高强度气体放电灯转让专利
申请号 : CN200780000521.5
文献号 : CN101490795B
文献日 : 2010-09-29
发明人 : 加藤育宏
申请人 : 上海精瓷照明电器有限公司
摘要 :
本发明旨在抑制放电容器里封入的稀土类金属和电极之间的化学反应，能显著改善灯的寿命。HID灯3以中间部为发光部3a，两端部为密封部3b，在密封部3b通过由熔接玻璃形成的密封材料9将由Nb棒或一端封口的管(防护套)构成的Nb外部电极7、8气密性固持，在这些外部电极7、8上焊接由W(钨)或由Mo(钼)制成的内部电极10、11。在由Nb棒或一端封口的管(防护套)构成的外部电极7、8的表面上，形成稀土类金属的氧化物(例如Dy2O3)的薄膜14，该稀土类金属与封入发光部3a内的稀土类金属卤化物中的金属相同。
权利要求 :
1.一种高强度气体放电灯，在陶瓷制成的放电容器的两端设有密封部，在所述密封部通过玻璃料来固持电极，其特征在于：所述电极中与玻璃料接触的部分由Nb或其合金制成，密封前在该Nb或其合金的表面、或者在Nb或其合金和W或Mo制成的电极的焊接部位的表面上预先形成薄膜，所述薄膜由装入放电容器内的用于构成稀土类金属与卤素的化合物的稀土类金属的氧化物形成。
2.如权利要求1所述的高强度气体放电灯，其特征在于：所述稀土类金属是Dy、Sc、Nd、Eu、Ho、Tm或Yb。
说明书 :
技术领域
本发明涉及作为高亮度、高效率、高显色性的灯具等的高强度气体放电灯(HID灯)。
背景技术
如专利文献1所明示，作为放电灯的结构，一般采用在放电容器两端固持电极，并经由钼箔从外部给电极供电的结构。
作为放电容器的材料，一般采用氧化硅、氧化铝陶瓷等，用W与Mo或Nb等的组合及焊接来制作电极。另外，在放电容器内除了封入氩气、汞、钠以外，为了发挥高显色性还封入Dy等稀土类金属的各种卤化物。
在这种HID灯中，一接通电源，在电极间开始辉光放电，电极自身发热会首先使汞开始气化。汞因电极间的热电子和汞蒸气之间的碰撞而暂时被激励成为离子，发出光后再恢复成汞原子。在恢复到汞的过程中，发出汞固有的光(从紫外光到可见光直至红外光的所有波长的光)。这个发光现象称为电弧放电。伴随该现象，放电容器内的实际温度慢慢上升，钠和金属卤化物就依次气化。即，气体的蒸气压就是它们各自持有的一定分压。然后，由于与热电子的碰撞，这些金属卤化物分子或金属类被激励而成为离子，再次恢复到原状态即金属卤化物分子或金属类的过程中发出有关的固有的光(分子发光和原子发光)。上述的过程总称为卤素循环。
在HID灯中，存在下述不良情况：电极的实际温度由输入电流或输入电压控制，不过在制造过程中不可避免被混入的杂质与电极端部的钨发生化学反应，会导致电极自身的熔点降低(合金肯定比纯钨的熔点低)。熔点一旦降低，合金就从电极的端部开始气化，并蒸镀在温度相对较低的放电容器(也叫放电管)的内壁上，最终会引起灯管的黑化。其结果是，向外发射的光被遮挡。这是光通量维持系数降低的原因之一。
在专利文献2中公开了用金属体覆盖电极的结构，具体而言就是通过在密封部内的电极周围螺旋状缠绕钨丝来防止电极过于高温的方案。
另外，点灯时，由于HID灯的放电容器内壁接近1000℃，氩气容易从密封部泄漏。因此，专利文献3提出了如下方案：用由渐变机能材料制成的闭塞体封住氧化铝陶瓷制的放电容器的两端，在该闭塞体的导电性部位插入热膨胀系数与氧化铝陶瓷大致相等的铌制外部电极，通过导电性部位与钨制内部电极导通。
专利文献1：特开平6-52830号公报专利文献2：特开2000-268773号公报专利文献3：特开2002-343304号公报
作为放电容器的材料，一般采用氧化硅、氧化铝陶瓷等，用W与Mo或Nb等的组合及焊接来制作电极。另外，在放电容器内除了封入氩气、汞、钠以外，为了发挥高显色性还封入Dy等稀土类金属的各种卤化物。
在这种HID灯中，一接通电源，在电极间开始辉光放电，电极自身发热会首先使汞开始气化。汞因电极间的热电子和汞蒸气之间的碰撞而暂时被激励成为离子，发出光后再恢复成汞原子。在恢复到汞的过程中，发出汞固有的光(从紫外光到可见光直至红外光的所有波长的光)。这个发光现象称为电弧放电。伴随该现象，放电容器内的实际温度慢慢上升，钠和金属卤化物就依次气化。即，气体的蒸气压就是它们各自持有的一定分压。然后，由于与热电子的碰撞，这些金属卤化物分子或金属类被激励而成为离子，再次恢复到原状态即金属卤化物分子或金属类的过程中发出有关的固有的光(分子发光和原子发光)。上述的过程总称为卤素循环。
在HID灯中，存在下述不良情况：电极的实际温度由输入电流或输入电压控制，不过在制造过程中不可避免被混入的杂质与电极端部的钨发生化学反应，会导致电极自身的熔点降低(合金肯定比纯钨的熔点低)。熔点一旦降低，合金就从电极的端部开始气化，并蒸镀在温度相对较低的放电容器(也叫放电管)的内壁上，最终会引起灯管的黑化。其结果是，向外发射的光被遮挡。这是光通量维持系数降低的原因之一。
在专利文献2中公开了用金属体覆盖电极的结构，具体而言就是通过在密封部内的电极周围螺旋状缠绕钨丝来防止电极过于高温的方案。
另外，点灯时，由于HID灯的放电容器内壁接近1000℃，氩气容易从密封部泄漏。因此，专利文献3提出了如下方案：用由渐变机能材料制成的闭塞体封住氧化铝陶瓷制的放电容器的两端，在该闭塞体的导电性部位插入热膨胀系数与氧化铝陶瓷大致相等的铌制外部电极，通过导电性部位与钨制内部电极导通。
专利文献1：特开平6-52830号公报专利文献2：特开2000-268773号公报专利文献3：特开2002-343304号公报
发明内容
HID灯的放电容器在密封部，其内壁和插入的电极之间难免会存在间隙。该间隙中会滞留有金属卤化物。其原因是，液态金属卤化物有表面张力，也就是说金属卤化物的粘度高。而且，暂时停滞的金属卤化物会随着点灯引起的电极温度上升而不再参与气体的卤素循环，并会与电极间引起化学反应。
具体而言，会发生如下的现象：Dy与部分电极材料即Nb发生置换反应，Nb向放电容器内部移动，Dy则停滞在Nb(电极材料)内。然后，气化了的Nb在熄灯时会附着在钨电极端部(最冷部分)。并且，在下次点灯时，由于电极发热会使W和Nb形成合金。该合金比纯钨的熔点低，因此会导致钨电极的端部慢慢耗损的现象。熔融的合金会蒸镀在放电容器内壁，向外发光被遮挡。因此，光在内壁上转换成热，放电容器内部的温度不是如所期待地趋向稳定，而是会逐渐上升。随着这一连串的化学反应逐渐增多，最终导致灯的损坏。
因此，为了避免导致该现象的原因，一般用玻璃料完全覆盖Nb部位，以不让Nb与金属卤化物发生反应。然而，由于金属卤化物和由Dy2O3-SiO2-Al2O3组成的玻璃料直接接触，玻璃料中尤其是SiO2容易被金属卤化物还原。也就是说，金属卤化物中稀土类金属从SiO2中夺取氧而成为稳定的氧化物。另一方面，玻璃料中的SiO2变成Si或SiO的卤化物，并移动到放电容器内部。移动了的Si或SiO的卤化物，在放电容器内受热而分离(与卤素分开)，生成Si或SiO。因此，与前面的Nb一样，它在熄灯时会附着在电极端部(最冷部分)，在下次点灯时与钨形成硅化合物。这些硅化合物也比纯钨熔点低，会导致钨电极的耗损。
本发明通过以下方法解决上述课题：为了抑制成为根本触发因素的Nb和稀土类金属的置换，在电极上设置由稳定的Dy2O3形成的薄膜，同时由于SiO2的置换依靠玻璃料和金属卤化物的接触温度，因此尽可能将该部位的温度降低，即使其远离放电的热源中心。
也就是，本发明具有如下的结构：在陶瓷制成的放电容器的两端设置密封部，在该密封部用玻璃料固持电极的HID灯中，上述电极中与玻璃料接触的部分由Nb或其合金构成，在该Nb或其合金的表面、或者在Nb或其合金和W或Mo制成的电极的焊接部位的表面上在密封前预先形成薄膜，所述薄膜由装入放电容器内的用于构成稀土类金属与卤素的化合物的稀土类金属的氧化物形成。
为了防止因HID灯的热循环而导致薄膜和电极间的剥离，根据经验，薄膜的厚度最好为30μm以下。另外，作为上述稀土类金属，例如有镝(Dy)、钪(Sc)、钕(Nd)、铕(Eu)、钬(Ho)、铥(Tm)及镱(Yb)等元素。
对稀土类金属氧化物可作如下考虑，即稀土类金属氧化物具有其浓度向着Nb棒的中心连续变小的浓度渐变。稀土类金属氧化物的连续渐变薄膜的形成方法可以考虑喷涂法、CVD法、气体淀积法等方法。
在本发明的HID灯中，在密封部固持的电极由Nb(Nb合金)构成，用稀土类金属氧化物的薄膜覆盖该Nb(Nb合金)表面、或者Nb(Nb合金)和W或Mo电极的焊接部位的表面，从而能防止Nb与W电极或Mo电极形成低熔点合金，可大幅度提高寿命。
另外，传统的结构是将Nb构成的部分全部由玻璃料覆盖，但是，本发明在Nb电极表面、或者Nb电极和W或Mo电极的焊接部位的表面上形成稀土类金属氧化物的薄膜，因此被封入的稀土类金属不会与之发生反应。其结果，没有必要用玻璃料将Nb部位全部覆盖，与传统结构相比，可使露出于放电容器内表面的玻璃料的位置向低温侧退却。这样一来，可抑制玻璃料中难免包含的Si02被稀土类金属还原而生成Si或SiO，可期待大幅度延长寿命，达到与纯Nb等效。
具体而言，会发生如下的现象：Dy与部分电极材料即Nb发生置换反应，Nb向放电容器内部移动，Dy则停滞在Nb(电极材料)内。然后，气化了的Nb在熄灯时会附着在钨电极端部(最冷部分)。并且，在下次点灯时，由于电极发热会使W和Nb形成合金。该合金比纯钨的熔点低，因此会导致钨电极的端部慢慢耗损的现象。熔融的合金会蒸镀在放电容器内壁，向外发光被遮挡。因此，光在内壁上转换成热，放电容器内部的温度不是如所期待地趋向稳定，而是会逐渐上升。随着这一连串的化学反应逐渐增多，最终导致灯的损坏。
因此，为了避免导致该现象的原因，一般用玻璃料完全覆盖Nb部位，以不让Nb与金属卤化物发生反应。然而，由于金属卤化物和由Dy2O3-SiO2-Al2O3组成的玻璃料直接接触，玻璃料中尤其是SiO2容易被金属卤化物还原。也就是说，金属卤化物中稀土类金属从SiO2中夺取氧而成为稳定的氧化物。另一方面，玻璃料中的SiO2变成Si或SiO的卤化物，并移动到放电容器内部。移动了的Si或SiO的卤化物，在放电容器内受热而分离(与卤素分开)，生成Si或SiO。因此，与前面的Nb一样，它在熄灯时会附着在电极端部(最冷部分)，在下次点灯时与钨形成硅化合物。这些硅化合物也比纯钨熔点低，会导致钨电极的耗损。
本发明通过以下方法解决上述课题：为了抑制成为根本触发因素的Nb和稀土类金属的置换，在电极上设置由稳定的Dy2O3形成的薄膜，同时由于SiO2的置换依靠玻璃料和金属卤化物的接触温度，因此尽可能将该部位的温度降低，即使其远离放电的热源中心。
也就是，本发明具有如下的结构：在陶瓷制成的放电容器的两端设置密封部，在该密封部用玻璃料固持电极的HID灯中，上述电极中与玻璃料接触的部分由Nb或其合金构成，在该Nb或其合金的表面、或者在Nb或其合金和W或Mo制成的电极的焊接部位的表面上在密封前预先形成薄膜，所述薄膜由装入放电容器内的用于构成稀土类金属与卤素的化合物的稀土类金属的氧化物形成。
为了防止因HID灯的热循环而导致薄膜和电极间的剥离，根据经验，薄膜的厚度最好为30μm以下。另外，作为上述稀土类金属，例如有镝(Dy)、钪(Sc)、钕(Nd)、铕(Eu)、钬(Ho)、铥(Tm)及镱(Yb)等元素。
对稀土类金属氧化物可作如下考虑，即稀土类金属氧化物具有其浓度向着Nb棒的中心连续变小的浓度渐变。稀土类金属氧化物的连续渐变薄膜的形成方法可以考虑喷涂法、CVD法、气体淀积法等方法。
在本发明的HID灯中，在密封部固持的电极由Nb(Nb合金)构成，用稀土类金属氧化物的薄膜覆盖该Nb(Nb合金)表面、或者Nb(Nb合金)和W或Mo电极的焊接部位的表面，从而能防止Nb与W电极或Mo电极形成低熔点合金，可大幅度提高寿命。
另外，传统的结构是将Nb构成的部分全部由玻璃料覆盖，但是，本发明在Nb电极表面、或者Nb电极和W或Mo电极的焊接部位的表面上形成稀土类金属氧化物的薄膜，因此被封入的稀土类金属不会与之发生反应。其结果，没有必要用玻璃料将Nb部位全部覆盖，与传统结构相比，可使露出于放电容器内表面的玻璃料的位置向低温侧退却。这样一来，可抑制玻璃料中难免包含的Si02被稀土类金属还原而生成Si或SiO，可期待大幅度延长寿命，达到与纯Nb等效。
附图说明
图1是本发明的HID灯的整体图；图2是本发明的HID灯的剖面图；图3是电极的分解图；图4是密封部的放大剖面图；图5中(a)表示电极的另一实施例，(b)是(a)的要部放大图；图6中(a)表示另一实施例的电极在焊接前情况；(b)表示该电极焊接后的情况。
具体实施方式
以下，基于附图说明说明本发明的实施例。这里，图1是装入了本发明的HID灯的照明器具的整体图，图2是本发明的HID灯的剖面图；图3是电极的分解图；图4是密封部的放大剖面图。
图1所示的照明器具具有不需要前侧玻璃的三重管结构，在外侧管1内配置内侧管2，在该内侧管2中装入本发明的HID灯3，将从灯头4伸出的导电体5、6各自接到HID灯3的外部电极7、8上。在本实施例中，外部电极7、8由Nb(铌)构成。再有，7a、8a是将外部电极7、8一部分变形后形成的止挡部，如图4所示，通过将该止挡部7a、8a组装成抵触放电容器端部，可正确设定HID灯中重要的电极间距。
一般来说，放电灯3用氧化硅或氧化铝陶瓷作为材料。将该HID灯3的中央部作为发光部3a，两端作为密封部3b。在发光部3a里面除氩气、汞、钠之外，还装入稀土类金属(Dy)等的多种卤化物(主要是碘化物)。
密封部3b通过由玻璃料组成的密封材料9来气密性固持上述Nb(铌)制的外部电极7、8，在这些外部电极7、8上焊接W(钨)或Mo(钼)制的内部电极10、11。另外，在内部电极10、11的端部缠绕放电用的线圈12，在中间部缠绕散热用的线圈13。
上述密封材料9一般使用具有1500℃以上熔点的Dy2O3-SiO2-Al2O3系玻璃料，如图3所示，该密封材料9在加热以前呈环状。
另外，在Nb制外部电极7、8的表面形成由稀土类金属氧化物(例如Dy2O3)所组成的薄膜14，该稀土类金属与封入发光部3a内的金属卤化物中的金属相同。或者，也可取代该稀土类金属氧化物14而形成稀土类金属氧化物(100％氧化物→渐变层→100％铌)以同心圆状渐变的薄膜。
形成上述薄膜有以下三个方法。(方法1)在纯度为99.9％以上的稀土类金属氧化物中埋设Nb电极，并在点灯时Nb电极温度以上(500-800℃)保持一定时间，使Nb电极表面与稀土类金属氧化物直接接触，以形成稀土类金属氧化物的浓度从内部向表层逐渐加大的薄膜。为使剥离的可能性降到最低，则Nb电极的直径为0.7mmφ时，该薄膜的厚度最好不大于30μm。
(方法2)在纯度为99.99％以上的氩气气氛中，大气压以下且露点为-80℃至-100℃范围内，将稀土类金属的卤化物和Nb电极密封在氧化硅容器中，使Nb电极跟通过从外部进行高频加热而气化的卤化稀土类金属发生反应。也就是强制地使Nb与稀土类金属置换。然后，通过使反应后的Nb电极在大气中加热氧化，在Nb电极表面上形成稳定的稀土类金属氧化物膜。
(方法3)在大气中，以氩气为载气进行喷吹，高速、高温地将稀土类金属氧化物喷涂到Nb电极的表面上。接着，在纯度为99.99％以上的氩气气氛中，在大气压以下且露点为-80℃成为-100℃范围内，将其密封在氧化硅容器中，通过从外部进行高频加热来去除杂质。
本发明中，Nb外部电极7、8不是全部被密封材料9覆盖，而是外部电极7、8的一部分以露出状态置于放电容器内。在传统技术中，在该露出的部分，封入的稀土类金属与Nb发生置换反应，Nb移动到钨电极的端部而生成低熔点的合金。但在本发明中，Nb制外部电极7、8表面上预先用Dy等稀土类金属的氧化膜覆盖，不会产生上述反应。另外，因为不必用密封材料9覆盖整个外部电极7、8，能够使密封材料9的内表面后退到低温区，消除了因还原反应而在放电管内部形成Si或SiO的不利因素。
图5(a)是电极的另一实施例的图，(b)是(a)的要部放大图，此例中将内部电极10、11压入Nb制的防护套15中，将该防护套15的一部分固持在密封部。此实施例中，也在防护套15内外表面上形成稀土类金属氧化物的薄膜14或稀土类金属氧化物的渐变层。
图6(a)是另一实施例的电极焊接前的图，(b)是该电极焊接后的图，Nb制外部电极16和W制内部电极17之间用Mo制中间电极18连接。采用Mo制中间电极18是理想的，因为它容易与Nb焊接，加工容易且成本也比较低，还很少跟金属卤化物起反应。
而且，在此另一实施例中，稀土类金属氧化物的薄膜14覆盖到Nb制外部电极16和Mo制中间电极18之间的焊接部19的表面。
图1所示的照明器具具有不需要前侧玻璃的三重管结构，在外侧管1内配置内侧管2，在该内侧管2中装入本发明的HID灯3，将从灯头4伸出的导电体5、6各自接到HID灯3的外部电极7、8上。在本实施例中，外部电极7、8由Nb(铌)构成。再有，7a、8a是将外部电极7、8一部分变形后形成的止挡部，如图4所示，通过将该止挡部7a、8a组装成抵触放电容器端部，可正确设定HID灯中重要的电极间距。
一般来说，放电灯3用氧化硅或氧化铝陶瓷作为材料。将该HID灯3的中央部作为发光部3a，两端作为密封部3b。在发光部3a里面除氩气、汞、钠之外，还装入稀土类金属(Dy)等的多种卤化物(主要是碘化物)。
密封部3b通过由玻璃料组成的密封材料9来气密性固持上述Nb(铌)制的外部电极7、8，在这些外部电极7、8上焊接W(钨)或Mo(钼)制的内部电极10、11。另外，在内部电极10、11的端部缠绕放电用的线圈12，在中间部缠绕散热用的线圈13。
上述密封材料9一般使用具有1500℃以上熔点的Dy2O3-SiO2-Al2O3系玻璃料，如图3所示，该密封材料9在加热以前呈环状。
另外，在Nb制外部电极7、8的表面形成由稀土类金属氧化物(例如Dy2O3)所组成的薄膜14，该稀土类金属与封入发光部3a内的金属卤化物中的金属相同。或者，也可取代该稀土类金属氧化物14而形成稀土类金属氧化物(100％氧化物→渐变层→100％铌)以同心圆状渐变的薄膜。
形成上述薄膜有以下三个方法。(方法1)在纯度为99.9％以上的稀土类金属氧化物中埋设Nb电极，并在点灯时Nb电极温度以上(500-800℃)保持一定时间，使Nb电极表面与稀土类金属氧化物直接接触，以形成稀土类金属氧化物的浓度从内部向表层逐渐加大的薄膜。为使剥离的可能性降到最低，则Nb电极的直径为0.7mmφ时，该薄膜的厚度最好不大于30μm。
(方法2)在纯度为99.99％以上的氩气气氛中，大气压以下且露点为-80℃至-100℃范围内，将稀土类金属的卤化物和Nb电极密封在氧化硅容器中，使Nb电极跟通过从外部进行高频加热而气化的卤化稀土类金属发生反应。也就是强制地使Nb与稀土类金属置换。然后，通过使反应后的Nb电极在大气中加热氧化，在Nb电极表面上形成稳定的稀土类金属氧化物膜。
(方法3)在大气中，以氩气为载气进行喷吹，高速、高温地将稀土类金属氧化物喷涂到Nb电极的表面上。接着，在纯度为99.99％以上的氩气气氛中，在大气压以下且露点为-80℃成为-100℃范围内，将其密封在氧化硅容器中，通过从外部进行高频加热来去除杂质。
本发明中，Nb外部电极7、8不是全部被密封材料9覆盖，而是外部电极7、8的一部分以露出状态置于放电容器内。在传统技术中，在该露出的部分，封入的稀土类金属与Nb发生置换反应，Nb移动到钨电极的端部而生成低熔点的合金。但在本发明中，Nb制外部电极7、8表面上预先用Dy等稀土类金属的氧化膜覆盖，不会产生上述反应。另外，因为不必用密封材料9覆盖整个外部电极7、8，能够使密封材料9的内表面后退到低温区，消除了因还原反应而在放电管内部形成Si或SiO的不利因素。
图5(a)是电极的另一实施例的图，(b)是(a)的要部放大图，此例中将内部电极10、11压入Nb制的防护套15中，将该防护套15的一部分固持在密封部。此实施例中，也在防护套15内外表面上形成稀土类金属氧化物的薄膜14或稀土类金属氧化物的渐变层。
图6(a)是另一实施例的电极焊接前的图，(b)是该电极焊接后的图，Nb制外部电极16和W制内部电极17之间用Mo制中间电极18连接。采用Mo制中间电极18是理想的，因为它容易与Nb焊接，加工容易且成本也比较低，还很少跟金属卤化物起反应。
而且，在此另一实施例中，稀土类金属氧化物的薄膜14覆盖到Nb制外部电极16和Mo制中间电极18之间的焊接部19的表面。