專利名稱：具有優(yōu)化形狀的陶瓷金屬鹵化物燈具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有陶瓷電弧管(arctube)的電燈具，所述陶瓷電弧管包圍長度為L、直徑為D，縱橫比L/D的放電空間，使得側(cè)壁腐蝕最小，同時延長壽命并且改善性能。
背景技術(shù)：
放電燈具通過用穿過兩個電極之間的電弧，電離蒸發(fā)填充材料諸如稀有氣體、金屬鹵化物和水銀的混合物從而產(chǎn)生光。電極和填充材料密封在半透明或者透明的放電腔內(nèi)，所述放電腔保持受激填充材料的壓力并且允許發(fā)出的光通過。填充材料，也稱為“填充劑”，響應(yīng)電弧的激勵發(fā)射希望的光譜能量分布。例如，鹵素提供的光譜能量分布允許較寬的光特性選擇范圍，例如，色溫、現(xiàn)色性和亮度效力。
傳統(tǒng)地，放電燈具的放電腔用玻璃質(zhì)材料諸如熔融石英形成，其在加熱到軟化狀態(tài)后可以塑造成希望的腔體幾何形狀。然而，熔融石英的缺點是其在較高的操作溫度時出現(xiàn)的可反應(yīng)特性。例如，在石英燈具中，在溫度高于約950-1000℃時，鹵素填充物與玻璃反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鹽和鹵化硅，導(dǎo)致填充物組分耗盡。升高的溫度也導(dǎo)致鈉通過石英壁滲入，導(dǎo)致填充物耗盡。這兩者導(dǎo)致長時間之后顏色會偏移，降低了燈具的使用壽命。
陶瓷放電腔被研制出來，可以在較高的溫度下操作，從而改善色溫、現(xiàn)色性和亮度效力，同時顯著的減少了其與填充材料的反應(yīng)。
然而，高瓦數(shù)(大于150W)金屬鹵化物燈具通常僅隨石英電弧管一同使用，其大于陶瓷電弧管。近來，已經(jīng)有人試圖開發(fā)能夠在高瓦數(shù)下操作的陶瓷電弧管。美國專利No.6,583,563公開了一種陶瓷金屬鹵化物燈具。對于150瓦的燈具，主體部分的長度，內(nèi)徑約9.5mm，外徑約11.5mm。美國專利No.6,555,962公開了一種金屬鹵化物燈具，其額定功率為200W或更高，與現(xiàn)有的用于類似額定功率的高壓鈉(HPS)燈具的鎮(zhèn)流器一起使用。內(nèi)部直徑D和內(nèi)部長度L經(jīng)過選擇，使得縱橫比的范圍為3-5。
雖然有所改進(jìn)，但是商業(yè)上可獲得的用于CMH燈具的容器在高瓦數(shù)下操作時，傾向于在光強度、分色和水平裂紋方面表現(xiàn)出較差的性能。
本發(fā)明提供一種金屬鹵化物燈具在高功率下操作所用的新的改善的容器。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的示例性實施例中，提供了一種發(fā)光組件。該組件包括鎮(zhèn)流器和連接在其上的燈具。鎮(zhèn)流器經(jīng)過選擇，使得燈具在大于200W的功率操作。該燈具包括容納可電離材料填充物的放電容器。該放電容器包括主體部分，該主體部分限定內(nèi)部空間。主體部分具有內(nèi)部長度，其平行于所述放電容器的中心軸線；并具有垂直于所述內(nèi)部長度的內(nèi)部直徑。內(nèi)部長度與內(nèi)部直徑的比值的范圍是1.5-2.0。至少一個腿部從主體部分延伸。至少一個電極定位在放電容器內(nèi)，從而在電流施加在其上時激勵填充物。
在本發(fā)明的另一種實施例中，提供了一種可以以至少200W的功率操作的陶瓷金屬鹵化物燈具。該燈具包括由陶瓷材料形成的用來限定內(nèi)部空間的主體部分。主體部分具有內(nèi)部長度，其平行于所述放電容器的中心軸線；以及內(nèi)部直徑，垂直于所述內(nèi)部長度。內(nèi)部長度與內(nèi)部直徑的比值的范圍是1.5-2.0。分隔開的電極延伸進(jìn)入主體部分。可電離的填充物設(shè)置在主體部分內(nèi)。
在本發(fā)明的另一種實施例中，提供一種制造可以以至少200W的功率操作的陶瓷金屬鹵化物燈具的方法。所述方法包括設(shè)置基本上柱形的放電容器，該容器包括主體部分和第一和第二腿部，后兩者從主體部分延伸，主體部分的內(nèi)部長度與內(nèi)部直徑的縱橫比的范圍是1.5-2.0，并且壁厚至少1mm?？呻婋x的填充物設(shè)置在主體部分內(nèi)。電極定位在放電容器內(nèi)部，當(dāng)電流施加在電極上時激勵填充物。
本發(fā)明至少一個實施例的一個優(yōu)勢是提供了一種性能和使用壽命得到改善的陶瓷電弧管。
本發(fā)明至少一個實施例的另一個優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)元件諸如電弧管的尺寸之間的關(guān)系得到優(yōu)化。
當(dāng)本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀并且理解了下述優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明后，本發(fā)明的其他進(jìn)一步的優(yōu)勢將變得明顯。
此處所用的“電弧管壁載荷”(WL)是電弧管功率(瓦特)除以電弧管表面積(平方毫米)。為了計算WL的目的，表面積是總的外表面的面積，包括端部碗，但是不包括腿部，電弧管功率是包括電極功率的總電弧管功率。
“陶瓷壁厚度”(ttb)定義為電弧管主體的中心部分的壁材料的厚度(mm)。
“縱橫比”(L/D)定義為內(nèi)部電弧管長度除以內(nèi)部電弧管直徑。
“鹵素重量”(HW)定義為電弧管內(nèi)的鹵素的重量(mg)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燈具的透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的圖1所示的燈具的放電容器的示意性軸向剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的圖1所示的燈具的放電容器的示意性軸向剖視圖；圖4是圖2所示的放電容器的分解視圖；圖5是在脈沖電弧鎮(zhèn)流器上操作的燈具的功率/面積(W/mm2)對內(nèi)部長度/內(nèi)部直徑的比率的曲線圖；圖6是在顯色指數(shù)(Ra)至少為91時在脈沖電弧鎮(zhèn)流器上操作的燈的效率(lumen/Watt)(左側(cè)順序軸)和操作電壓(右側(cè)順序軸)對內(nèi)部長度/內(nèi)部直徑的比值的曲線圖具體實施方式
參照圖1，發(fā)光組件包括金屬鹵化物放電燈具10，其適合于在高瓦數(shù)(＞150W)下使用。該燈具包括放電容器或電弧管12，后者具有壁14，該壁由陶瓷或者其他合適的材料形成，包圍放電空間16。放電空間包含可電離填充材料。電極18、20延伸通過電弧管的相對端部22、24，接收來自導(dǎo)電件26、28的電流，所述導(dǎo)電件在電弧管之間提供電勢差并且支撐電弧管12。電弧管12由外燈泡30包圍，后者在其一端設(shè)置有燈泡帽32，由此所述燈具與電源34諸如主電壓連接。發(fā)光組件還包括鎮(zhèn)流器36，在打開燈具時其用作啟動器。所述鎮(zhèn)流器定位在包含燈具和電源的電路內(nèi)。電弧管和外燈泡之間的空間可以抽真空?？蛇x擇地，由石英或者其他合適的材料形成的罩殼(未示出)可以包圍或者局部包圍電弧管，從而在電弧管碎裂的情況下包含可能的電弧管碎片。
鎮(zhèn)流器36可以是設(shè)計成在＞150W操作的任何適當(dāng)類型。兩種特別適合于在200W或更高的功率操作的鎮(zhèn)流器是高壓鈉型(HPS)和脈沖電弧型(PA)鎮(zhèn)流器。HPS鎮(zhèn)流器廣泛用于高壓鈉燈，并且最初能夠在額定操作電壓VOP100±20V下操作的燈中。適用于這些鎮(zhèn)流器的燈具也具有約0.87的額定電弧管功率因子，其定義為操作功率被電流乘以電壓除。
脈沖電弧或“PA”型鎮(zhèn)流器主要用在北美的金屬鹵化物燈中。這些鎮(zhèn)流器不同于其他北美用的金屬鹵化物鎮(zhèn)流器的是，它們包括點火器(脈沖電路)，用以初始化燈具的啟動操作。(HPS鎮(zhèn)流器也有點火器，但是通常脈沖高度較低)。這種PA型鎮(zhèn)流器適合于在額定VOP＝135±15V下工作的燈具。這種燈具通常也具有約為0.91的額定電弧管功率因子。
在兩種類型的鎮(zhèn)流器中，有時希望選擇電弧管的特性，這樣電弧管就可以在額定電壓范圍的上部操作。這樣可以改善性能。但是，太高的電壓可以導(dǎo)致以后燈具壽命的下降。太低的電壓導(dǎo)致燈具的性能(亮度，顏色)降低。
在操作中，電極18、20產(chǎn)生電弧，電離填充材料，在放電空間內(nèi)產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生的光的發(fā)射特性主要依賴于填充材料的組分、電極之間的電壓、腔體內(nèi)的溫度分布、腔體內(nèi)的壓力以及腔體的幾何形狀。
對于陶瓷金屬鹵化物燈具而言，填充材料典型地包括Hg、稀有氣體諸如Ar或Xe、金屬鹵化物諸如NaI、TlI、DyI3、HoI3、TmI3、CeI3，CaI2和CsI的混合物以及它們的組合。CaI2用作顏色調(diào)節(jié)劑。作為點火氣體，氙氣比氬氣有優(yōu)勢，因為其原子較大，可以抑制鎢極的揮發(fā)，使得燈具使用時間更長。在一種示例性實施例中，填充氣體包括Ar或Xe、Hg、以及Na、Tl、Dy、Ho、Tm、Ce、Cs和Ca的碘化物。在一個特別的實施例中，為了在諸如北美脈沖電弧鎮(zhèn)流器的脈沖電弧鎮(zhèn)流器上實現(xiàn)＞90的顯色指數(shù)(Ra)，＞90lumen/W的效率，約為4000K的校色溫度(CCT)，可以在填充物中存在碘化物，以重量百分比測量為18-25％的NaI、1.5-3％的TlI，10-15％的DyI3，5-8％的HoI3，5-8％的TmI3，0-1％的CeI3，30-55％的CaI2，和1-3％的CsI。在一種實施例中，填充物包括約21％的NaI，2％的TlI，13％的DyI3，7％的HoI3，7％的TmI3，1％的CeI3，48％的CaI2，和3％的CsI。在另一種實施例中，為了在HPS鎮(zhèn)流器上實現(xiàn)Ra＞80，效率＞90lumen/W和CCT約為3000K，填充物包括，以重量計，30-40％的NaI，2-8％的TlI，2-10％的DyI3，1-5％的HoI3，1-5％的TmI3，0-1％的CeI3，30-55％的CaI2和2-10％的CsI。在一種特別的實施例中，為了用于HPS鎮(zhèn)流器，填充物包括約35％的NaI，5％的TlI，6％的DyI3，3％的HoI3，3％的TmI3，42％的CaI2，和6％的CsI。填充劑的組成的變化形式也可以使用。對于高壓鈉燈而言，填充材料典型地包括Na，稀有氣體，和Hg。填充材料的其他示例為本領(lǐng)域所公知。例如，參見亞歷山大·杜布魯思肯的《金屬鹵化鹵物燈綜述》，第四屆國際光源科技研討年會(1996)(AlexanderDobrusskin，Review of Metal Halide Lamps，4thAnnual International Symposiumon Science and Technology of Light Sources(1986))。鹵化物的組成可以調(diào)整，從而優(yōu)化電弧管的亮度、色彩和電學(xué)特性。
水銀的重量可以調(diào)節(jié)，由此為從選定的鎮(zhèn)流器抽取功率設(shè)定希望的電弧管操作電壓(VOP)。
金屬鹵化物電弧管回填有稀有氣體，通常為Ar，以促使其啟動。在一個實施例中，適用于CMH燈，該燈用Ar回填，加入少量的Kr85。放射性的Kr85提供幫助啟動的電離作用。冷的填充物壓力約為100-200Torr。在一種實施例中，采用約130Torr的冷的填充物壓力。太高的壓力損害啟動能力。太低的壓力導(dǎo)致使用壽命內(nèi)亮度下降加快。
仍然參照圖2和3，圖示的電弧管12包括3部分結(jié)構(gòu)。圖3中的電弧管除了另有指明的部分外，與圖2中相同。特別的是，電弧管12包括主體部分40，該主體部分40在端部42、44之間延伸。主體部分優(yōu)選地關(guān)于中心軸線x為柱狀或基本上為柱狀?！盎旧蠟橹鶢睢币馕吨黧w部分的內(nèi)徑D在主體部分的中心區(qū)域C上變化不超過10％，所述的中心區(qū)域占主體部分的內(nèi)部長度L的至少40％。這樣，可以在不丟失本發(fā)明的所有優(yōu)勢的情況下實現(xiàn)略微橢圓形的主體。在一種實施例中，上述變化量小于5％，并且在另一種實施例中，該變化量在名義上為柱形的主體的成形過程的公差范圍內(nèi)。當(dāng)直徑變化時，D在其最寬點測量。在圖示的實施例中，端部每一個都整體成形并且包括大致為盤形的壁部46、48，以及軸向延伸的中空腿部50、52，各個電極通過該腿部安裝。腿部可以為柱形，如圖所示，或錐形，使得外徑隨著遠(yuǎn)離主體部分40而減小，如圖3中剖面線所示。
壁部46、48定義放電空間的內(nèi)壁表面54、56和外壁表面58、60；內(nèi)壁表面54、56之間沿平行于電弧管的軸線X的直線測量的最大距離定義為L，外壁表面58、60之間的距離定義為LEXT。圓柱壁40內(nèi)徑為D(最大直徑，在定義為C的中心區(qū)域內(nèi)測量)并且外徑為DEXT。
對于石英金屬鹵化物(QMH)燈而言，事先應(yīng)理解，隨著燈的功率(瓦特)增加，縱橫比應(yīng)該增加。與現(xiàn)有技術(shù)相對照，出乎意料的是發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的縱橫比很大程度上與功率無關(guān)，特別是對于在約250W或更高功率下操作的陶瓷金屬鹵化物(CMH)電弧管而言。如果比值L/D太大，則減少鹵化物蒸汽與占主體的水銀蒸汽的混合。如果L/D太小，則與發(fā)光障礙有關(guān)的末端效應(yīng)和降低的鹵化物冷點溫度將損害燈的性能。對于電弧管功率范圍250-400W而言，比值L/D可以處于1.5-2.0范圍內(nèi)。在一種實施例中，L/D處于1.6-1.8范圍內(nèi)。
端部42、44以氣密方式通過燒結(jié)結(jié)合緊固在圓柱壁40上。端壁部分每個具有開口62、64，限定在軸向孔66、68的內(nèi)側(cè)端部，通過各腿部50、52。所述孔66、68通過密封件80、82接收導(dǎo)線70、72。與導(dǎo)線電連接并由此與導(dǎo)電件連接的電極18、20典型地包括鎢極，并且長度為8-10mm。導(dǎo)線70、72典型地包括鈮和鉬，鈮和鉬的熱膨脹系數(shù)接近氧化鋁，從而減小了在氧化鋁腿部引起的熱應(yīng)力，所述導(dǎo)線可以具有耐鹵化物的襯套，該襯套例如由Mo-Al2O3形成。
以mg計的鹵化物的重量(HW)可以處于40-60mg范圍內(nèi)。如果HW太小，則鹵化物傾向于被限制在陶瓷腿部，這里有意地比電弧管體較冷，并且傾向于沒有足夠的鹵化物蒸汽壓力來提供希望的電弧管性能。如果HW太大，則鹵化物傾向于凝結(jié)在阻礙燈光的電弧管壁上，并且可以導(dǎo)致限制陶瓷材料使用壽命的腐蝕。在這種條件下，多晶氧化鋁(PCA)，特別地傾向于于溶入凝結(jié)的液體中，然后沉積在燈具較冷的區(qū)域。大的HW也傾向?qū)е掠甥u化物的成本導(dǎo)致的制造成本增加。在當(dāng)前的燈具內(nèi)，端壁更熱，所以壁上的鹵化物的量減少，這樣腐蝕被最小化或者被完全消除。
陶瓷壁厚(ttb)，等同于(Dext-D)/2，對于操作在250-400W范圍內(nèi)的電弧管而言，在圓柱部分40處測量得到的值至少為1mm。在一種實施例中，對于操作在該功率范圍內(nèi)的電弧管而言該厚度小于1.8mm。如果ttb太小，則傾向于在壁上通過熱傳導(dǎo)出現(xiàn)不充分的熱分布。這樣可能導(dǎo)致在電弧的對流柱上方存在熱的局部熱點，這又導(dǎo)致破碎以及WL極限的降低。較厚的壁傳播熱量，減少了破碎并且實現(xiàn)更高的WL。一般而言，優(yōu)化的ttb隨著電弧管的尺寸增加；較高的瓦數(shù)得益于具有較厚的壁的較大的電弧管。在一種實施例中，當(dāng)電弧管的功率在250-400W范圍內(nèi)時，1.1mm＜ttb＜1.5mm。對于這種電弧管，壁載荷WL可以滿足表達(dá)式0.10＜WL＜0.20W/mm2。如果WL太高，則電弧管材料可能傾向于變得太熱，如果采用石英，將導(dǎo)致其軟化，如果采用陶瓷，將導(dǎo)致其蒸發(fā)。如果WL太低，則鹵化物的溫度傾向于太低，導(dǎo)致鹵化物蒸汽壓力減小以及性能降低。在一種特別的實施例中，1.3＜ttb＜1.5。端壁46、48的厚度tte優(yōu)選地與主體40相同，即，在一種實施例中，1.1mm＜tte＜1.5mm。
弧隙(AG)是電極18、20的尖端之間的距離?；∠杜c內(nèi)部電弧管長度L成AG+2tts＝L的關(guān)系，其中tts是從電極尖端到限定電弧管主體的內(nèi)端部的各表面54、56的距離。tts的優(yōu)化導(dǎo)致端部結(jié)構(gòu)足夠熱，從而產(chǎn)生足夠的鹵化物壓力，但是不會太熱，使得出現(xiàn)陶瓷材料的初始腐蝕。在一種實施例中，tts約為2.9-3.3mm。在另一種實施例中，tts約為3.1mm。
電弧管腿部50、52，在發(fā)揮電弧管性能所希望的較高的陶瓷主體端部溫度和維持腿部的端部處的密封件80、82所希望的較低溫度之間提供了熱過渡。腿部的最小內(nèi)徑取決于電極導(dǎo)電件的直徑，后者又取決于啟動和持續(xù)操作期間提供的電弧電流。在一種示例性實施例中，當(dāng)功率在250-400W范圍內(nèi)時，可以采用直徑為1.52mm的外部導(dǎo)電件。陶瓷腿部50、52的內(nèi)徑和外徑約為1.6mm和4.0mm，因此分別適合這種導(dǎo)電件70、72。利用這些選定的直徑，大于15mm的外部陶瓷腿部長度Y通常足以避免密封破裂。在一種實施例中，腿部50、52的每一個的腿長約為20mm。
將電弧管主體40連接在其腿部50、52的端壁部分46、48的截面形狀可以是這樣的，即在端壁部分46、48和腿部之間的相交位置形成尖角，如圖2所示。然而，如圖3所示，可替代地在該相交位置形成倒角90。外端部和腿部和端壁部分之間的光滑倒角過渡有利于減小相交部分的應(yīng)力集中。
端壁部分的厚度設(shè)置成足夠大，可以傳播熱量，而且足夠小，可以防止發(fā)光障礙或者使之最小化。離散的內(nèi)角100為鹵化物凝結(jié)提供了優(yōu)選的位置。端壁部分46、48的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了更有利的優(yōu)化，顯著的具有較低L/D的結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)下述特征，單獨或互相結(jié)合，可以協(xié)助優(yōu)化性能1)外端部和腿部之間的光滑倒角過渡減小了應(yīng)力集中，2)端部厚度足夠大，可以傳播熱量，而且足夠小，可以防止發(fā)光障礙，以及3)離散的角為鹵化物凝結(jié)提供了優(yōu)選的位置。
密封件80、82典型地包括氧化鏑-氧化鋁-二氧化硅玻璃，并且可以通過將玻璃粉放置在圍繞導(dǎo)線70、72的環(huán)形內(nèi)，將電弧管垂直對準(zhǔn)，然后熔融該玻璃料從而形成該密封件。熔融的玻璃然后流下進(jìn)入腿部50、52，在導(dǎo)電件和腿部之間形成密封件80、82。然后電弧管倒置，用填充材料填充后密封另一個腿部。
如圖4所示的示例性的主體和插接構(gòu)件120、122、124可以大大促進(jìn)放電腔的制造，因為插接構(gòu)件120、124包括腿部構(gòu)件126和端壁構(gòu)件128，以及形成一個整體的軸向指向的凸緣130。徑向延伸的凸緣132配置成靠在主體122的相對端部上。如圖4所示的這些組件使得放電腔由每個插接構(gòu)件120、124和主體構(gòu)件122之間的單獨結(jié)合構(gòu)建而成。凸緣130在組裝過程中落座在主體內(nèi)，在組裝成的電弧管內(nèi)形成主體的增厚的壁部134(圖3)。凸緣130的內(nèi)邊緣具有向上的錐部136，使得其落座時以最高、較外的邊緣與主體的內(nèi)側(cè)接觸，從而使得圍繞在壁134和主體部分之間的接合位置沉積的填充物排掉。
應(yīng)當(dāng)理解的是，電弧管可以用更少或者更多的組件構(gòu)建，諸如1個或者5個組件。在5個組件結(jié)構(gòu)中，插接構(gòu)件由分開的腿部和端壁構(gòu)件取代，它們在組裝過程中彼此粘合在一起。
主體構(gòu)件122和插接構(gòu)件120、124可以通過用壓模將陶瓷粉末和粘合劑的混合物擠壓成實心圓柱而構(gòu)建。典型地，該混合物包括95-98％重量的陶瓷粉末和2-5％重量的有機粘合劑。陶瓷粉末可以包括純度至少為99.98％而且表面積約為2-10m2/g的氧化鋁(Al2O3)。氧化鋁粉末可以摻雜氧化鎂，限制晶粒長大，例如摻雜量等于氧化鋁的0.03％-0.2％，在一種實施例中摻雜量為氧化鋁重量的0.05％。其他可用的陶瓷材料包括非反應(yīng)性的難熔氧化物和氮氧化物諸如氧化釔、氧化镥和二氧化鉿以及它們的固熔體以及氧化鋁的復(fù)合物諸如釔鋁石榴石和氮氧化鋁?？梢詥为毷褂没蛘呓Y(jié)合使用的粘合劑包括有機聚合物諸如多元醇、聚乙烯醇、乙烯基醋酸酯，丙烯酸酯，纖維素塑料和聚酯纖維。
一種可用于模壓實心圓柱體的示例性的組成包括97％重量的氧化鋁粉末，表面積為7m2/g，可以從北卡來羅那州的夏洛特市的BaikowskiInternational公司獲得，產(chǎn)品號為CR7。氧化鋁粉末摻雜其重量的0.1％的氧化鎂。示例性的粘合劑包括2.5％重量的聚乙烯醇和1/2％重量的Carbowax600，可以從Interstate Chemical公司獲得。
在模壓以后，粘合劑典型地被熱解作用從坯料(green part)移除，形成火燒過的桔黃色部件(bisque-fired part)。熱解作用可以例如通過在空氣中在4-8個小時內(nèi)將該坯料從室溫加熱到最高溫度約900-1000℃，然后保持在最高溫度1-5小時，然后冷卻該坯料。在熱解作用后，火燒過的桔黃色部件的孔隙率典型地為40-50％。
然后機加工火燒過的桔黃色部件。例如，沿該實心圓柱的軸線鉆小孔，形成圖4所示的插接部件120、124的孔66、68?？梢匝夭褰硬考妮S線的一部分鉆較大的孔，來限定凸緣130。最后，原來的實心圓柱的外部可以沿其軸線切削掉，例如用車床，形成插接部件120、124的外表面。
機加工過的部件120、122、124典型地在將這些部件燒結(jié)粘合在一起的步驟之前組裝。根據(jù)示例性的粘合方法，用于形成主體構(gòu)件122和插接構(gòu)件120、124的火燒過的桔黃色部件的密度經(jīng)過選擇，可以在燒結(jié)步驟中實現(xiàn)不同程度的收縮?；馃^的桔黃色部件的不同密度可以采用具有不同表面積的陶瓷粉末來實現(xiàn)。例如，用于形成主體120的陶瓷粉末的表面積為6-10m2/g，而用于形成插接構(gòu)件120、124的陶瓷粉末的表面積為2-3m2/g。主體構(gòu)件122內(nèi)較精細(xì)的粉末使得火燒過的桔黃色的主體構(gòu)件122的密度小于由較粗糙的粉末制成的火燒過的桔黃色的插接構(gòu)件120、124。主體構(gòu)件122的火燒過的桔黃色部件的密度典型地為氧化鋁的理論密度(3.986g/cm3)的42-44％，插接構(gòu)件120、124的火燒過的桔黃色部件的密度典型地為氧化鋁的理論密度的50-60％。由于火燒過的桔黃色的主體構(gòu)件122的密度小于火燒過的桔黃色的插接構(gòu)件120、124，所以主體構(gòu)件122在燒結(jié)的過程中比插接構(gòu)件120、124收縮的程度大，形成圍繞凸緣130的密封。通過在燒結(jié)前組裝三個部件120、122、124，燒結(jié)步驟將兩個組件粘合，形成放電腔。
燒結(jié)步驟可以在露點溫度10-15℃的氫氣中加熱火燒過的桔黃色的部件。典型地，溫度階段性地從室溫升高到約1850-1880℃，然后保持在1850-1880℃約3-5小時。最后，在冷卻階段將溫度降低到室溫。在陶瓷粉末中含入氧化鎂典型地抑制了晶粒尺寸大于75微米。形成的陶瓷材料包括密集燒結(jié)的多晶氧化鋁。
根據(jù)另一種粘合方法，例如包括難熔玻璃的玻璃粉可以放置在主體構(gòu)件122和插接構(gòu)件120、124之間，在加熱時將兩個組件粘合在一起。根據(jù)這種方法，這些部件可以在組裝前獨立地?zé)Y(jié)。
主體構(gòu)件122和插接構(gòu)件120、124典型地在燒結(jié)后每個都具有小于等于約0.1％的孔隙率，優(yōu)選地小于0.01％。孔隙率傳統(tǒng)的定義為被孔隙占有的部件的總體積的比例。在孔隙率為0.1％或更小時，氧化鋁典型地具有適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)透射率或半透明性。透射率或者半透明性可以定義為“總透射率”，是放電腔內(nèi)的小型白熾燈被傳輸?shù)墓馔砍月惆谉霟舯粋鬏數(shù)墓馔康闹?。在孔隙率?.1％或更小時，總透射率典型地為95％或更高。
根據(jù)另一種示例性的構(gòu)造方法，放電腔的組成部件可以通過將約45-60％體積的陶瓷材料和約55-40％體積的粘合劑的混合物利用注射塑模方式形成。陶瓷材料可以包括表面積為約1.5至約10m2/g的氧化鋁粉末，典型地為3-5m2/g。根據(jù)一種實施例，氧化鋁粉末的純度至少為99.98％。氧化鋁粉末可以摻雜氧化鎂，抑制晶粒長大，例如摻雜量等于氧化鋁重量的0.03％-0.2％，如0.05％。粘合劑可以包括蠟混合物或者聚合物混合物。
在注射塑模過程中，陶瓷材料和粘合劑的混合物被加熱形成高粘性混合物。該混合物然后注入合適形狀的塑模中，然后冷卻形成模制部件。
注射塑模后，粘合劑典型地通過熱處理從模制部件移除，形成無粘合劑部件。可以通過在空氣中或受控環(huán)境中，例如，真空、氮氣、稀有氣體中實施，加熱該模制部件至最高溫度，然后保持最高溫度。例如，溫度可以緩慢升高，每小時約升高2-3℃，從室溫升高到160℃。接著，溫度每小時100℃地升高到900-1000℃的最高溫度。最后，保持900-1000℃的溫度約1-5小時。然后該部件冷卻。熱處理步驟后，孔隙率約40-50％。
火燒過的桔黃色的部件典型地在燒結(jié)前組裝，使得可以以與上述類似的方式實施燒結(jié)步驟，將部件粘合在一起。
在所形成的燈具上進(jìn)行的測試中，發(fā)現(xiàn)可以形成能在至少200W功率操作的燈具，能夠在300-400W或更高的功率操作的燈具，并且這些燈具在L/D滿足關(guān)系式1.50＜L/D＜2.00時是優(yōu)化的。在一種實施例中，壁厚大于1.1mm。在另一種實施例中，壁載荷小于0.20W/mm2。在這種條件下，用額定操作電壓約為135V的脈沖電弧鎮(zhèn)流器操作的燈具具有的Ra值大于90，效率至少為90％，在某些情況下，甚至高達(dá)95％，功率因子(PF)至少為0.87，甚至在一種實施例中為0.88或更高。在一種實施例中，PF至少為0.90。為實現(xiàn)這些結(jié)果，該燈具可以在有點超過鎮(zhèn)流器的額定操作電壓的電壓下操作，例如，超過額定電壓約10V，在一種實施例中，超過約5V(在額定操作電壓為135V的鎮(zhèn)流器中電壓為135-140V)。一種示例性的燈具具有的瓦數(shù)為250W。對于額定操作電壓為100V的HPS鎮(zhèn)流器而言，優(yōu)化的操作電壓也可以較高，例如，直到約110V。
下述示例說明利用陶瓷容器的具有改善的性能的燈具的形成過程，而不是用于限定本發(fā)明的范圍。
示例1根據(jù)如圖2所示的形狀，電弧管用3個組成部件形成，如圖4所示。采用包括20.6％的NaI，2.1％的Tl，12.8％的DyI3，6.5％的HoI3，6.5％的TmI3，0.8％的CeI3，48％的CaI2，和2.7％的CsI的填充物。金屬鹵化物電弧管采用稀有氣體回填，其包括Ar和少量添加的Kr85。冷的填充物壓力為130Torr。電弧管組裝進(jìn)入具有外部真空殼體和用于容納可能的電弧管碎片的石英罩殼的燈具內(nèi)，并且其運行在北美“脈沖電弧”鎮(zhèn)流器上。電弧管的腿的幾何形狀、導(dǎo)線設(shè)計、密封參數(shù)以及外部殼體對于所有測試的燈具都一樣，除了300W的燈具采用不同的電極。
如上所述形成的燈具在垂直取向下運行(即，如圖3所示)，燈帽定位在最上端。表1示出了該燈具的特性以及操作過程中的特性。每個數(shù)據(jù)點代表采用相同的電弧管設(shè)計的一組燈具的平均值。
在列出的操作中，發(fā)現(xiàn)下述操作產(chǎn)生特別有效的結(jié)果Run 9，12。
對于在300-400W范圍內(nèi)操作的燈具而言，發(fā)現(xiàn)滿足下述關(guān)系PF＝0.9875+0.0431*L/D+0.0044*WL-0.00052*HW-0.0011*VopEff＝107.57-8.464*L/D-83.7*WL-0.169*HW+0.167*VopRa＝75.365-0.4401*L/D+64.7*WL-0.1029*HW+0.0058*Vop其中PF是電弧管的功率因子，定義為操作功率除以電流乘以電壓。在脈沖電弧鎮(zhèn)流器上操作的優(yōu)化的PF額定為0.91，但是實踐中發(fā)現(xiàn)PF略小，例如0.87或更高，在一種實施例中為0.88或更高。Eff是以流明/瓦特計的燈具效率，對于優(yōu)化的實施而言是最大化的，即接近100lumen/watt或更高。Ra是顯色指數(shù)，對于優(yōu)化的實施而言也是最大化的，即，盡可能接近100。應(yīng)當(dāng)理解的是，所有這三個特性PF、Ra和Eff的同時優(yōu)化通常不太可能，因為優(yōu)化一個，則傾向于導(dǎo)致另外兩個特性中的一個或者兩個不優(yōu)化。因此，燈具的全面優(yōu)化涉及三個因子的平衡。
例如，當(dāng)函數(shù)L/D滿足Ra≥91和PF＝0.91*135/Vop(參見圖6)的限制時，得到最大Eff。所述限制確保了降低到額定值(對于所用的特定鎮(zhèn)流器而言)以下的功率因子通過將電壓升高到額定值之上來補償，使得保持功率處于額定值或大約為額定值。在限制Ra＝91時總是得到最大的Eff，這是電弧管設(shè)計中一個無法避免的交替損益的示例。計算出的數(shù)據(jù)如圖5所示，對于包圍在矩形內(nèi)的特別的應(yīng)用而言是優(yōu)化值。在L/D＝1.65時，Eff最大。低于該值的方案因其需要Vop＞140V而被拋棄，140V是特別的情形下的鎮(zhèn)流器的相容性的實際安全上限。如果鎮(zhèn)流器能在更高的電壓操作，該上限可以提高。對于所述這個示例的應(yīng)用的優(yōu)化值是HW＝45mg并且WL＝0.17W/mm2。實際的設(shè)計可以相對于理論優(yōu)化值而言存在一些偏差，因為電弧管的直徑通常僅為離散值。
示例2電弧管與示例1中相同，根據(jù)如圖2所示的形狀用3個組成部件形成，如圖4所示。采用包括重量上35.3％的NaI，4.9％的TlI，6.3％的DyI3，3.2％的HoI3，3.2％的TmI3，41.6％的CaI2，和5.5％的CsI的填充物。金屬鹵化物電弧管采用稀有氣體回填，其包括Ar和少量添加的Kr85。冷的填充物壓力為130Torr。電弧管組裝進(jìn)入具有外部真空殼體的燈具內(nèi)，并且在HPS鎮(zhèn)流器上運行。電弧管的腿的幾何形狀、導(dǎo)線設(shè)計、密封參數(shù)以及外部殼體對于所有測試的燈具都一樣。對于電極進(jìn)行了小改動，從而在不同的功率載荷下適應(yīng)不同的電弧電流。
如上所述形成的燈具或在垂直取向VBU(即，如圖3所示)運行，燈帽定位在最上端，或在水平取向HOR(如圖2所示)運行。表2示出了燈具的特性和操作過程中的特性。每個數(shù)據(jù)點代表采用相同的電弧管設(shè)計的一組燈具的平均值。
鹵化物的組分設(shè)計成實現(xiàn)在HPS整流器上運行時Ra＞80，Eff＞90lm/W，并且CCT約為3000K。發(fā)現(xiàn)Run 41、42、51和52對于本示例中所用的條件特別有效。
利用充足的數(shù)據(jù)，可以對HPS鎮(zhèn)流器設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，類似于上述所示的對于PA鎮(zhèn)流器數(shù)據(jù)一樣。
至此已經(jīng)參照優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明。顯然，在閱讀和理解前述詳細(xì)說明后可以在其他的實施例中進(jìn)行改動和替換。此處說明，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明包括所有這類改動和替換。
表1

表2

權(quán)利要求
1.一種發(fā)光組件，包括鎮(zhèn)流器(36)和與其電連接的燈具(10)，所述鎮(zhèn)流器經(jīng)過選擇，使得所述燈具在大于200W的功率操作，所述燈包括容納可電離材料填充物的放電容器(12)，所述放電容器包括主體部分，其限定內(nèi)部空間。所述主體部分具有內(nèi)部長度，其平行于所述放電容器的中心軸線；以及垂直于所述內(nèi)部長度的內(nèi)部直徑，其中所述內(nèi)部長度與所述內(nèi)部直徑的比值的范圍是1.5-2.0，和至少一個電極(18、20)，該電極定位在所述放電容器內(nèi)，從而在電流施加在其上時激勵填充物。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述主體基本上為柱形。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述內(nèi)部長度與所述內(nèi)部直徑的比值的范圍是1.6-1.8。
4.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述放電容器的主體部分的壁載荷小于0.20W/mm2。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述主體部分的壁厚的范圍是1.1-1.5mm。
6.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述放電容器由陶瓷制成。
7.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述填充物包括Hg和Na、Tl、Dy、Ho、Tm、Ce、Cs和Ca的一種或多種的碘化物中，以及Ar和Xe中的至少一種惰性氣體。
8.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光組件，其中所述主體部分包括基本上為柱形的壁以及連接在所述柱形壁任意一個端部的兩個分隔開的端壁，所述端壁處于大致垂直于所述中心軸線。
9.如權(quán)利要求8所述的發(fā)光組件，其中所述放電容器還包括至少一個腿部(50、52)，后者從所述至少一個端壁延伸，所述端壁在其至少局部內(nèi)支撐至少一個電極。
10.如權(quán)利要求9所述的發(fā)光組件，其中在所述放電容器的外表面上，所述腿部和所述端壁在其兩者相交的位置限定有倒角。
全文摘要
一種金屬鹵化物燈具(10)具有陶瓷電弧管(12)，該陶瓷電弧管具有內(nèi)部長度L，內(nèi)部直徑D，和介于約1.5和約2.0之間的縱橫比L/D，所述電弧管內(nèi)部包含合適的填充物。所述燈具的額定功率為200W或者更高，并且可以與現(xiàn)有的鎮(zhèn)流器一起使用。
文檔編號H01J61/82GK1950925SQ200580013504
公開日2007年4月18日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者詹姆斯·T·達(dá)金, 馬修·巴根斯基, 加里·W·厄特巴克 申請人:通用電氣公司