專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種高強(qiáng)度氣體放電燈用高性能電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于直流或交流高強(qiáng)度氣體放電燈(HID燈)的電極，采用這種電極的HID燈可由于電極性能的改善而提高燈的光電性能和光電參數(shù)的穩(wěn)定性并延長(zhǎng)燈的使用壽命，適用于各類(lèi)HID燈。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有技術(shù)中，高強(qiáng)度氣體放電燈(HID燈)所采用的電極材料和配置方式主要有一、電極由純鎢芯桿(如圖3中301、303，圖4中401，圖5中501、502)、純鎢絲圈(如圖3中302、圖4中402)構(gòu)成。這種電極一般用于超高壓汞燈、超高壓氙燈等高電極負(fù)荷的HID燈，如日本USHIO公司的NSH系列投影用直流超高壓汞燈，UXL系列短弧超高壓氙燈，National公司的UHE系列投影用交流超高壓汞燈。發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)說(shuō)明書(shū)EP1763065A2及公告號(hào)CN2710152Y中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利均揭示了這種電極結(jié)構(gòu)，目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)產(chǎn)品多采用這種形式的電極。二、電極由鎢合金(主要是釷鎢合金)芯桿(如圖3中301，圖4中401，圖5中501、502)、純鎢絲圈(如圖3中302，圖4中402)構(gòu)成。目前這種配置的電極被國(guó)內(nèi)外大多數(shù)金屬鹵化物燈(簡(jiǎn)稱(chēng)金鹵燈)產(chǎn)品采用，國(guó)內(nèi)主要電極生產(chǎn)廠家的金鹵燈常規(guī)產(chǎn)品目錄也能反映關(guān)于金鹵燈電極應(yīng)用的這種現(xiàn)狀。另外，這種電極配置也被用于超高壓汞燈，專(zhuān)利號(hào)ZL200420079364.5的中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利揭示了這種電極。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)專(zhuān)著如《電光源原理與設(shè)計(jì)》(復(fù)旦大學(xué)出版社)，《電光源原理概論》(上?？茖W(xué)技術(shù)出版社)等均有類(lèi)似的闡述。三、電極由純鎢或鎢合金電極桿構(gòu)成(圖6中601)，無(wú)絲圈。這種電極一般用于作為汽車(chē)前大燈的HID光源，如以PHILIPS公司和OSROM公司為代表的高壓氙燈。四、儲(chǔ)備式電極(如圖7)，以純鎢芯桿(圖7中701)、純鎢絲圈(圖7中702)構(gòu)成電極，絲圈間隙內(nèi)填充電子發(fā)射材料(圖7中703)，這種電極已廣泛用于高壓汞燈或高壓鈉燈等傳統(tǒng)HID光源。通過(guò)檢索相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)和目前HID燈產(chǎn)品技術(shù)資料，未見(jiàn)與本發(fā)明下文所述電極相同的記述和應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度氣體放電燈用高性能電極，它是一種特殊構(gòu)造方式的電極，以滿(mǎn)足各種HID燈的工作特性對(duì)電極的要求。HID燈的工作特性與電極材料和結(jié)構(gòu)配置有密切關(guān)系，主要體現(xiàn)在電極對(duì)燈的啟動(dòng)性能和燈工作狀態(tài)下電極損耗對(duì)燈光電參數(shù)穩(wěn)定性和壽命的影響。由于各種HID燈啟動(dòng)方式、工作物質(zhì)、工作環(huán)境和電弧形狀的差另IJ，采用不同電極配置來(lái)適應(yīng)燈的不同特性是HID燈電極配置多樣性的根本原因。但實(shí)際上，燈的啟動(dòng)性能和工作狀態(tài)對(duì)電極特性的要求存在矛盾，特定HID燈的電極配置往往針對(duì)解決主要矛盾而難以較好地全面兼顧。如上述以純鎢芯桿、純鎢絲圈配置的電極，主要是以純鎢的高熔點(diǎn)(常壓下約3700K)、低蒸發(fā)速率(3000K時(shí)約2.8X10_6gCm2/S)、以及較高的抗濺射性能，來(lái)適應(yīng)超高壓氣體放電下高能量電弧(等溫等離子體，電弧溫度Ta>8000K)對(duì)電極的熱耗蝕和強(qiáng)電場(chǎng)(60-100V/cm)下高能粒子轟擊對(duì)電極的熱濺射損耗。而另一方面，由于純鎢的逸出功(4.5ev)較高，熱導(dǎo)率(20°C，0.31cal/c·s·°C)較低，燈啟動(dòng)階段電極的熱電子發(fā)射率低，輝光放電時(shí)間長(zhǎng)，由正離子轟擊造成的電極(陰極)濺射損耗以及濺射物沉積問(wèn)題難以克服。另外，燈正常工作狀態(tài)下為維持足夠的電子發(fā)射量，電極耗散功率較大，一方面會(huì)相對(duì)降低光輻射能量，從而降低燈的光效和電弧亮度。而上述以鎢合金(釷鎢)芯桿、純鎢絲圈配置的電極，主要是為了解決和適應(yīng)金鹵燈由于作為工作物質(zhì)的金屬鹵化物的引入，燈的啟動(dòng)性能降低這一主要矛盾。與純鎢相比，釷鎢逸出功較低且熱導(dǎo)率較高，因此具有較好的電子發(fā)射能力，可以縮短燈的啟動(dòng)時(shí)間，減輕輝光放電階段造成的電極濺射，也有助于提高燈的光效和電弧亮度。但由于釷鎢電極的熔點(diǎn)較低，蒸發(fā)率較高，抗濺射性能較低，燈工作狀態(tài)下電極的熱耗蝕和熱濺射使電極損耗率較高。由于放電只建立在電極芯桿尖端之間、純鎢絲圈并不能有效抑制電極損耗，因此影響到燈光電參數(shù)的穩(wěn)定性和壽命。采用這種電極的金鹵燈往往由于鎢在泡殼上的沉積而降低燈的流明維持率，從而影響燈的有效壽命。對(duì)于只采用純鎢或釷鎢芯桿的汽車(chē)HID燈也存在如上所述的類(lèi)似問(wèn)題。而采用儲(chǔ)備式電極的高壓汞燈、高壓鈉燈，雖然由于相對(duì)較弱的電弧能量而能較好地綜合協(xié)調(diào)燈的啟動(dòng)及電極材料蒸發(fā)、濺射問(wèn)題，但實(shí)際上，由于作為電子發(fā)射材料的金屬氧化物易于損失，燈啟動(dòng)性能和光電參數(shù)穩(wěn)定性尚待改善。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種高強(qiáng)度氣體放電燈用高性能電極，采用純鎢材料作為芯桿，采用鎢合金材料作為絲圈，以此構(gòu)成電極。上述方案中，所述鎢合金材料為釷鎢、鋇鎢、鈰鎢、釔鎢、鋯鎢、鑭鎢、或錸鎢。所述鎢合金的合金金屬含量在30%以下。所述鎢合金材料的選擇，是在所述材料熔點(diǎn)、電阻率、導(dǎo)熱率和特定溫度下的蒸發(fā)率滿(mǎn)足目標(biāo)高強(qiáng)度氣體放電燈電極負(fù)荷要求的前提下，具有盡可能低的逸出功。本發(fā)明的高性能電極可以用作各種交流高壓或超高壓氣體放電燈的電極，以及直流高壓或超高壓氣體放電燈的陰極。本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及其有益效果是特點(diǎn)一是采用純鎢芯桿作為HID電極的基體，這是由于盡管各種HID燈電弧功率密度(指單位體積等離子體功率)不同，但均屬于高強(qiáng)度弧光放電，電極放電端面(尖端)的溫度在2700-3000K，在這一溫度區(qū)間內(nèi)，即使對(duì)于熔點(diǎn)最高的可用材料純鎢也有10_810_6(g.cm2/s)數(shù)量級(jí)的蒸發(fā)速率，而采用其它高熔點(diǎn)的金屬或鎢合金，在此溫度下的蒸發(fā)速率必然更高，電極的熱耗蝕更嚴(yán)重。另一方面，與其它金屬或鎢合金相比，純鎢的抗濺射性能更高。理論和實(shí)踐都證明，HID燈啟動(dòng)階段輝光放電產(chǎn)生的冷濺射和工作狀態(tài)下高能粒子的碰撞產(chǎn)生的熱濺射所導(dǎo)致的電極損耗對(duì)燈性能和壽命有顯著影響。特點(diǎn)二是采用鎢合金構(gòu)成絲圈，這是由于與純鎢相比，鎢合金盡管存在熔點(diǎn)相對(duì)較低和抗濺射性能相對(duì)較差的缺點(diǎn)，但與其它材料相比也屬可用的高熔點(diǎn)和高抗濺射性電極材料。重要的是鎢合金在逸出功、熱導(dǎo)率、功耗、抗結(jié)晶和機(jī)械加工方面作為電極材料有比純鎢更好的性能(詳見(jiàn)表1，表2)。在HID燈工作狀態(tài)下，電極絲圈最高溫度低于2000K，對(duì)于大多鎢合金而言并不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱耗蝕，同時(shí)由于放電并不發(fā)生在絲圈之間，因此絲圈幾乎不存在熱濺射損耗。而由于高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，絲圈溫升快，使燈啟動(dòng)時(shí)電極預(yù)熱時(shí)間縮短，同時(shí)，低逸功特性使絲圈在電極電位差作用下向芯桿饋送電子，彌補(bǔ)芯桿本身電子發(fā)射率低的不足，在芯桿放電尖端產(chǎn)生高密度熱電子發(fā)射，并迅速形成電子雪崩，使輝光放電在較短時(shí)間內(nèi)過(guò)渡到弧光放電。因此會(huì)明顯提高燈的啟動(dòng)性能且減少電極冷濺射損耗。另外，這種電極結(jié)構(gòu)由于自身功率耗散相對(duì)較小，對(duì)于一定的燈輸出功率，電弧的光輻射能量相對(duì)增加，燈的光通量輸出和電弧亮度會(huì)相應(yīng)提高。國(guó)際公開(kāi)號(hào)為W02006/114770Al的發(fā)明專(zhuān)利詳細(xì)闡述了不同錸含量的錸鎢合金作為高壓氣體放電燈電極材料的特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)鎢的鈰、釷、鋯、釔、錸、鑭、鋇等稀土合金作為電極材料，當(dāng)稀土金屬含量不同時(shí)，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，電阻率，蒸發(fā)率等特定物理參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度氣體放條件下高溫和濺射的耐受性存在聯(lián)系。同時(shí)，與燈啟動(dòng)性能直接相關(guān)的逸出功值也與稀土金屬含量有關(guān)。因此可以根據(jù)各種HID燈的工作特性，通過(guò)不同鎢合金的絲圈與純鎢芯桿的合理配置，構(gòu)成能充分協(xié)調(diào)燈的啟動(dòng)性能和燈工作狀態(tài)下電極損耗基本矛盾的高性能電極，從而提高燈的性能，保證燈的性能和光電參數(shù)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高燈的有效壽命。表1一些合金金屬的物理參數(shù)(電阻率在20°C時(shí)的)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2—些特定鎢合金的逸出功(ev)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>圖1是本發(fā)明用于直流HID燈陰極的電極配置方式示意圖；圖2是本發(fā)明用于交流HID燈的電極配置方式示意圖；圖3是本發(fā)明用于直流HID燈示意圖；圖4是本發(fā)明用于交流HID燈示意圖；圖5是高壓或超高壓氙燈示意圖；圖6是汽車(chē)HID燈示意圖；圖7是儲(chǔ)備式電極示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明參照?qǐng)D1，本發(fā)明用于直流HID燈陰極的電極配置方式，采用純鎢芯桿101和鎢合金絲圈102構(gòu)成的原則下，應(yīng)根據(jù)所應(yīng)用的HID燈的具體情況如原理、工藝、性能參數(shù)要求、材料純度、材料的理化特性和配用電源等來(lái)確定芯桿的外形尺寸(直徑、長(zhǎng)度、端頭形狀)，絲圈線(xiàn)徑、層數(shù)、圈數(shù)和絲圈間距等以及加工處理方式。在實(shí)際應(yīng)用中與這種陰極相配合的陽(yáng)極應(yīng)采用與芯桿同質(zhì)的純鎢材料加工和處理。參照?qǐng)D2，本發(fā)明用于交流HID燈的電極配置方式，采用純鎢芯桿201和鎢合金絲圈202構(gòu)成的原則下，同樣需要根據(jù)所應(yīng)用的HID燈具體情況進(jìn)行配置。參照?qǐng)D3，本發(fā)明用于直流HID燈，陰極一般由芯桿301和絲圈302構(gòu)成，陽(yáng)極由純鎢桿車(chē)制而成。參照?qǐng)D4，現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明用于交流HID燈，電極一般由芯桿401和絲圈402構(gòu)成。參照?qǐng)D5，現(xiàn)有技術(shù)用于高壓或超高壓氙燈，陰極501—般由鎢合金或純鎢桿車(chē)制而成，陽(yáng)極由純鎢桿車(chē)制而成。參照?qǐng)D6，現(xiàn)有技術(shù)用于汽車(chē)HID燈，電極601—般由純鎢或鎢合金桿制成。參照?qǐng)D7，現(xiàn)有技術(shù)用于儲(chǔ)備式電極，由芯桿701，絲圈702和電子發(fā)射材料703構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)以下對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明實(shí)施例1，采用純鎢材料作為芯桿，采用錸鎢材料作為絲圈，構(gòu)成的電極用于制作超高壓汞燈。將它與采用同規(guī)格純鎢芯桿、純鎢絲圈的超高壓汞燈在其它條件相同的情況下對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前者的啟動(dòng)電壓較低，啟動(dòng)時(shí)間較短，光效及燈的電弧亮度較高，冷濺射造成的電極物質(zhì)的沉積較輕，流明維持率較高。實(shí)施例2，采用純鎢材料作為芯桿，采用釷鎢材料作為絲圈，構(gòu)成的電極用于制作金屬鹵化物燈。將它與采用同規(guī)格釷鎢芯桿、純鎢絲圈的金鹵燈在其它條件相同情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者的啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)時(shí)間基本相同，前者電極物質(zhì)的冷濺射沉積明顯輕微，壽命期內(nèi)極距的變化量很小，流明維持較高，光電參數(shù)變化率較小、壽命明顯延長(zhǎng)。實(shí)施例3，采用純鎢材料作為芯桿，采用釷鎢材料作為絲圈，構(gòu)成的電極用于制作汽車(chē)高強(qiáng)度氣體放電燈。將它與采用同規(guī)格純鎢或釷鎢芯桿的汽車(chē)HID燈在其它條件相同情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前者的啟動(dòng)電壓較低或相同，啟動(dòng)時(shí)間較短或相同，電極材料的冷濺射沉積較輕，光通量及流明維持較高，光效較高，壽命較長(zhǎng)。實(shí)施例4，采用純鎢材料作為芯桿，采用鋇鎢材料作為絲圈，構(gòu)成的電極用于制作儲(chǔ)備式電極的高壓汞燈。將它與采用同規(guī)格傳統(tǒng)儲(chǔ)備式電極的高壓汞燈在其它條件相同情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩者的啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)時(shí)間基本相同，前者的電極濺射沉積明顯較輕，燈的流明維持率、啟動(dòng)性能的穩(wěn)定性及燈壽命較高。權(quán)利要求一種高強(qiáng)度氣體放電燈用高性能電極，其特征在于，采用純鎢材料作為芯桿，采用鎢合金材料作為絲圈，以此構(gòu)成電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能電極，其特征在于，所述鎢合金材料為釷鎢、鋇鎢、鈰鎢、釔鎢、鋯鎢、鑭鎢、或錸鎢。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高性能電極，其特征在于，所述鎢合金的合金金屬含量在30%以下。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高性能電極，其特征在于，所述鎢合金材料的選擇，是在所述材料熔點(diǎn)、電阻率、導(dǎo)熱率和特定溫度下的蒸發(fā)率滿(mǎn)足目標(biāo)高強(qiáng)度氣體放電燈電極負(fù)荷要求的前提下，具有盡可能低的逸出功。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的高性能電極，其特征在于，可以用作各種交流高壓或超高壓氣體放電燈的電極，以及直流高壓或超高壓氣體放電燈的陰極。全文摘要本發(fā)明提出一種高強(qiáng)度氣體放電燈用高性能電極。它采用純鎢材料作為芯桿，采用鎢合金材料作為絲圈，以此構(gòu)成電極。所述鎢合金材料為釷鎢、鋇鎢、鈰鎢、釔鎢、鋯鎢、鑭鎢、或錸鎢。根據(jù)各種HID燈的工作特性，通過(guò)不同鎢合金絲圈與純鎢芯桿的合理配置，構(gòu)成能充分協(xié)調(diào)燈的啟動(dòng)性能和燈工作狀態(tài)下電極損耗基本矛盾的高性能電極，從而提高燈的性能，保證燈的性能和光電參數(shù)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高燈的有效壽命。文檔編號(hào)H01J61/073GK101826438SQ20091011882公開(kāi)日2010年9月8日申請(qǐng)日期2009年3月3日優(yōu)先權(quán)日2009年3月3日發(fā)明者任東華,張蔚東,沈立申請(qǐng)人:江蘇森萊浦光電科技有限公司