具有陶瓷放電腔的高壓放電燈的製作方法

2023-09-21 11:17:55 2

專利名稱：具有陶瓷放電腔的高壓放電燈的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓放電燈，特別是金屬滷化物燈，設有如同權利要求1前言中所說的陶瓷放電腔。但本發明也可用於高壓鈉燈。它特別關係到那些工作溫度較高，可達1000℃數量級的燈。
這種燈的一個重要問題是在陶瓷放電腔內的引線特別是在使用陶瓷堵頭時如何保持耐久的密封。為此，曾提出過多種解決方案，其中常見的是用一個金屬銷焊接或直接燒結在陶瓷堵頭內作為引線。但其時在陶瓷和金屬間並不產生連結層，因此不能得到耐久的密封。還有建議用金屬陶瓷即一種陶瓷與金屬的複合材料作為堵頭材料的方案。
US-PS 4 602 956曾公開過一種設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈，其中電極由導電的金屬陶瓷製成圓盤狀，被燒結在引線內。該引線另外被由金屬陶瓷製成的環狀堵頭包圍著，該堵頭與由氧化鋁製成的陶瓷放電腔用玻璃焊料連結在一起，但玻璃焊料通過侵蝕性的充填物(特別是滷素)會被腐蝕，由於這個原故因此使用壽命較短。這種配置還有一些缺點，即電極被嵌入到金屬陶瓷的引線內能在金屬陶瓷上產生應力，最後使它開裂。另外由於圓盤狀的導電引線的直徑較大，電流除了發放電弧外，還能容易地返回衝擊到引線上，使它很快變黑。
US-PS 4 155 758(

圖16)曾公開過一種不用外管套而設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈的特殊配置，其中引線被製成一個能導電的金屬陶瓷銷，電極也是被燒結在金屬陶瓷銷內。金屬陶瓷銷被燒結在由純氧化鋁製成的堵頭內，而堵頭通過玻璃焊料與放電腔連結。這種配置具有與上面所說的類似的缺點。
在EP-A 587 238內，設有的陶瓷放電腔的金屬滷化物燈是這樣被說明的，其中需要有一由氧化鋁製成被拉得很長的毛細管作為內部的堵頭件，用玻璃焊料將一銷狀金屬引線固定在其外端(熔化區)，其時重要的是熔化區要處在足夠低的溫度下。引線銷可由兩部分組成，其中面向放電的部分可由導電的、含有碳化物、矽化物或氮化物的金屬陶瓷製成。這種密封技術可產生總長度較長的放電腔，但它在製造時很費錢並且同樣要用容易被腐蝕的玻璃焊料。它的一個特別嚴重的缺點是，在毛細管和引線之間的間隙內有一巨大的容積，大部分充填物會在其內凝結，因此充填物需要有一巨大的超用量。此外還有，侵蝕性的充填物一開始就會與密封區內容易被腐蝕的構件猛烈接觸。
本發明的任務是要提供一種設有如權利要求1的前序部分中所說那樣的陶瓷放電腔的高壓放電燈，它有一個長久的使用壽命，因為完全不用玻璃焊料。特別是在密封區採用真空密封，因此能承受高溫並不易被腐蝕。
這個任務通過權利要求1的特徵可以完成，另外一些有利的結構形式可在從屬權利要求中找到。
按照本發明，引線含有至少一個由金屬陶瓷製成的構件，它有特殊的性能使它足夠採用沒有玻璃焊料的連結技術。這個引線構件可與周圍的密封材料直接燒結。其時沒有純金屬的夥伴參與，因此能夠製成高真空密封的連結，而這是所要爭取的長久的使用壽命(可靠地超過10000小時)的重要前提。引線上參與直接燒結的構件本身在燒結過程中承受收縮，但密封裝置也同樣承受收縮，從而兩者能較好配合。此外參與夥伴(引線／密封裝置)的熱膨脹係數互相接近可與使用一種金屬引線相比。從而由於溫度變化(開和關)而造成的應力便可減少。金屬陶瓷構件實施時被製成銷或毛細管，這些構件的質量都很小(因為製成銷時構件的外直徑較小而製成毛細管時管子的壁厚較小)，因此由於溫度變化而造成的膨脹的絕對差異也小，此外還由於面向放電的端面較小，因此「回弧」能很好地被防止。
這種金屬陶瓷構件上通過焊接直接或間接(經過一個附加構件)連結著一個電極杆，由於沒有將該杆燒結在引線內，因此在該區域內的應力同樣被儘可能地防止。
現在單獨論述本發明的高壓放電燈，首先是金屬滷化物燈或高壓鈉燈，該燈設有陶瓷放電腔(大多數由氧化鋁製成，但氮化鋁或氧氮化鋁也可適用)，通常被一外燈管圍護著。放電腔具有兩個端頭，要用密封裝置予以封閉，通常用單件或多件的堵頭或者也可用放電腔本身上適宜形成的整體端頭。
至少在放電腔的一個端頭上要有下列構造。通過密封裝置的中心孔真空密封地引入一條可導電的引線，其上緊固著一個帶杆的電極，它們向放電腔的內部伸出。引線是一個由金屬陶瓷製成的構件，其金屬含量高到這樣程度，使它能像金屬一樣可被焊接，其時由金屬陶瓷製成的構件沒有用玻璃焊料而是通過直接燒結被緊固在密封裝置內。此外密封裝置也沒有用玻璃焊料而是通過直接燒結被緊固在放電腔內。金屬陶瓷內的陶瓷成分為氧化鋁(或氮化鋥或氧氮化鋁)，金屬成分為鎢、鉬或錸(或合金)。金屬陶瓷材料的主要結構已被公開，例如可見本文開始時所述現有技術或文件EP-A 528 428和EP-A 609477。金屬陶瓷構件的材料按照本發明必須是能焊接，在某些實施例中還應該是能導電的。但這並不是在每一種情況下都絕對必要的。一個能焊接又有導電的金屬陶瓷的具體實例為在總的金屬陶瓷中金屬的份額為50％的體積比，其餘為氧化鋁。
在用鎢或鉬作為金屬陶瓷的金屬成分時，約從35到40％的體積比的金屬份額可保證其能焊接性，而約從45％的體積比起的金屬份額可具有良好的導電性。另外一些例子可在本文開始時所提到的同族申請中找到。
在一個特別有效的實施例中，引線的金屬陶瓷構件為一個由可導電的金屬陶瓷製成的銷，其時電極杆被對頭焊接在銷的端面上。這種構造形式特別適用於高瓦燈(100W及以上)。其時金屬陶瓷銷通常為引線的單一構件(但也可被製成多件)。該銷本身被直接燒結在密封裝置上。
可有效地將密封裝置製成一個環狀的堵頭，完全或部分(即其位在內側的部分)由不導電的金屬陶瓷構成。特別是堵頭可由多個同心的部分構成。在最內側的堵頭部分可有效地製成長度較短的毛細管，而在外側由另外一個環狀堵頭部分(由一個具有較少的金屬份額、純氧化鋁或其他類似物的金屬陶瓷構成)包圍著。從而可見熱膨脹係數會以一個漸變的階梯方式沿徑向過渡到放電腔。
可有效地將引線加深地植入到密封裝置內，這樣引線與充填物的接觸便可減少，溫度載荷亦可減少。
在第二特別有效的實施例中(該例特別適合於小瓦燈)，由金屬陶瓷製造的引線構件為一毛細管。該毛細管直接燒結在密封裝置上。其時導電率這一方面已不起大作用。重要的只是依據金屬陶瓷中足夠高的金屬含量而得到的毛細管的能焊接性。
但毛細管的導電性不宜過多要求，為了防止「回弧」，可有效地將密封裝置內的毛細管布置在一個對放電起防護作用的盲孔內。
在該第二實施例中，引線至少由兩部分構成。除了毛細管以外，引線還包括一個被毛細管包圍的導電銷。該銷本身可作為電極杆或與電極杆連結在一起。它還可穿過毛細管向外突出以便容易與外供電線連接。
這個引線銷由鎢、鉬或導電的金屬陶瓷構成，有效的做法可將這個銷與毛細管在管的遠離放電端焊接，這樣在銷和包圍它的毛細管之間只留下一個較小的間隙，這個間隙是為了考慮到兩者熱膨脹的不同而設。
下面將根據多個實施例較詳細地說明本發明，其中圖1為設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈，其中部分被剖開，圖2為陶瓷放電腔密封的另一個實施例，圖3為陶瓷放電腔密封的第三個實施例。
圖1概略地示出一個功率為150W的金屬滷化物燈。它由下列構件構成一個由石英玻璃製成的環繞燈軸線的圓筒形外管套1，其兩端被擠壓(2)並裝有燈座(3)。沿軸向布置的由Al2O3陶瓷製成的放電腔4在中間5鼓起並具有兩個圓筒形端頭6a和6b。該放電腔通過兩根越過薄膜8與燈座件3連結的供電線7被夾持在外管套1內。供電線7與引線9、10焊接，這兩引線分別進入到放電腔端頭上的端堵11內。引線9、10為金屬陶瓷銷，其直徑約為1mm，它們由一種能導電的可焊接的金屬陶瓷構成，其中具有約50％重量比的鉬，其餘為氧化鋁。
在堵頭11上的兩根引線9、10分別通過堵頭11的兩端伸出並夾持著放電側的電極14，該電極由一根鎢制電極杆15和一個向放電側端頭延伸的盤繞燈絲16構成。引線9、10分別與電極杆15如同與外供電線7那樣對焊。
放電腔的充填物除了惰性的點燃氣體如氬外，還有汞和金屬滷化物上的添加劑。也有可能例如使用一種金屬滷化物充填物而不使用汞，從而為點燃氣體氙選用較高的壓力。
端堵11主要由Al2O3構成。但也有可能使用一種不導電的、不能焊接的金屬陶瓷和主要成分Al2O3，其時作為金屬成分的鎢含有分額約為30％重量比(或者也可用鉬，但份額要相應提高)。金屬陶瓷的合適的組份的另外一些可能性已在本文開始時所說明的現有技術中指出。
引線9、10分別直接燒結在堵頭11內。兩個堵頭11也以類似方式分別直接(即沒有玻璃焊料)燒結在放電腔的圓筒形端頭6內。
此外在堵頭11的第二端頭6b上設有一個與軸線平行的孔，為的是用來以公知的方式抽真空和充填放電腔。該孔12在充填後用一個銷13(行話稱為塞杆)或用熔化的陶瓷封閉。該銷一般由陶瓷或金屬陶瓷製成。這種技術的各種實施例例如在US-PS 4 155 758，US-PS 5484 315和EP-A 697 137中有說明。
基本上適合作為引線的金屬陶瓷銷除了氧化鋁以外至少應有40％體積比的金屬(最好在45和75％體積比之間)並且是可焊接的和能導電的。70到90％重量比的鎢或55到80％重量比的鉬(或錸的在體積上相當的量)都特別適合。適宜作為端堵材料的金屬陶瓷應比引線具有較少的金屬份額(最好約為引線的金屬份額之半)。對於堵頭，其重要性能為其熱膨脹係數應在引線的熱膨脹係數與放電腔的熱膨脹係數之間。但堵頭的金屬份額也可為零。
將電極焊接在引線的端面上應在將引線燒結到堵頭內之前進行。其時可焊接的金屬陶瓷銷已在最終燒結之前儘可能地預先燒結好。
在第二實施例(圖2)中，圓筒形的放電腔25在其兩端附近分別直接燒結著一個不導電的堵頭26，引線還包括一個導電的金屬陶瓷銷9、10，其組份類似上面說明過的(只是所選用的金屬份額較高，為50％的體積比)。氧化鋁的堵頭26由兩個同心的部分構成，包括一個在外的環狀堵頭部21和一個在內的、長度幾乎增一倍的毛細管20。儘管與已知的毛細管技術相比，這個毛細管較短約50％，但毛細管的比堵頭件21大的構造長度可改善密封性能。金屬陶瓷銷9被加深地植入到毛細管20內並在那裡被直接燒結。充填孔22被設置在一個在外的堵頭件21內。
在另外一個堵頭的實施例中，堵頭件21由不導電的金屬陶瓷構件，但其金屬份額(約為10％體積比的鎢)比毛細管的小。毛細管20由不導電和不能焊接的金屬陶瓷構成，具有約為20％體積比的鎢。這種安排的優點是通過構件的不同金屬含量而得到的熱膨脹係數的分級可望改善(除了只用一種金屬如鎢來製作所有構件的情況之外)。但毛細管20也可由不導電和不能焊接的金屬陶瓷或由氧化鋁製成。
當然，金屬陶瓷銷也可在單件堵頭(見圖1)的放電側加深地植入。
圖3示出功率較小例如為35W的金屬滷化物燈的放電腔的另一個實施例。由氧化鋁製成的大腹放電腔29具有兩個直徑縮小的端頭，以便起到密封手段34的作用並在其內形成堵頭狀。這時顯然也可使和分開的堵頭，將堵頭設在每一端34的背離放電的中心盲孔27內，該盲孔本身呈堵頭狀並通向一個變窄的通孔28。引線30由兩部分製成。一個由可焊接金屬陶瓷製成的短毛細管31進入到盲孔27內並在那裡被直接燒結。該堵頭包圍著一個導電銷32，在其面向放電的前端對接著電極杆33。銷32可由可導電的金屬陶瓷，或者可由金屬特別是鉬製成。銷32在通孔28內終止其放電端，在另一個較優實施例中，或者也可仍然在毛細管31內終止其一端。
放電腔29的抽真空和充氣這樣進行，在一個端頭34b上，首先只是將毛細管(其時還沒有引線銷)燒結在其內。在充氣後引線銷32連同電報被引入到毛細管內一直引入到通孔28內。在銷的後端區，銷32與毛細管31焊接在一起(36)，例如可用雷射或等離子燒嘴。這種技術的優點在於，放電腔在封閉時放電腔本身包括已被收容在其內的充填物維持在比較冷的狀態。因此在焊接時不必擔心充填物會蒸發。此外在這個實施例中完全不再需要玻璃焊料熔化陶瓷(迄今為止為了封閉充氣孔仍然需要用這些技術)。雖然這個小功率燈的實施例能提供這些優點，但它只有小尺寸以致難於在其上找到一個設置分開而偏心的充氣孔的位置。此外由於它只有較小的熱容量，因此這種小功率燈的發熱問題十分嚴重。
這種配置只能在放電腔的一個端頭上實現，而在第二端頭上的引線須按另外的傳統方式實現或者例如須按照圖1。
關於材料的選擇，不列指示值得注意。在一個實施例中，毛細管和引線銷可用相同的導電材料(具有高金屬含量的金屬陶瓷)製成。在這種情況下製成的堵頭和盲孔是合適的，為的是可阻止電弧的返回衝擊。另外一個優點是兩個零件由同一材料製成可以特別好地焊接在一起同時具有相同的熱性能，因此在毛細管31和銷32之間的間隙可選為儘可能地小，從而在間隙內充填物的凝結可達到最小。
在第二個變型內，銷的金屬含量比毛細管高。其時只有銷是導電的(鎢約為45％的體積比)，而毛細管只是能焊接的(鎢約為35到40％的體積比)。在這種情況下，可放棄盲孔，毛細管可在放電側與堵頭的內側之間封閉。
銷(特別是當由金屬製成時)例如能在毛細管內向外伸出，使它能與外部的供電線很好地焊接，而外部供電線也可有不為毛細管包圍的管狀端頭。
下面典型地列出一些具體尺寸。毛細管的外直徑按功率等級為2到3mm。銷的直徑在小功率(35W)時典型地為600μm。在銷與毛細管之間的間隙為多個μm厚，例如40μm。
這種沒有玻焊料的密封技術可承受的溫度達1000℃，而使用玻璃焊料時溫度只能達到700℃。上述發明的很大優點為可具有短的構造長度。與EP-A 587 238相比，毛細管的構造長度可縮短50到70％。此外，由於這個縮短和在銷和毛細管之間間隙的變窄，所需的填充量可縮減約50％。
作為金屬陶瓷中的金屬成分，如果首要考慮引線或引線構件的耐腐蝕性，最好使用鎢。與此相比，如果熱適應特別關鍵，最好還是使用鉬。
下列指示可作為金屬陶瓷的組分依據在使用鎢作為金屬陶瓷的金屬參與者的情況下，約從35到40％體積比的鎢份額可保證能焊接性，而約從45％體積比起的鎢份額便可具有電傳導性。對於鉬，適宜採用因數約為1．5的較高值。
權利要求
權利要求書1．設有陶瓷放電腔(4)的高壓放電燈，其中放電腔有兩個端頭(6)被密封裝置封閉，並且有可導電的引線(9、10；30)真空密封地穿過密封裝置而被引入，在該引線上固定著電極(14)和杆(15)，它們在放電腔內突出，其特徵為，至少在放電腔的一個端頭(6)引線包括一個由金屬陶瓷製成的構件，構件的金屬含量高到這樣程度，使它能像金屬那樣可焊接，其時由陶瓷金屬製成的構件在密封裝置內以及密封裝置在放電腔(4)內都不用玻璃焊料而用直接燒結法固定。
2．按照權利要求1的高壓放電燈，其特徵為，引線的構件是由可導電的金屬陶瓷構成的銷(9、10)，其中電極杆(15)被對焊在銷的端面上，特別是當銷(9、10)為引線的唯一構件時。
3．按照權利要求2的高壓放電燈，其特徵為，密封裝置包括一個由不導電的陶瓷金屬構成的環狀堵頭件，特別是當製成毛細管時。
4．按照權利要求2的高壓放電燈，其特徵為，在密封裝置(20)內的引線(19)被加深地植入。
5．按照權利要求1的高壓放電燈，其特徵為，引線的構件為一毛細管(31)。
6．按照權利要求5的高壓放電燈，其特徵為，在密封裝置內的毛細管(31)被布置在一個對放電起保護作用的盲孔(27)內。
7．按照權利要求5的高壓放電燈，其特徵為，引線還包括一個導電銷(32)，該銷被布置在毛細管(31)內。
8．按照權利要求7的高壓放電燈，其特徵為，所說銷(32)由鎢、鉬或可導電的陶瓷金屬構成。
9．按照權利要求7的高壓放電燈，其特徵為，所說銷(32)與毛細管(31)在遠離放電端被焊接在一起。
10．按照權利要求7的高壓放電燈，其特徵為，在銷(32)和包圍它的毛細管(31)之間只留下較窄的間隙(35)。
11．按照權利要求1的高壓放電燈，其特徵為，放電腔被一外管套(1)包圍著。
12．按照權利要求1的高壓放電燈，其特徵為，燈內有金屬滷化物的充填物。
全文摘要
至少在設有陶瓷放電腔(25)的金屬滷化物燈的一端有引線的一個由陶瓷金屬構成的構件(9)(銷或毛細管),其金屬含量高到這樣程度使它如同金屬那樣可被焊接。引線(9)和堵頭(26)的緊固可不用玻璃焊料而用直接燒結來完成。
文檔編號H01J61/36GK1204858SQ9811512
公開日1999年1月13日 申請日期1998年6月26日 優先權日1997年6月27日
發明者R·胡廷格, D·蘭格, R·蒂特 申請人:電燈專利信託有限公司