專利名稱：利用微粒在燈絲上形成離散的顯微孔隙的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在燈絲上形成顯微孔隙以改善它們的輻射效率的技術(shù)領(lǐng)域。尤其是，本發(fā)明涉及一種適用于在大量制造條件下在燈絲上形成顯微孔隙的裝置和方法。
背景技術(shù)：
生產(chǎn)和購買電力的成本已經(jīng)在世界范圍內(nèi)達(dá)到歷史最高水平。這在發(fā)達(dá)國家尤其是真實的，在這些國家電力供應(yīng)是有限的，而且在那些具有大量人口的國家對電力的需求就更高。這種需求經(jīng)常會拉動對生產(chǎn)能量效率高并使用電成本最小化的照明資源的需求的增長。
經(jīng)過過去的兩個世紀(jì)，科學(xué)家和發(fā)明人已經(jīng)努力以開發(fā)一種節(jié)省成本的、實用的、使用壽命長的白熾燈泡。在設(shè)計實用的白熾燈泡方面，開發(fā)一種使用壽命長、耐高溫的燈絲是一個關(guān)鍵因素。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鎢絲能夠為照明應(yīng)用提供許多良好的特性，比如高熔點(diǎn)(3410℃/6170oF)、在高溫下的低蒸發(fā)率(在2757℃/4995oF時為10-4托)以及高于鋼的抗拉強(qiáng)度。這些特性允許燈絲被加熱到更高的溫度以給更明亮的燈提供有利的長壽命，使鎢成為制造商業(yè)上可用的白熾燈泡的燈絲的一種首選材料。
當(dāng)足夠強(qiáng)度的電流通過白熾燈的燈絲時，燈絲發(fā)出可見和不可見輻射。然而，燈絲發(fā)出的能量只有一個相對小部分為可見光的形式，典型的是6至10％。所發(fā)出能量的其余大部分是在光譜的紅外線范圍內(nèi)并且是以熱的形式損失掉。因而，由在可見波長范圍內(nèi)所發(fā)射的功率與在全波長范圍內(nèi)的總輻射功率的比率測量出一種典型鎢絲的輻射效率，它相對較低，在6％或者更低的級別。
提高由白熾燈絲所發(fā)射的可見光的量的傳統(tǒng)技術(shù)依賴于通過增加所施加的電流而從燈絲所獲得能量的增加。然而，增加電流甚至將浪費(fèi)更大量的電能。我們需要的是一種燈絲，它發(fā)射的可見光增多了卻沒有增加能量消耗。
另一個關(guān)心的問題是燈絲的使用期限。鎢絲是很耐用的，但是在一段延長的時間之后，大電流將導(dǎo)致過量的電子風(fēng)(electron wind)，這會在電子進(jìn)行粒子輻射并在燈絲內(nèi)移動原子時發(fā)生。隨著時間的過去，這種作用將導(dǎo)致燈絲逐漸變薄并最終斷裂。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使燈絲表面具有亞微米大小的結(jié)構(gòu)特征，可以提高燈絲材料比如鎢的輻射效率。由H.G.Craighead，R.E.Howard和D.M.Tennant在1981年的38 Applied Physics Letter 74的“SelectivelyEmissive Refractory Metal Surface”中公開了一種利用非選擇性的活性離子(reactive ion)蝕刻技術(shù)在鎢樣品的表面上形成亞微米特征的方法。Craighead等披露，改善的輻射效率產(chǎn)生于來自鎢的可見光的發(fā)射率的增加。發(fā)射率是指在一給定波長下物質(zhì)(比如鎢)表面的輻射通量與在相同條件下由光黑體發(fā)射的輻射通量的比率。該黑體負(fù)責(zé)吸收其上附帶的輻射。
Craighead等披露，來自一種織構(gòu)化的鎢表面的可見光的發(fā)射率是非織構(gòu)化表面的可見光發(fā)射率的兩倍，并指出該增加是將來自該織構(gòu)化鎢表面的電磁輻射更加有效地耦合到自由空間的結(jié)果。由Craighead等公開的該鎢樣品的織構(gòu)化表面在其被柱狀結(jié)構(gòu)分隔開的表面上具有凹陷，所述柱狀結(jié)構(gòu)突出在該燈絲表面之上約0.3微米。
1989年9月10-14日，由John F.Waymouth在Fifth InternationSymposium on the Science and Technology of all Light Sources(第5次全光源科學(xué)技術(shù)國際討論會)上發(fā)表的、題為“Where Will the NextGenerat ion of Lamps Come From？”(新一代燈將來自何處)的論文第22-25頁和圖20中，公開了另外一種通過改變鎢絲燈燈絲表面而提高白熾燈效率的方法。Waymouth假定，燈絲表面的穿孔寬0.35微米、深7微米并被0.15微米厚的壁分隔開，孔可以作為波導(dǎo)以將輻射耦合到鎢絲與自由空間之間的可見波長內(nèi)。Waymouth還披露，燈絲上的孔可以通過半導(dǎo)體平版印刷技術(shù)形成，但是這種孔的尺寸超出了當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的能力。
在Jaffe等人的美國專利US5955839中公開了另外一種用于減少白熾光源的紅外發(fā)射的方法。如其所述，燈絲上存在顯微孔隙對發(fā)射的方向性提供了更大的控制并在給定帶寬內(nèi)提高了發(fā)射效率。比如，這樣一種光源可以具有直徑在1微米至10微米之間的顯微孔隙。當(dāng)采用微電子加工技術(shù)在某些材料上可以形成具有這些尺寸的結(jié)構(gòu)時，就很難在金屬、比如通常被用作白熾燈絲的鎢上形成這些結(jié)構(gòu)。
在Liu等人的美國專利US6433303中公開了再一種用于減少白熾光源的紅外發(fā)射的方法，其名稱是“Method and Apparatus Using LaserPulses to Make an Array of Microcavity Holes”(利用激光脈沖形成顯微孔隙矩陣的方法和裝置)。所公開的方法利用激光束在金屬膜上形成單個的顯微孔隙。一種光學(xué)掩模將激光束分成多光束，并且一個透鏡系統(tǒng)將多光束聚焦到金屬膜上從而形成顯微孔隙。
在Bigio等人的美國專利US5389853中公開了另一種方法，并描述了一種可見光的發(fā)射被改進(jìn)的燈絲。通過在其表面上沉積一層亞微米-至-微米的微晶，改善了鎢燈絲的發(fā)射率。所述微晶是由鎢、或者由達(dá)到1％的釷以及達(dá)到10％的錸、鉭和鈮中的至少一種形成的。
當(dāng)這些傳統(tǒng)的方法形成顯微孔隙并改善光發(fā)射率時，它們是復(fù)雜的并昂貴的。這些方法沒有一種適合于大量制造條件，其中成本和效率是重要的因素。因而，就需要提供一種用于在適用于大量生產(chǎn)的燈絲上形成顯微孔隙的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于在鎢絲上形成顯微孔隙的顯微孔隙形成裝置。該顯微孔隙形成裝置包括一個顆粒源，一個用于接收被加熱鎢絲的腔室以及多個噴嘴，所述噴嘴設(shè)置在腔室中用于以足夠的力將顆粒向該熱鎢絲噴射，從而將顆粒嵌入該鎢絲中。熱鎢絲被接收在腔室中，噴嘴向鎢絲噴射顆粒以在鎢絲上形成顯微孔隙。


通過結(jié)合附圖并閱讀下面的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，根據(jù)通常慣例，附圖中的各個特征不是按照比例的。相反，為了清楚的目的，各個特征的尺寸可以任意地擴(kuò)大或者減小。附圖中包括下列附圖圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種用于在鎢絲上形成顯微孔隙的系統(tǒng)的方框圖；圖2是構(gòu)成圖1所示系統(tǒng)一部分的一個顯微孔隙形成裝置的部分透視圖，包括根據(jù)本發(fā)明一實施例的一個噴射器；圖3A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的如圖2所示的噴射器的橫截面圖；
圖3B是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的如圖2所示的噴射器的橫截面圖；圖4是一種顯微孔隙形成裝置的部分透視圖，包括根據(jù)本發(fā)明另一實施例的一個噴射器和一個顆粒清除器(particle remover)；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的如圖4所示的顆粒清除器的示意側(cè)視圖；圖6是一種用于在鎢絲上形成顯微孔隙的系統(tǒng)的方框圖，包括根據(jù)本發(fā)明的一個顆粒清除器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例的優(yōu)選特征進(jìn)行描述。應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于這些被選擇用來描述的實施例。而且應(yīng)當(dāng)注意到，附圖不是表示任何具體的比例?？梢栽O(shè)想，下文描述的任何結(jié)構(gòu)和材料都可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行修改。
參見圖1，鎢絲制造系統(tǒng)10包括加熱器14，型鍛裝置18，顯微孔隙形成裝置22，牽引裝置26和卷取裝置32。操作時，鎢材12被加熱器14加熱以形成被加熱的鎢材16。鎢材被加熱器14加熱到一個可鍛溫度(1200℃至1500℃)。利用型鍛裝置18拉伸所得到的鎢材16，以減小鎢材的直徑。重復(fù)執(zhí)行所述加熱和拉伸步驟，直到形成具有所需直徑的被加熱鎢絲20，典型的直徑是在40微米至100微米之間。如下所述，顯微孔隙形成裝置22用來在加熱的鎢絲20的外表面上形成顯微孔隙。具有顯微孔隙的鎢絲30被卷取裝置32卷取以形成燈絲卷34。本發(fā)明包括顯微孔隙形成裝置22的幾個實施例，下面進(jìn)行詳細(xì)描述。
接下來參見圖2，示出顯微孔隙形成裝置22的一個實施例，總體上用標(biāo)記22A表示。顯微孔隙形成裝置22包括噴射器36，用于將顆粒38沉積在加熱的鎢絲20上。噴射器36包括一個中空的、圓周形的腔室40，它與型鍛裝置18相距一段距離并用于接收加熱的鎢絲20。如圖所示，噴嘴42被安裝在腔室40內(nèi)表面上的不同位置上，并被定位以將顆粒38沿徑向方向向鎢絲20噴射。加壓的顆粒源44用于將顆粒38供應(yīng)到分配桿46上，它們依次將顆粒38傳送到噴嘴42。當(dāng)加熱的鎢絲20被拉伸通過圓周形腔室40時，噴嘴42將顆粒38噴射到鎢絲20上。顆粒38被嵌入鎢絲20內(nèi)，從而形成具有顆粒38嵌入其中的顯微孔隙的鎢絲。顆粒38嵌入其中的該鎢絲總體上用標(biāo)記48表示。
圖3A和3B是圖2所示噴射器36的橫截面圖。圖3A表示一個具有4排噴嘴42的橫截面圖，噴嘴42被設(shè)置在腔室40內(nèi)并呈輻射狀地相隔90°。圖3B表示一個具有8排噴嘴42的橫截面圖，噴嘴42被設(shè)置在腔室40內(nèi)并呈輻射狀地相隔45°。然而，本發(fā)明可以具有其它排數(shù)的噴嘴42，而與圖3A和3B所示的不同。
腔室40可以由碳化硅或者其它任何硬化材料制成，應(yīng)能夠經(jīng)受住加熱鎢絲20的溫度并被硬化以防止噴射式噴射器損壞。顆粒38的直徑優(yōu)選是0.35-0.75微米，最好是0.5微米。顆粒38可以由鉭、錸、鉬、鎢、碳化硅、稀土元素、玻璃珠或者其它任何硬化材料制成。
參見圖1-3，操作時，被加熱的鎢絲20從型鍛裝置18中出來并被牽引裝置26拉伸而通過顯微孔隙形成裝置22A的噴射器36。當(dāng)鎢絲20在方向A上移動通過腔室40時，高速噴嘴42將顆粒38推向被加熱鎢絲20的表面。由于經(jīng)過加熱處理而具有可鍛性，當(dāng)顆粒38接觸加熱鎢絲20的表面時，它們形成并逐漸被嵌入顯微孔隙中。
如下所述，腔室40的直徑以及一排中噴嘴42之間的間距是可以根據(jù)顆粒38嵌入鎢絲中的所需密度進(jìn)行調(diào)節(jié)的。同樣，可以根據(jù)由每個嵌入顆粒38形成的顯微孔隙的所需深度，調(diào)節(jié)噴嘴42的壓力。
參見圖4，示出顯微孔隙形成裝置22的另一個實施例，總體上用標(biāo)記22B表示。顯微孔隙形成裝置22B包括顯微孔隙形成裝置22A(如圖2所示)和顆粒清除器54。一個示例性噴射器36的橫截面圖示于圖3A和3B。顆粒清除器54被設(shè)置在噴射器36的下游，并且當(dāng)鎢絲被從噴射器36中拉伸通過顆粒清除器54時，將顆粒38從帶有顆粒的鎢絲48上清除。顆粒38被清除后就形成了帶有顯微孔隙的鎢絲24。
圖5是圖4所示顆粒清除器54的示意圖。該示例性顆粒清除器54包括管狀反應(yīng)器56，化學(xué)流控制系統(tǒng)58，以及真空泵系統(tǒng)60。管狀反應(yīng)器56被加熱器62包圍。
可以以幾種方式將顆粒38從鎢絲48上除去。在一種方法中，可以采用化學(xué)溶解法?？梢詫⒂糜谑诡w粒38從鎢絲48上分離的化學(xué)溶液，比如硝酸、硫酸和水的混合物放置在化學(xué)流控制系統(tǒng)58中，可以將鎢絲48放置在管狀反應(yīng)器56中。鎢絲可以纏繞在一根心軸上以形成一個盒子，鎢絲可以被用化學(xué)溶液進(jìn)行化學(xué)處理以溶解、或者除去所嵌入的顆粒?？梢圆捎靡粋€或幾個盒子。
真空泵系統(tǒng)60可以用來在管狀反應(yīng)器56中提供真空，化學(xué)溶液流通過管狀反應(yīng)器56。真空泵系統(tǒng)60還可以提供吸力以將顆粒從鎢絲上清除到一個儲槽(未示出)中。
操作時，管狀反應(yīng)器56被密封與大氣隔絕，一種化學(xué)溶液被通過化學(xué)流控制系統(tǒng)58加入。顆粒38的溶解立即開始，形成NOx氣體并與酸表面上的空氣混合。NO氣體與空氣中的O2化合并被溶解。結(jié)果，在管狀反應(yīng)器56中形成了一個低壓狀態(tài)。該狀態(tài)導(dǎo)致苛性堿溶液被吸入真空泵系統(tǒng)60。該操作酸被通過真空泵系統(tǒng)60清除到一個污水儲槽(未示出)內(nèi)。顆粒38的清除導(dǎo)致鎢絲48的外表面上形成孔穴，從而形成帶有顯微孔隙的鎢絲24。
在一種優(yōu)選方法中，可以通過熔化顆粒38而除去顆粒38。如圖4所示，顯微孔隙形成裝置22B使鎢絲48在方向A上連續(xù)通過顆粒清除器54，加熱器62可以向管狀反應(yīng)器56內(nèi)供熱并熔化顆粒。假如顆粒的熔點(diǎn)比鎢絲的低，該方法是有效的。比如，假如顆粒含有鉬，則可以通過加熱除去顆粒，因為鎢的熔點(diǎn)高于鉬。
再一種用于清除顆粒38的優(yōu)選方法可以是通過噴吹法。在冷卻之后，鎢絲48可以被定位在一個腔室、比如管狀反應(yīng)器56中。通過空氣流的吹力使顆粒38從鎢絲48上分離。
參見圖6，示出鎢絲制造系統(tǒng)10的另一個實施例，總體上用標(biāo)記70表示。鎢絲制造系統(tǒng)70包括具有顯微孔隙形成裝置22A(圖2)的系統(tǒng)10以及定位在卷取裝置32之后下游的顆粒清除器54，如圖6所示。借助于顯微孔隙形成裝置22A，系統(tǒng)70可以形成具有其中嵌入有顆粒的顯微孔隙的鎢絲48。然后，鎢絲48可以被卷取或者被纏繞在一根心軸上，如McCarty等的美國專利US4291444中所公開的。
然后，被卷取的鎢絲34通過顆粒清除器54，如前所述，以形成被卷取的帶有顯微孔隙的燈絲64。
應(yīng)當(dāng)知道，假如被加熱的鎢絲20被噴射鉬顆粒，然后被卷取或者纏繞在一根心軸上，如McCarty等的美國專利US4291444所公開的那樣，顆粒清除器54可以采用加熱的方法來熔化顆粒和心軸以從鎢絲上除去。
本發(fā)明對傳統(tǒng)的在燈絲上形成顯微孔隙的方法提供了改進(jìn)，適用于大量生產(chǎn)的情形，其中成本和效率是重要的因素。本發(fā)明不需要復(fù)雜的和昂貴的裝置，而是利用簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來形成顯微孔隙。本發(fā)明還可以通過對傳統(tǒng)的燈絲生產(chǎn)線進(jìn)行最少的改變而實現(xiàn)。
應(yīng)當(dāng)知道，可以對所述的實施例進(jìn)行其它的修改，而沒有脫離本發(fā)明的由權(quán)利要求書限定的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在鎢絲上形成顯微孔隙的顯微孔隙形成裝置，包括顆粒源；腔室，用于接收被加熱的鎢絲；以及多個噴嘴，所述噴嘴設(shè)置在所述腔室中，用于以足夠的力將顆粒向該被加熱的鎢絲噴射，以將顆粒嵌入該被加熱的鎢絲中，從而在加熱的鎢絲上形成顯微孔隙。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述顆粒的大小范圍是0.35至0.75微米。
3.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述腔室包括一個封閉的圓柱面，所述噴嘴被沿圓周定位在該封閉的圓柱面上并向鎢絲噴射顆粒。
4.按照權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述鎢絲被沿著所述圓柱面的長度方向接收并基本上是在所述腔室的徑向中心處，所述噴嘴被沿著該長度方向設(shè)置成許多排，每一排與另一排在所述封閉圓柱面上沿圓周相互間隔。
5.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括一個顆粒清除器，用于將嵌入的顆粒從鎢絲上除去。
6.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述顆粒包括鉬，所述顆粒清除器包括一個加熱器，用于使被嵌入鎢絲的顆粒加熱到鉬的熔點(diǎn)溫度，被嵌入的顆粒被熔化而從鎢絲上除去。
7.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述顆粒清除器具有一種化學(xué)溶液，用于溶解被嵌入鎢絲上的顆粒。
8.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述顆粒清除器包括一個吹風(fēng)機(jī)，用于將被嵌入的顆粒從鎢絲上吹去。
9.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于還包括一個卷取裝置，其設(shè)置在所述顆粒清除器的下游，用于在顆粒清除器將顆粒從鎢絲上的顯微孔隙中除去之后卷取鎢絲。
10.按照權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于還包括一個卷取裝置，其設(shè)置在所述顆粒清除器的上游，用于在顆粒清除器將顆粒從鎢絲上的顯微孔隙中除去之前卷取鎢絲。
11.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述顆粒是由鉭、錸、鉬、鎢、碳化硅、稀土元素和玻璃珠中的任一種或者它們的任何組合制成。
12.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述腔室由一種包含碳化硅的材料制成。
13.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括牽引裝置，用于牽引鎢絲通過所述腔室，當(dāng)該牽引裝置牽引鎢絲通過所述腔室時，所述噴嘴將顆粒噴射到鎢絲上。
14.一種用于在鎢絲上形成顯微孔隙的方法，包括以下步驟(a)將一根被加熱的鎢絲接收到一個腔室中；(b)用足夠的力向該被加熱鎢絲噴射顆粒以在鎢絲上形成顯微孔隙，其中，顆粒的直徑范圍是0.35至0.75微米，并由鉭、錸、鉬、鎢、碳化硅、稀土元素和玻璃珠中的任一種或者它們的任何組合制成。
15.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于還包括步驟(c)用一個顆粒清除器將嵌入的顆粒清除。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述方法還包括步驟(d)在步驟(c)中將嵌入的顆粒清除之后，卷取鎢絲。
17.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于所述方法還包括步驟(e)在步驟(c)中將嵌入的顆粒清除之前，卷取鎢絲。
18.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于步驟(c)包括將被加熱的鎢絲加熱以將嵌入在鎢絲的顯微孔隙中的顆粒熔化。
19.按照權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于步驟(c)包括將嵌入鎢絲的顯微孔隙中的顆粒溶解在化學(xué)溶液中。
20.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于步驟(b)包括在向鎢絲上噴射顆粒時牽引該鎢絲。
21.按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于包括在步驟(a)之前，加熱鎢材到一個可鍛溫度，并拉伸該鎢材以形成所述被加熱鎢絲。
全文摘要
一種顯微孔隙形成裝置，用于在鎢絲上形成顯微孔隙。該裝置包括一個顆粒源，一個用于接收被加熱鎢絲的腔室，以及多個噴嘴，噴嘴設(shè)置在腔室中用于向被加熱的鎢絲噴射顆粒。顆粒的直徑為0.35－0.75微米。加熱鎢絲被接收在腔室中，噴嘴向鎢絲噴射顆粒以在鎢絲上形成顯微孔隙。
文檔編號B21C37/04GK1630022SQ20041008813
公開日2005年6月22日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月14日
發(fā)明者劉新兵, 黎明, 石塚誠, 達(dá)妮埃·霍根, 大久保和明, 木本光彥 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社