CN1461492A - 高缓冲气体压力陶瓷电弧管及其制造方法和制造设备 - Google Patents

Abstract

提供一种高亮度放电灯(HID)照明应用的陶瓷电弧管，其中电弧管含有高缓冲气体压力。还提供用于制造电弧管的方法和设备，其中RF感应加热(62，63)用于熔化玻璃料以形成气密密封。

Description

高缓冲气体压力陶瓷电弧管及其制造方法和制造设备

相关领域的相互参考

本申请要求在2001年2月23日申请的美国临时申请No.60/270850的优先权。本申请涉及都是在2001年4月21日申请的共有未决(copending)申请系列号09/841414和09/841424。

技术领域

本发明涉及具有高缓冲气体压力的陶瓷电弧管和用玻璃料密封所述电弧管的方法。本发明还涉及射频(RF)感应加热方法和设备。

发明的背景

用于高亮度放电(HID)灯的陶瓷电弧管是公知的。这些电弧管的更通用的一种结构包括轴向对称的放电容器，该放电容器具有彼此向外延伸的相对的毛细管。这些毛细管具有密封在其中的电极组件，以便提供击穿放电容器内的电弧放电所需要的电能。毛细管的端部利用玻璃料与电极组件气密密封。放电容器含有可电离填料，该填料通常包括金属卤化物盐和/或汞的一些混合成分。还添加缓冲气体以促进电弧点燃和影响灯的光学特性和耐久性。典型的缓冲气体是惰性气体，例如氩、氙、氪或其混合气体。通常，陶瓷电弧管中的缓冲气体压力小于约1.5巴。这种电弧管的例子在美国专利US5973453和5424609以及欧洲专利EP0971043A2和0954007中有说明，在这里引证供参考。

用于陶瓷电弧管的常规玻璃料密封工艺在低压室中进行，即小于1巴，并采用由钨或石墨构成的耐热元件。耐热元件的使用需要用于容纳高电流的笨重引线、复杂的屏蔽件和强制水冷却。结果是，常规的制造设备通常很大、速度慢、价格昂贵和效率低。大密封室还需要大体积的缓冲气体，这增加了制造成本。此外，大部分热能被设备本身消耗，这就延长了达到密封温度所需要的时间。在用高缓冲气体压力密封时，由于气体对流和增加的热传递造成的额外的热损失，使热损失问题进一步恶化。因此，为了获得具有高缓冲气体压力即大于1巴的陶瓷电弧管必须克服大量的困难。

与陶瓷电弧管相比，已经采用了熔凝硅石(石英)电弧管，其中的缓冲气体压力高达8巴。为了满足高压需求，通常采用冻结技术，其中石英电弧管的一端浸在液氮中以便使放电容积中的缓冲气体液化或固化，同时将另一端加热到高温，使石英软化并允许利用压力密封或倒出(tipping-off)方法密封该端。通过加热到室温，缓冲气体蒸发成小体积，以便提供所希望的压力。然而，由于用于密封石英电弧管的端部的压力密封或倒出方法不能用于陶瓷材料，因此冻结技术不能用于陶瓷电弧管。

发明概述

本发明的目的是克服现有技术的缺陷。

本发明的另一目的是提供具有至少为约2巴的缓冲气体压力的玻璃料密封陶瓷电弧管。

本发明的再一目的是提供以高缓冲气体压力气密密封陶瓷电弧管的的设备和方法。

根据本发明的一个目的，提供一种陶瓷电弧管，包括：具有至少一个毛细管的放电容器，所述毛细管具有电极组件并从放电容器向外延伸到毛细管末端，电极组件利用玻璃料气密密封到毛细管末端，电极组件穿过毛细管到达放电室并可连接到电源，放电容器包含放电室，放电室含有缓冲气体和可电离填料，缓冲气体的压力为2巴到8巴。

根据本发明的另一目的，提供一种制造陶瓷电弧管的设备。该设备包括：具有压力室的压力套，压力室含有RF感受器，该感受器具有用于接收电弧管的毛细管的开口；位于压力套外部并围绕RF感受器的RF感应线圈，该RF感应线圈连接到RF电源；

压力室连接到加压缓冲气体源和真空源上，加压缓冲气体源通过连接到压力控制器的阀门调整，压力控制器具有压力传感器，用于测量压力室中的压力；

具有用于电弧管的支架的固定器，选择支架的高度，以便在固定器密封到该设备上时，使电弧管的未密封端放置在RF感受器内；和

该设备在密封时能交替对压力室抽真空并用缓冲气体填充压力室。

根据本发明的又一目的，提供一种密封陶瓷电弧管的方法，包括：

(a)在压力室内密封电弧管，电弧管包括放电容器和至少一个毛细管，毛细管从放电容器向外延伸到具有玻璃料的毛细管末端，压力室含有围绕毛细管末端的RF感受器；

(b)用缓冲气体填充压力室，达到预定压力；

(d)通过给RF感应线圈施加RF电源而加热RF感受器，RF感应线圈位于压力室的外部并围绕RF感受器，由RF感受器层上的热量使玻璃料熔化并流入毛细管末端；和

(e)冷却玻璃料，以便形成气密密封。

附图的简要说明

图1是本发明的密封陶瓷电弧管的截面图。

图2是本发明的射频(RF)密封设备的截面图。

图3是本发明的密封设备使用的RF电压的示意图。

图4是表示RF感应加热器和要密封的电弧管的毛细端之间的关系的截面透视图。

图5是在密封周期期间陶瓷电弧管中的内部压力升高的曲线图。

图6是在密封期间RF感受器的温度曲线图。

图7是在最后密封操作期间施加的过压力差的曲线图。

本发明的详细说明

为了更好地理解本发明，与其它和另外的目的、优点及其能力一起，下面结合上述附图说明本发明和所附权利要求书。

本发明已经公开了可以利用射频(RF)感应密封方法和设备制造一种具有高缓冲气体压力的陶瓷电弧管。虽然本发明的方法可用于密封各种陶瓷电弧管结构，但是最佳电弧管结构具有至少一个延伸的毛细管，其含有电极组件，其中毛细管利用玻璃料气密密封。RF密封设备包括可再密封的压力室，其具有安装在一端的RF感应加热器。该RF感应加热器由RF电源、位于压力室外部的RF感应线圈和位于压力室内部的RF感受器构成。为了密封毛细管端部，电弧管定位在压力室内，以使要密封的毛细管端部被包含在RF感受器中。对密封的压力室抽真空，然后用缓冲气体填充到预定压力。施加RF电源，RF感受器吸收由RF感应线圈层上的能量，使感受器热起来。由热感受器发射的热辐射使位于毛细管开口端附近的玻璃料熔化，并沿着电极组件向下流，由此密封毛细管端部。

具有高内部缓冲气体压力的最佳玻璃料密封陶瓷电弧管的截面图示于图1中。轴向对称电弧管1由放电容器3、放电室5、对置端帽9和电子组件11构成。放电容器3由蓝宝石管构成。虽然蓝宝石是最佳的，但是放电容器也可以由特别包括多晶氧化铝和钇铝石榴石的其它陶瓷材料构成。端帽9具有环形轮缘16，其设计成配合到放电容器的开口端2上。优选，端帽由多晶氧化铝构成并利用常规烧结方法气密密封到放电容器上。利用端帽9与放电容器3组合在一起封闭含有可电离填料(未示出)的放电室5。

每个端帽9具有从放电室3向外延伸到末端12的毛细管13。每个毛细管13含有利用玻璃料气密密封在毛细管中的电极组件11。用于密封陶瓷电弧管的这种玻璃料是公知的。用于RF密封法的最佳玻璃料由重量百分比为65％的Dy₂O₃、25％的SiO₂、和10％Al₂O₃组成。然而，本发明不限于任何特殊玻璃料成分。

在更优选的结构中，电极组件11由焊接到螺纹钼棒8上的铌引线6构成，而钼棒8又焊接到钨电极10上。其它电极结构如在本领域公知的电极结构也可以利用玻璃料密封在毛细管中。玻璃料渗透到毛细管的末端的深度影响密封的质量，并且必须根据经验为每个电弧管结构确定该深度。当采用铌引线时，玻璃料应该渗透到足够深以便覆盖和保护铌，因为铌通常与可电离填料中的腐蚀性化学物质反应。然而，玻璃料必须不能太接近热的电弧管本体，因为这将增加由于材料之间的热失配造成的破裂的风险。

一旦电弧管两端被密封，加压缓冲气体就被包含于电弧管的放电室5中。优选，缓冲气体由氩、氙、氪或其混合气体构成，并且放电室内的缓冲气体压力在2-8巴范围内。(应该理解，这里提到的缓冲气体压力是在室温下(约25℃)测量的，而不是在正在工作的电弧管中的极高温下测量的。)在某些应用中，电弧管中的缓冲气体可以高达10巴，并且可想而知将来的应用可能需要10巴的过量的缓冲气体压力。这些应用应该落入本发明的范围内。

RF感应密封设备的实施例示于图2中的截面图中。该设备包括管状压力套22，其在顶部密封并在底部开口，以便接收将要密封的电弧管。选择熔融的二氧化硅(石英)作为压力套的材料，因为这材料是能承受在密封方法中使用的高温度和压力的透明绝缘材料。然而，压力套还可以由合适的非透明陶瓷材料构成，其几何形状适于容纳不同的电弧管形状。

位于压力套22的上部区域55中的是RF感受器61。感受器61是中空的以接收电弧管(未示出)的毛细管端部，并利用氧化铝隔离件68固定在原位。在本例中，优选的感受器是中空的石墨圆筒。选择石墨是因为其高的灵敏性和发射率。然而，也可以采用其它合适的导电材料(如钼和钨)和感受器几何形状。压力套和感受器的几何形状应该调整到毛细管延伸的尺寸和形状，以便阻止气体对流。通过阻挡气体对流，可以减少密封期间的热损失。此外，可以在感受器61周围设置由反射和绝缘材料构成的外部热屏蔽件69，以便通过减少由于辐射和传导造成的热损失来进一步提高电源利用性。该屏蔽件还帮助防止热辐射到达RF感应线圈63和冷却块65，由此减少冷却需求。热屏蔽件可以由绝缘多层红外反射材料或极薄的金属膜构成，并具有平行于放电室的轴的间隙，以便减少涡流。

外部RF感应线圈63围绕感受器61并连接到RF电源62的表面。当感应线圈被激励时，感受器吸收由感应线圈产生的RF能量并变热。然后来自变热的感受器的热辐射使玻璃料熔化并将电极组件密封到毛细管上。线圈的直径选择得尽可能的小，以便相对于感受器使线圈内的横截面面积减少到最小值。因而，线圈的电磁通量的最大量与导电感受器和电极组件的横截面积相交，由此减少浪费的电磁通量。为实现最佳电感、线圈中的存储能量和电磁通量而使感应线圈几何形状(线圈直径、线的直径、匝数、总的线长度)的进一步最佳化确保了用于给定输入功率的线圈内部的总负载的足够的焦耳热和加热率。这将输入功率和线圈电流减少到最小值。低线圈电流使线圈的焦耳热减小到不需要线圈的冷却水的低值。或者，感应线圈63嵌入到由具有良好热传导的绝缘介质材料构成的冷却块65中。冷却块消耗少量的线圈中的电阻热以及来自感受器的热辐射和传导热。冷却块的最佳材料是氮化铝/氮化硼组合物。冷却块保证了在密封操作期间线圈的温度和电阻保持为低值。冷却块还给线圈提供附加的机械稳定性，这有助于保持线圈在其预定形状，以便提供可再生产的耦合条件。

利用弹性垫圈25将压力套22密封到基座26上。基座26具有在一侧开向压力套22的压力室29的镗孔32，并允许电弧管通过该镗孔从相反侧插入基座。开口端31带有螺纹以允许帽27旋入基座。通过将压力套穿过开口端31插入基座26，直到凸缘28接触轮缘35为止，由此将压力套22密封在基座中。然后垫圈25放置在压力套上，接着压紧隔离件37。然后具有足以接收压力套的孔的帽27向下旋到基座26上，使隔离件37压紧垫圈25，由此形成基座和压力套之间的紧密密封。由于压力套可松开地密封到基座上，因此通过简单改变压力套就可以很容易将该密封设备用于各种不同的电弧管结构。

基座26安装到导管24上并利用O形圈40密封到其上。导管24具有镗孔41，通过镗孔41和基座26的镗孔32可使导管24与压力室29流体连通。镗孔41通过出口45连接到真空源(未示出)并通过出口46连接到加压缓冲气体源(未示出)。这就允许压力室29交替被抽真空和加压，以便利用缓冲气体填充电弧管。加压缓冲气体源备有压力控制器(未示出)，监视和调整压力室29中的压力。压力控制器连接到测量压力室内的压力的压力传感器和微处理器控制可变阀，允许压力室中的压力以预定速度增加。

电弧管固定器20由基座47和支架49构成。支架49具有空腔43，该空腔43具有对应电弧管的端部的形状。通过在支架空腔43中密封电弧管，然后升高固定器20，直到它压紧和密封导管24和O形圈为止，由此给该密封设备加载。锥形导管可以放置在压力套的下部区域内部，以便中心对准和稳定电弧管，象其插入时那样。支架49的高度应该如此设定，以便当固定器20配合到导管24上时，电弧管的相对端适当地位于RF感受器61中。

一旦电弧管放置到固定器中和密封该设备，压力室和电弧管的放电室被抽真空，然后周缓冲气体填充到预定压力。接通RF电源，使感受器热起来。一旦玻璃料温度达到其熔点，玻璃料使陶瓷毛细管和电极组件液化和湿润。一旦玻璃料达到毛细管内的预定渗透深度，关断RF电源，玻璃料固化，在毛细管和电极组件的引线之间形成气密密封。然后压力室的压力减小到大气压力，并且该设备打开和再加载。当进行电弧管中的最后密封时，随着电弧管的内部容积变得远离压力室的溶剂，在电弧管中存在与温度相关的压力升高。为避免在两个容积分开时的大压力差，压力室内的压力升高必须与电弧管内部的压力升高匹配。

最好是采用压力室内的稍大的压力升高以保证玻璃料向下流到预定渗透深度。

通常，RF频率的选择由EMI/RFI发射需求、要加热的部件的几何形状、和预定加热速度确定。更具体地说，该频率应该占有在感受器中足以感应电流的其磁场中的改变率，能升高感受器的温度并在预定时间内熔化玻璃料。优选，RF频率为27.12MHz，这是只需要最小EMI/RFI屏蔽的ISM带。RF电源的示意图示于图3中。在本例中，以单端模式驱动电感线圈。合适的RF匹配网络57设计成允许利用最小的反射功率将感应线圈L1连接到RF功率放大器上。按如下方式设计和最小化感受器的导电率和功耗、线圈11的电感、和电容器C1和C2的值，以便实现在10安培数量级的线圈电流和少于约300瓦的RF电源输出。低瓦数和最佳耦合调整不再需要大RF放大器，低线圈电流减少了冷却的需求。这些特征的组合产生了能高速加热和缩短加热时间的节能系统。

上述RF密封设备可用于填充和密封缓冲气体压力至少为约1巴的电弧管。在约1巴以下时，在不击穿室内的RF等离子体的情况下，可能难以使用该密封设备。然而，通过进行某种等离子体抑制测量，可以在低于1巴的压力下实现RF密封。这种方法包括：通过以充分模式代替单端模式驱动感应线圈，相对于电路地减少最大线圈电压，使感受器的边缘变钝以最小化沿着该边缘的电场增强；和/或通过采用高温绝缘材料以屏蔽或遮挡所有或部分感受器，由此增加沿着感受器的绝缘蠕变距离。

图4是压力套22的上部区域55的截面透视图，表示准备密封的电弧管毛细管13。玻璃料环70已经放置在引线6周围并邻近毛细管的末端12设置。毛细管的末端12、玻璃料环70和引线6定位在被氧化铝隔离件68支撑的感受器61中。由于压力室29的横截面面积和体积很小，因此惰性气体消耗保持最小，并且在气体压力高达10巴时也可以施加相对低的力。

如上所述，当RF电源输送给感应线圈63时，感受器61吸收RF能量，使其热起来。然后由感受器发射的热辐射使玻璃料环70熔化。毛细作用力和重力使玻璃料沿着引线6向下流到毛细管13中。当玻璃料到达其预定渗透深度时，停止加热。通过冷却，在玻璃料、毛细管和引线之间形成气密密封。从密封装置中取出电弧管，倒置、再装载到被设备中，以便密封其相反端。最后密封比首次密封难以进行，因为随着玻璃料向下流到毛细管中，气体被限制在放电室5中，电弧管的内部压力开始升高。

通过采用关闭阀和附着于电弧管相反端上的薄金属毛细管，在测试装置中根据经验确定最后密封操作期间的电弧管内的压力升高。关闭阀开始将放电室通过金属毛细管连接到压力室，允许用缓冲气体将两个容积填充到相同压力。然后通过闭合关闭阀使两个容积分开。然后采用连接到金属毛细管的最小压力传感器监视放电室内的压力升高，同时用感受器加热电弧管的玻璃料密封端。如图5所示，给感应线圈供电约3秒钟之后，电弧管的内部压力开始线性升高。给感应线圈供电约15秒钟之后，随着密封端的玻璃料液化，压力急剧下降。此时，电弧管的内部压力足够克服由压力室内的气体施加的外部压力，使玻璃料密封失败。采用这种信息，可以推测在整个密封周期期间电弧管内的压力升高。然后这个功能可用于驱动可变阀，以便以与电弧管内的压力升高相同的速度增加压力室内的压力。而且，在压力室内可以保持稍微的过压差，以助于强制熔化的玻璃料流进毛细管中。

图6和7表示典型的密封周期。在密封期间感受器的温度示于图6中。电弧管的一端已经采用相同温度周期密封，最后密封的形成只是保持电弧管内的压力和压力室内的压力之间的压力平衡的问题。图7中的曲线71表示密封设备的压力室内的压力，而曲线73表示电弧管内的推测压力。区域A表示加热处理的开始，接着在区域B中的延迟压力升高。玻璃料熔化和渗透到毛细管中发生在区域C和D中。在区域D中结束加热周期。当玻璃料固化并能承受大压力差时，在区域E结束压力室内的受控压力升高。在密封期间施加的稍微过压差可根据经验调整以实现所希望的玻璃料渗透深度。

前面已经示出和说明了本发明的最佳实施例，对于本领域技术人员来说很显然在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下可以做出各种改变和修改。

Claims (31)

1、一种陶瓷电弧管，包括：具有至少一个毛细管的放电容器，该毛细管具有电极组件并从放电容器向外延伸到毛细管末端，该电极组件利用玻璃料气密密封到毛细管末端，该电极组件穿过毛细管到达放电室并连接到外部电源，放电容器封闭含有缓冲气体和可电离填料的放电室，缓冲气体的压力在2-8巴。

2、根据权利要求1的陶瓷电弧管，其中缓冲气体压力为2-10巴。

3、根据权利要求1的陶瓷电弧管，其中缓冲气体压力超过10巴。

4、根据权利要求1的陶瓷电弧管，其中放电容器由蓝宝石管构成，毛细管由多晶氧化铝构成。

5、根据权利要求4的陶瓷电弧管，其中毛细管是已经气密密封到蓝宝石管上的端帽的一部分。

6、根据权利要求5的陶瓷电弧管，其中端帽具有配合在蓝宝石管的开口端上的环状轮缘。

7、根据权利要求1的陶瓷电弧管，其中缓冲气体为氩、氪、氙或其混合物。

8、根据权利要求1的陶瓷电弧管，其中缓冲气体包括氙。

9、根据权利要求8的陶瓷电弧管，其中缓冲气体压力为2-10巴。

10、一种用于制造陶瓷电弧管的设备，包括：

具有包含RF感受器的压力室的压力套和RF感应线圈，感受器具有用于接收电弧管的毛细管的开口，RF感应线圈位于压力套外部并包围RF感受器，RF感应线圈连接到RF电源；

压力室连接到加压缓冲气体源和真空源，加压缓冲气体源由连接到压力控制器的阀调整，压力控制器具有压力传感器，用于测量压力室内的压力；

固定器，具有用于电弧管的支架，支架的高度如此选择，以便在固定器密封到该设备上时，电弧管的未密封端位于RF感受器内部；和

当密封时，该设备能交替对压力室抽真空和用缓冲气体填充压力室。

11、根据权利要求10的设备，其中感受器是中空的石墨圆筒。

12、根据权利要求11的设备，其中感受器利用氧化铝隔离件固定在压力室内。

13、根据权利要求10的设备，其中感应线圈嵌入冷却块中。

14、根据权利要求13的设备，其中冷却块是氮化铝/氮化硼组合材料。

15、根据权利要求10的设备，其中热屏蔽件设置在RF感受器和RF感应线圈之间。

16、根据权利要求10的设备，其中感受器的边缘被弄钝，以便减少电场增强。

17、根据权利要求10的设备，其中感应线圈以单端模式操作。

18、根据权利要求10的设备，其中感应线圈以差分模式操作。

19、根据权利要求15的设备，其中热屏蔽件包括多层陶瓷红外反射材料。

20、根据权利要求15的设备，其中热屏蔽件包括具有平行于压力室的轴的间隙的薄金属膜。

21、根据权利要求10的设备，其中压力套可拆卸地密封到基座上，基座安装在导管上，导管具有用于连接到加压缓冲气体源和真空源的出口，基座和导管各具有镗孔，通过该镗孔可允许电弧管插入到压力室内，导管可拆卸地密封到固定器上。

22、根据权利要求10的设备，其中压力套由熔融二氧化硅构成。

23、根据权利要求10的设备，其中RF电源的频率为27.12MHz。

24、根据权利要求10的设备，其中RF电源具有使反射功率最小化的RF匹配网络。

25、根据权利要求23的设备，其中RF电源具有少于300瓦的功率输出。

26、一种密封陶瓷电弧管的方法，包括：

(a)在压力室内密封电弧管，该电弧管包括放电室和至少一个毛细管，该毛细管从放电室向外延伸到具有玻璃料的毛细管末端，放电室含有围绕毛细管末端的RF感受器。

(b)用缓冲气体填充放电室到预定压力；和

(d)通过用RF电压给RF感应线圈供电，加热RF感受器，RF感应线圈位于放电室的外部并围绕RF感受器，由RF感受器产生的热量使玻璃料熔化并流进毛细管末端；和

(e)冷却玻璃料以形成气密密封。

27、根据权利要求26的方法，其中缓冲气体的压力以等于或稍大于放电室内的缓冲气体压力的速度增加。

28、根据权利要求26的方法，其中采用过压差实现玻璃料渗透深度。

29、根据权利要求26的方法，其中缓冲气体压力为2-8巴。

30、根据权利要求26的方法，其中缓冲气体压力为2-10巴。

31、根据权利要求26的方法，其中缓冲气体压力超过10巴。

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