高緩衝氣體壓力陶瓷電弧管及其製造方法和製造設備的製作方法
2023-06-26 13:53:16 2
專利名稱：高緩衝氣體壓力陶瓷電弧管及其製造方法和製造設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有高緩衝氣體壓力的陶瓷電弧管和用玻璃料密封所述電弧管的方法。本發明還涉及射頻(RF)感應加熱方法和設備。
發明的背景用於高亮度放電(HID)燈的陶瓷電弧管是公知的。這些電弧管的更通用的一種結構包括軸向對稱的放電容器，該放電容器具有彼此向外延伸的相對的毛細管。這些毛細管具有密封在其中的電極組件，以便提供擊穿放電容器內的電弧放電所需要的電能。毛細管的端部利用玻璃料與電極組件氣密密封。放電容器含有可電離填料，該填料通常包括金屬滷化物鹽和/或汞的一些混合成分。還添加緩衝氣體以促進電弧點燃和影響燈的光學特性和耐久性。典型的緩衝氣體是惰性氣體，例如氬、氙、氪或其混合氣體。通常，陶瓷電弧管中的緩衝氣體壓力小於約1.5巴。這種電弧管的例子在美國專利US5973453和5424609以及歐洲專利EP0971043A2和0954007中有說明，在這裡引證供參考。
用於陶瓷電弧管的常規玻璃料密封工藝在低壓室中進行，即小於1巴，並採用由鎢或石墨構成的耐熱元件。耐熱元件的使用需要用於容納高電流的笨重引線、複雜的屏蔽件和強制水冷卻。結果是，常規的製造設備通常很大、速度慢、價格昂貴和效率低。大密封室還需要大體積的緩衝氣體，這增加了製造成本。此外，大部分熱能被設備本身消耗，這就延長了達到密封溫度所需要的時間。在用高緩衝氣體壓力密封時，由於氣體對流和增加的熱傳遞造成的額外的熱損失，使熱損失問題進一步惡化。因此，為了獲得具有高緩衝氣體壓力即大於1巴的陶瓷電弧管必須克服大量的困難。
與陶瓷電弧管相比，已經採用了熔凝矽石(石英)電弧管，其中的緩衝氣體壓力高達8巴。為了滿足高壓需求，通常採用凍結技術，其中石英電弧管的一端浸在液氮中以便使放電容積中的緩衝氣體液化或固化，同時將另一端加熱到高溫，使石英軟化並允許利用壓力密封或倒出(tipping-off)方法密封該端。通過加熱到室溫，緩衝氣體蒸發成小體積，以便提供所希望的壓力。然而，由於用於密封石英電弧管的端部的壓力密封或倒出方法不能用於陶瓷材料，因此凍結技術不能用於陶瓷電弧管。
發明概述本發明的目的是克服現有技術的缺陷。
本發明的另一目的是提供具有至少為約2巴的緩衝氣體壓力的玻璃料密封陶瓷電弧管。
本發明的再一目的是提供以高緩衝氣體壓力氣密密封陶瓷電弧管的的設備和方法。
根據本發明的一個目的，提供一種陶瓷電弧管，包括具有至少一個毛細管的放電容器，所述毛細管具有電極組件並從放電容器向外延伸到毛細管末端，電極組件利用玻璃料氣密密封到毛細管末端，電極組件穿過毛細管到達放電室並可連接到電源，放電容器包含放電室，放電室含有緩衝氣體和可電離填料，緩衝氣體的壓力為2巴到8巴。
根據本發明的另一目的，提供一種製造陶瓷電弧管的設備。該設備包括具有壓力室的壓力套，壓力室含有RF感受器，該感受器具有用於接收電弧管的毛細管的開口；位於壓力套外部並圍繞RF感受器的RF感應線圈，該RF感應線圈連接到RF電源；壓力室連接到加壓緩衝氣體源和真空源上，加壓緩衝氣體源通過連接到壓力控制器的閥門調整，壓力控制器具有壓力傳感器，用於測量壓力室中的壓力；具有用於電弧管的支架的固定器，選擇支架的高度，以便在固定器密封到該設備上時，使電弧管的未密封端放置在RF感受器內；和該設備在密封時能交替對壓力室抽真空並用緩衝氣體填充壓力室。
根據本發明的又一目的，提供一種密封陶瓷電弧管的方法，包括(a)在壓力室內密封電弧管，電弧管包括放電容器和至少一個毛細管，毛細管從放電容器向外延伸到具有玻璃料的毛細管末端，壓力室含有圍繞毛細管末端的RF感受器；(b)用緩衝氣體填充壓力室，達到預定壓力；(d)通過給RF感應線圈施加RF電源而加熱RF感受器，RF感應線圈位於壓力室的外部並圍繞RF感受器，由RF感受器層上的熱量使玻璃料熔化並流入毛細管末端；和(e)冷卻玻璃料，以便形成氣密密封。
附圖的簡要說明圖1是本發明的密封陶瓷電弧管的截面圖。
圖2是本發明的射頻(RF)密封設備的截面圖。
圖3是本發明的密封設備使用的RF電壓的示意圖。
圖4是表示RF感應加熱器和要密封的電弧管的毛細端之間的關係的截面透視圖。
圖5是在密封周期期間陶瓷電弧管中的內部壓力升高的曲線圖。
圖6是在密封期間RF感受器的溫度曲線圖。
圖7是在最後密封操作期間施加的過壓力差的曲線圖。
本發明的詳細說明為了更好地理解本發明，與其它和另外的目的、優點及其能力一起，下面結合上述
本發明和所附權利要求書。
本發明已經公開了可以利用射頻(RF)感應密封方法和設備製造一種具有高緩衝氣體壓力的陶瓷電弧管。雖然本發明的方法可用於密封各種陶瓷電弧管結構，但是最佳電弧管結構具有至少一個延伸的毛細管，其含有電極組件，其中毛細管利用玻璃料氣密密封。RF密封設備包括可再密封的壓力室，其具有安裝在一端的RF感應加熱器。該RF感應加熱器由RF電源、位於壓力室外部的RF感應線圈和位於壓力室內部的RF感受器構成。為了密封毛細管端部，電弧管定位在壓力室內，以使要密封的毛細管端部被包含在RF感受器中。對密封的壓力室抽真空，然後用緩衝氣體填充到預定壓力。施加RF電源，RF感受器吸收由RF感應線圈層上的能量，使感受器熱起來。由熱感受器發射的熱輻射使位於毛細管開口端附近的玻璃料熔化，並沿著電極組件向下流，由此密封毛細管端部。
具有高內部緩衝氣體壓力的最佳玻璃料密封陶瓷電弧管的截面圖示於圖1中。軸向對稱電弧管1由放電容器3、放電室5、對置端帽9和電子組件11構成。放電容器3由藍寶石管構成。雖然藍寶石是最佳的，但是放電容器也可以由特別包括多晶氧化鋁和釔鋁石榴石的其它陶瓷材料構成。端帽9具有環形輪緣16，其設計成配合到放電容器的開口端2上。優選，端帽由多晶氧化鋁構成並利用常規燒結方法氣密密封到放電容器上。利用端帽9與放電容器3組合在一起封閉含有可電離填料(未示出)的放電室5。
每個端帽9具有從放電室3向外延伸到末端12的毛細管13。每個毛細管13含有利用玻璃料氣密密封在毛細管中的電極組件11。用於密封陶瓷電弧管的這種玻璃料是公知的。用於RF密封法的最佳玻璃料由重量百分比為65％的Dy2O3、25％的SiO2、和10％Al2O3組成。然而，本發明不限於任何特殊玻璃料成分。
在更優選的結構中，電極組件11由焊接到螺紋鉬棒8上的鈮引線6構成，而鉬棒8又焊接到鎢電極10上。其它電極結構如在本領域公知的電極結構也可以利用玻璃料密封在毛細管中。玻璃料滲透到毛細管的末端的深度影響密封的質量，並且必須根據經驗為每個電弧管結構確定該深度。當採用鈮引線時，玻璃料應該滲透到足夠深以便覆蓋和保護鈮，因為鈮通常與可電離填料中的腐蝕性化學物質反應。然而，玻璃料必須不能太接近熱的電弧管本體，因為這將增加由於材料之間的熱失配造成的破裂的風險。
一旦電弧管兩端被密封，加壓緩衝氣體就被包含於電弧管的放電室5中。優選，緩衝氣體由氬、氙、氪或其混合氣體構成，並且放電室內的緩衝氣體壓力在2-8巴範圍內。(應該理解，這裡提到的緩衝氣體壓力是在室溫下(約25℃)測量的，而不是在正在工作的電弧管中的極高溫下測量的。)在某些應用中，電弧管中的緩衝氣體可以高達10巴，並且可想而知將來的應用可能需要10巴的過量的緩衝氣體壓力。這些應用應該落入本發明的範圍內。
RF感應密封設備的實施例示於圖2中的截面圖中。該設備包括管狀壓力套22，其在頂部密封並在底部開口，以便接收將要密封的電弧管。選擇熔融的二氧化矽(石英)作為壓力套的材料，因為這材料是能承受在密封方法中使用的高溫度和壓力的透明絕緣材料。然而，壓力套還可以由合適的非透明陶瓷材料構成，其幾何形狀適於容納不同的電弧管形狀。
位於壓力套22的上部區域55中的是RF感受器61。感受器61是中空的以接收電弧管(未示出)的毛細管端部，並利用氧化鋁隔離件68固定在原位。在本例中，優選的感受器是中空的石墨圓筒。選擇石墨是因為其高的靈敏性和發射率。然而，也可以採用其它合適的導電材料(如鉬和鎢)和感受器幾何形狀。壓力套和感受器的幾何形狀應該調整到毛細管延伸的尺寸和形狀，以便阻止氣體對流。通過阻擋氣體對流，可以減少密封期間的熱損失。此外，可以在感受器61周圍設置由反射和絕緣材料構成的外部熱屏蔽件69，以便通過減少由於輻射和傳導造成的熱損失來進一步提高電源利用性。該屏蔽件還幫助防止熱輻射到達RF感應線圈63和冷卻塊65，由此減少冷卻需求。熱屏蔽件可以由絕緣多層紅外反射材料或極薄的金屬膜構成，並具有平行於放電室的軸的間隙，以便減少渦流。
外部RF感應線圈63圍繞感受器61並連接到RF電源62的表面。當感應線圈被激勵時，感受器吸收由感應線圈產生的RF能量並變熱。然後來自變熱的感受器的熱輻射使玻璃料熔化並將電極組件密封到毛細管上。線圈的直徑選擇得儘可能的小，以便相對於感受器使線圈內的橫截面面積減少到最小值。因而，線圈的電磁通量的最大量與導電感受器和電極組件的橫截面積相交，由此減少浪費的電磁通量。為實現最佳電感、線圈中的存儲能量和電磁通量而使感應線圈幾何形狀(線圈直徑、線的直徑、匝數、總的線長度)的進一步最佳化確保了用於給定輸入功率的線圈內部的總負載的足夠的焦耳熱和加熱率。這將輸入功率和線圈電流減少到最小值。低線圈電流使線圈的焦耳熱減小到不需要線圈的冷卻水的低值。或者，感應線圈63嵌入到由具有良好熱傳導的絕緣介質材料構成的冷卻塊65中。冷卻塊消耗少量的線圈中的電阻熱以及來自感受器的熱輻射和傳導熱。冷卻塊的最佳材料是氮化鋁/氮化硼組合物。冷卻塊保證了在密封操作期間線圈的溫度和電阻保持為低值。冷卻塊還給線圈提供附加的機械穩定性，這有助於保持線圈在其預定形狀，以便提供可再生產的耦合條件。
利用彈性墊圈25將壓力套22密封到基座26上。基座26具有在一側開向壓力套22的壓力室29的鏜孔32，並允許電弧管通過該鏜孔從相反側插入基座。開口端31帶有螺紋以允許帽27旋入基座。通過將壓力套穿過開口端31插入基座26，直到凸緣28接觸輪緣35為止，由此將壓力套22密封在基座中。然後墊圈25放置在壓力套上，接著壓緊隔離件37。然後具有足以接收壓力套的孔的帽27向下旋到基座26上，使隔離件37壓緊墊圈25，由此形成基座和壓力套之間的緊密密封。由於壓力套可鬆開地密封到基座上，因此通過簡單改變壓力套就可以很容易將該密封設備用於各種不同的電弧管結構。
基座26安裝到導管24上並利用O形圈40密封到其上。導管24具有鏜孔41，通過鏜孔41和基座26的鏜孔32可使導管24與壓力室29流體連通。鏜孔41通過出口45連接到真空源(未示出)並通過出口46連接到加壓緩衝氣體源(未示出)。這就允許壓力室29交替被抽真空和加壓，以便利用緩衝氣體填充電弧管。加壓緩衝氣體源備有壓力控制器(未示出)，監視和調整壓力室29中的壓力。壓力控制器連接到測量壓力室內的壓力的壓力傳感器和微處理器控制可變閥，允許壓力室中的壓力以預定速度增加。
電弧管固定器20由基座47和支架49構成。支架49具有空腔43，該空腔43具有對應電弧管的端部的形狀。通過在支架空腔43中密封電弧管，然後升高固定器20，直到它壓緊和密封導管24和O形圈為止，由此給該密封設備加載。錐形導管可以放置在壓力套的下部區域內部，以便中心對準和穩定電弧管，象其插入時那樣。支架49的高度應該如此設定，以便當固定器20配合到導管24上時，電弧管的相對端適當地位於RF感受器61中。
一旦電弧管放置到固定器中和密封該設備，壓力室和電弧管的放電室被抽真空，然後周緩衝氣體填充到預定壓力。接通RF電源，使感受器熱起來。一旦玻璃料溫度達到其熔點，玻璃料使陶瓷毛細管和電極組件液化和溼潤。一旦玻璃料達到毛細管內的預定滲透深度，關斷RF電源，玻璃料固化，在毛細管和電極組件的引線之間形成氣密密封。然後壓力室的壓力減小到大氣壓力，並且該設備打開和再加載。當進行電弧管中的最後密封時，隨著電弧管的內部容積變得遠離壓力室的溶劑，在電弧管中存在與溫度相關的壓力升高。為避免在兩個容積分開時的大壓力差，壓力室內的壓力升高必須與電弧管內部的壓力升高匹配。
最好是採用壓力室內的稍大的壓力升高以保證玻璃料向下流到預定滲透深度。
通常，RF頻率的選擇由EMI/RFI發射需求、要加熱的部件的幾何形狀、和預定加熱速度確定。更具體地說，該頻率應該佔有在感受器中足以感應電流的其磁場中的改變率，能升高感受器的溫度並在預定時間內熔化玻璃料。優選，RF頻率為27.12MHz，這是只需要最小EMI/RFI屏蔽的ISM帶。RF電源的示意圖示於圖3中。在本例中，以單端模式驅動電感線圈。合適的RF匹配網絡57設計成允許利用最小的反射功率將感應線圈L1連接到RF功率放大器上。按如下方式設計和最小化感受器的導電率和功耗、線圈11的電感、和電容器C1和C2的值，以便實現在10安培數量級的線圈電流和少於約300瓦的RF電源輸出。低瓦數和最佳耦合調整不再需要大RF放大器，低線圈電流減少了冷卻的需求。這些特徵的組合產生了能高速加熱和縮短加熱時間的節能系統。
上述RF密封設備可用於填充和密封緩衝氣體壓力至少為約1巴的電弧管。在約1巴以下時，在不擊穿室內的RF等離子體的情況下，可能難以使用該密封設備。然而，通過進行某種等離子體抑制測量，可以在低於1巴的壓力下實現RF密封。這種方法包括通過以充分模式代替單端模式驅動感應線圈，相對於電路地減少最大線圈電壓，使感受器的邊緣變鈍以最小化沿著該邊緣的電場增強；和/或通過採用高溫絕緣材料以屏蔽或遮擋所有或部分感受器，由此增加沿著感受器的絕緣蠕變距離。
圖4是壓力套22的上部區域55的截面透視圖，表示準備密封的電弧管毛細管13。玻璃料環70已經放置在引線6周圍並鄰近毛細管的末端12設置。毛細管的末端12、玻璃料環70和引線6定位在被氧化鋁隔離件68支撐的感受器61中。由於壓力室29的橫截面面積和體積很小，因此惰性氣體消耗保持最小，並且在氣體壓力高達10巴時也可以施加相對低的力。
如上所述，當RF電源輸送給感應線圈63時，感受器61吸收RF能量，使其熱起來。然後由感受器發射的熱輻射使玻璃料環70熔化。毛細作用力和重力使玻璃料沿著引線6向下流到毛細管13中。當玻璃料到達其預定滲透深度時，停止加熱。通過冷卻，在玻璃料、毛細管和引線之間形成氣密密封。從密封裝置中取出電弧管，倒置、再裝載到被設備中，以便密封其相反端。最後密封比首次密封難以進行，因為隨著玻璃料向下流到毛細管中，氣體被限制在放電室5中，電弧管的內部壓力開始升高。
通過採用關閉閥和附著於電弧管相反端上的薄金屬毛細管，在測試裝置中根據經驗確定最後密封操作期間的電弧管內的壓力升高。關閉閥開始將放電室通過金屬毛細管連接到壓力室，允許用緩衝氣體將兩個容積填充到相同壓力。然後通過閉合關閉閥使兩個容積分開。然後採用連接到金屬毛細管的最小壓力傳感器監視放電室內的壓力升高，同時用感受器加熱電弧管的玻璃料密封端。如圖5所示，給感應線圈供電約3秒鐘之後，電弧管的內部壓力開始線性升高。給感應線圈供電約15秒鐘之後，隨著密封端的玻璃料液化，壓力急劇下降。此時，電弧管的內部壓力足夠克服由壓力室內的氣體施加的外部壓力，使玻璃料密封失敗。採用這種信息，可以推測在整個密封周期期間電弧管內的壓力升高。然後這個功能可用於驅動可變閥，以便以與電弧管內的壓力升高相同的速度增加壓力室內的壓力。而且，在壓力室內可以保持稍微的過壓差，以助於強制熔化的玻璃料流進毛細管中。
圖6和7表示典型的密封周期。在密封期間感受器的溫度示於圖6中。電弧管的一端已經採用相同溫度周期密封，最後密封的形成只是保持電弧管內的壓力和壓力室內的壓力之間的壓力平衡的問題。圖7中的曲線71表示密封設備的壓力室內的壓力，而曲線73表示電弧管內的推測壓力。區域A表示加熱處理的開始，接著在區域B中的延遲壓力升高。玻璃料熔化和滲透到毛細管中發生在區域C和D中。在區域D中結束加熱周期。當玻璃料固化並能承受大壓力差時，在區域E結束壓力室內的受控壓力升高。在密封期間施加的稍微過壓差可根據經驗調整以實現所希望的玻璃料滲透深度。
前面已經示出和說明了本發明的最佳實施例，對於本領域技術人員來說很顯然在不脫離由所附權利要求書限定的本發明的範圍的情況下可以做出各種改變和修改。
權利要求
1.一種陶瓷電弧管，包括具有至少一個毛細管的放電容器，該毛細管具有電極組件並從放電容器向外延伸到毛細管末端，該電極組件利用玻璃料氣密密封到毛細管末端，該電極組件穿過毛細管到達放電室並連接到外部電源，放電容器封閉含有緩衝氣體和可電離填料的放電室，緩衝氣體的壓力在2-8巴。
2.根據權利要求1的陶瓷電弧管，其中緩衝氣體壓力為2-10巴。
3.根據權利要求1的陶瓷電弧管，其中緩衝氣體壓力超過10巴。
4.根據權利要求1的陶瓷電弧管，其中放電容器由藍寶石管構成，毛細管由多晶氧化鋁構成。
5.根據權利要求4的陶瓷電弧管，其中毛細管是已經氣密密封到藍寶石管上的端帽的一部分。
6.根據權利要求5的陶瓷電弧管，其中端帽具有配合在藍寶石管的開口端上的環狀輪緣。
7.根據權利要求1的陶瓷電弧管，其中緩衝氣體為氬、氪、氙或其混合物。
8.根據權利要求1的陶瓷電弧管，其中緩衝氣體包括氙。
9.根據權利要求8的陶瓷電弧管，其中緩衝氣體壓力為2-10巴。
10.一種用於製造陶瓷電弧管的設備，包括具有包含RF感受器的壓力室的壓力套和RF感應線圈，感受器具有用於接收電弧管的毛細管的開口，RF感應線圈位於壓力套外部並包圍RF感受器，RF感應線圈連接到RF電源；壓力室連接到加壓緩衝氣體源和真空源，加壓緩衝氣體源由連接到壓力控制器的閥調整，壓力控制器具有壓力傳感器，用於測量壓力室內的壓力；固定器，具有用於電弧管的支架，支架的高度如此選擇，以便在固定器密封到該設備上時，電弧管的未密封端位於RF感受器內部；和當密封時，該設備能交替對壓力室抽真空和用緩衝氣體填充壓力室。
11.根據權利要求10的設備，其中感受器是中空的石墨圓筒。
12.根據權利要求11的設備，其中感受器利用氧化鋁隔離件固定在壓力室內。
13.根據權利要求10的設備，其中感應線圈嵌入冷卻塊中。
14.根據權利要求13的設備，其中冷卻塊是氮化鋁/氮化硼組合材料。
15.根據權利要求10的設備，其中熱屏蔽件設置在RF感受器和RF感應線圈之間。
16.根據權利要求10的設備，其中感受器的邊緣被弄鈍，以便減少電場增強。
17.根據權利要求10的設備，其中感應線圈以單端模式操作。
18.根據權利要求10的設備，其中感應線圈以差分模式操作。
19.根據權利要求15的設備，其中熱屏蔽件包括多層陶瓷紅外反射材料。
20.根據權利要求15的設備，其中熱屏蔽件包括具有平行於壓力室的軸的間隙的薄金屬膜。
21.根據權利要求10的設備，其中壓力套可拆卸地密封到基座上，基座安裝在導管上，導管具有用於連接到加壓緩衝氣體源和真空源的出口，基座和導管各具有鏜孔，通過該鏜孔可允許電弧管插入到壓力室內，導管可拆卸地密封到固定器上。
22.根據權利要求10的設備，其中壓力套由熔融二氧化矽構成。
23.根據權利要求10的設備，其中RF電源的頻率為27.12MHz。
24.根據權利要求10的設備，其中RF電源具有使反射功率最小化的RF匹配網絡。
25.根據權利要求23的設備，其中RF電源具有少於300瓦的功率輸出。
26.一種密封陶瓷電弧管的方法，包括(a)在壓力室內密封電弧管，該電弧管包括放電室和至少一個毛細管，該毛細管從放電室向外延伸到具有玻璃料的毛細管末端，放電室含有圍繞毛細管末端的RF感受器。(b)用緩衝氣體填充放電室到預定壓力；和(d)通過用RF電壓給RF感應線圈供電，加熱RF感受器，RF感應線圈位於放電室的外部並圍繞RF感受器，由RF感受器產生的熱量使玻璃料熔化並流進毛細管末端；和(e)冷卻玻璃料以形成氣密密封。
27.根據權利要求26的方法，其中緩衝氣體的壓力以等於或稍大於放電室內的緩衝氣體壓力的速度增加。
28.根據權利要求26的方法，其中採用過壓差實現玻璃料滲透深度。
29.根據權利要求26的方法，其中緩衝氣體壓力為2-8巴。
30.根據權利要求26的方法，其中緩衝氣體壓力為2-10巴。
31.根據權利要求26的方法，其中緩衝氣體壓力超過10巴。
全文摘要
提供一種高亮度放電燈(HID)照明應用的陶瓷電弧管，其中電弧管含有高緩衝氣體壓力。還提供用於製造電弧管的方法和設備，其中RF感應加熱(62，63)用於熔化玻璃料以形成氣密密封。
文檔編號H01J9/40GK1461492SQ02801218
公開日2003年12月10日 申請日期2002年2月20日 優先權日2001年2月23日
發明者S·科特, G·扎斯拉維斯基, F·懷特奈伊 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司