專利名稱:高壓氣體放電燈的制作方法
本發(fā)明闡述了一種設(shè)有一個(gè)半透明管式陶瓷燈芯的高壓氣體放電燈，燈芯以真空密閉的方式封接在燈內(nèi)。該燈芯設(shè)有一對電極，并充滿電離氣體，燈芯兩極設(shè)有導(dǎo)電元件，各與一相應(yīng)電極和一相應(yīng)外導(dǎo)電體相聯(lián)，至少有一個(gè)導(dǎo)電元件由一個(gè)導(dǎo)電燒結(jié)體構(gòu)成。該燒結(jié)體陶瓷顆粒間含有金屬微粒。這種電燈已在美國專利4，155，758中加以說明。
陶瓷燈芯是用于那類通電時(shí)燈芯會(huì)達(dá)到100℃或更高溫度的電燈的，如摻加鹵素的高壓鈉放電燈和高壓水銀放電燈。需要說明，“陶瓷燈芯”在此意指包含諸如半透明氣密氧化鋁，鋁酸鎂、氧化釔、釔鋁石榴石和剛玉等單晶或多晶材料的燈芯。多種晶材料可以摻加一種或多種影響燈芯制造燒結(jié)過程的添加劑，如在氧化鋁中，可摻加萬分之幾的氧化鎂以及/或氧化釔。
高壓放電燈內(nèi)的電離填充氣體的成分和燈管材料的熱膨脹系數(shù)都嚴(yán)格限制了能夠以管、絲、帽蓋的形式用于構(gòu)成這種電燈導(dǎo)電元件的金屬種類。在予定以直立式電極對通電的電燈中，導(dǎo)電元件之一，如上導(dǎo)體，與另一導(dǎo)體相比，有時(shí)要承受腐蝕性更強(qiáng)的媒介物，因而在這些電燈中，一個(gè)導(dǎo)電元件材料的選擇要比另一導(dǎo)體的材料的選擇受到更為嚴(yán)格的限制。鈉是最常用作導(dǎo)電元件的材料，但其價(jià)格太貴。
在按上述美國描述的電燈中，使用了所謂的金屬陶瓷作為導(dǎo)電元件。這種金屬陶瓷的陶瓷顆?？捎膳c燈芯一樣或類似的材料構(gòu)成。具有(與上述顆粒)不同的熱膨脹系數(shù)的金屬，按照給定的體積百分比，散布在陶瓷顆粒之間。利用上述美國描述的導(dǎo)電金屬陶瓷，在陶瓷顆粒尺寸較大時(shí)，金屬的體積百分比則可小一些。然而，為得到導(dǎo)電的金屬陶瓷，為即使利用大的顆粒(400-800/μm)，金屬的體積百分比至少為4.5%。因此，上述美國指出，為了最充分地利用金屬粉，要防止細(xì)小的陶瓷顆粒。
根據(jù)上述美國，陶瓷顆粒上均勻地復(fù)蓋了一層金屬粉，在金屬陶瓷中，整個(gè)金屬涂層構(gòu)成一個(gè)獨(dú)自的連續(xù)相位，其形式為三維金屬網(wǎng)絡(luò)，陶瓷顆粒作為不連續(xù)相位分布于其間。如果陶瓷顆粒較小，或者在陶瓷顆粒間有細(xì)小微粒，同樣體積的陶瓷材料則需要較多金屬粉，以便使陶瓷顆粒均勻地敷上一層金屬粉。
即使用大陶瓷顆粒(400-800/μm)，上述美國提出的金屬陶瓷的導(dǎo)電率仍然很低。由上述尺寸的大陶瓷顆粒及占總體積4.5%的鎢粉構(gòu)成的金屬陶瓷的電阻率為60hm.cm。用這種金屬陶瓷作為導(dǎo)電元件，就會(huì)導(dǎo)致很高的功率損耗。另一個(gè)缺點(diǎn)是在導(dǎo)電元件至少有一個(gè)方向的尺寸不比陶瓷顆粒尺寸大很多時(shí)，不能采用大顆粒。如果導(dǎo)電元件有一個(gè)或幾個(gè)較小尺寸的話，就必須采用小陶瓷顆粒，因而金屬體積百分比也要提高。
如果金屬熱膨脹緊數(shù)大大偏離陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)，金屬體積百分比大則特別不利。因?yàn)閼?yīng)力會(huì)影響燈芯的真空密閉封接。
本發(fā)明的目的就是提供曾在起始段落中描述過的這樣一種電燈，這種電燈即使使用較小的陶瓷顆粒和較少量的金屬微粒，其燒結(jié)體的導(dǎo)電率仍很高，并且具有高強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明，在本文起始段落所描述的這種高壓氣體放電燈中，上述目的通過以下途徑實(shí)現(xiàn)，即將導(dǎo)電元件燒結(jié)體所含的陶瓷顆粒相應(yīng)地嵌入一個(gè)由陶瓷材料和金屬聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的導(dǎo)電體中。
在本發(fā)明描述的電燈中，通過一個(gè)與陶瓷材料網(wǎng)絡(luò)相互交織的金屬線路網(wǎng)絡(luò)，將電流輸至電極。這些聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成了燒結(jié)體的連續(xù)導(dǎo)電相位。因此該相位是不均勻的，與上述美國描述的燒結(jié)體連續(xù)相位完成由金屬構(gòu)成形成對比。由于該相位體僅有一部分由金屬構(gòu)成，因而在熱性能方面在相當(dāng)大程度上具有陶瓷材料的特性，而在電性能方面則表現(xiàn)出金屬的特性。該導(dǎo)電體中有許多空穴，其中充滿陶瓷顆粒。因而燒結(jié)體中的金屬體積百分比很小，而且大大小于導(dǎo)電體體積。于是，該導(dǎo)電體在熱性能方面(導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù))大體表現(xiàn)出陶瓷的性能，而在熱性能方面，則具有金屬特性。
有一點(diǎn)極為重要，即本發(fā)明描述的高壓氣體放電燈的導(dǎo)電元件連續(xù)導(dǎo)電相位既非全部，也非大部分由金屬構(gòu)成，而僅只由一定百分比的金屬構(gòu)成。該百分比一般為15%-60%，大部分位于20%-50%之間。如果連續(xù)相位中的金屬體積百分比再低，則會(huì)失去該相位的導(dǎo)電率;如果金屬體積百分比再高，此燒結(jié)體的應(yīng)力就會(huì)大大降低，其真空密封程度也會(huì)受到影響。
該導(dǎo)電相位體積可相當(dāng)于其內(nèi)含金屬的五六倍之多，與由等量的未混合其它物質(zhì)的金屬構(gòu)成的導(dǎo)電相位相比，該導(dǎo)電相位可含更多的陶瓷顆粒，且仍保持高導(dǎo)電率。因此，本發(fā)明描述的電燈燒結(jié)體的金屬體積百分比可以很小，卻可保持很高的導(dǎo)電率。
在非常適宜的實(shí)施方案中，連續(xù)導(dǎo)電相位中的金屬體積百分比為30%±5。在這些實(shí)施方案中，一方面連續(xù)導(dǎo)電相位的金屬體積百分比很低，燒結(jié)體體積相當(dāng)于其含金屬體積的三到四倍，因此可含納大量陶瓷顆粒。另一方面，在這些實(shí)施方案中，連續(xù)導(dǎo)電相位中的金屬體積百分比相對來說仍算比較大，因而這樣構(gòu)成的燒結(jié)體的金屬體積百分比很低，其電阻率也很低。
需要說明，就本發(fā)明描述的電燈燒結(jié)體而言，體積百分比一詞意指一種成分體積與各成分總體積之比率，是根據(jù)各種純組分的理論密度計(jì)算的。
一般使用尺寸為50-500/μm的陶瓷顆粒。導(dǎo)電元件中陶瓷顆粒的尺寸可分布在上述整個(gè)范圍或其中一局部范圍之間;例如局部范圍可在100-400/μm之間，或400-500/μm之間。尺寸分布范圍也可很小，如在200±20/μm之間。顆粒尺寸的下限根據(jù)制造過程中實(shí)際所能消除的最小的顆粒尺寸而定，其上限由導(dǎo)電元件的尺寸而定。
燒結(jié)后，這種導(dǎo)電元件的最小尺寸應(yīng)比最大陶瓷顆粒的尺寸大幾倍，例如大5倍。燒結(jié)體內(nèi)陶瓷體積百分比可以很高，可超過95%。
上面所提的陶瓷顆粒尺寸是指在燒結(jié)體制造的過程中所用的尺寸，燒結(jié)中會(huì)產(chǎn)生40%的線性收縮，因此，經(jīng)過燒結(jié)，最終尺寸為例如400-500/μm的陶瓷顆粒的最終尺寸可為240-300/μm。
與構(gòu)成燒結(jié)體連續(xù)相位中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的金屬粉末相比，陶瓷顆粒較為粗大。對于構(gòu)成燒結(jié)體連續(xù)相位中陶瓷網(wǎng)絡(luò)的陶瓷粉末來說，這種陶瓷顆粒也是比較粗大的。一般使用的金屬粉末的顆粒尺寸為0.1-10/μm，其平均顆粒尺寸為0.4-1/μm。鎢、鉬、鐵、鉭、鈮等金屬及其混合物特別適宜用作此類粉末。對于導(dǎo)電相位的陶瓷網(wǎng)絡(luò)來說，采用特定表面積約為6-30m2/g，微粒尺寸主要為0.3/μm左右的陶瓷粉末較好。
即使金屬體積百分比很低，如少于1%，該導(dǎo)電元件燒結(jié)體的電阻率仍很低(milliohm<毫歐>·cm2為測量單位)。
從表1可導(dǎo)出保持燒結(jié)體導(dǎo)電率所要求的燒結(jié)體中最小的金屬含量。表1指出，當(dāng)所用金屬粉顆粒尺寸約為0.4/μm，陶瓷粉顆粒尺寸約為0.3/μm，特定表面積為30m2/g時(shí)，金屬的最小含量，即連續(xù)相位中金屬體積百分比與陶瓷顆粒平均尺寸的關(guān)系。
表1
該表的顆粒尺寸”是燒結(jié)前的顆粒尺寸，即為由燒結(jié)造成的40%的線性收縮未發(fā)生以前的尺寸。
從表1可以看到，當(dāng)連續(xù)相位中金屬體積百分比為30%時(shí)，在欄中的乘積最低。因此，對一給定顆粒尺寸來說，可用此例中的燒結(jié)體的最小金屬體積百分比。因此，當(dāng)連續(xù)相位中金屬粉體積百分比為30%時(shí)，所需要小金屬體積百分比為
陶瓷顆粒尺寸為100/μm，體積為3%;
陶瓷顆粒尺寸為500/μm，體積為0.6%。
燒結(jié)體所含金屬一般大于最低所需量。在選擇燒結(jié)體中金屬體積百分比時(shí)，燒結(jié)體與燈芯間膨脹數(shù)的差別也起到很重要的作用。如果燈芯膨脹系數(shù)位于燒結(jié)體中金屬膨脹系數(shù)和陶瓷材料膨脹系數(shù)之間，為使燒結(jié)體與燈芯之間膨脹系數(shù)變得極小，則可能需要較大的金屬體積百分比。
燒結(jié)體具體可按下列步驟制作將陶瓷粉懸浮于水溶液中。然后可加入一種影響下一燒結(jié)步驟的物質(zhì)，如氧化鎂等。也可代之以硝酸鹽之類的鎂鹽加入水中;以氧化鎂表示，所添加氧化鎂重量約為例如0.03%。
使懸膠液干燥，并將這樣產(chǎn)生的結(jié)塊弄碎。然后進(jìn)行篩選去掉大塊，放在未裝球磨的球磨機(jī)上搖滾，之后再進(jìn)行篩選，分離出具有所要求粒度的那部分顆粒。當(dāng)將這些顆粒放在空氣中加熱時(shí)，鎂鹽就會(huì)轉(zhuǎn)化成氧化物。
按予定體積比混合金屬粉(或氧化金屬粉)和陶瓷粉。使粉末懸浮于諸如乙醇之類的一種液體中加以混合，是一種十分適宜的方法。因乙醇之類的液體大體不致形成塊狀物。在這一實(shí)例中，還可加入一種影響燒結(jié)步驟的物質(zhì)，如氧化鎂。然后使懸膠液變干燥。如果需要，可將這些經(jīng)過干燥的剩余物質(zhì)放在球磨機(jī)中研磨。如果用的是氧化金屬粉，以氧化鎢為例，就要放在溫度約為700℃的氫氣中脫氧還原。經(jīng)過燒結(jié)，即可以上述粉末混合物中分別得到陶瓷材料和金屬聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電體。
按予定比例將粉末混合物和陶瓷顆粒放在一起，通過搖滾加以混合。然后均衡地壓縮，最終氣壓可為例如0.5-2Kbar。所得到的壓制件經(jīng)過機(jī)械予處理，放在真空中，或在一種中性或還原氣體中燒結(jié)，溫度可高達(dá)例如1600℃-1800℃。
歐洲28，885提到了本文起始段落中提及的美國4，155，758。雖然上述美國將制作導(dǎo)電元件的燒結(jié)溫度范圍規(guī)定為1600-1800℃，但歐洲提出，在1800-1975℃的溫度范圍中，陶瓷材料與金屬的結(jié)合十分牢固。據(jù)上述歐洲，由于在上述溫度范圍中，陶瓷材料中的顆粒尺寸極大增長，由此產(chǎn)生了空穴和內(nèi)部應(yīng)力，而且金屬粉會(huì)與陶瓷顆粒相結(jié)合。這樣就阻止了陶瓷顆粒的極大增長。然而，陶瓷顆粒中的金屬并未有助于提高導(dǎo)電元件的導(dǎo)電率，實(shí)際上卻提高了金屬體積百分比。
有關(guān)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)已表明，強(qiáng)度大大低于250mm/m2(經(jīng)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測量)的燒結(jié)體不是真空密閉的，或不會(huì)保持真空密閉狀態(tài)。本發(fā)明描述的電燈燒結(jié)體的強(qiáng)度為250mn/m2，或大大高于該值，一般為300-400mn/m2。這種高強(qiáng)度是由燒結(jié)體自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，因燒結(jié)體中非連續(xù)相位的陶瓷顆粒實(shí)際與連續(xù)相位的陶瓷網(wǎng)絡(luò)相接觸。這樣，在燒結(jié)過程中就會(huì)產(chǎn)生了大量的陶瓷-陶瓷鏈，使連續(xù)相位和非連續(xù)相位互相緊固聯(lián)結(jié)。因此，在前述的燒結(jié)導(dǎo)電元件的1600-1800℃這一較低的溫度范圍中，足以得到較高的強(qiáng)度和較高的真空密閉度。這一溫度范圍同時(shí)又低得足以防止顆粒的極大增長。因此，金屬粉不一定必須與燒結(jié)體內(nèi)的陶瓷顆粒結(jié)合。
按本發(fā)明制作的其連續(xù)相位中金屬體積含量高達(dá)35%的燒結(jié)體，其斷裂表面的檢查表明，這些斷裂表面徑直穿過顆粒。顯然，不是連續(xù)相位與陶瓷顆粒的粘附，而是燒結(jié)體構(gòu)成成分的內(nèi)部強(qiáng)度決定了燒結(jié)體的強(qiáng)度。這種燒結(jié)體與目前已知的燒結(jié)體的情況正好相反，因在已知燒結(jié)體中，陶瓷顆粒結(jié)合于由金屬粉構(gòu)成的連續(xù)相位中。于是一個(gè)斷裂面上的空穴與另一斷裂面上突出的陶瓷顆粒相對應(yīng)。顯然，在這些已知的燒結(jié)體中，連續(xù)相位與陶瓷顆粒的粘附程度較低。而在根據(jù)本發(fā)明制作的燒結(jié)體中，連續(xù)相位中金屬含量超過35%，再繼續(xù)增長，可發(fā)現(xiàn)燒結(jié)體斷裂表面沿顆粒表面不斷延伸。
附圖顯示了根據(jù)本發(fā)明制作的高壓放電燈的一個(gè)實(shí)例。
圖1為根據(jù)本發(fā)明制作的高壓放電燈實(shí)例的透視圖。
圖2為縱向截面圖，顯示了圖1電燈的一個(gè)細(xì)節(jié)。
在圖1中，真空玻璃燈泡2與燈頭相接，一個(gè)半透明管式陶瓷燈芯1設(shè)置并以真空密閉的方式封接在燈泡2內(nèi)。終端導(dǎo)線4和5與燈頭3聯(lián)通，并支撐燈芯1。終端導(dǎo)線5作為外導(dǎo)體與一鈮管接頭6相聯(lián)，該管接頭6作為導(dǎo)電元件，終端導(dǎo)線4與外部電流導(dǎo)體8相聯(lián)，導(dǎo)體8與充當(dāng)導(dǎo)電元件的燒結(jié)體7相聯(lián)。導(dǎo)電元件6和7各與位于燈芯1內(nèi)的相應(yīng)電極接通。(因此這時(shí)電極是看不到的)。燈芯1內(nèi)充滿電離氣體，內(nèi)含0.4mg銦，17.5mg水銀，3.7mg碘化鉈，30mg碘化鈉，2mg碘化汞和氬在室溫下壓強(qiáng)5330Pa的氬。
如圖2所示，燈芯1終端有一個(gè)陶瓷園盤10，它是通過燒結(jié)固定嵌入燈芯1的。燒結(jié)體7借助熔接材料13以真空密閉方式與園盤10相聯(lián)。在充當(dāng)導(dǎo)電元件的燒結(jié)體7燒結(jié)時(shí)，鎢電極11，12以及一個(gè)外部電流鉬導(dǎo)體8固定地嵌入燒結(jié)體7，并借助燒結(jié)體互相聯(lián)通。
圖1，2的電燈可在燈頭朝下，燈體本身處于直立的位置上工作。
表2列出燒結(jié)體7各實(shí)例的特征。
燒結(jié)體制造步驟如下將特定表面積為25m2/g的Al2O3粉懸浮于水中，水中摻入Mg(NO3)2，其摻入量為對應(yīng)Al2O3按250PPmMgO比例計(jì)算的相應(yīng)量的Mg(NO3)2。使該懸浮液干燥，破碎干燥后的剩余物質(zhì)，通過一個(gè)500/μm的篩子加以篩選。再將顆粒放在未設(shè)置球磨的球磨機(jī)上搖動(dòng)，然后篩選分離出相當(dāng)于表1所列尺寸的顆粒部分。將這部分顆粒放在空氣中加熱，在600℃的溫度下加熱10小時(shí)，在1200℃的溫度下加熱1個(gè)小時(shí)。然后將這些顆粒作為燒結(jié)體的非連續(xù)相位。
按照得到表1欄3金屬體積百分比的比率，將微粒尺寸主要為0.4/μm的鎢粉懸浮于乙醇中，與上述Al2O3粉(內(nèi)含250PPm的氧化鎂)混合。使該懸膠液干燥，將干燥后的剩余物質(zhì)放在球磨機(jī)中研磨成粉。這種金屬粉用作相關(guān)燒結(jié)體聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)導(dǎo)電相位。
按照得出表1欄2鎢粉體積百分比的比率，將粉末混合物與陶瓷顆粒放在一起，并通過搖動(dòng)使兩者混合。
將上述混合物均勻地壓縮到一起，壓縮時(shí)的最終氣壓1.6Kbar。將壓制出來的壓制件進(jìn)行機(jī)械處理，使之具備正確的形狀，并裝上一個(gè)電流導(dǎo)體和一個(gè)電極。最后將整個(gè)壓制件1700℃的溫度下燒結(jié)兩個(gè)小時(shí)。
勘誤表
CPEL855087
勘誤表
權(quán)利要求
1、高壓氣體放電燈設(shè)有一個(gè)以真空密閉方式封接于燈內(nèi)的半透明管式陶瓷燈芯，燈芯有一對電極，并充滿電離氣體，燈芯兩端設(shè)有導(dǎo)電元件，各與相應(yīng)電極和相應(yīng)外部電流導(dǎo)體相聯(lián)，至少有一個(gè)導(dǎo)電元件由導(dǎo)電燒結(jié)體構(gòu)成，該燒結(jié)體內(nèi)含金屬微粒，分布于陶瓷顆粒之間，其特征表現(xiàn)為導(dǎo)電元件燒結(jié)體所含陶瓷顆粒是相應(yīng)嵌入陶瓷材料和金屬聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電體中的。
2、按照權(quán)項(xiàng)1所述的高壓放電燈，其特征表現(xiàn)為導(dǎo)電體中金屬體積百分比為20%-50%。
3、按照權(quán)項(xiàng)2所述的高壓放電燈，其特征表現(xiàn)為導(dǎo)電體金屬體積百分比25%-35%。特征表現(xiàn)為導(dǎo)電體金屬體積百分比25%-35%。
專利摘要
根據(jù)本發(fā)明描述的設(shè)有一個(gè)陶瓷燈芯的高壓氣體放電燈至少包括一個(gè)由導(dǎo)電燒結(jié)體(7)構(gòu)成的導(dǎo)電元件。該燒結(jié)體(7)的陶瓷顆粒相應(yīng)地嵌入一個(gè)由陶瓷材料和金屬聯(lián)鎖網(wǎng)絡(luò)組成的導(dǎo)電體中。
文檔編號H01J61/36GK85102092SQ85102092
公開日1986年10月29日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者塞吉坦比克 申請人:菲利浦光燈制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan