專利名稱：具有冷凝體貯存器的電燈及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電燈及其工作方法，其具有能有效地控制泡體內(nèi)充填物質(zhì)的熔化溫度的燈外殼。本發(fā)明特別有關(guān)于具有這種改良燈外殼的金屬鹵化物燈。
作為實(shí)例，高強(qiáng)度放電(HID)前燈是汞在汽車中的一個(gè)新興應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)的鎢絲鹵素前燈相比，這些前燈可以提供改進(jìn)的能見(jiàn)度，更長(zhǎng)的壽命并且消耗更少的能量。每個(gè)HID光源含有大約0.5mg汞，并且通過(guò)了關(guān)于危險(xiǎn)廢物的聯(lián)邦TCLP測(cè)試。歐盟ELV(報(bào)廢汽車)指令從其對(duì)于汽車中的汞的禁令中免除了含汞燈泡。
隨著低成本高產(chǎn)量汽車的不斷推廣，可預(yù)期HID前燈的使用率將會(huì)增加。2000年時(shí)，全世界有大約3,500,000個(gè)HID前燈用于制造新汽車?？傆?jì)不足4磅的汞。雖然這個(gè)數(shù)量的汞與用于自動(dòng)開(kāi)關(guān)中的大量汞相比是微不足道的，但是如果可能，從廢液中消除這部分汞是可取的。
近年來(lái)，人們作出大量努力來(lái)制造在高壓下工作的無(wú)汞燈，這樣就可以對(duì)現(xiàn)有鎮(zhèn)流器進(jìn)行改進(jìn)。Ishigami等在歐洲專利EP0883160A1，Takeda等在歐洲專利EP1032010A1和Uemura等在歐洲專利EP1150337A1的實(shí)例中，都記載了使用大劑量的金屬添加劑來(lái)提升電壓。Takahashi等在歐洲專利EP1172839A2和Takahashi等在美國(guó)專利No.6,265,827的實(shí)例中，都記載了其它的提升電壓的添加劑。Kaneko等在歐洲專利EP1172840A2的實(shí)例中記載了有害性或有毒性高效填充物。
如果考慮在制造電燈時(shí)去除汞，需要充填物質(zhì)作為其可接受的替代物。作出這樣的選擇存在的一個(gè)問(wèn)題是，在燈工作過(guò)程中，在位于燈的兩相對(duì)電極之間的弧流區(qū)內(nèi)填充冷凝體容易弄濕靠近弧流區(qū)內(nèi)壁并且在內(nèi)壁上形成一層冷凝體膜，從而在燈外殼的光透射區(qū)域形成涂層而妨礙光的透射。另一個(gè)問(wèn)題是，弧流區(qū)內(nèi)存在冷凝體容易形成一個(gè)具有顏色穩(wěn)定性不太理想的光源。進(jìn)一步的問(wèn)題是，燈工作時(shí)弧流區(qū)內(nèi)冷凝體的運(yùn)動(dòng)引起燈的閃爍。另外，某些替代的充填物質(zhì)是揮發(fā)性的，因此在燈開(kāi)啟時(shí)會(huì)抑制弧光。盡管通過(guò)使用具有易蒸發(fā)性的化學(xué)物質(zhì)可以提高燈中的電壓，充填物質(zhì)的用量容易導(dǎo)致石英燈的不穩(wěn)定工作，這些充填物質(zhì)是為了在燈工作時(shí)產(chǎn)生可接受的電壓下降。
對(duì)于要求高的光學(xué)應(yīng)用，例如前燈或醫(yī)學(xué)照明系統(tǒng)，弧光管外殼最好采用透明材料?，F(xiàn)在普遍使用熔凝二氧化硅，但有時(shí)也使用陶瓷，并且對(duì)于在較高溫度或特定的反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)下工作甚至是必需的。對(duì)于一般照明來(lái)說(shuō)多晶氧化鋁是很理想的材料，其散射特性可以降低弧光的亮度和對(duì)系統(tǒng)etendue的不利影響。從陶瓷金屬鹵化物燈到反光鏡或光纖系統(tǒng)的最佳光耦合是通過(guò)透明陶瓷容器獲得的。
美國(guó)專利No.5,621,275公開(kāi)了一種在無(wú)電極弧光放電燈中用多晶氧化鋁(PCA)蓋子密封的藍(lán)寶石弧光管，其中PCA蓋子通過(guò)過(guò)盈配合(燒結(jié)收縮)緊靠著藍(lán)寶石弧光管上。在該專利中還記載了PCA弧光管，用PCA蓋子通過(guò)筆直接頭對(duì)其進(jìn)行密封。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO99/41761記載了用于藍(lán)寶石陶瓷金屬鹵化物燈的整體密封技術(shù)。整體密封使用了美國(guó)專利No.5,621,275中的PCA蓋子的密封方法，除了包括燒結(jié)密封到毛細(xì)管上的電極通孔。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是，為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種改良的電燈及其工作方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種經(jīng)濟(jì)，高效且高品質(zhì)的電燈及其工作方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種電燈及其工作方法，其中在燈工作的過(guò)程中，燈泡中的多余的充填物質(zhì)的冷凝體從弧流區(qū)移開(kāi)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種減少顏色偏移和閃爍的電燈及其工作方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種電燈及其工作方法，電燈中具有在燈工作的過(guò)程中容納化學(xué)充填物質(zhì)冷凝體的明確的溫度區(qū)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種電燈及其工作方法，其中在開(kāi)啟燈時(shí)，弧光并不熄滅。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種電燈及其工作方法，該電燈含有易蒸發(fā)且不會(huì)引起燈不穩(wěn)定工作的充填化學(xué)物質(zhì)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種改良的金屬鹵化物燈及其工作方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種電燈及其工作方法，該電燈具有陶瓷外殼，與常規(guī)的具有二氧化硅外殼的電燈相比，在這種電燈中可以添加較高濃度的鹽類充填物質(zhì)，因此在無(wú)需汞的情況下，這種電燈可以工作在相對(duì)較高的電壓下。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是，提供一種改良的帶有電極的透明陶瓷無(wú)汞燈及其工作方法。
在本發(fā)明中，通過(guò)提供一種包括密封外殼的電燈來(lái)實(shí)現(xiàn)上述以及其它目的，其中該密封外殼包含用于限定一密封體積的管壁。至少部分管壁是基本上透明的光透射窗口。封閉體積包括一個(gè)空腔，其至少連通一個(gè)另一空腔。封閉體積內(nèi)容納充填物質(zhì)。至少提供一個(gè)電極，該電極密封地穿過(guò)管壁，并且從電極第一端部伸展到電極第二端部，其中電極第一端部位于上述一個(gè)空腔內(nèi)，電極第二端部位于外殼外部以便進(jìn)行電接觸。封閉體積是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，并且充填物質(zhì)具有如此的化學(xué)成分，從而在燈的工作模式中，充填物質(zhì)在一個(gè)空腔中汽化，而多余的充填物質(zhì)在另一個(gè)空腔中冷凝。在工作模式中，該另一個(gè)空腔在所述封閉體積內(nèi)提供了一個(gè)相對(duì)于上述一個(gè)空腔為較冷的區(qū)域。還提供這種電燈的工作方法，包括如下步驟在燈啟動(dòng)模式中對(duì)燈進(jìn)行啟動(dòng)激勵(lì)；使充填物質(zhì)在一個(gè)空腔中汽化；以及使多余的充填物質(zhì)在另一個(gè)空腔中冷凝。
圖5是本發(fā)明燈的再一個(gè)實(shí)施例中兩個(gè)相同端部中的一個(gè)的示意圖；圖6是圖2所示的本發(fā)明燈的實(shí)施例的另一視圖；以及圖7是依據(jù)本發(fā)明的燈的光譜輸出的曲線圖。
發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式為了更好地理解本發(fā)明，連同本發(fā)明其它和進(jìn)一步的目的，優(yōu)點(diǎn)和性能，可以參照下面的公開(kāi)內(nèi)容及所附權(quán)利要求書(shū)以及上述附圖。


圖1是本發(fā)明中燈的一個(gè)實(shí)施例。在圖1的實(shí)施例中，所示的電燈2包含密封外殼4。外殼4可以但并不限定用陶瓷材料制作。外殼4包括管壁6，其限定了封閉體積8。管壁6的至少一個(gè)部分10是基本上透明的光透射窗口12，通過(guò)它光可以從封閉體積8中射出，其余部分是半透明或不透明的。在一個(gè)可選的實(shí)施例中，管壁6可以在整個(gè)長(zhǎng)度上是透明的。封閉體積8包括一個(gè)空腔，其構(gòu)成封閉體積的主要部分，并且連通至少一個(gè)其它空腔，這個(gè)其它空腔構(gòu)成了封閉體積的輔助部分。例如，在圖1所示的實(shí)施例中，封閉體積8包括一個(gè)由管壁14形成的空腔，其連通兩個(gè)分別位于燈2的兩個(gè)端部的空腔16，18。每個(gè)空腔16，18分別在由內(nèi)壁14形成的空腔的兩個(gè)端部與其連通。在圖1所示的實(shí)施例中，每個(gè)空腔16，18都是一個(gè)凹進(jìn)的輔助部分，其由管壁6上的凸緣部分20形成，這個(gè)凸緣部分繞外殼4的軸22圓周伸展。在此處更詳細(xì)的解釋一下，每個(gè)凹進(jìn)的輔助部分16，18都構(gòu)成一個(gè)貯存器，其遠(yuǎn)離位于空腔14內(nèi)的燈的放電體積。
至少一個(gè)電極密封地穿過(guò)管壁，這個(gè)管壁形成了密封外殼4，電極從一個(gè)位于空腔內(nèi)的電極端部伸展到電極的第二端部，這個(gè)空腔由內(nèi)壁14形成，電極第二端部位于外殼的外部以便采用常規(guī)方式的接觸通電。例如，在圖1所示的實(shí)施例中，在外殼4的各個(gè)管壁端部26和28處，兩個(gè)相對(duì)的電極24分別穿過(guò)管壁6。兩個(gè)相對(duì)電極24各自的端部30在空腔14內(nèi)彼此面對(duì)，并且經(jīng)弧流區(qū)或間距32隔開(kāi)，在常規(guī)方式下，這個(gè)弧流區(qū)或間距32構(gòu)成了電極之間的燈放電體積。弧流區(qū)32靠近窗口12，并且在燈工作過(guò)程中經(jīng)窗口發(fā)光，弧流區(qū)是燈中最熱的區(qū)域。
在封閉體積8中，燈2包含充填物質(zhì)34。在優(yōu)選的實(shí)施例中，充填物質(zhì)是不含汞且非常容易揮發(fā)的。封閉體積8是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，在燈的工作模式中，充填物質(zhì)34在由管壁14形成的空腔中汽化，多余充填物質(zhì)移動(dòng)到空腔16，18處并在那里冷凝。為了這個(gè)目的，靠近凹進(jìn)輔助部分16，18的管壁6的每個(gè)部分都被構(gòu)造并設(shè)置成可以提供足夠的熱輻射，從而保持凹進(jìn)的輔助部分16，18處的溫度比弧流區(qū)32處的溫度低，在正常的燈工作過(guò)程中，等離子體的加熱限于兩個(gè)電極頭之間。例如，靠近凹進(jìn)輔助部分16，18的管壁6的每個(gè)管壁部分以如下方式來(lái)提供，(a)形成足夠的容積以便容納冷凝的多余的化學(xué)充填物，(b)與靠近弧流區(qū)32的窗口12相比，設(shè)置在相對(duì)較遠(yuǎn)的距離上，從而在燈工作過(guò)程中，提供一個(gè)讓冷凝物進(jìn)入的燈冷卻場(chǎng)所。事實(shí)上，在這種方式中，相對(duì)于弧流區(qū)32，凹進(jìn)的輔助部分16，18中的多余的充填物質(zhì)可以進(jìn)一步冷凝。
圖2示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。在圖2所示的實(shí)施例中，所示的燈100包含密封外殼102，其管壁限定了封閉體積104。在本實(shí)施例中，構(gòu)成密封外殼102的管壁包括管狀部分106，其具有第一端部108以及與其相對(duì)的第二端部110，安裝在第一端部部分上的第一蓋子112，以及安裝在第二端部上的第二蓋子114。第一電極116從118處穿過(guò)蓋子112，第二電極116從120處穿過(guò)蓋子114。
在圖2所示的實(shí)施例中，封閉體積104包括一個(gè)空腔，其位于管狀部分106中并由管狀部分的管壁122構(gòu)成，一個(gè)第二空腔124，其位于管狀部分與第一蓋子112之間，一個(gè)第三空腔126，其位于管狀部分與第二端蓋114之間?？涨?24和126與圖1實(shí)施例中空腔16和18完成同樣的功能。正如此處所解釋的那樣，在燈100制造的過(guò)程中，由蓋子的形狀和每個(gè)蓋子的收縮率可以控制空腔124和126的體積。在管狀部分的各個(gè)端部處，每個(gè)空腔124和126都分別位于管狀部分106和每個(gè)相應(yīng)的蓋子112，114之間。在燈100的工作模式中，在封閉體積104中的不含汞的充填物質(zhì)128在由管壁122形成的空腔中汽化，多余充填物質(zhì)移動(dòng)到冷卻場(chǎng)所中并在那里冷凝，這個(gè)冷卻場(chǎng)所由空腔124和126構(gòu)成。與在圖1的實(shí)施例中一樣，在工作模式中，空腔124和126構(gòu)成了位于封閉體積104中的冷卻區(qū)域，其溫度比由管壁122形成的空腔的溫度低。
在圖2所示的實(shí)例中，每個(gè)蓋子112和114分別包括延伸出去的毛細(xì)管部分132和134，其構(gòu)成毛細(xì)管并且電極116分別從中穿過(guò)。蓋子112和114安裝在管狀部分106上并且在那里進(jìn)行燒結(jié)，以便形成密封的弧光管，其構(gòu)成燈100的外殼。毛細(xì)管部分132和134從封閉體積104向外伸展出去。在圖2所示的實(shí)施例中，每個(gè)電極116都包含一段鎢136，一段鉬138和一段鈮140。通過(guò)各自的毛細(xì)管部分132和134，電極116插入端蓋112和114，這樣各自的電極端部142和144彼此相對(duì)。
兩個(gè)端部142和144之間的弧流區(qū)形成了燈放電體積146。按照常規(guī)方式，利用玻璃粉148可將電極116封入毛細(xì)管部分132和134。應(yīng)當(dāng)指出，每個(gè)毛細(xì)管部分132和134在其靠近相應(yīng)的空腔124和126的端部處與封閉體積104連通。因此，在燈工作過(guò)程中所形成的部分冷凝物質(zhì)將進(jìn)入毛細(xì)管，其是由毛細(xì)管部分132和134構(gòu)成的。然而，這些毛細(xì)管的體積和位置使得，毛細(xì)管并不能為收集多余的充填冷凝物質(zhì)提供理想的冷卻場(chǎng)所。相反，缺少空腔124和126，充填冷凝物質(zhì)隨意分布且易于流回到弧光管外殼中，也就是由表面122形成的體積，并引起腐蝕。這是因?yàn)?，熔化池在空間上延伸了一定區(qū)域，并且在這個(gè)區(qū)域上存在溫度梯度以及由此引起的溶解度梯度。另一方面，空腔124，126可以作為充填冷凝物質(zhì)的貯存器，這些冷凝物質(zhì)通常會(huì)流入弧光管外殼中，并且收集在“溝狀”空腔中。
在進(jìn)行最后封裝之前，燈中充入一定劑量的化學(xué)充填物質(zhì)和惰性氣體，并且按常規(guī)方式進(jìn)行密封。在此將詳述充填物質(zhì)和惰性氣體的一些實(shí)例。
在圖2的優(yōu)選實(shí)施例中，燈100是金屬鹵化物燈，其由三部分制成透明圓柱形的管狀部分106，以及兩個(gè)半透明的由多晶材料模壓成型的端蓋112和114。端蓋112和114燒結(jié)到圓柱形部分106上。圓柱形部分106是由基本上透明的陶瓷材料制成的，例如單晶全致密的藍(lán)寶石管。這種材料是商業(yè)上可得到的。并不限于此，其它的透明陶瓷材料也可使用，例如釔鋁石榴石(YAG)。蓋子112和114是PCA材料的。在燈100制造的過(guò)程中，蓋子112和114是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，在將蓋子燒結(jié)到管狀部分106上時(shí)，蓋子的收縮增加了空腔124和126的體積并且使蓋子固定到管狀部分上。這是因?yàn)?，在燒結(jié)過(guò)程中，PCA蓋子124，126在其硬化時(shí)會(huì)收縮，而陶瓷管狀部分100是全致密的，因此不會(huì)收縮。在燈100工作的過(guò)程中，空腔124和126容納多余的冷凝后的充填物質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，空腔124和126作為冷凝后的充填物質(zhì)的恒溫貯存器。通過(guò)調(diào)整蓋子的形狀和收縮程度，可以控制空腔124和126的形狀，從而可以控制空腔124和126的體積，以便容納理想數(shù)量的多余的冷凝后的充填物質(zhì)，這些物質(zhì)是在燈工作過(guò)程中產(chǎn)生的。類似地，通過(guò)調(diào)整蓋子壁的厚度，或者增加外部散熱，或者調(diào)整蓋子的輻射特性，蓋子可以充當(dāng)散熱器以進(jìn)一步調(diào)節(jié)冷凝體貯存器溫度。例如，圖3中示出了與蓋子112和114類似的蓋子150，其中蓋子150包含可增加熱輻射的表面涂層152。涂層152的材料不受限制，其可以是石墨，耐熱金屬或金屬氧化物加涂料。在圖4所示的另一個(gè)實(shí)例中，與蓋子112和114類似的蓋子154包含沿著蓋子表面158的突出部分156以便增加熱輻射。
凹進(jìn)的空腔124和126是一種凹進(jìn)的輔助部分結(jié)構(gòu)的實(shí)例說(shuō)明，在燈工作過(guò)程中，其構(gòu)成了用于冷凝多余的充填物質(zhì)的冷卻場(chǎng)所。圖5示出了本發(fā)明燈的另一個(gè)實(shí)施例，除了端蓋的內(nèi)壁形狀，其與圖2的實(shí)施例結(jié)構(gòu)相同，并且在內(nèi)壁處構(gòu)成了凹進(jìn)的空腔，圖中僅示出了一個(gè)端蓋。具體而言，圖2中每個(gè)端蓋112，114的內(nèi)壁在其壁160和162處是半月形(碟形)的。相反，在圖5的實(shí)施例中，燈170的端蓋168的內(nèi)壁164和166是平的。除了內(nèi)壁164和166的形狀，圖5的實(shí)施例與圖6的實(shí)施例結(jié)構(gòu)相同。
再一次參照?qǐng)D2，在空腔124和126中形成的貯存器可以控制燈100內(nèi)的熔化溫度。與由毛細(xì)管部分132和134形成的毛細(xì)管相比，空腔124和126更靠近燈的放電體積，因此也更靠近燈的電弧，同樣也為鹽類冷凝體提供了最熱的貯存器，從而在燈工作的過(guò)程中，控制燈中的蒸汽壓以及氣體成分。因?yàn)槌涮钗镔|(zhì)的冷凝體從弧流區(qū)流動(dòng)到較冷的貯存器124和126，所以冷凝體不會(huì)沾濕內(nèi)壁122，并且不會(huì)在電弧室的內(nèi)部形成一層鹽膜。因此，封閉體積104內(nèi)用于形成等離子體的汽化物質(zhì)能夠保持恒壓，然而在透明的藍(lán)寶石光發(fā)射部分并沒(méi)有形成冷凝體涂層且不會(huì)阻礙光透射。這樣就提供了具有更多種顏色的穩(wěn)定光源以及一種基本無(wú)閃爍光源，其在某些光學(xué)應(yīng)用中很重要，例如用作前燈或放映機(jī)光源的金屬鹵化物燈。在燈工作過(guò)程中當(dāng)鹽膜移動(dòng)時(shí)就產(chǎn)生了燈閃爍源。
應(yīng)當(dāng)指出，某些化學(xué)物質(zhì)是揮發(fā)性的，因此在燈開(kāi)啟時(shí)會(huì)抑制弧光。某些充填物質(zhì)中易汽化的化學(xué)成分，例如鹵化鎵，常作為無(wú)汞燈中提升電壓的添加劑。這類充填物質(zhì)的用量可以導(dǎo)致石英燈的不穩(wěn)定工作，這些充填物質(zhì)是為了在燈工作時(shí)產(chǎn)生可接受的電壓下降。在制造石英燈的現(xiàn)有技術(shù)中，并未給鹽類冷凝體保留貯存器，也就是，電弧室成為唯一的鹽類冷凝體儲(chǔ)存器。在本發(fā)明中，充填物質(zhì)的冷凝體可以位于遠(yuǎn)離弧流區(qū)，并且在電極周圍形成湍流，減少對(duì)冷凝體的加熱有助于在相同充填劑量的燈中進(jìn)行穩(wěn)定的良性點(diǎn)火和加熱。這樣，充填過(guò)量鹽類的燈與充填最小劑量的燈可以實(shí)現(xiàn)相同的功能。
參照?qǐng)D2和圖6中所示的電燈100，將詳述制造本發(fā)明電燈的一種方法。圖6中所示的結(jié)構(gòu)與圖2相同，并且記入說(shuō)明書(shū)中以便能夠清楚的表示燈的尺寸。
單晶氧化鋁(藍(lán)寶石)圓柱形管狀部分106具有3.15毫米的外徑172和1.5毫米的內(nèi)徑174。這類管狀部分可從Saphikon公司購(gòu)買。將管狀部分截?cái)酁?0毫米的長(zhǎng)度176。制造多晶氧化鋁端蓋112和114時(shí)，使用高純度氧化鋁粉末(CR6，Baikowski)(雜質(zhì)含量小于500ppm)，并且添加200ppm MgO+20ppmY2O3+400ppm ZrO2作為燒結(jié)輔料。將添加過(guò)輔料的鋁粉與蠟質(zhì)粘結(jié)劑混合并經(jīng)模壓成形為蓋子112和114，其包含毛細(xì)管部分132和134。蓋子112和114的形狀，相應(yīng)地，空腔124和126的形狀也可以由用于蓋子的成形的模具的形狀決定。按上述方法成形的蓋子將在空氣中進(jìn)行焙火并達(dá)到1000攝氏度，以便除去粘結(jié)劑并強(qiáng)化保持蓋子的形狀。然后將蓋子112和114分別放到管狀部分106上各自的端部108和110處，在空氣中沿垂直方向以1330攝氏度的溫度進(jìn)行焙火并產(chǎn)生局部的致密化和收縮，從而將蓋子固定到管狀部分上。然后將裝配好的藍(lán)寶石管狀部分106在流動(dòng)的混入8％氫氣的氮?dú)庵幸?890攝氏度的溫度進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的最后燒結(jié)，其中管狀部分上連接有端蓋112和114。當(dāng)將端蓋112和114燒結(jié)到藍(lán)寶石管狀部分106上時(shí)，PCA蓋子會(huì)產(chǎn)生顯著量的尺寸收縮和致密化，而全致密的藍(lán)寶石管狀部分保持不變。這樣，在藍(lán)寶石管狀部分和PCA蓋子之間形成圓周密封，其中蓋子112和114是預(yù)先固定到管狀部分106上的，并且在管狀部分的端部形成空腔124和126，其構(gòu)成相應(yīng)的鹽類貯存器。具體而言，在圖2和圖6所示的實(shí)施例中，在燒結(jié)之前，端蓋112，114的長(zhǎng)度178是21.4毫米，厚度180是0.85毫米。每個(gè)空腔124，126的直徑182分別是3.9毫米，深度184分別是0.7毫米。剛完成燒結(jié)時(shí)，長(zhǎng)度178是16.3毫米，厚度180是0.65毫米，直徑182是3.15毫米，深度184是0.5毫米。通過(guò)預(yù)先確定蓋子112，114的形狀和材料及其收縮程度，可以確定空腔124，126的形狀和體積，這對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。通過(guò)改變工藝參數(shù)，例如燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間，可以控制收縮程度，這對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言也是顯而易見(jiàn)的?？涨?24，126的收縮程度，和相應(yīng)地，其最終的體積也取決于充填物質(zhì)冷凝體的體積，所提供的空腔將適用于阻止冷凝體干擾燈的工作。并不限于上述情況，在圖2和圖6所示的燈中，深度184是藍(lán)寶石管106直徑172的大約0.1至0.25倍，優(yōu)選的是該直徑的0.1倍。因?yàn)樯疃?84很小，所以最熱的熔化池上的熱梯度減小了。因此，溶解度梯度減小了因而腐蝕也可以減輕。此外，因?yàn)樘荻葴p小了，所以上述鹽類充填物質(zhì)的蒸汽壓可以更精確地限定，且燈可以在顏色上更為穩(wěn)定。
電極116分別插入毛細(xì)管部分132和134，并且使用玻璃粉148在適當(dāng)位置進(jìn)行密封。電極116的長(zhǎng)度為5毫米，直徑為0.25毫米。燈放電體積146的標(biāo)稱長(zhǎng)度是4.2毫米。在最后密封之前，按照常規(guī)方式向燈中添加不含汞且易揮發(fā)的化學(xué)充填物質(zhì)128，同時(shí)充入氙氣，一種惰性氣體。也可采用其它稀有氣體和混合氣體。然后，將燈100按照常規(guī)方式進(jìn)行密封。
在本發(fā)明中，燈的化學(xué)充填物質(zhì)典型地是易揮發(fā)的化學(xué)充填物質(zhì)，意味著，在燈工作的過(guò)程中，充填物質(zhì)在弧流區(qū)內(nèi)汽化，多余的充填物質(zhì)移動(dòng)到凹進(jìn)的輔助部分中并在那里冷凝，其中凹進(jìn)的輔助部分位于燈的封閉體積中。在本發(fā)明中，化學(xué)充填物質(zhì)并不受限制，可以包含鹵化鎵，鹵化銦，鹵化鉈以及鹵化鋁，例如，GaI3，InI，InI3，AlI3以及TlI。也可以采用稀土元素鹵化物。雖然本發(fā)明的燈特指無(wú)汞燈，但是如果需要，化學(xué)充填物質(zhì)中也可以包含汞。一個(gè)實(shí)例就是使用鹵化汞。前述充填物質(zhì)中的一種或多種可以與其它鹽類混合，例如鹵化鈧或稀土元素鹵化物。本發(fā)明中的充填物質(zhì)并不局限于某種特定的充填物質(zhì)，如此處所述，只要充填物質(zhì)可以在燈的主要部分中汽化并且在凹進(jìn)的輔助部分中冷凝即可。
對(duì)本發(fā)明的燈和添加了高濃度易揮發(fā)鹽類的常規(guī)石英燈進(jìn)行測(cè)試，并比較其結(jié)果。測(cè)試所有的燈時(shí)，都使用500Hz方波鎮(zhèn)流器，其能夠產(chǎn)生500 VOC且傳遞超過(guò)2安培的方波。在兩個(gè)用于測(cè)試的常規(guī)石英燈中的充填物質(zhì)是1mgGaI3，0.34mg類型4稀土元素化學(xué)物質(zhì)(19.5％DyI3，19.5％ HoI3，19.5％TmI3，32.5％NaI，9.0％TlI，按重量百分比)和8巴氙氣。在用于測(cè)試的第三個(gè)石英燈中的充填物質(zhì)是1mg GaI3，0.8mg InI，0.24mg同樣的類型4稀土元素化學(xué)物質(zhì)和8巴氙氣。每個(gè)用于測(cè)試的石英燈的體積大約是23mm3。
在測(cè)試前述的常規(guī)石英燈時(shí)，每個(gè)燈都在室溫下開(kāi)啟，然而，鹵化鎵和鹵化銦將汽化得太快。汽化的充填物質(zhì)除了進(jìn)入汽化狀態(tài)，沒(méi)有其它位置可去，在那里沒(méi)有較冷的區(qū)域讓汽化的充填物質(zhì)進(jìn)行再冷凝。因此，燈中無(wú)節(jié)制且不受控的阻抗變化引起燈的電壓的快速上升，從而造成燈的熄滅并且在電弧室的整個(gè)內(nèi)表面上都留有鹽類殘留物。再一次使每個(gè)這樣的石英燈維持放電狀態(tài)的嘗試失敗了。應(yīng)當(dāng)指出，鹽類潑濺到了整個(gè)內(nèi)表面區(qū)域，其表明燈的工作突然間不受控制地中斷了。
圖1和圖6中所示類型的本發(fā)明的燈，可依據(jù)上述方法和尺寸進(jìn)行制造。然而用于測(cè)試的石英燈的體積大約是23mm3，本發(fā)明的燈的體積小于約19.5mm3。另外，本發(fā)明燈中添加的化學(xué)充填物質(zhì)包括，4mg InI，1mg NaI和5巴氙氣。封閉體積104中鹽類充填物質(zhì)的平均濃度大約是5g/cc或者5mg/mm3。每個(gè)空腔124和126的體積大約都是0.5mm3。因此，每個(gè)空腔124和126可以容納所添加鹽類充填物質(zhì)總量的大約一半，或者兩個(gè)空腔可以容納全部鹽類充填物質(zhì)。雖然當(dāng)燈加熱時(shí)，某些鹽類充填物質(zhì)會(huì)汽化，但是鹽類存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)移到空腔124和126中，其為鹽類充填物質(zhì)的再冷凝提供了溫度略低的區(qū)域。這樣，鹽類存儲(chǔ)區(qū)從弧流區(qū)146處移開(kāi)，從而使主放電室升溫的速度比石英燈中慢。進(jìn)而避免了鹽類殘留物沉積到電弧室的內(nèi)表面上。另外，燈可以長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。雖然一些鹽類充填物質(zhì)會(huì)在毛細(xì)管中冷凝，其中毛細(xì)管是由毛細(xì)管部分132，134構(gòu)成的，但是溫度分布是這樣的，位于空腔124，126中的鹽類充填物質(zhì)的溫度高于位于毛細(xì)管部分中的鹽類充填物質(zhì)的溫度，且這些較高溫度鹽類充填物質(zhì)可以控制燈中的蒸汽壓。
在本發(fā)明中，在燈的封閉體積中單位體積所含的鹽類充填物質(zhì)的濃度是常規(guī)石英燈的至少6至7倍。這種最終可以添加較高濃度的鹽類充填物質(zhì)的性能，可使燈在無(wú)需汞的情況下工作在較高電壓下，雖然如果需要充填物質(zhì)中可以包含汞。另外，汽化區(qū)中較高的鹽類充填物質(zhì)濃度可以提供改良的輻射特性，其中鹽類充填物質(zhì)的較高濃度是在穩(wěn)定狀態(tài)下獲得的。
圖7中示出了前述用于測(cè)試的本發(fā)明燈的光譜輸出。
在不含汞的常規(guī)石英燈中加入提升電壓的添加劑后，其電壓大約是42V。在非穩(wěn)定工作狀態(tài)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)降低燈的效率可以獲得較高的電壓。在本發(fā)明的燈中，在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，達(dá)到約60V這樣的電壓是很普通的。該較高的電壓轉(zhuǎn)化為較小的電流，從而達(dá)到所需的功率水平，圖7中示出了具有這種特性的燈，其功率是35W。這意味著，為在含汞燈中使用所研制的電極可以不必顧慮回熔或蒸發(fā)問(wèn)題。較低電壓的石英燈需要大約2倍于穩(wěn)態(tài)電流的電流，并且存在管壁過(guò)度發(fā)黑的問(wèn)題，這是由于提升了電極頭的溫度造成的。例如，含汞的35W的前燈工作時(shí)，其電壓大約是82V，電流大約是0.44A。
此處記載的實(shí)施例僅僅是使用本發(fā)明的多種方式中的一些，并且借助于附圖在此闡明，但是并不限于此。顯然，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的許多其它實(shí)施例本質(zhì)上并不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種電燈，包括一密封外殼，具有一限定一封閉體積的管壁，所述管壁的至少一部分是一基本上透明的光透射窗口，所述封閉體積包括一個(gè)空腔，該空腔連通至少一個(gè)其它空腔；容納于所述封閉體積內(nèi)的充填物質(zhì)；并且至少一個(gè)電極，所述電極密封地穿過(guò)所述管壁，并且從電極的第一端部伸展到電極的第二端部，其中該電極的第一端部位于所述一個(gè)空腔內(nèi)，該電極的第二端部位于所述外殼的外部以便進(jìn)行電接觸；所述封閉體積是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，并且所述充填物質(zhì)具有如此的化學(xué)成分，使得在所述燈的工作模式中，充填物質(zhì)在所述一個(gè)空腔中汽化，而多余的充填物質(zhì)在所述至少一個(gè)其它空腔中冷凝，在所述工作模式中，所述至少一個(gè)其它空腔在所述封閉體積內(nèi)提供了一個(gè)相對(duì)于所述的一個(gè)空腔為較冷的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1的燈，其中所述外殼包括一管狀部分，其具有一第一端部和一與其相對(duì)的第二端部，至少一第一蓋子，所述第一蓋子安裝在所述第一端部上，所述至少一個(gè)電極包括一第一電極，其密封地穿過(guò)所述第一蓋子，所述一個(gè)空腔位于所述管狀部分內(nèi)，所述至少一個(gè)其它空腔包括一第一空腔，其位于所述管狀部分和所述第一蓋子之間。
3.如權(quán)利要求2的燈，進(jìn)一步包括一第二蓋子，其安裝在所述第二端部上，所述至少一個(gè)電極包括一第二電極，所述至少一個(gè)其它空腔也包括一第二空腔，其位于所述管狀部分和所述第二蓋子之間，所述第二電極密封地穿過(guò)所述第二蓋子。
4.如權(quán)利要求1的燈，其中所述燈是高強(qiáng)度放電燈且所述外殼是陶瓷的。
5.如權(quán)利要求3的燈，其中所述管狀部分是圓柱形的單晶管，且所述第一蓋子和所述第二蓋子分別燒結(jié)到所述第一端部和所述第二端部上，所述第一蓋子和所述第二蓋子是多晶氧化鋁的。
6.一種高強(qiáng)度放電燈，包括一陶瓷外殼，具有一限定一封閉體積的管壁，該封閉體積包括一凹進(jìn)的輔助部分和一主要部分，該主要部分具有一弧流區(qū)，在靠近弧流區(qū)的位置，該管壁具有一基本上透明的光透射窗口，該凹進(jìn)的輔助部分在主要部分的一個(gè)端部與該主要部分連通。至少一個(gè)電極，其具有一電極的第一端部和一電極的第二端部，該電極密封地穿過(guò)管壁，該電極第一端部露在外殼的外部以便進(jìn)行電接觸，且該電極第二端部暴露在靠近弧流區(qū)的位置；位于封閉體積內(nèi)的充填物質(zhì)；且所述封閉體積是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，并且所述充填物質(zhì)具有如此的化學(xué)成分，使得在所述燈的工作模式中(a)在所述主要部分和所述凹進(jìn)的輔助部分之間存在熱梯度，(b)所述凹進(jìn)的輔助部分比所述主要部分涼，且(c)所述充填物質(zhì)在所述主要部分中汽化而多余的充填物質(zhì)在所述凹進(jìn)的輔助部分中冷凝。
7.如權(quán)利要求6的燈，其中該充填物質(zhì)基本上是不含汞的。
8.如權(quán)利要求6的燈，其中該管壁上靠近凹進(jìn)的輔助部分的部分與該窗口相比到該弧流區(qū)的距離較遠(yuǎn)，且該管壁是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，以便在燈正常工作的過(guò)程中提供足夠的熱輻射，用來(lái)使凹進(jìn)輔助部分中的溫度與弧流區(qū)中的溫度相比相對(duì)較低，因此相對(duì)于弧流區(qū)來(lái)說(shuō)，可以促進(jìn)凹進(jìn)的輔助部分中多余的充填物質(zhì)的冷凝。
9.如權(quán)利要求6的燈，其中該外殼包括一透明的管狀部分，其包含所述弧流區(qū)和蓋子，該電極穿過(guò)該蓋子進(jìn)行密封并且伸展到該弧流區(qū)，且該凹進(jìn)的輔助部分位于該透明的管狀部分的外部。
10.如權(quán)利要求9的燈，其中該蓋子是這樣構(gòu)造和設(shè)置的，以便使凹進(jìn)的輔助部分的溫度低于弧流區(qū)的溫度。
11.如權(quán)利要求9的燈，其中該蓋子包含可增加熱輻射的表面涂層。
12.如權(quán)利要求9的燈，其中該蓋子包含突起部分，其沿著蓋子的表面以便增加熱輻射。
13.一種如下所述電燈的工作方法，這種電燈包括一密封外殼，其具有一基本上透明的光透射窗口，所述外殼包含一個(gè)空腔，其連通至少一個(gè)其它空腔，和容納在所述外殼中的充填物質(zhì)，至少一個(gè)電極密封地穿過(guò)所述外殼，并且從電極第一端部伸展到電極第二端部，其中該電極第一端部位于所述一個(gè)空腔內(nèi)，該電極第二端部位于所述外殼的外部以便進(jìn)行電接觸，包括步驟在燈啟動(dòng)模式中啟動(dòng)所述燈的激勵(lì)；使所述充填物質(zhì)在所述一個(gè)空腔中汽化；以及使多余的充填物質(zhì)在所述至少一個(gè)其它空腔中冷凝。
14.一種如下所述電燈的工作方法，這種電燈包括一陶瓷外殼，其具有一限定一封閉體積的管壁，該封閉體積包括一凹進(jìn)的輔助部分和一主要部分，該主要部分具有一弧流區(qū)，在靠近弧流區(qū)的位置，所述管壁具有一基本上透明的光透射窗口，所述凹進(jìn)的輔助部分在主要部分的一個(gè)端部與該主要部分連通，一第一電極和一第二電極密封地穿過(guò)所述管壁，所述第一電極和所述第二電極分別具有第一端部和第二端部，其中該第一端部暴露在靠近所述弧流區(qū)的位置，該第二端部露在所述外殼的外部以便進(jìn)行電接觸，且一充填物質(zhì)位于所述外殼內(nèi)，包括步驟在燈啟動(dòng)模式中啟動(dòng)所述燈的激勵(lì)；在所述主要部分和所述凹進(jìn)的輔助部分之間形成熱梯度，所述凹進(jìn)的輔助部分比所述主要部分涼；使所述充填物質(zhì)在所述主要部分中汽化；而多余的充填物質(zhì)在所述凹進(jìn)的輔助部分中冷凝。
15.一種電燈，包括一密封外殼，具有一限定一封閉體積的管壁，所述管壁的至少一部分是一基本上透明的光傳輸窗口；容納于所述封閉體積內(nèi)的充填物質(zhì)；密封地穿過(guò)所述管壁的第一和第二電極，該兩個(gè)電極都具有第一端部和第二端部，該兩個(gè)第一端部在所述封閉體積內(nèi)相對(duì)設(shè)置，該兩個(gè)第二端部位于所述外殼的外部以便進(jìn)行電接觸；用于使所述充填物質(zhì)在所述封閉體積的第一部分內(nèi)汽化且多余的充填物質(zhì)在所述封閉體積的第二部分內(nèi)冷凝的裝置。
全文摘要
一種陶瓷放電燈及其工作方法，其中在透明藍(lán)寶石管與多晶氧化鋁蓋子之間包含一空腔。在燈工作的過(guò)程中，該空腔容納熔化的鹽類充填物質(zhì)，從而成為熔化的鹽類充填物質(zhì)恒溫貯存器。通過(guò)蓋子的形狀，例如內(nèi)部圓頂?shù)那?，或者通過(guò)偏移的凸緣，可以控制空腔的體積。通過(guò)調(diào)整相鄰的蓋子壁的厚度，或者通過(guò)增加外部散熱或調(diào)整蓋子上的輻射特性，可以進(jìn)一步控制鹽類貯存器的溫度。貯存器有助于為恒壓下的等離子體提供原料，但是不會(huì)使充填物質(zhì)冷凝體流過(guò)光透射部分并在其上形成涂層，該光發(fā)射部分位于透明的藍(lán)寶石發(fā)透空腔的管壁上。因此，電弧具有更穩(wěn)定的性能，且產(chǎn)生的光可以透射，而不受冷凝的鹽類充填物質(zhì)或者流動(dòng)到光透射表面上的液體鹽類充填物質(zhì)的干擾。
文檔編號(hào)H01J61/52GK1458664SQ0314291
公開(kāi)日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者M·加爾維茨, A·赫克, W·P·拉帕拉維奇 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司