专利名称：高强度放电灯、弧光灯管及其制造方法
技术领域：
本发明通常涉及高强度放电(“HID”)灯、弧光灯管及其制造方法。更具体地说，本发明涉及HID灯、弧光灯管及其制造方法，其中在弧光灯管中的填充气体压力大于基本室温下的一个大气压。
背景技术：
HID灯已经被开发作为点光源，而且特别适用于光导纤维照明系统、投影显示装置和汽车前灯。用氙气作为填充气体的金属卤化物灯在许多用途中受到欢迎，因为瞬间的光容量、比较长的寿命和产生具有良好色彩再现白光的较高效率。
在制造用于点光源的HID灯中，最好获得比在基本室温下一个大气压更大的最终填充气体压力。最终填充气体压力大于大约5个大气压是常见的，而填充气体压力可能高达大约600个大气压。
在氙金属卤化物灯的制造中，在腔室密封之前，冷冻适量的氙气进入灯的发光腔室以获得超大气压的氙压力已是众所周知。冷冻进入腔室的氙气量(当在基本上一个大气压和室温下)大于腔室的容积，以便使密封在腔室内的氙气压力在该氙气温度恢复到基本室温时大于一个大气压。密封在腔室内的填充气体在基本室温下的压力(以大气压计)等于冷冻进入腔室的气体量(在基本一个大气压和室温下)对于腔室容积的比值。
在制造超大气压弧光灯管的已知方法中，现有技术指出，一旦将固体填充材料和水银注入到弧光灯管主体内部，就必须使弧光灯管内部与不受控大气隔离，并且将第二电极引线组件置于留下的开口端部中，以防止第二电极引线组件的金属部件在第二端部密封过程中氧化。
现有技术指出，可以通过以下方法使弧光灯管内部与不受控大气隔离(i)如在1992年4月28日Heider等人的美国专利No.5,108,333中所指出的将弧光灯管主体置于受控大气例如手套箱中或者(ii)如在1996年4月9日Nagasawa等人的美国专利No.5,505,648中所指出的将开口端连接在提供必要密封的真空系统上。
如在Heider等人专利中披露的那样，弧光灯管主体的一个端部必须有足够长，以使该组件在置于端部内时将整个电极引线组件封装起来。一旦将该弧光灯管置于手套箱的受控大气内，就用氙气填充该主体，而且熔合封闭该端部，从而将整个电极引线组件封装在该主体内。然后可从手套箱中将该弧光灯管取出，以便使氙气冷冻可进入腔室，再通过收缩或夹紧第二端部密封起来。而后除去端部的多余部分，露出电极引线组件的外引线。
现有技术方法明显的缺点在于，需要使弧光灯管主体与不受控大气隔离。这通常需要使用手套箱或真空系统。这种方法复杂而且难以自动化。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于，克服现有技术的许多缺陷，并且提供一种新颖的HID灯、弧光灯管和制造弧光灯管的方法。
本发明的另一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的弧光灯管的方法，该方法避免需要在受控大气内进行任何加工步骤。
本发明还有一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的无尖头(tipless)弧光灯管的方法，其中该弧光灯管在最终密封该弧光灯管的步骤过程中保持通向不受控大气。
本发明再一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的无尖头弧光灯管的方法，其中惰性填充气体与不受控大气例如空气的连通一直保持到弧光灯管被气密封。
本发明又有一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的弧光灯管的方法，该方法避免需要除去一部分端部，露出电极引线组件的外部。
本发明另外还有一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的弧光灯管的方法，其中弧光灯管主体的每个端部都具有与成品弧光灯管端部基本相同的长度。
本发明此外再一个目的在于，提供一种用于使弧光灯管主体端部形成的管状开口延伸的新颖设备和制造用于HID灯的弧光灯管的方法。
本发明还有另外一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于HID灯的弧光灯管的方法，其中填充气体的温度在弧光灯管在不受控大气中密封之前是受控的。
本发明再有另外一个目的在于，提供一种新颖的弧光灯管和制造用于具有超大气压填充压力HID灯的弧光灯管的方法，其中在密封时没有压差。
熟悉本发明所属技术领域的普通技术人员从权利要求书、附图和以下优选实施方案详细说明的研讨中将很容易理解本发明的这些和许多其它目的和优点。
图1为具有球形发光腔室的弧光灯管主体剖视图；图2a-e表示用于形成图1所示弧光灯管主体的现有技术加工步骤；图3a表示在夹紧密封过程中用惰性气体冲洗主体内部同时加热弧光灯管主体端部的步骤；图3b为具有一个端部被夹紧密封的电极引线组件的弧光灯管主体剖视图；图4为电极引线组件示意图；图5表示固体灯填充材料和水银注入腔室内部的步骤；图6为具有封离在电极引线组件之外的细长端部的现有技术弧光灯管主体剖视图；
图7表示保持主体内部通向周围大气的同时加热弧光灯管主体上端部分的步骤；图8为由本发明的一种方法制作的弧光灯管剖视图；图9为本发明弧光灯管主体的一个实施方案剖视图；图10为图9所示弧光灯管主体制作的弧光灯管剖视图；图11a表示本发明弧光灯管主体填充最终充填气体和冲洗的步骤；图11b表示本发明一个方面的电极引线组件定位和弧光灯管第二端部夹紧密封的步骤；并且图12表示本发明另一个方面的电极引线组件定位和弧光灯管第二端部夹紧密封的步骤。
具体实施例方式
本发明通常提供实用的所有类型和尺寸HID灯用弧光灯管和这种灯的制造方法。下面仅用实例，就本发明有关双端金属卤化物灯无尖头石英构成的弧光灯管的某些方面加以描述。
图1表示由石英管制成的现有技术弧光灯管主体。该弧光灯管主体10包括位于开口管状端部14、16中间的球形发光腔室12。可以采用任何适当的传统方法来制成弧光灯管主体10。
成形的主体弧光灯管可以按照Lamouri等人于2000年6月19日提出题目为“Horizontal Burning HID Lamps And Arc Tubes”受让给本发明受让人的同时待审专利申请No.09/597547中所述的方式制造出来。图2a表示这样一种用石英管(图2a)制成弧光灯管的方法，即通过将该管装在车床上并且加热该管(图2b)、利用该管的轴向运动收缩受热管(图2c)，再通过内压使收缩的管膨胀靠在模具(图2d)上，从而获得所要求的弧光灯管主体形状(图2e)。可以通过在收缩过程中积累的石英量来调节弧光灯管主体的厚度，而通过模具的形状来确定弧光灯管主体的形状。
如图3a和3b所示，将第一电极引线组件18置于开口管状端部14内，再用传统的夹紧密封工艺将该端部14密封。在夹紧密封过程中，将一部分端部14加热使石英软化，然后采用形成夹紧密封20的普通夹钳(未示出)将软化的部分挤压在一起，而包起设在其中的部分电极引线组件18。夹紧密封20将组件18相对于弧光灯管主体10的位置固定，并且通过端部14在腔室12内部和主体10外部之间形成气密封。
电极引线组件18可以是一种普通引线组件，它包括几个金属部件，其中包括如图4所示的钨电极22、钼箔24和钼外引线26。在夹紧密封过程中，金属部件在石英软化时可以达到2000℃或更高的温度。在这种高温下，如果在活性大气例如空气中受潮的话，这些金属部件非常容易腐蚀。为了防止这种腐蚀，在夹紧密封过程中惰性气体通过留下的开口管状端部16被注入到腔室12中，并且流经引线组件18。该气体可以通过任何传统的方法例如图3a所示的插入探测器28或者将软管(未示出)连接在开口端部16上来注入。该气体可以是任何惰性气体，例如氮气或氩气或其混合气。
下面的步骤是通过留下的开口端部16将材料注入到腔室12中来给该弧光灯管主体投配所需的填充材料。可以通过任何普通的装置例如由APL Engineered Materials，Inc.公司制造的灯填充球销式分配器利用留下的开口端部16将固体灯填充材料30注入到腔室12中。必要时，还可以通过任何普通装置利用端部16将水银31注入到该腔室12中。图5表示在腔室12内具有灯填充球30和水银31的弧光灯管主体10。
在该过程中剩下步骤包括用最终填充气体冲洗和填充腔室、将第二电极引线组件置于留下的开口端部中，并密封留下的开口端部。正如对第一端部夹紧密封所述的那样，重要的是要防止电极引线组件的金属部件在高温下暴露于腐蚀性大气。
现有技术的方法指出必须通过以下方法使部件与不受控大气隔离(i)将该弧光灯管主体置于手套箱中；或者(ii)在用最终填充气体填充弧光灯管主体内部和设置第二电极引线组件之前将弧光灯管主体的开口端连接在真空系统上。如图6所示，一旦获得最终填充压力，就可在引线组件32外面将开口端部16熔合封闭，从而将含有惰性气体的腔室12内部隔离。因此现有技术利用部件在弧光灯管主体内部惰性气体的隔离来防止引线组件的金属部件在端部16夹紧密封过程中被腐蚀。
已经发现，通过以下方法可以避免使用手套箱或真空系统时使弧光灯管内部与不受控大气隔离，即弧光灯管主体10如此取向，要使开口端部16如图5和7所示向上延伸，并且依靠填充气体与空气的相对重量来维持惰性气体填充在弧光灯管主体内。可以插入适当的普通探测器34将最终惰性填充气体注入到腔室12的内部。该填充气体可以是任何惰性气体，例如氩气、氖气、氙气、氪气或其组合气体。在本发明的优选实施方案中，填充气体为氙气或氙气和氩气的混合气，这两种气体都比空气重，而且只要主体保持在基本垂直方位就会保留在弧光灯管主体10的内部，因此阻止了弧光灯管周围不受控大气中较轻污染空气流入。
用填充气体冲洗和填充弧光灯管主体10的内部直至端部16的顶端38，以便置换所有其它气体。一旦对弧光灯管主体进行了冲洗和填充，可以取出探测器34，并且如图中所示将第二电极引线组件32置于端部16内。该端部16必须在引线组件32上方充分延伸，致使尽管在端部16的顶端38附近填充气体与弧光灯管主体周围的不受控大气会有一些混合，但是该引线组件32仍将浸没在端部16内的填充气体柱中。
如图7和8中所示，因而可以通过传统夹紧密封方法来密封第二端部16。对一部分端部16进行加热，使石英软化，然后采用普通的夹钳(未示出)将软化的部分挤压在一起，而包起设在其中的部分电极引线组件32，从而形成夹紧密封36。夹紧密封36将组件32相对于弧光灯管主体10的位置固定，并且通过端部16在腔室12内部和主体10外部之间形成气密封。在另一个实施方案中，端部可以通过收缩密封方法来密封。
如图8进一步所示，此刻腔室12与弧光灯管主体10的外部气密封。然后可以除去端部16的多余部分，露出电极引线组件32的外引线42。
图9和10表示本发明的另一个实施方案。该弧光灯管主体50可以形成具有开口端部54、56中间的腔室52。端部54、56可以具有基本上相同的长度。在优选实施方案中，弧光灯管主体50的端部54、56长度可以基本上为成品弧光灯管的端部长度，因而可以免除只要腔室被密封便要修整第二端部的多余部分的步骤。但是，仍有必要提供足够长的填充气体柱，以便使设在第二端部56内的第二电极引线组件58在第二端部的夹紧密封过程中完全浸没在填充气体中。
在本发明的一个实施方案中，通过使所述开口端部与形成具有与端部外径基本相同直径的细长轴机械装置连通来使填充气体柱延伸超出端部长度之外。在图11a和11b所示的实施方案中，冲洗和填充块60形成一主轴62，该主轴62在设置电极引线组件58、用最终填充气体冲洗/填充主体50以及夹紧密封端部56的步骤期间与弧光灯管主体50的开口端部56连通。
所述块60形成主轴62和一个或多个辅助轴64，这些辅助轴64在主轴62和周围气体之间形成连通。端部56的开口端可相对于块60设置以实现主轴62与由端部56形成的管状开口连通。可以通过如图11a所示将普通探测器66插入到所述腔室52中来用最终填充气体冲洗和填充弧光灯管腔室52的内部和开口端部56。
一旦用最终填充气体冲洗和填充了弧光灯管主体50，就可以取出探测器66。此刻填充气体填充了端部56和主轴62，并且由于填充气体对周围气体的相对重量所以必定保留在轴62内。然后采用如图11b所示的普通组件支座68将电极引线组件58设置在端部56和主轴62内。随着填充气体填充轴62至顶部，电极引线组件58可以完全浸没在填充气体中，从而防止了在夹紧密封过程中出现腐蚀。
在本发明的一个方面中，在腔室被气密封时可以冷却填充气体，从而在基本室温下获得超大气压的填充气体压力。必须注意防止污染，例如在冷却过程中不断将填充气体注入到弧光灯管中。
图12表示本发明的实施方案，其中填充气体为氙气。参照图12，可以将氩气覆盖层设在此刻填充轴52至顶部的氙气上。然后可以通过任何传统的方法例如喷射液氮61将一部分腔室52的温度降低至低于氙气冰点的温度，即大约为-112℃或更低的温度。一旦主体50内部和轴62内的全部氙气量冷冻进入腔室，则可以通过任何传统的密封方法例如夹紧或收缩密封来密封端部56。通过使氩气覆盖层保持在氙气上方，这将填充在主体50内部和轴62内由于氙气冷冻进入腔室52而产生的孔隙，从而使电极引线组件58在密封过程中仍然浸没在非反应性气体中。少量氩气可能被密封在腔室52内，但不会影响灯的性能。
在该实施方案中，氙气在基本室温下在密封弧光灯管中的最终填充压力由弧光灯管主体50和轴62的内部容积与密封腔室52容积的比值来确定。可以改变轴62的容积来获得所要求的最终填充压力。
在本发明的另一个实施方案中，可以将由至少两种非反应性气体的混合物构成的气体流注入到腔室52中。腔室的温度可以降低至低于其中一种气体的冰点，但是要保持高于另一种气体的冰点，以便使其中一种气体冷冻并保留在腔室中，同时该气体将继续流动。最终填充压力可以通过控制混合气体的组分和气体的流动速率来确定。一旦所需的气体量已经冷冻进入腔室，则可停止流动，并将端部58密封，从而使腔室52气密封。
例如，气体可以包括氙气和氩气。如果腔室的温度降低至低于氙气的冰点，但是仍然高于氩气的冰点，则氙气将在腔室中冷冻，而氩气将继续流动，以致在弧光灯管留下的开口端部夹紧或收缩密封过程中形成围绕第二电极引线组件的非反应性大气。
尽管对本发明的优选实施方案已进行了描述，但是要理解的是，所述的实施方案只是示例性的，而且本发明的范围只应由所附权利要求来限定，在符合全部等效范围的情况下、熟悉本领域技术人员对其阅读后自然可作出许多变化和改进。
权利要求
1.一种制造用于高强度放电灯的弧光灯管的方法，其中所述弧光灯管包括在基本室温下处于超大气压力的填充气体，所述方法包括以下步骤在基本大气压力下相对于主体周围不受控大气温度降低弧光灯管主体内部的填充气体温度，同时使填充气体和周围大气之间保持连通；并且气密封弧光灯管主体，同时降低填充气体的温度，以便在填充气体温度不再降低时密封在弧光灯管内部的填充气体压力将为超大气压。
2.如权利要求1所述的方法，其中降低所述填充气体温度的步骤包括冷冻腔室中的氙气，并且在冷冻氙气上形成氩气覆盖层同时使氩气和周围大气之间保持连通的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，还包括冷冻腔室中已知氙气量的步骤，以便在弧光灯管被密封，并且氙气不再冷冻时获得所需的填充气体压力。
4.如权利要求1所述的方法，其中降低所述填充气体温度的步骤包括冷却弧光灯管主体纵向中心部分的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤密封所述主体的一个管状端部；密封所述主体的另一个管状端部，由此在密封端部之间形成气密封发光腔室；并且在密封另一个管状端部步骤期间冷却该腔室，由此降低在腔室内的填充气体温度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述端部被夹紧密封。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述端部被收缩密封。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述填充气体为惰性气体，而周围大气为空气。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述惰性填充气体包括氙气。
10.如权利要求1所述的方法，其中密封在所述腔室内的填充气体压力在基本室温下大于10个大气压。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述填充气体压力在大约5个大气压和30个大气压之间。
12.如权利要求1所述的方法，其中气密封所述弧光灯管主体的步骤包括密封从弧光灯管发光腔室延伸出的管体的步骤。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述弧光灯管主体包括具有单个开口端的发光腔室。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述弧光灯管主体由陶瓷材料构成。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述弧光灯管主体由石英构成。
16.如权利要求1所述的方法，其中气密封所述弧光灯管主体的步骤包括以下步骤，将一个或多个电极引线组件设置在主体的开口端部中，并且密封位于在其中的一个或多个电极引线组件周围的端部，由此将一个或多个电极引线组件的位置固定，并且气密封所述弧光灯管主体。
17.一种制造用于高强度放电灯的弧光灯管的方法，该弧光灯管具有气密封在弧光灯管发光腔室内的填充气体，其中所述填充气体的压力在基本室温下大于一个大气压，所述方法包括以下步骤保持填充气体流进所述腔室，所述填充气体包括至少两种非反应性气体；将腔室温度冷却至低于构成所述填充气体中至少一种气体的冰点，但是高于构成该填充气体的至少另一种气体的冰点，以便适量的至少一种气体将在腔室内冷冻；并且在所需气体量在其中冷冻时气密封所述腔室。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述填充气体包括氙气和氩气。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述填充气体包括至少百万分之一氙气。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述填充气体的流动速率至少约为每秒十分之一标准升，但是不大于大约每秒一百标准升。
21.如权利要求17所述的方法，其中所述填充气体通过弧光灯管的开口管状端部流进腔室。
22.如权利要求17所述的方法，其中气密封所述腔室的步骤包括以下步骤，将一个或多个电极引线组件设置在主体开口端部中，并且密封位于其中的一个或多个电极引线组件周围的端部，由此将一个或多个电极引线组件的位置固定，并且气密封所述弧光灯管主体的发光腔室。
23.一种制造无尖头弧光灯管的方法，该弧光灯管具有在超大气压力下装有填充气体的气密封发光腔室，所述方法包括以下步骤将所述无尖头腔室置于气态大气中；通过所述弧光灯管的开口端部用填充气体冲洗并且填充所述腔室；降低在腔室内的填充气体的温度；在所述填充气体上形成非反应性气体覆盖层，同时使所述非反应性气体和所述腔室周围的气态大气保持连通；并且通过密封所述端部来气密封所述腔室，所述非反应性气体的组分不同于所述弧光灯管周围的气态大气组分。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述非反应性气体为氩气，而所述弧光灯管周围的大气为空气。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述填充气体为氙气。
26.一种制造用于高强度放电灯的弧光灯管的方法，该弧光灯管装有超大气压的氙气充气，所述方法包括以下步骤(a)提供一种包括有开口管状端部的弧光灯管主体；(b)设置所述弧光灯管主体，以使所述管状端部基本上垂直；(c)将第一电极引线组件设置在下开口管状端部中，同时通过上开口管状端部注入非反应性气体来冲洗所述主体的内部；(c)通过以下步骤气密封所述下管状端部，并且将第一电极引线组件相对于所述弧光灯管主体的位置固定(i)加热一部分下管状端部；并且(ii)将下管状端部的受热部分夹紧密封在位于其中的部分组件周围；(d)通过上管状端部将灯填充材料注入到弧光灯管主体内部；(e)通过上管状端部用氙气填充弧光灯管主体内部；(f)通过上管状端部在所述氙气上形成非反应性气体覆盖层；(g)冷冻所述弧光灯管主体内部的氙气；(h)将第二电极引线组件设置在上管状端部中；并且(j)通过以下步骤气密封所述上管状端部，并且将第二电极引线组件相对于所述弧光灯管主体的位置固定(i)加热一部分上管状端部同时通过上管状端部使非反应性气体覆盖层和弧光灯管主体周围的大气之间保持连通；并且(ii)将上管状端部的受热部分夹紧密封位于其中的部分组件周围，所述上端部的密封是气密封所述弧光灯管主体内部的最终密封。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述非反应性气体为氩气。
28.一种制造用于高强度放电灯的弧光灯管的方法，所述方法包括以下步骤提供一石英弧光灯管主体，该主体包括位于长度基本相同的管状端部中间的球形发光腔室；把电极引线组件密封在一个端部；通过另一个端部将灯填充材料、水银和惰性填充气体注入到所述腔室；降低在所述腔室内相对于所述腔室周围基本大气压下气体的填充气体温度；并且将电极引线组件密封在另一个端部，由此在降低填充气体的温度同时气密封所述腔室，致使当填充气体的温度不再降低时，密封在腔室内的填充气体压力将为超大气压。
29.一种密封具有球形腔室和管状端部的弧光灯管的方法，该方法包括以下步骤(a)将第一电极引线组件夹紧密封在第一端部，同时使受控大气通过所述端部；(b)通过另一个管状端部将填充材料注入到所述腔室；(c)将第二电极引线组件部分设置在可拆通道的下端内；(d)将可拆通道的下端密封配合在另一个管状端部上，以此延伸该端部的有效长度，并且将所述第二电极引线组件设置在另一个端部内；(e)通过所述通道和另一个管状端部使足够量的受控大气流进所述弧光灯管，从而从中基本上拓出不受控大气；(f)将腔室的温度降低至低于受控大气中至少一种气体的冰点，由此在使通道和另一个管状端部保持填充有受控大气的同时使适量的气体在腔室中冷冻；(g)在使所述通道上端保持与不受控大气连通的同时将所述第二电极引线组件密封在另一个端部中；并且(h)除去所述通道。
30.如权利要求29所述的方法，其中冷冻在所述腔室的气体为氙气。
全文摘要
一种用填充气体填充弧光灯管(12)的方法，该弧光灯管具有与该弧光灯管周围不受控大气流体连通的开口端(16)，该方法包括用冲洗气体冲洗该管的可选步骤，提供一种填充气体，在填充气体处于较低温度并且该管通向大气的同时冷却所述管的下部(12)以冷却一部分填充气体，并且密封该管，从而使填充气体在其温度不再降低时将处于超大气压力下。披露了一种实施方案，其中填充气体包括氩气和氙气，并且温度低于氙气的冰点，但是高于氩气的冰点。另一个实施方案披露了在填充气体和大气之间形成一层非反应性气体覆盖层。还披露了其它实施方案，它包括夹紧密封所述管的下端并且通过另一个端部将灯填充材料、水银和惰性气体注入到所述腔室的步骤。
文档编号H01J9/32GK1513195SQ02810854
公开日2004年7月14日 申请日期2002年4月9日 优先权日2001年5月30日
发明者阿巴斯·拉穆里, 尤里斯·舒尔茨斯, 顾永卫, 舒尔茨斯, 阿巴斯 拉穆里 申请人:现代照明技术有限公司