專利名稱：無電極高亮度放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無電極高亮度放電燈，更詳細(xì)地說，涉及在電弧管的那些受腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域設(shè)置過量液態(tài)金屬鹵化物薄膜來保護(hù)電弧管，穩(wěn)定性是借助于機(jī)械上粗糙的表面或金屬氧化物粉末層來實(shí)現(xiàn)的。
高壓無電極感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的氣體放電燈提供高效率和優(yōu)異的彩色再現(xiàn)的吸引人的結(jié)合。為了在經(jīng)濟(jì)上有競爭力，這樣的燈必須在光輸出沒有嚴(yán)重退化的情況下工作數(shù)千小時(shí)。實(shí)現(xiàn)燈的長壽命的一個(gè)主要問題是電弧管的那些最接近激烈放電的區(qū)域的腐蝕。
具體地說，在對感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的無電極氣體放電燈進(jìn)行壽命試驗(yàn)過程中已經(jīng)觀察到腐蝕。試驗(yàn)燈使用圓柱形圓角石英電弧管。電弧管的溫度范圍為850℃至1000℃。電弧管被定量注入惰性緩沖氣體和金屬鹵化物，諸如碘化鈉和碘化鈰，形成一種填充物或“配量裝入物”(dose)。工作的電弧管中金屬鹵化物的壓力由過量金屬鹵化物液體儲(chǔ)庫的溫度控制。這種儲(chǔ)庫形成在電弧管內(nèi)表面的最冷部分。
已經(jīng)觀察到，長時(shí)間工作之后，在電弧管的內(nèi)表面出現(xiàn)破壞區(qū)域。這種破壞區(qū)域呈環(huán)形區(qū)域狀，位于圓柱形電弧管的圓周上。這也是強(qiáng)烈的電弧被感應(yīng)的射頻(RF)場壓在管子表面的區(qū)域。
導(dǎo)致電弧管破壞的準(zhǔn)確機(jī)理尚未完全查清。相信在強(qiáng)烈的離子轟擊和來自電弧的輻射下，出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電弧管的損壞。例如，碘化鈉在電弧的作用下離解成正的鈉離子和負(fù)的碘離子。正鈉離子被電弧的電場驅(qū)動(dòng)沖向管壁。即使這些離子中的小部分在到達(dá)管壁之前未與碘復(fù)合，鈉也會(huì)在化學(xué)上腐蝕石英壁。電弧管填充物中其它的金屬鹵化物，諸如稀土碘化物會(huì)以類似的方法使電弧管損壞。其凈效果是諸如鈉等金屬組分損失，導(dǎo)致光輸出退化，而且諸如碘化物等游離鹵素的積聚導(dǎo)致電弧的不穩(wěn)定，甚至電弧熄滅。
在高壓金屬鹵化物燈中鈉的損失方面，有不少文獻(xiàn)。John F.Waymouth在他論述放電燈(Electric Discharge Lamps(MIT Press，1971，pp 266-277))一書中評述了早期的工作。E.Fisher在1988年高溫?zé)艋瘜W(xué)會(huì)議(Symposium in High Temperature Lamp Chemistry)上發(fā)表了“金屬鹵化物燈中游離碘化物的形成”一支。鈉損失是鈉穿過電弧管管壁擴(kuò)散和在電弧管內(nèi)的反應(yīng)造成的。
在1991年7月16日授于Witting的美國專利No.5,032,757中描述了在高壓無電極放電燈中利用保護(hù)性金屬鹵化物薄膜的方法。在該專利中，把電弧管最接近等離子體電弧放電的管壁部分維持在較電弧管其余部分為低的溫度，使得金屬鹵化物的冷凝物在那里形成保護(hù)層。Witting的專利公開了一種具有圍繞電弧管設(shè)置的激勵(lì)線圈的無電極高亮度放電燈，它包括熱裝置，用以保證在燈工作過程中金屬鹵化物冷凝物在電弧管最接近等離子體電弧放電的部分形成保護(hù)薄膜。在一個(gè)短的圓柱形電弧管中，熱裝置包括位于其頂部和/或底部的熱屏蔽。在一個(gè)實(shí)施例中，電弧管底部凹進(jìn)，以保證冷凝物不收集在電弧管的底部。激勵(lì)線圈可以位于足夠接近電弧管的地方，以保證從電弧管側(cè)壁把足夠的熱量移到散熱器，使得在電弧管內(nèi)表面上形成保護(hù)性金屬鹵化物薄膜。最好在電弧管和激勵(lì)線圈之間設(shè)置玻璃外殼，該玻璃外殼還起從電弧管側(cè)壁消除熱量的作用。
在至少具有上述某些特征的燈的使用中發(fā)現(xiàn)一個(gè)實(shí)際問題。例如，在具有平滑內(nèi)表面的新的電弧管上，液體填充物形成液滴，大得足以周期性地在重力作用下間歇地向電弧管較熱的部分移動(dòng)。填充物從那里蒸發(fā)，并在較冷的表面重新冷凝。這種周期性的運(yùn)動(dòng)往往把沒有保護(hù)的電弧管表面暴露于附近電弧的剝蝕之下。這還會(huì)伴隨發(fā)生電弧本身位置的非常不利的變化。換句話說，填充物位置的不穩(wěn)定引起電弧的不穩(wěn)定，這在商品光源上是不能接受的。因此，最好提供克服先有技術(shù)上述和其它缺點(diǎn)的這樣一種燈。
本發(fā)明涉及一種無電極高亮度放電燈，它包括石英制透光的電弧管，用來容納等離子體電弧放電，該電弧管具有一般球形外形的頂部和底部及側(cè)壁，電弧管內(nèi)裝有配量裝入物或填充物。填充物至少包括一種從包括碘化鈉和碘化鈰的金屬鹵化物類中選出的金屬鹵化物和一種從包括氙和氪的緩沖氣體類中選擇的緩沖氣體。這樣選擇金屬鹵化物的數(shù)量，使得在燈的工作過程中存在液態(tài)金屬鹵化物冷凝物的儲(chǔ)庫。設(shè)置一個(gè)外殼，它具有一般圓柱形的中心區(qū)域；一般半球形包圍電弧管并在形狀上與電弧管下部區(qū)域的曲率對應(yīng)的下部區(qū)域；和帶有一般圓形外形并具有讓一根棒穿過的開孔的上端的上部區(qū)域。所述棒一般垂直地設(shè)置并在電弧管中心區(qū)域從電弧管向上延伸穿過所述開孔。電功率通過激勵(lì)線圈加在燈上，該激勵(lì)線圈環(huán)繞該燈，并連接到射頻電源，帶有與該電源耦合的散熱器。電弧管具有外表面和內(nèi)表面，內(nèi)表面包括環(huán)繞側(cè)壁中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域。電弧管管壁的內(nèi)表面的大部分區(qū)域是平滑的，但在所述環(huán)形區(qū)域有穩(wěn)定化的表面，用以增強(qiáng)其上的液態(tài)金屬鹵化物的牢固性。穩(wěn)定化表面是采用穩(wěn)定化處理方法來處理的，諸如鹽酸化學(xué)侵蝕或噴砂或包括氧化硅、氧化鋁、氧化鈰。氧化釔和氧化鈧等粉末金屬材料燒結(jié)等。
結(jié)合附圖閱讀以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。附圖中

圖1是按照本發(fā)明第一實(shí)施例構(gòu)造的無電極高亮度放電(HID)燈的部分切除的側(cè)視圖；而圖2是圖1所示電弧管部分的放大的截面圖。
圖1舉例說明無電極高亮度放電燈10(HID)的一個(gè)示范性的實(shí)施例。燈的中心部件是透光的電弧管12。電弧管最好用諸如熔融石英等高溫玻璃制造，但可以用其它光學(xué)透明的陶瓷材料，諸如多晶氧化鋁制造。在最佳實(shí)施例中，電弧管的形狀是一般球形，它環(huán)繞赤道比環(huán)繞兩極大，使得它顯得被從頂部向底部壓縮。這樣的形狀有助于更近于等熱操作，它減少熱損失，從而提高工作效率。這樣，電弧管12具有以14表示的頂部、以16表示的底部和以18表示的環(huán)形側(cè)壁。
稱作“配量注入物”(‘dose’)或“填充物”的填充材料被包含在電弧管12內(nèi)，并被密封于其中。填充物包括至少一種金屬鹵化物，最好從包括碘化鈉和碘化鈰等一類金屬鹵化物中選出。填充物還包括緩沖氣體。緩沖氣體最好從包括氙和氪的一類緩沖氣體中選出。這樣選擇金屬鹵化物的數(shù)量，使得在燈的工作和使用過程中存在液態(tài)金屬鹵化物冷凝物的儲(chǔ)庫。所述組合的填充材料按重量配比使用，以便產(chǎn)生表現(xiàn)出高效率和在白色溫度下良好的彩色再現(xiàn)能力的可見光輻射。
電弧管12位于外殼20內(nèi)。所述外殼做成具有一般圓柱形中心區(qū)域22和包圍電弧管12的半球形下部區(qū)域24的形狀。電弧管下部區(qū)域16的曲率一般與外殼的下部區(qū)域24對稱。射頻(RF)電源26向激勵(lì)線圈28提供電流，后者在電弧管12內(nèi)產(chǎn)生加熱電流。外殼20還有一個(gè)一般圓形外形形以封閉該外殼的上端30。在上端30中形成開孔29，用以讓固定在電弧管12頂部14的支持棒32穿過。另外，在側(cè)壁靠近上端30的外殼上設(shè)置環(huán)形凹槽34。
支持棒32有中空圓柱形構(gòu)形和其上段36從外殼20上端30上的開孔29穿出。棒32的下端38固定在電弧管12頂部中心區(qū)域并起把電弧管相對于外殼20保持適當(dāng)取向的作用，以便在工作和使用過程中使效率達(dá)到最大。電弧管12和外殼20最好用同一材料，最好用石英制造。
通過圍繞電弧管12設(shè)置的并連接到射頻(RF)電源26的的激勵(lì)線圈28施加電功率。在工作中，線圈28中的射頻電流產(chǎn)生變化的磁場，后者在電弧管中產(chǎn)生電場，而該電場又是自身完全閉合的。電流作為這種振蕩電場的結(jié)果流過電弧管內(nèi)的填充物，在電弧管內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形的電弧放電。射頻電源的適當(dāng)工作頻率在1兆赫至30兆赫范圍內(nèi)，示范性的工作頻率為13.56兆赫。
為了使燈有效地工作，激勵(lì)線圈28不僅必須對放電等離子體有令人滿意的耦合，而且還必須有低的電阻和小的尺寸。實(shí)際的線圈結(jié)構(gòu)在可行的范圍內(nèi)盡量避免線圈擋光，從而使光輸出達(dá)到最大。舉例來說，以具有4圈，而這些線圈在線圈中心線的每一側(cè)都布置成大體上V形的截面的形式來說明線圈28。類似的具有6圈的線圈結(jié)構(gòu)也是可以的。
一般，高亮度放電燈的激勵(lì)線圈28耦合到以40指示的散熱器，以便在燈工作過程中從激勵(lì)線圈消除過量的熱量，以限制線圈的損耗。就是說，線圈的電阻隨著激勵(lì)線圈溫度升高而增大，結(jié)果線圈的損耗增大。冷卻無電極高亮度放電燈用的適當(dāng)?shù)纳崞?0包括以傳統(tǒng)方式耦合到射頻電源20的裝有散熱歧片的散熱器。
在圖2的實(shí)施例中，制造具有由外表面44和內(nèi)表面46限定的電弧管壁42的電弧管12。內(nèi)表面包括圍繞管壁的中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域48。電弧管的內(nèi)表面46在其大部分區(qū)域都是平滑的。但是，在環(huán)繞側(cè)壁的中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域48中，內(nèi)表面形成有以50所表示的穩(wěn)定化的或粗糙化表面。這種穩(wěn)定化的表面用來在燈工作和使用過程中增強(qiáng)液態(tài)金屬鹵化物本身粘附在該表面上的固牢性。這種穩(wěn)定化的表面可以用許多方法中任何一種制造。
在圖2所示的實(shí)施例中，穩(wěn)定化表面50或者通過化學(xué)侵蝕或者通過噴砂來形成?；瘜W(xué)侵蝕最好通過用酸，最好鹽酸在欲侵蝕的環(huán)形區(qū)域侵蝕來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)替代方案中，穩(wěn)定化表面可以通過把金屬粉末燒結(jié)在環(huán)形區(qū)域48上來形成。用于運(yùn)種燒結(jié)的金屬粉末材料可以選自包括氧化硅、氧化鋁、氧化鈰、氧化釔和氧化鈧的一類金屬粉末材料。無論穩(wěn)定化表面如何實(shí)現(xiàn)，它在電弧管鄰近最高亮度的區(qū)域的內(nèi)表面上的存在，將液態(tài)金屬鹵化物截留于其上，以便最大限度地減小燈工作和使用所引起的破壞作用。
從上述可以明白，本發(fā)明的特點(diǎn)是穩(wěn)定液態(tài)金屬鹵化物薄膜的位置，以此保護(hù)無電極高壓氣體放電燈電弧管那些易受傷害的區(qū)域。穩(wěn)定化是通過以機(jī)械方法使表面粗糙化或通過淀積金屬氧化物粉末層來形成粗糙化表面而獲得的。粗糙表面和液體之間的粘附力，加上液體內(nèi)的內(nèi)聚力，將克服重力，并將液體填充物保持在希望的位置。
這樣，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)包括電弧管12，它安裝在保護(hù)外殼20內(nèi)并配量裝入金屬鹵化物和惰性氣體的填充物。借助于連接到射頻電源26的外部激勵(lì)線圈28在電弧管內(nèi)激勵(lì)放電。在燈工作和使用過程中只有小部分金屬鹵化物填充物蒸發(fā)。填充物的大部分仍舊作為液體層留在電弧管的內(nèi)表面。正如美國專利No.5,032,757中所描述的，通過把電弧管一部分的溫度維持得低于電弧管的其余部分，使這種液體層位于環(huán)繞電弧管的圓周，接近電弧放電的位置。通過使環(huán)繞圓周的內(nèi)表面粗糙化，形成穩(wěn)定化表面，把該液體層穩(wěn)定在這一位置。
如上所述，按照本發(fā)明的電弧管圓周部分的穩(wěn)定化處理可以利用多種方法中的任何一種或多種加以實(shí)現(xiàn)。它可以是表面的一般粗糙化，或涂敷金屬氧化物粉末層，后者可以通過熱處理燒結(jié)在該表面上。
通過表面粗糙化的穩(wěn)定化處理可以如上所述通過對電弧管表面化學(xué)侵蝕來實(shí)現(xiàn)，或者亦如上所述，通過施加高速小硬顆粒流，例如通過噴砂來實(shí)現(xiàn)。不論在哪一種情況下，不平整的表面促進(jìn)液體對電弧管表面的浸潤，它阻止液體在重力下流動(dòng)，而且它增大單位表面積填充物的數(shù)量，使之仍舊穩(wěn)定，而不形成液滴并向下移動(dòng)。
可以用各種各樣眾所周知的方法來實(shí)現(xiàn)借助于燒結(jié)粉末的穩(wěn)定化處理。例如，用靜電噴涂把粉末噴上去。也可以懸浮在適當(dāng)?shù)囊后w中，液體中可以包括粘結(jié)劑，促使粘結(jié)。然后，可以通過噴涂或者通過適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，把液體涂敷在電弧管希望的區(qū)域上，并讓里面有一個(gè)小液池。然后可以把液體蒸發(fā)掉，把粘結(jié)劑燒掉。最后，若有必要，可以通過加熱或燒結(jié)令粉末更牢固地粘附在管壁上。最后的結(jié)果是得到一種促使液體薄膜浸潤的表面，它阻止液體流動(dòng)，并能靠毛細(xì)管作用保有大量的液態(tài)填充物。
盡管這里已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但是顯然，這樣的實(shí)施例只是示范性的。本專業(yè)的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出大量的變化、改變和替換。因此，本發(fā)明只準(zhǔn)備由后附的權(quán)利要求書限制。
權(quán)利要求
1.一種無電極高亮度放電燈，它包括透光的電弧管，用來容納等離子體電弧放電，所述電弧管具有頂部、底部和側(cè)壁，其中裝有填充物，后者至少包括一種金屬鹵化物和一種緩沖氣體，所述電弧管具有內(nèi)表面，所述內(nèi)表面包括環(huán)繞所述側(cè)壁中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域，所述電弧管管壁的內(nèi)表面的大部分區(qū)域是平滑的，但在所述環(huán)形區(qū)域具有粗糙化的表面，以便形成用來阻止液態(tài)填充物表面流動(dòng)的穩(wěn)定化區(qū)域。
2.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述粗糙化表面是通過噴砂形成的。
3.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述粗糙化表面是通過酸侵蝕形成的。
4.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述環(huán)形區(qū)域包括燒結(jié)于其上的金屬氧化物粉末，以便形成所述粗糙化表面。
5.權(quán)利要求4中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述金屬氧化物粉末選自包括氧化硅、氧化鋁、氧化鈰、氧化釔和氧化鈧的一類金屬氧化物粉末。
6.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述填充物的所述金屬鹵化物選自包括碘化鈉和碘化鈰的一類金屬鹵化物。
7.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于所述緩沖氣體選自包括氙和氪的一類緩沖氣體。
8.權(quán)利要求1中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于還包括外殼，它具有一般圓柱形的中心區(qū)域，所述外殼具有一般半球形的、包圍所述電弧管并在形狀上與所述電弧管下部區(qū)域的曲率對應(yīng)的下部區(qū)域，所述外套具有帶一般圓形外形并包含讓電弧管支持棒從其中穿過的開孔的上端的上部區(qū)域。
9.權(quán)利要求8中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于還包括一般垂直地設(shè)置的并從電弧管中心區(qū)域向上延伸穿過所述開孔的棒。
10.權(quán)利要求9中所述的無電極高亮度放電燈，其特征在于還包括帶有操作上耦合至電池的射頻能源，并帶有與所述能源耦合的散熱器葉片的激勵(lì)線圈。
全文摘要
一種無電極高亮度放電燈,它包括透光的電弧管,用來容納等離子體電弧放電,電弧管具有頂部、底部和側(cè)壁,其中裝有填充物。填充物至少包括一種金屬鹵化物和一種緩沖氣體。電弧管管壁的內(nèi)表面具有環(huán)繞側(cè)壁中心區(qū)域的環(huán)形區(qū)域。電弧管管壁的內(nèi)表面的大部分區(qū)域是平滑的,但在所述環(huán)形區(qū)域有穩(wěn)定液體的粗糙表面。
文檔編號H01J65/00GK1248785SQ9911841
公開日2000年3月29日 申請日期1999年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月28日
發(fā)明者H·L·威廷 申請人:通用電氣公司