 體剝除之表面。此外，該不透明區可在任何位置、以任何 形狀及尺寸製成而不用重新設計放電載體。而且不需改變 工具加工’這具有保持放電載體熱質量與原設計一樣的附 加優點，以致於操作特徵相對地未被改變。 本發明一方面提供在陶瓷放電載體裡形成不透明區之 方法。該方法包括（a)由氧化鋁及有機黏結劑之混合物形成 —放電載體；（b)燒製（finng)該放電載體模型以移除有機黏 結劑以及形成一預燒製（prefired)放電載體；（c)在該預燒製 放電載體表面之預定區域施用有機化合物溶液；（d)在氮或 惰性氣體氣氛下，燒製該預燒製放電載體以在預定區域形 成碳質殘渣；以及（e)燒結該預燒製放電載體以在預定區域 -7- 200921752 形成不透明區。 【實施方式】 爲了更佳瞭解本發明，連同其它及其進一步的目的、 優點和功能，結合附圖參閱下面的揭示和所附的申請專利 範圍。 不透明PCA區域可藉由在最終-燒結放電載體的預定 區域裡產生殘餘孔隙而製成。硏究顯示，引起不透明性之 殘餘孔隙，其係被包裹於放電載體上無明顯負面的副效應 疒i 、 的顆粒內。在下列表中，提供由不透明PCA和透明PCA的 數個硏究之數據編輯。 在600nm的散射 係數（公分胃1) 平均孔徑（微米），以及 孔隙大小(微米)範圍 孔隙總數（每立方 毫米的孔數） 不透明PCA 28 至 48 〜2, 0至5 1 至 4x1 〇6 半透明PCA 10 至 20 〜1，0至3 4 至 5x105 因此，本發明的不透明區在600 nm下具有較佳爲等於 或大於28公分μ的散射係數，以及更佳爲28至48公分-1 的散射係數。該不透明區的孔隙總數較佳爲等於或大於每 立方毫米lxl〇6個孔（P〇resPermm3)’且具約2微米的較佳 平均孔徑。更佳地’該不透明區具有每立方毫米1至4xlQl 個孔（P 〇 r e s p e r m m3)的孔隙總數。 一種產生殘餘孔隙的較佳方法’其包含在胚體狀態的 陶瓷模型經燒製而自該部件移除有機黏結劑和賦予強度之 後，將如聚乙烯醇之有機化合物的溶液應用至目標區域。 200921752 此黏結劑移除步驟，典型上係在空氣中進行，並且通常係 稱爲預燒製（prefiring)，因爲其係用於燒結該部分的最終燒 製之前。在移除黏結劑和施加有機化合物於目標區域之 後’在惰性氣體（例如：氬或氣）或氮中，給予該部分第二 次的預燒製，以便使碳質殘渣留在預燒製體裡。該第二次 的預燒製較佳係在約700 °C至約1 400 1：的溫度下進行，以 及更佳係在約9 0 0 °C下。 預燒製放電載體之後，在約1 7 50 °C至約1 950°C的溫度 下接受最終燒結，其通常在含氫氣氛中，例如：濕的， 或濕的75%H2/25%N2。在含氫氣氛之最終燒結之後，該含 有碳質殘渣的區域變成不透明區。該方法係爲彈性的且足 以與任何放電載體構造一起使用，並且有能力形成幾乎任 何形狀及尺寸的不透明區。 圖式係爲根據本發明較佳具體實施例之電弧放電載體 的剖面說明。該電弧放電載體21具有一陶瓷體23,該陶瓷 體主要係包括半透明多晶氧化鋁。陶瓷體2 3界定電弧放電 孔洞25且具有兩個毛細管27，該毛細管以反方向由放電孔 洞25向外延伸。放電孔洞壁的厚度較佳爲約0.8毫米。該 毛細管適合接受電極組（未顯示）並密封在其中，該電極組 係爲了在放電孔洞中觸發和維持電弧而提供一供給電力至 放電載體的導電路徑。 實質上，半球形端33在作用中之放電載體裡產生一溫 度分佈，其較在圓柱管裡更均勻。在對許多態樣的燈之性 能而言，較均勻的分佈係較佳的同時，這未提供明確界定 -9- 200921752 的冷區塊（cold corner)於稀土鹵化物一 地存在之放鼠載 體裡。一致的「冷點（c q 1 d s ρ 〇 t)」係有益於在大量相同種類 燈的群組中顏色產生狹窄的分布。 有鑑於此，爲了提供局部的冷卻以產生在燈的使用壽 命期間之較佳的色溫一致性和較佳的演色性指數’因此較 佳在放電載體的漏斗區域中建立不透明區。放電載體兩個 不透明區的漏斗區域的尺寸，各自由頸部和桿所組成’包 含約放電載體（頸部）之分別的半球形端33的30%之高度以 及延伸大約5毫米至鄰近毛細管（桿）°漏斗區域（上端及下 端）係由圖中矩形虛線29界定而顯示。 實例 高純度（299.97 %純度）AhCh粉末被用作爲起始粉末。該 粉末含有具〇.〇5微米的微晶大小、30-6公尺2 /克的平均比 表面積、以及0.4 5微米的平均粒徑之被細緻地分散之A h 0 3 粒子。燒結助劑係基於MgO + Zr〇2 + Y2〇3系統。氧化鋁粉末 係與有機黏結劑混合以形成放電載體形狀。該胚體模型的 預燒製係在 850- 1 3 50 °C的空氣中進行以移除該有機黏結 劑。 爲了形成不透明區，含有10重量百分率（Wt. %)聚乙烯 醇的水溶液係使用小刷子而被塗在空氣-預燒製放電載體 的目標區域上。該刷上塗料之放電載體係置於真空乾燥器 中以使該1 0重量％聚乙烯醇-水溶液滲入氧化鋁並且乾 燥。重複這些步驟三次以完全滲入預燒製放電載體的壁。 該刷上塗料的部分隨後被直立地置於爐內，且在9 0 0 °c流動 -10- 200921752 氮狀況下被預燒製2小時（8 °C /分鐘梯度（ramp)和15 °C /分 鐘降溫）。在氮之預燒製後，已滲入的區域呈現淡灰色，該 淡灰色象徵殘餘碳有效地被引入。 N2 -預燒製、滲入聚乙烯醇的放電載體係在1850 °C乾燥 的N2-8%H2氣氛下與lg 10%MgO-Al2O3電荷材料於移動帶 式爐（moving belt furnace)中燒結。另一個放電載體群係在 下列條件中於靜止爐（static furnace)內燒製：（1) 一溫度循 環，其包括以1 · 5小時從2 0°C增加至1 4 1 5 °C、保持1 4 1 5 °C 歷3 0分鐘、在2 4分鐘內增加至1 8 5 0 °C、保持1 8 5 0歷。C 3 至4小時、以及隨後降溫1小時；（2 ) —從2 0 °C至1 4 1 5 °C 之乾燥H2(露點=-4(TC)氣氛，一從1415°C之濕的H2(露點 = 〇°C)氣氛；以及（3)1克10%MgO-Al2O3電荷材料。 帶式爐所燒製放電載體之不透明區係爲立即明顯的。 然而，靜止爐所燒製放電載體之不透明區雖然係可見的但 爲相當淡。不透明程度的差異認爲係與燒結氣氛的差異有 關。特別是咸信靜止爐之H2氣氛較帶式爐之N2-8%H2氣氛 引起更多殘餘碳質材料的燒盡。不透明-漏斗（funnel)放電 載體的總透光度値係在標準半透明 PCA載體總透光度 (〜9 9 % )的1 %範圍內。 帶式爐所燒結PC A載體的不透明漏斗的磨光截面之微 結構分析’發現大小約1 _ 5微米的殘餘孔隙，係分佈於晶 粒內漏斗壁中。不透明頸部之接近內徑或外徑的表面積， 實際上係爲完全緊密無孔隙，這可能是因爲乾燥N2_8%h: 的強風立即地掃過該表面上，導致聚乙烯醇之未燃燒碳的 消耗。該完全緊密的表面層意指燈的熔化鹽塡料的潤濕行 -11- 200921752 爲（wetting behavior)，其與標準PCA漏斗的一樣。 以在漏斗區域中具有堅固不透明區之PCA放電載體所 製成之兩個測試燈的光譜特徵與控制組的燈相比。數據指 出在1小時的操作，色溫分佈（±CCT)大量減少，（24K比控 制組的81K)，但在100小時之±CCT適當的增加（74K比控 制組的5 7 K)。然而，從1至1 0 0小時C C T的改變，測試燈 (63K)係低於控制組（76K)。此外，在1小時和1〇〇小時兩 者之Ra以及R9演色性値，係爲該測試燈而顯著地改善。 在1小時的時候，該Ra以及R9値係分別爲測試組之91 及3 1對上控制組之8 5及-7。在1 00小時的時候，該Ra以 及R 9値係分別爲測試組之9 2及4 2對上控制組之8及6。 雖然已經顯示並描述了目前被認爲是本發明較佳的具 體實施例，但對所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見 的是，在不脫離由所附申請專利範圍限定的本發明的範圍 內，還可進行各種變化和修改。 【圖式簡單說明】 第1圖係剖面說明陶瓷放電載體，該陶瓷放電載體顯 示不透明區配置的較佳區域。 【主要元件符號說明】 2 1 電 弧 放 電 載 體 23 陶 瓷 體 25 電 弧 放 電 孔 洞 27 毛 細 管 29 矩 形 虛 線 33 半 球 形 端 -12-

Claims (1)

1. 200921752 十、申請專利範圍： 1 . 一種在陶瓷放電載體形成不透明區的方法，該方法包 括： (a) 由氧化鋁及有機黏結劑之混合物形成一放電載體； (b) 燒製（firing)該放電載體模型以移除有機黏結劑以及 形成一預燒製（prefired)放電載體； (c) 在該預燒製放電載體表面之預定區域施用有機化合 物溶液； f (d)在氮或情性氣體氣氛下’燒製該預燒製放電載體以在 預定區域形成碳質殘渣；以及 (e)燒結該預燒製放電載體以在預定區域形成不透明區。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中該有機化合物係爲 聚乙烯醇。 3 .如申δ靑專利範圍第2項之方法，其中該溶液含有1 〇重 量百分率之聚乙烯醇。 4 .如申δ靑專利範圍第丨項之方法，其中在該溶液被用於多 種應用之後，允許該溶液在應用期間乾燥。 5.如申請專利範圍第丨項之方法’其中步驟（d)之燒製係在 氮氣氛下進行。 6·如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟⑷之燒製係在 約700°C至約14〇〇。(：的溫度下進行。 7 ·如申把專利簟E圍第5項之方法，其中步驟⑷之燒製係在 900。。下。 8.如申請專利範圍第i項之方法，其中步驟⑷之燒結係在 含氫氣氛中約l75(rc至約l95〇t的溫度下進行。 -13- 200921752 9.如申請專利範圍第6項之方法’其中步驟（e)之燒結係在 含氫氣氛中約1 7 5 0°C至約1950°C的溫度下進行。 1〇.如申請專利範圍第9項之方法’其中該有機化合物係爲 聚乙烯醇。 11.如申請專利範圍第1 0項之方法’其中該溶液含有1 0重 量百分率之聚乙烯醇。 i 2 .一種陶瓷放電載體，包括：一多晶氧化鋁所製的陶瓷 體，除了位於預定區域之不透明區外’該陶瓷體係爲半 透明，該不透明區具有大於陶瓷體半透明部分的孔隙 度。 i 3如申請專利範圍第1 2項之陶瓷放電載體’其中該陶瓷 具有實質的半球形端（hemispherical end)’該半球形端具 有向外延伸的毛細管，該預定區域包括實質上半球形端 的部分以及鄰近的毛細管部分。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項之陶瓷放電載體，其中該預定 區域具有圓形的形狀。 1 5. —種陶瓷放電載體，包括：一多晶氧化鋁所製的陶瓷 體，除了位於預定區域之不透明區外，該陶瓷體係爲半 透明，該不透明區在600nm具有等於或大於28公分」 之散射係數。 16. 如申請專利範圍第15項之陶瓷放電載體，其中在600nm 之該散射係數係爲2 8至4 8公分-1。 17. —種陶瓷放電載體，包括：一多晶氧化鋁所製的陶瓷 體’除了位於預定區域之不透明區外，該陶瓷體係爲半 透明’該不透明區具有等於或大於每立方毫米ΐχ106個 -14- 200921752 孔之孔隙總數。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之陶瓷放電載體，其中該平均 孔徑係爲約2微米。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之陶瓷放電載體，其中該孔隙 總數（pore population)係爲每立方毫米1至4xl06個孔。 20.如申請專利範圍第19項之陶瓷放電載體，其中該平均 孔徑係爲約2微米。 /

   -15- 200921752 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：無。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： Μ 〇 j\ w 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 益。 t / -4-