設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈的製作方法

2023-09-21 11:18:20 3

專利名稱：設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬滷化物燈，該燈設有如同權利要求1前序部分中所說的陶瓷放電腔。它特別關係到那些工作溫度較高，可達1000℃數量級的燈。
這種燈的一個主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。為此曾提出多種解決方案，其中常見的是用一個鎢或鉬的金屬管或銷通過玻璃焊料／熔化陶瓷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 5 404 078和US-PS5592049)。
為了更好適應熱膨脹係數，堵頭還要通過試驗確定，堵頭由具有不同比例的金屬／陶瓷的多層金屬陶瓷構成。EP-A 650 184曾公開過一種不導電的金屬陶瓷堵頭，該堵頭具有沿軸向布置的層。但密封非常複雜並用到帶螺紋的引線、外部圓盤(法蘭)和金屬焊料或玻璃焊料。
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，其中電極被燒結在由導電的金屬陶瓷製成的圓盤狀的引線內。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 4155 758的

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類似的缺點。
在EP-A 587 238中描述了一種設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈，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。這種技術只在小功率級(到150W)使用，因為毛細管的內直徑增大時在金屬陶瓷引線銷和毛細管之間在熱膨脹係數上的差異太大。
本發明的任務是要提供一種設有如權利要求1的前序部分中所說的陶瓷放電腔的金屬滷化物燈，它有一個長久的使用壽命，因為幾乎完全不用玻璃焊料。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，另外一些有效的配置可在從屬權利要求中找到。
按照本發明，在放電腔的至少一個端頭上，堵頭是由至少四個沿軸向分層堆放的金屬陶瓷件組成的，而該金屬陶瓷件是由氧化鋁和金屬(鎢或鉬)構成的。金屬含量隨著向外(即遠離放電側)的程度而增加。對金屬陶瓷為了簡便起見，可這樣理解，即最內層由純氧化鋁構成，最外層由純金屬構成。對本發明來說重要的是堵頭最外層的金屬含量應高到這樣程度，使該層能夠具有與引線焊接的性能。為此該層必需具有5mΩ的導電性，而這相當於金屬的份額至少應為50％的體積比。隨著層數的增加，最外層的金屬含量還可提高。當總層數為六層時，最外層甚至可由純金屬構成，只要相對的熱膨脹差異能夠保持在足夠小的程度即可。
引線通過焊接與這最後一層真空密封地連結。引線從另外一個在裡面的較遠層通過一個毛細管大的間隙(幾個μm寬)進入到放電腔內。通過焊接進行放電腔的密封具有的優點是可以得到高的耐腐蝕能力、高的溫度承受能力和這樣焊接帶來的高強度。
能導電的銷或管都可用作引線。引線的材料應該適合，至少就熱膨脹係數而論，在堵頭的最外層上，特別是在其組裝件上，應儘可能地做好。在理解情況下，它們應一致，但偏差也是允許的。例如最外層和引線都可由純金屬製成。或者兩者都可由能焊接的金屬陶瓷構成，而其中的金屬含量至少為50％的體積比。
堵頭的最內層與放電腔的端頭不用玻璃焊料地被連結。一般情況堵頭的分層是通過直接燒結連結的。
上述發明的一個重大優點為，可以保證堵頭的最外層和引線所用的材料具有類似性，因此不會出現顯著的熱膨脹的差異。密封特別耐用，因為通過焊接可以得到一個牢固而耐久的結合，而這種結合是在燒結或熔化技術中考慮到的。另外在採用如鉬和鎢那樣的純金屬或採用高金屬含量的金屬陶瓷時不會很快引起開裂，因為通過金屬彈性產生的應力很容易被消除。另一方面對於堵頭最內層可選擇一個與放電腔類似的材料，因此在這區域內密封也可耐用。
引線可由耐高溫材料特別是鎢或鉬，或者由氧化鋁和鎢混合而成的金屬陶瓷構成。
在第二實施例中，引線由耐高溫金屬製成管狀。這一實施例對高瓦燈(典型地從250到400W)特別有效。使用管作為引線具有這樣的優點，即在堵頭內也可有較大的孔，這對高瓦燈用的大電極的引線來說是必需的，而電極能被密封得不會有太大的熱損失。當人們使用一個由管狀引線和電極構成的電極系統時，這種系統可先在放電腔的端頭暫時與堵頭燒結在一起，這樣管狀孔就可與所選電極的大小無關。在這種情況下在充氣後這種孔可先用充填銷封閉，隨後充填銷、引線管和金屬陶瓷堵頭便可在一個工步內焊接在一起。這樣迄今為止經常需要在堵頭內另設的充填孔便可完全不要。
現在單獨論述本發明的金屬滷化物燈，該燈設有一個陶瓷放電腔(由氧化鋁製成)，通常被一外燈管圍護著。放電腔具有兩個端頭，要用密封裝置予以密封，通常用單件或多件的堵頭。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。引線是一個由金屬或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，其時引線沒有用玻璃焊料而是通過直接燒結被緊固在堵頭內，此外堵頭也沒有用玻璃焊料而是用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，金屬成分為鎢、鉬或錸。由合適材料組成的金屬陶瓷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 609 477。
按照本發明的合適的金屬陶瓷構件的材料必須是既能焊接又能導電的。一個具體實例為在總的金屬陶瓷中，鉬的份額為50％的體積比，其餘為氧化鋁。另外的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，引線為一個由可導電的金屬陶瓷製成的銷，其時電極杆被對焊在銷的端面上，而銷本身則與堵頭焊接在一起。這種配置的優點是，銷和堵頭之間的熱膨脹差異較小。此外由於金屬陶瓷不像金屬那樣容易傳熱，結果由金屬陶瓷製成的銷就能只需較少的堵頭層數，如在使用金屬引線時，堵頭原本需要五層或六層，現在只要四層就足夠了。
可有效地將引線加深地植入到堵頭內，這樣引線與充填物的接觸便可減少，溫度載荷亦可減少。
在第二個特別有效的實施例中(該例特別適用於小瓦燈)，引線為一由金屬製造的可導電的銷。該銷本身可作為電極杆或與電極杆連在一起。它還可穿過毛細管向外突出以便容易與外供電線連接。這種引線最好由鎢或鉬構成。
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為按照圖1的燈的放電腔的端部，圖3為陶瓷放電腔端部的另一個實施例，分別示出將引線植入之前(圖3a)和之後(圖3b)的情況，圖4為陶瓷放電腔端部的另一個實施例，圖5為陶瓷放電腔端部的又一個實施例。
圖1概略地示出一個功率為150W的金屬滷化物燈。它由下列構件製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堵頭11內。
引線9、10為金屬陶瓷銷，其直徑約為1mm，金屬陶瓷為既可導電又能焊接的，其中具有約50％體積比的鎢(或鉬)，其餘為氧化鋁。
兩根引線9、10分別露出堵頭11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。燈絲的直徑約小於引線的直線，所以，整個電極系統可以來後引入堵頭相應的中心孔中。
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主要由沿軸向分層堆裝的金屬陶瓷構成，該金屬陶瓷的陶瓷成分為Al2O3，金屬成分為鎢或鉬。端堵被直接燒結在放電腔的端頭6內。
圖2示出放電腔端部的詳情。堵頭11由四個沿軸向分層重疊堆放的圓環或層構成，其中最內的圓環朝向放電側。最內的圓環11a由純氧化鋁或一個具有很少金屬含量的金屬陶瓷構成。最內圓環的金屬陶瓷最好含有最多為8％體積比的金屬，其餘為氧化鋁。圓環11a部分植入到放電腔的端頭6a內並與放電腔的圓筒形端頭6a直接燒結(不用玻璃焊料)，第二圓環11b含有10-25％的體積比的金屬，第三圓環11c含有25-40％體積比的金屬。第四圓環11d含有至少為50％體積比的金屬，因此是可焊的，其外表面用雷射焊接與引線9連結。
在圖2的具體實例中，堵頭的最內層11a具有7．5％體積比的鉬。第二層11b具有15％體積比的鉬，第三層(11c)為30％體積比，而最外層(11d)為50％體積比。
圖3a、3b示出這樣一種端部的另一個實施例。引線20為由純鉬製成的銷。這裡堵頭21由六層金屬陶瓷的圓環構成。最內層21a含有5-8％體積比的鉬，其餘為氧化鋁。第二圓環21b含有10-25％體積比的鉬，第三圓環21c含有25-40％體積比的鉬，第四圓環含有50-70％體積比的鉬，第五圓環21e含有70-90％的鉬，而最外層21f由純鉬構成，因此非常好焊。在堵頭上還設有一個衣領狀的延伸件21a，大約有1mm長和一個約為0．5mm的壁厚。引線20要多少突出到這個衣領件之外，在其外端有一端部加厚23(例如一個切口或焊接點)，該加厚部將引線20固定在堵頭21內。包括衣領件21的最外圓環21f通過焊接與引線連結成一熔化圓球19。
在一個具體實例中，堵頭21的最內層21a具有5％體積比的鉬，第二層21b具有15％體積比的鉬，第三層(21c)為30％體積比，第四層(21d)為55％體積比，第五層(21e)約為80％，包括衣領件21g在內的最外層21f由純鉬或一個可焊的具有高鉬含量的陶瓷金屬構成。在這實施例中，熱膨脹係數的相對差異很小。
在這變型中引線銷20將被插入到堵頭的中心孔22內一直到其深度通過加厚部23能被固定為止。隨後銷端與包括衣領件21g在內的最後一個金屬陶瓷層21f通過焊接(19指焊珠)被封閉。參考圖1，外供電線(7)就可無問題地直接與堵頭最外層的衣領件21g接觸連通，因為該衣領件同樣能很好地導電。圖3a指出該孔首先要用來抽真空並充氣，然後將銷插入並在外面焊接。焊接技術與燒結技術相比，前者快而容易實行，並能在焊接範圍外造成不高的溫度。
在另外一個實施例中(圖4)，在放電腔的兩個端頭6a和6b上，在六層的金屬陶瓷堵頭31內的作為引線的鉬管30在其外端被焊接(19)。
鉬管30通過其收口33夾持著電極32並在該收口上將電極氣密地焊接。在這裡堵頭內的孔同樣先被用來充氣，隨後再將管狀電極系統插入，並在外端將環狀間隙焊封。
在另外一個功率為250W的高瓦燈的實施例中(圖5)，鉬制的引線管35也被製成一個直通的圓筒形管。在其放電側一端的外面偏心地緊固著具有大頭39(雙層盤繞燈絲)的電極32。為了臨時固定在堵頭37內，堵頭的最外層37f先通過燒結與鉬管35連結。
管35在抽真空和充填後首先用金屬銷36予以封閉，使該銷與管35焊接在一起，同時將管35與堵頭37的最外層焊接在一起。這樣通過焊接就可使堵頭孔得到端頭適用的、耐久的密封，因為這種技術比直接燒結好。
使用管子作為引線的優點是，電極能極容易地固定在其上。另外的優點是，儘管使用堵頭內的一個小得多的孔，也能將較寬的電極帶入到放電腔內。其時可將堵頭連同那些早已鬆動地植入其內的電極系統引入到放電腔的端頭6內並直接燒結，同時將引線臨時燒結在最外側的堵頭端(堵頭的最後一層)上。或者可將引線的端頭用一橫向設置的擋塊臨時保持。
這樣電極的大小就不必受通過堵頭孔的限制。此外管狀引線在插入金屬銷36之前可用作充填孔36。
特別是這樣可保證充填孔與電極大小無關，電極大小可根據燈的瓦數來選擇。
採用管子的技術對大功率燈也能很好適用。其時電極有一大直徑和大的橫向尺寸。管直徑相對不是關鍵，因為在引線和堵頭端上最外層之間在熱膨脹上的差異能被保持在很小的範圍內，其時管子和堵頭的最外層可選用類似的材料，甚至相同的材料。
在管子和堵頭及管子和引線銷之間的焊接對這些零件的大直徑來說也是沒有問題的。
最好在大瓦燈上用管子作為引線，因為與電極所需大直徑適應的銷會取走過多的熱。這樣在點燃燈時將會導致巨大的點燃困難。這時這裡所提出的採用管子的技術就可放在首位了，設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈在大功率(大於150W)時也能可靠地密封。公知電極的大小(特別是其直徑)隨著功率而增大，但按照本發明，現在引線的直徑可不再相應地增大了。
在一較優的實施例中，引線由純鉬(銷或管)構成。堵頭由六層金屬陶瓷構成。金屬陶瓷中的金屬成分為鎢，因為採用這種金屬，由於它有比鉬大的熱膨脹係數，單層能夠比較容易地控制。最內層由2％體積比(相當於10％重量比)的鎢構成，其餘為氧化鋁，因此它能與由純氧化鋁構成的放電腔很好地適應。第二層含有約為15％體積比的鎢，相當於46％重量比的鎢。第三層含有約為28％體積比的鎢，相當於67％重量比的鎢。第四層含有約為42％體積比的鎢，相當於78％重量比的鎢。第五層含有約為56％體積比的鎢，相當於88％重量比的鎢。最外層含有約為69％體積比的鎢，相當於90％重量比的鎢。這個最後一層因此得與鉬制引線的熱膨脹係數合乎理想地適應。
上述這些值是這樣選定的，使堵頭所有各層相互之間的熱膨脹係數的差異大致相同，這樣載荷便能均勻地被分配。其時1000℃的溫度被取作標準。
權利要求
權利要求書1．設有由氧化鋁製成的陶瓷放電腔(4)的金屬滷化物燈，其中放電腔有兩個端頭(6)被堵頭(11)封閉，並且有可導電的引線(9、10；20；30；35)真空密封地穿過這個堵頭而被引入，在該引線上固定著電極(14)和杆(15)，它們在放電腔內突出，其中堵頭由沿軸向排列的層構成，各層的材料為金屬陶瓷，其中金屬含量從內向外增加，其特徵為，至少在放電腔一個端頭(6)上的堵頭是由至少四個沿軸向排列的層構成的，並且堵頭的最外層(11d)是由一種具有至少50％體積比的金屬(其餘為陶瓷)的可焊材料構成的，其中引線(9)通過焊接(19)與堵頭的最外層連結，而堵頭的最內層(11a)不用玻璃焊料，被固定在放電腔的端頭上。
2．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，引線為一銷(9、10)由耐高溫材料，特別是鎢或鉬構成，或由能導電的金屬陶瓷構成，其中特別是銷，採用與金屬陶瓷堵頭最外層材料相近的材料。
3．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，堵頭由至多為六個層組成，各層的金屬含量隨著位置的向外而增加。
4．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，堵頭的最外層由純金屬構成。
5．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，堵頭的最內層由純氧化鋁構成。
6．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，堵頭的最內層(11a)被直接燒結在放電腔的端頭上。
7．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，引線為一管(30；35)，由耐高溫的金屬，特別是鎢或鉬構成。
8．按照權利要求7的金屬滷化物燈，其特徵為，電極頭比管的外直徑寬。
9．按照權利要求1的金屬滷化物燈，其特徵為，用一充填銷(36)植入到管狀引線(35)內。
10．按照權利要求7的金屬滷化物燈，其特徵為，管狀引線可用於至少為150W的高功率的燈內。
全文摘要
設有陶瓷放電腔的金屬滷化物燈至少在一個端頭(6a)上的堵頭(11)是由至少四個沿軸向排列的金屬陶瓷層構成的,其中各層的金屬含量從內向外逐漸增加。最外層與引線(9)焊接在一起。
文檔編號H01J61/36GK1204857SQ9811512
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S·朱恩斯特 申請人:電燈專利信託有限公司