專利名稱：高氣壓金屬鹵化物放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括透光燈室的高氣壓金屬鹵化物放電燈，該燈室以氣密的方式密封，并裝有包括惰性氣體和金屬鹵化物的可電離填充物，并且與穿過燈室而伸到外部的電流導(dǎo)體連接的鎢電極設(shè)置在該燈室中，所述電極配有發(fā)射體，該發(fā)射體包括作為主要成分的鎢，該鎢至少包括選自氧化鉿和氧化鋯的第一氧化物，以及至少一種另外的氧化物，該另外的氧化物選自元素釔的氧化物、氧化鑭(lanthane)和鑭系元素的氧化物所組成的組，所述電極和發(fā)射體基本不含氧化釷。
可由EP-Al-0647964(PHN 14.605)獲知這種高氣壓金屬鹵化物放電燈。所述已知的燈具有特別是由其可電離填充物確定的發(fā)射光譜和色點(diǎn)。并且已知燈的電極在它們的自由端處或在自由端附近配有發(fā)射體。所述發(fā)射體包括占體積的7％到30％的氧化物。
帶有發(fā)射體的電極具有較低的電子功函數(shù)，結(jié)果是工作期間其溫度低于沒有發(fā)射體的電極。因此，電極(和發(fā)射體)材料的蒸發(fā)及其在燈室上的淀積出現(xiàn)的程度更小。結(jié)果，具有帶發(fā)射體的電極的燈的保持性更好；在其服務(wù)壽命期間其發(fā)光效率(lm/W)顯示出比具有無發(fā)射體的電極的燈降低得更少。發(fā)射體的第二個(gè)特性是它使得在燈的啟動期間有更短的輝光時(shí)間。結(jié)果燈的啟動性能更好，并且更少的電極(和發(fā)射體)材料被濺射到壁上，使得保持性更好。
還已知在鎢中結(jié)合氧化物可產(chǎn)生在高氣壓金屬鹵化物放電燈中具有合適特性的發(fā)射體。盡管已知的高氣壓金屬鹵化物放電燈的電極基本上不含氧化釷，但該電極至少具有基本上相等的功函數(shù)勢。這是值得注意的，因?yàn)樵谟糜诎l(fā)射體中的單獨(dú)的各氧化物中并不存在氧化釷中所備有的基本特性。因此，在第一種情況下，應(yīng)得出這樣的結(jié)論，即單獨(dú)的各氧化物幾乎不適合用作發(fā)射體。對氧化物結(jié)合的有益效果的一種可能解釋是第一氧化物已經(jīng)與另外的氧化物形成了例如具有氟石結(jié)構(gòu)的化合物。
發(fā)射體的鎢具有帶有晶粒邊界的晶粒結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，氟石顯示出極強(qiáng)的穩(wěn)定性和不動性。氟石如此固定，以致它們幾乎不，或者說根本就不會沿著晶粒邊界從發(fā)射體的塊體(mass)向電子發(fā)射表面擴(kuò)散。結(jié)果，在發(fā)射體中以這種形式向電子發(fā)射表面提供的氧化物減少得非常明顯。但是已發(fā)現(xiàn)，在已知的燈中，在服務(wù)壽命期間氧化物供應(yīng)的不連續(xù)導(dǎo)致電子發(fā)射表面的過早耗盡。在已知的燈中這種過早耗盡通過使用具有相對較大量氧化物例如第一氧化物的發(fā)射體而被抵消。
包括具有已知發(fā)射體的電極的已知的燈有在燈服務(wù)壽命的早期大量氧化物蒸發(fā)的缺點(diǎn)，這可以歸因于在電子發(fā)射表面相對較高濃度的氧化物的存在。這在一方面，由于相對快速蒸發(fā)的氧化物淀積在燈室上，并因此對光透射率有不良影響，導(dǎo)致保持性再次落后于具有釷的燈，而且另一方面，由于氧化物與燈中存在的可電離填充物的反應(yīng)，這還導(dǎo)致相對較大的色點(diǎn)變化。作為這種反應(yīng)的結(jié)果，在服務(wù)壽命期間，當(dāng)燈處于工作狀態(tài)時(shí)，燈的填充物的氣體組成發(fā)生變化。具有坐標(biāo)(x，y，z)的色點(diǎn)，其x坐標(biāo)尤其會改變。
本發(fā)明的目的是提供一種改善的開篇中所述類型的高氣壓金屬鹵化物放電燈，在該燈中上述缺點(diǎn)至少被極大地消除。
根據(jù)本發(fā)明，該目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即另外的氧化物是作為第二氧化物的氧化鑭，和作為第三氧化物的至少一種氧化物，該氧化物選自元素39和58到71的氧化物構(gòu)成的組，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在發(fā)射體中的重量百分比為M3，M和M3的值列于表1中。
表1
本發(fā)明人已認(rèn)識到，為了實(shí)現(xiàn)在服務(wù)壽命期間所述合適的發(fā)射體特性，即短的輝光時(shí)間，持久的低功函數(shù)和借助于經(jīng)由來自發(fā)射體塊體的擴(kuò)散的、連續(xù)而均勻的氧化物供應(yīng)所產(chǎn)生的氧化物的慢蒸發(fā)，發(fā)射體必須包括在鎢中的合適的量和比例的氧化物。列于表1中的發(fā)射體中氧化物的值M和M3會產(chǎn)生希望的結(jié)果。來自發(fā)射體塊體的氧化物供應(yīng)取決于它們的擴(kuò)散速率和濃度。除電極的溫度外，這種供應(yīng)還取決于氧化物的絕對量，在發(fā)射體中氧化物耦合的方式，和氧化物沿著發(fā)射體中鎢晶粒的晶粒邊界穿過晶粒結(jié)構(gòu)的傳輸能力。
來自發(fā)射體的氧化物的損失也取決于發(fā)射體中存在的氧化物的量。如果存在大量氧化物，則特別是在燈工作期間的早期，由于在電子發(fā)射表面中氧化物的高濃度，將造成大量氧化物蒸發(fā)。盡管這些氧化物可能被捕獲在發(fā)射體塊體中，并且從塊體向電子發(fā)射表面的供應(yīng)進(jìn)行得緩慢，這種現(xiàn)象仍會發(fā)生。
已知發(fā)射體塊體的結(jié)構(gòu)在發(fā)射體蒸發(fā)的程度和方式方面起重要作用。對發(fā)射體的研究揭示出為實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)射體特性要求三種氧化物的每一種都存在，并且每種單獨(dú)的氧化物有其特定的作用。
已發(fā)現(xiàn)為獲得燈的良好的保持性和色點(diǎn)穩(wěn)定性，氧化鑭是必要的。在這方面，重要的是在服務(wù)壽命期間要保留足夠多的自由氧化鑭，即它不與第一氧化物在氟石結(jié)構(gòu)中耦合。為此，第一氧化物和氧化鑭之間的比值受到限制。因此，根據(jù)本發(fā)明的燈總是包括在發(fā)射體中部分以未耦合狀態(tài)存在的氧化鑭，并且所述未耦合部分在其穿過發(fā)射體塊體的傳輸性能上不受具有氧化鋯的化合物所阻礙。
氧化鋯和氧化釔對發(fā)射體的供應(yīng)和蒸發(fā)來說都是重要的，但對氧化物的蒸發(fā)來說尤其重要。氧化鋯影響氧化物的傳輸，因?yàn)樗c氧化鑭和氧化釔形成非常穩(wěn)定的化合物，該化合物例如具有氟石型的結(jié)構(gòu)。特別是通過使晶粒邊界保持打開，氧化鋯還影響氧化物沿晶粒邊界的傳輸能力。氧化釔對鎢晶粒有抑制晶粒生長的效果，因此鎢的晶粒結(jié)構(gòu)受到控制并且晶粒保持較小。結(jié)果，氧化物例如通過擴(kuò)散而由塊體向電子發(fā)射表面的傳輸能力受到影響，使得其供應(yīng)延長并且更均勻。此外，氧化釔減小了電子從電極離開的功函數(shù)。
借助于通過氧化鋯和氧化釔影響氧化物沿晶粒邊界的傳輸能力，使得由塊體向電子發(fā)射表面的漫長而相對較低劑量的均勻供應(yīng)成為可能。繼而，通過來自塊體的擴(kuò)散，將氧化物提供給所述電子發(fā)射表面。通過所述劑量受到控制的(dosed)、均勻的供應(yīng)，使得在燈的服務(wù)壽命期間電子發(fā)射表面處總是有充足的氧化物，從而當(dāng)燈被啟動時(shí)，電極的輝光時(shí)間短，并且當(dāng)燈處于工作狀態(tài)時(shí)，功函數(shù)保持較低，進(jìn)而電極溫度保持較低。由于在電子發(fā)射表面處氧化物的相對較低的濃度，使氧化物的蒸發(fā)也較低。這帶來了高氣壓金屬鹵化物放電燈的改善的保持性和色點(diǎn)穩(wěn)定性。
與已知的發(fā)射體不同，根據(jù)本發(fā)明的燈的電極中第一氧化物的重量百分比小，最好在發(fā)射體塊體的0.05wt.％和0.5wt.％之間。第一氧化物的重量百分比高于0.5wt.％容易導(dǎo)致如此多被穩(wěn)定耦合的第二和第三氧化物的形成，以致于在燈的服務(wù)壽命期間有可能在電子發(fā)射表面處出現(xiàn)過早耗盡的現(xiàn)象。在進(jìn)一步的研究中已發(fā)現(xiàn)，較低的第一氧化物的重量百分比足以實(shí)現(xiàn)鎢晶粒結(jié)構(gòu)的充分打開，并且氧化物向電子發(fā)射表面的傳輸比在該第一氧化物的重量百分比更高時(shí)被控制得更好。在這些低的第一氧化物重量百分比下，如果第一氧化物的重量百分比高于0.05wt.％，就幾乎不會出現(xiàn)過早耗盡現(xiàn)象。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的燈的保持性和色點(diǎn)穩(wěn)定性相對于已知的同種類型的燈來說得到改善，同時(shí)輝光時(shí)間和功函數(shù)保持足夠小。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在氧化物的蒸發(fā)方面，通過選擇與一些氧化鑭結(jié)合的極微量的第一氧化物可以使發(fā)射體最佳化，其中所述一些氧化鑭與第一氧化物按氟石結(jié)構(gòu)耦合。最好，第一氧化物和第二氧化物共同的重量百分比在發(fā)射體塊體的1wt.％和3wt.％之間的范圍內(nèi)。已發(fā)現(xiàn)，第一和第二氧化物的重量百分比高于3wt.％不會帶來有用的輝光時(shí)間和功函數(shù)的降低，但卻會導(dǎo)致來自發(fā)射體的氧化物通過蒸發(fā)而被不必要地大量損失的風(fēng)險(xiǎn)增大。如果重量百分比低于1wt％，輝光時(shí)間和功函數(shù)的降低和由此造成的電極溫度的降低都如此小，以至它們明顯地不夠。在這種低重量百分比下相對較長的輝光時(shí)間和高電極溫度的結(jié)果是，鎢的蒸發(fā)將顯著增大，從而導(dǎo)致燈的保持性差。
在另一個(gè)實(shí)施例中，由于第一、第二和第三氧化物一起最大占發(fā)射體塊體的10wt％，因而氧化物的蒸發(fā)受到限制。更高的重量百分比不會帶來有用的功函數(shù)的降低，而是導(dǎo)致氧化物蒸發(fā)的增加，這對于色點(diǎn)穩(wěn)定性是不利的。
可以以各種方式使用發(fā)射體，例如象在已知的燈中那樣以小球的方式或燒結(jié)的電極的方式。在處于工作狀態(tài)的燈具有非常高的電極溫度的情況下，例如工作期間具有2500K或更高電極溫度的HPI燈，在燒結(jié)的電極中不可能使用發(fā)射體，因?yàn)榘l(fā)射體消耗得太快，并且其結(jié)果是燈顯示出差的啟動和保持性能。在這些燈中，發(fā)射體最好以小球方式設(shè)置在例如電極螺旋中。由于小球與電極螺旋充分地?zé)峤^緣，在燈啟動期間電極充分變熱以保證良好的啟動性能。在燈工作期間，相對于在同樣條件下沒有小球的相同電極來說，小球有助于為將電極螺旋保持在更低并因此是更有利的溫度下而進(jìn)行的熱耗散。
由EP-A2-0756312本身可獲知在高氣壓金屬鹵化物放電燈的電極中冷卻部件的使用。這些冷卻部件是燒結(jié)的，并主要由鎢或鉬構(gòu)成，所述鎢或鉬被按1wt.％添加了分布在它們的塊體中的燒結(jié)活性成分，例如鎳或鉑。但是由于有昂貴的燒結(jié)活性成分，這種構(gòu)造相對較昂貴。此外，冷卻部件不具有發(fā)射體特性。
為檢驗(yàn)發(fā)射體，對小球形式的這種材料進(jìn)行測試。利用各種適合的技術(shù)如溶膠-凝膠(sol-gel)方法、球磨方法等制造該小球。但作為一個(gè)替代的辦法，可將該發(fā)射體用于燒結(jié)的電極中。最好將其用于根據(jù)本發(fā)明的燈中，該燈包括在其上附加了小球形式的發(fā)射體的電極。該小球可以設(shè)置于電極中。
電極和小球的鎢可以含有雜質(zhì)和總含量例如達(dá)鎢重量的0.01wt.％的控制鎢晶粒生長的常用添加劑，如鉀、鋁和硅。作為所述添加劑的結(jié)果，在燈服務(wù)壽命期間鎢晶粒的粗化被減慢，所述鎢晶粒的粗化會導(dǎo)致不希望的來自小球的氧化物損失的加速。
依高氣壓金屬鹵化物放電燈的類型而定，電極可以具有各種形狀和尺寸。例如，電極可以在其自由端或自由端附近例如與鎢導(dǎo)線纏繞在一起，該鎢導(dǎo)線例如由制成電極本身的鎢材料制成。這種纏繞法可以用來在燈工作期間在電極兩端提供所希望的溫度梯度，以便適應(yīng)該小球或促進(jìn)啟動過程。另一方面，在電極的自由端，電極可以是例如球形或半球形的。
電極例如可以彼此相鄰或相對地設(shè)置在燈室中。燈室可以由具有高SiO2含量的玻璃例如石英玻璃制成，但另一方面也可以例如由諸如石英或多晶氧化鋁或藍(lán)寶石這樣的結(jié)晶材料制成。如果需要，可以將燈室裝在封閉的外殼中。


圖1以側(cè)視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的高氣壓金屬鹵化物放電燈的一個(gè)實(shí)施例。
在圖1中，高氣壓金屬鹵化物放電燈帶有透光燈室1，在圖中該燈室1由石英玻璃制成，并以氣密的方式封閉。燈室裝有可電離填充物，該可電離填充物帶有惰性氣體和金屬鹵化物。所示燈的填充物包括汞，鈉、銦、鉈的碘化物，和由99.8％體積的氖和0.2％體積的氪組成的填充壓力為50毫巴的惰性氣體。鎢電極2設(shè)置在燈室中，并與由鉬制成的電流導(dǎo)體3相連，在圖中該電流導(dǎo)體3穿過燈室伸到外部并經(jīng)電接觸部件7和8與燈頭5相連。電極帶有在小球6中的氧化的電子發(fā)射體。所示燈有一個(gè)裝有燈頭5的硬質(zhì)玻璃外殼4。
每個(gè)電極的小球6基本上不含氧化釷，并具有分布在其塊體中的選自氧化鉿和氧化鋯的第一氧化物、作為第二氧化物的氧化鑭，和作為第三氧化物的原子序數(shù)為39和58到71的元素之一的氧化物，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在發(fā)射體中占絕對重量百分比M3，M和M3的值列于表1中。
表1
所示燈的功耗為400W。
制造包括電極的燈，所述電極具有不同組成的發(fā)射體，所述發(fā)射體為根據(jù)本發(fā)明的小球形式，將所述燈與具有有不同組成的發(fā)射體但在其它所有方面都相同的燈進(jìn)行比較。通過將鎢粉與適當(dāng)?shù)囊环N氧化物(或多種氧化物)粉末混合而制造小球。將該混合物壓實(shí)并燒結(jié)，由此形成具有約1.5mm厚度和約為理論密度的95％的高密度的桿形小球。但對于其它類型的燈，如在填充物中含有稀土金屬的類型，也可以使用不同密度的小球。
使燈工作2000小時(shí)，其后對它們的保持性(maint.)和它們的色點(diǎn)偏移(Δclpt.)進(jìn)行測量。發(fā)射體組成和燈的結(jié)果列于表2。為進(jìn)行比較，列出了具有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)射體的燈的組成和結(jié)果。表2
表2示出了根據(jù)本發(fā)明的燈，該燈具有含有三種氧化物并且ZrO2和La2O3相互間有合適的摩爾比的發(fā)射體組分，例如W+0.1wt.％ZrO2+2wt.％La2O3+6wt.％Y2O3，該燈具有良好的保持性和小的色點(diǎn)偏移。使用只包括W+ThO2的發(fā)射體組成可產(chǎn)生有同等特性的燈。包括只有一種或兩種氧化物的發(fā)射體組成的其它燈在所有情況下在實(shí)際中顯示出相當(dāng)大的、不利的色點(diǎn)偏移。對于實(shí)際的應(yīng)用來說，15個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的色點(diǎn)偏差被認(rèn)為是有問題的。在許多情況下，燈的保持性也比根據(jù)本發(fā)明的燈差，例如W+7.6wt.％HfO2+5.7wt.％Y2O3；W+10wt.％Y2O3的燈。
上述結(jié)果清楚地顯示出三種氧化物的最佳效果。
權(quán)利要求
1.一種包括透光燈室的高氣壓金屬鹵化物放電燈，該燈室以氣密的方式密封，并裝有包括惰性氣體和金屬鹵化物的可電離填充物，并且與穿過燈室而伸到外部的電流導(dǎo)體連接的鎢電極設(shè)置在該燈室中，所述電極配有發(fā)射體，該發(fā)射體包括作為主要成分的鎢，所述鎢至少包括選自氧化鉿和氧化鋯的第一氧化物，以及至少一種另外的氧化物，所述另外的氧化物選自元素釔的氧化物、氧化鑭和鑭系元素的氧化物組成的組，所述電極和發(fā)射體基本不含氧化釷，其特征在于，所述另外的氧化物是作為第二氧化物的氧化鑭，和作為第三氧化物的選自元素39和58到71的氧化物構(gòu)成的組的至少一種氧化物，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在發(fā)射體中重量百分比為M3，M和M3具有表1中所列的值表1
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2.如權(quán)利要求1所述的燈，其特征在于，第一氧化物是氧化鋯，而第三氧化物是氧化釔。
3.如權(quán)利要求1所述的燈，其特征在于，第一氧化物占發(fā)射體塊體的0.05-0.5wt.％。
4.如權(quán)利要求1-3所述的燈，其特征在于，第一氧化物和第二氧化物合起來占發(fā)射體塊體的1-3wt.％。
5.如權(quán)利要求1-3所述的燈，其特征在于，第一、第二和第三氧化物的體合起來最大占發(fā)射體塊體的10wt.％。
6.如權(quán)利要求1-3所述的燈，其特征在于，發(fā)射體以小球形式存在。
全文摘要
高氣壓金屬鹵化物放電燈,包括具有可電離填充物的石英玻璃燈室(1)。所述石英玻璃燈室具有兩個(gè)與電流導(dǎo)體(3)相連的電極(2)。電極帶有發(fā)射體(6)。所述發(fā)射體含有作為主要成分的鎢和至少三種氧化物,第一氧化物選自氧化鉿和氧化鋯,第二氧化物為氧化鑭,而第三氧化物選自氧化釔和其原子序數(shù)在從58到71范圍內(nèi)的元素的氧化物。帶有該發(fā)射體的根據(jù)本發(fā)明的燈在其壽命期間顯示出良好的保持性和非常小的色偏移。
文檔編號H01J61/06GK1252891SQ98804340
公開日2000年5月10日 申請日期1998年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月22日
發(fā)明者C·J·M·德門, A·M·M·斯莫爾德斯, F·J·C·范蒂克 申請人:皇家菲利浦電子有限公司