专利名称：利用微粒在灯丝上形成离散的显微孔隙的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在灯丝上形成显微孔隙以改善它们的辐射效率的技术领域。尤其是，本发明涉及一种适用于在大量制造条件下在灯丝上形成显微孔隙的装置和方法。
背景技术：
生产和购买电力的成本已经在世界范围内达到历史最高水平。这在发达国家尤其是真实的，在这些国家电力供应是有限的，而且在那些具有大量人口的国家对电力的需求就更高。这种需求经常会拉动对生产能量效率高并使用电成本最小化的照明资源的需求的增长。
经过过去的两个世纪，科学家和发明人已经努力以开发一种节省成本的、实用的、使用寿命长的白炽灯泡。在设计实用的白炽灯泡方面，开发一种使用寿命长、耐高温的灯丝是一个关键因素。
人们已经发现，钨丝能够为照明应用提供许多良好的特性，比如高熔点(3410℃/6170oF)、在高温下的低蒸发率(在2757℃/4995oF时为10-4托)以及高于钢的抗拉强度。这些特性允许灯丝被加热到更高的温度以给更明亮的灯提供有利的长寿命，使钨成为制造商业上可用的白炽灯泡的灯丝的一种首选材料。
当足够强度的电流通过白炽灯的灯丝时，灯丝发出可见和不可见辐射。然而，灯丝发出的能量只有一个相对小部分为可见光的形式，典型的是6至10％。所发出能量的其余大部分是在光谱的红外线范围内并且是以热的形式损失掉。因而，由在可见波长范围内所发射的功率与在全波长范围内的总辐射功率的比率测量出一种典型钨丝的辐射效率，它相对较低，在6％或者更低的级别。
提高由白炽灯丝所发射的可见光的量的传统技术依赖于通过增加所施加的电流而从灯丝所获得能量的增加。然而，增加电流甚至将浪费更大量的电能。我们需要的是一种灯丝，它发射的可见光增多了却没有增加能量消耗。
另一个关心的问题是灯丝的使用期限。钨丝是很耐用的，但是在一段延长的时间之后，大电流将导致过量的电子风(electron wind)，这会在电子进行粒子辐射并在灯丝内移动原子时发生。随着时间的过去，这种作用将导致灯丝逐渐变薄并最终断裂。
已经发现，通过使灯丝表面具有亚微米大小的结构特征，可以提高灯丝材料比如钨的辐射效率。由H.G.Craighead，R.E.Howard和D.M.Tennant在1981年的38 Applied Physics Letter 74的“SelectivelyEmissive Refractory Metal Surface”中公开了一种利用非选择性的活性离子(reactive ion)蚀刻技术在钨样品的表面上形成亚微米特征的方法。Craighead等披露，改善的辐射效率产生于来自钨的可见光的发射率的增加。发射率是指在一给定波长下物质(比如钨)表面的辐射通量与在相同条件下由光黑体发射的辐射通量的比率。该黑体负责吸收其上附带的辐射。
Craighead等披露，来自一种织构化的钨表面的可见光的发射率是非织构化表面的可见光发射率的两倍，并指出该增加是将来自该织构化钨表面的电磁辐射更加有效地耦合到自由空间的结果。由Craighead等公开的该钨样品的织构化表面在其被柱状结构分隔开的表面上具有凹陷，所述柱状结构突出在该灯丝表面之上约0.3微米。
1989年9月10-14日，由John F.Waymouth在Fifth InternationSymposium on the Science and Technology of all Light Sources(第5次全光源科学技术国际讨论会)上发表的、题为“Where Will the NextGenerat ion of Lamps Come From？”(新一代灯将来自何处)的论文第22-25页和图20中，公开了另外一种通过改变钨丝灯灯丝表面而提高白炽灯效率的方法。Waymouth假定，灯丝表面的穿孔宽0.35微米、深7微米并被0.15微米厚的壁分隔开，孔可以作为波导以将辐射耦合到钨丝与自由空间之间的可见波长内。Waymouth还披露，灯丝上的孔可以通过半导体平版印刷技术形成，但是这种孔的尺寸超出了当前技术发展水平的能力。
在Jaffe等人的美国专利US5955839中公开了另外一种用于减少白炽光源的红外发射的方法。如其所述，灯丝上存在显微孔隙对发射的方向性提供了更大的控制并在给定带宽内提高了发射效率。比如，这样一种光源可以具有直径在1微米至10微米之间的显微孔隙。当采用微电子加工技术在某些材料上可以形成具有这些尺寸的结构时，就很难在金属、比如通常被用作白炽灯丝的钨上形成这些结构。
在Liu等人的美国专利US6433303中公开了再一种用于减少白炽光源的红外发射的方法，其名称是“Method and Apparatus Using LaserPulses to Make an Array of Microcavity Holes”(利用激光脉冲形成显微孔隙矩阵的方法和装置)。所公开的方法利用激光束在金属膜上形成单个的显微孔隙。一种光学掩模将激光束分成多光束，并且一个透镜系统将多光束聚焦到金属膜上从而形成显微孔隙。
在Bigio等人的美国专利US5389853中公开了另一种方法，并描述了一种可见光的发射被改进的灯丝。通过在其表面上沉积一层亚微米-至-微米的微晶，改善了钨灯丝的发射率。所述微晶是由钨、或者由达到1％的钍以及达到10％的铼、钽和铌中的至少一种形成的。
当这些传统的方法形成显微孔隙并改善光发射率时，它们是复杂的并昂贵的。这些方法没有一种适合于大量制造条件，其中成本和效率是重要的因素。因而，就需要提供一种用于在适用于大量生产的灯丝上形成显微孔隙的方法。
发明内容
本发明提供一种用于在钨丝上形成显微孔隙的显微孔隙形成装置。该显微孔隙形成装置包括一个颗粒源，一个用于接收被加热钨丝的腔室以及多个喷嘴，所述喷嘴设置在腔室中用于以足够的力将颗粒向该热钨丝喷射，从而将颗粒嵌入该钨丝中。热钨丝被接收在腔室中，喷嘴向钨丝喷射颗粒以在钨丝上形成显微孔隙。
通过结合附图并阅读下面的详细描述，将更好地理解本发明。应当强调，根据通常惯例，附图中的各个特征不是按照比例的。相反，为了清楚的目的，各个特征的尺寸可以任意地扩大或者减小。附图中包括下列附图图1是根据本发明的一种用于在钨丝上形成显微孔隙的系统的方框图；图2是构成图1所示系统一部分的一个显微孔隙形成装置的部分透视图，包括根据本发明一实施例的一个喷射器；图3A是根据本发明一个实施例的如图2所示的喷射器的横截面图；
图3B是根据本发明另一实施例的如图2所示的喷射器的横截面图；图4是一种显微孔隙形成装置的部分透视图，包括根据本发明另一实施例的一个喷射器和一个颗粒清除器(particle remover)；图5是根据本发明一个实施例的如图4所示的颗粒清除器的示意侧视图；图6是一种用于在钨丝上形成显微孔隙的系统的方框图，包括根据本发明的一个颗粒清除器。
具体实施例方式
下面结合附图，对本发明实施例的优选特征进行描述。应当知道，本发明并不局限于这些被选择用来描述的实施例。而且应当注意到，附图不是表示任何具体的比例。可以设想，下文描述的任何结构和材料都可以在本发明的范围内进行修改。
参见图1，钨丝制造系统10包括加热器14，型锻装置18，显微孔隙形成装置22，牵引装置26和卷取装置32。操作时，钨材12被加热器14加热以形成被加热的钨材16。钨材被加热器14加热到一个可锻温度(1200℃至1500℃)。利用型锻装置18拉伸所得到的钨材16，以减小钨材的直径。重复执行所述加热和拉伸步骤，直到形成具有所需直径的被加热钨丝20，典型的直径是在40微米至100微米之间。如下所述，显微孔隙形成装置22用来在加热的钨丝20的外表面上形成显微孔隙。具有显微孔隙的钨丝30被卷取装置32卷取以形成灯丝卷34。本发明包括显微孔隙形成装置22的几个实施例，下面进行详细描述。
接下来参见图2，示出显微孔隙形成装置22的一个实施例，总体上用标记22A表示。显微孔隙形成装置22包括喷射器36，用于将颗粒38沉积在加热的钨丝20上。喷射器36包括一个中空的、圆周形的腔室40，它与型锻装置18相距一段距离并用于接收加热的钨丝20。如图所示，喷嘴42被安装在腔室40内表面上的不同位置上，并被定位以将颗粒38沿径向方向向钨丝20喷射。加压的颗粒源44用于将颗粒38供应到分配杆46上，它们依次将颗粒38传送到喷嘴42。当加热的钨丝20被拉伸通过圆周形腔室40时，喷嘴42将颗粒38喷射到钨丝20上。颗粒38被嵌入钨丝20内，从而形成具有颗粒38嵌入其中的显微孔隙的钨丝。颗粒38嵌入其中的该钨丝总体上用标记48表示。
图3A和3B是图2所示喷射器36的横截面图。图3A表示一个具有4排喷嘴42的横截面图，喷嘴42被设置在腔室40内并呈辐射状地相隔90°。图3B表示一个具有8排喷嘴42的横截面图，喷嘴42被设置在腔室40内并呈辐射状地相隔45°。然而，本发明可以具有其它排数的喷嘴42，而与图3A和3B所示的不同。
腔室40可以由碳化硅或者其它任何硬化材料制成，应能够经受住加热钨丝20的温度并被硬化以防止喷射式喷射器损坏。颗粒38的直径优选是0.35-0.75微米，最好是0.5微米。颗粒38可以由钽、铼、钼、钨、碳化硅、稀土元素、玻璃珠或者其它任何硬化材料制成。
参见图1-3，操作时，被加热的钨丝20从型锻装置18中出来并被牵引装置26拉伸而通过显微孔隙形成装置22A的喷射器36。当钨丝20在方向A上移动通过腔室40时，高速喷嘴42将颗粒38推向被加热钨丝20的表面。由于经过加热处理而具有可锻性，当颗粒38接触加热钨丝20的表面时，它们形成并逐渐被嵌入显微孔隙中。
如下所述，腔室40的直径以及一排中喷嘴42之间的间距是可以根据颗粒38嵌入钨丝中的所需密度进行调节的。同样，可以根据由每个嵌入颗粒38形成的显微孔隙的所需深度，调节喷嘴42的压力。
参见图4，示出显微孔隙形成装置22的另一个实施例，总体上用标记22B表示。显微孔隙形成装置22B包括显微孔隙形成装置22A(如图2所示)和颗粒清除器54。一个示例性喷射器36的横截面图示于图3A和3B。颗粒清除器54被设置在喷射器36的下游，并且当钨丝被从喷射器36中拉伸通过颗粒清除器54时，将颗粒38从带有颗粒的钨丝48上清除。颗粒38被清除后就形成了带有显微孔隙的钨丝24。
图5是图4所示颗粒清除器54的示意图。该示例性颗粒清除器54包括管状反应器56，化学流控制系统58，以及真空泵系统60。管状反应器56被加热器62包围。
可以以几种方式将颗粒38从钨丝48上除去。在一种方法中，可以采用化学溶解法。可以将用于使颗粒38从钨丝48上分离的化学溶液，比如硝酸、硫酸和水的混合物放置在化学流控制系统58中，可以将钨丝48放置在管状反应器56中。钨丝可以缠绕在一根心轴上以形成一个盒子，钨丝可以被用化学溶液进行化学处理以溶解、或者除去所嵌入的颗粒。可以采用一个或几个盒子。
真空泵系统60可以用来在管状反应器56中提供真空，化学溶液流通过管状反应器56。真空泵系统60还可以提供吸力以将颗粒从钨丝上清除到一个储槽(未示出)中。
操作时，管状反应器56被密封与大气隔绝，一种化学溶液被通过化学流控制系统58加入。颗粒38的溶解立即开始，形成NOx气体并与酸表面上的空气混合。NO气体与空气中的O2化合并被溶解。结果，在管状反应器56中形成了一个低压状态。该状态导致苛性碱溶液被吸入真空泵系统60。该操作酸被通过真空泵系统60清除到一个污水储槽(未示出)内。颗粒38的清除导致钨丝48的外表面上形成孔穴，从而形成带有显微孔隙的钨丝24。
在一种优选方法中，可以通过熔化颗粒38而除去颗粒38。如图4所示，显微孔隙形成装置22B使钨丝48在方向A上连续通过颗粒清除器54，加热器62可以向管状反应器56内供热并熔化颗粒。假如颗粒的熔点比钨丝的低，该方法是有效的。比如，假如颗粒含有钼，则可以通过加热除去颗粒，因为钨的熔点高于钼。
再一种用于清除颗粒38的优选方法可以是通过喷吹法。在冷却之后，钨丝48可以被定位在一个腔室、比如管状反应器56中。通过空气流的吹力使颗粒38从钨丝48上分离。
参见图6，示出钨丝制造系统10的另一个实施例，总体上用标记70表示。钨丝制造系统70包括具有显微孔隙形成装置22A(图2)的系统10以及定位在卷取装置32之后下游的颗粒清除器54，如图6所示。借助于显微孔隙形成装置22A，系统70可以形成具有其中嵌入有颗粒的显微孔隙的钨丝48。然后，钨丝48可以被卷取或者被缠绕在一根心轴上，如McCarty等的美国专利US4291444中所公开的。
然后，被卷取的钨丝34通过颗粒清除器54，如前所述，以形成被卷取的带有显微孔隙的灯丝64。
应当知道，假如被加热的钨丝20被喷射钼颗粒，然后被卷取或者缠绕在一根心轴上，如McCarty等的美国专利US4291444所公开的那样，颗粒清除器54可以采用加热的方法来熔化颗粒和心轴以从钨丝上除去。
本发明对传统的在灯丝上形成显微孔隙的方法提供了改进，适用于大量生产的情形，其中成本和效率是重要的因素。本发明不需要复杂的和昂贵的装置，而是利用简单的机械结构来形成显微孔隙。本发明还可以通过对传统的灯丝生产线进行最少的改变而实现。
应当知道，可以对所述的实施例进行其它的修改，而没有脱离本发明的由权利要求书限定的保护范围。
权利要求
1.一种用于在钨丝上形成显微孔隙的显微孔隙形成装置，包括颗粒源；腔室，用于接收被加热的钨丝；以及多个喷嘴，所述喷嘴设置在所述腔室中，用于以足够的力将颗粒向该被加热的钨丝喷射，以将颗粒嵌入该被加热的钨丝中，从而在加热的钨丝上形成显微孔隙。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述颗粒的大小范围是0.35至0.75微米。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述腔室包括一个封闭的圆柱面，所述喷嘴被沿圆周定位在该封闭的圆柱面上并向钨丝喷射颗粒。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述钨丝被沿着所述圆柱面的长度方向接收并基本上是在所述腔室的径向中心处，所述喷嘴被沿着该长度方向设置成许多排，每一排与另一排在所述封闭圆柱面上沿圆周相互间隔。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于还包括一个颗粒清除器，用于将嵌入的颗粒从钨丝上除去。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于所述颗粒包括钼，所述颗粒清除器包括一个加热器，用于使被嵌入钨丝的颗粒加热到钼的熔点温度，被嵌入的颗粒被熔化而从钨丝上除去。
7.按照权利要求5所述的装置，其特征在于所述颗粒清除器具有一种化学溶液，用于溶解被嵌入钨丝上的颗粒。
8.按照权利要求5所述的装置，其特征在于所述颗粒清除器包括一个吹风机，用于将被嵌入的颗粒从钨丝上吹去。
9.按照权利要求5所述的装置，其特征在于还包括一个卷取装置，其设置在所述颗粒清除器的下游，用于在颗粒清除器将颗粒从钨丝上的显微孔隙中除去之后卷取钨丝。
10.按照权利要求5所述的装置，其特征在于还包括一个卷取装置，其设置在所述颗粒清除器的上游，用于在颗粒清除器将颗粒从钨丝上的显微孔隙中除去之前卷取钨丝。
11.按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述颗粒是由钽、铼、钼、钨、碳化硅、稀土元素和玻璃珠中的任一种或者它们的任何组合制成。
12.按照权利要求1所述的装置，其特征在于所述腔室由一种包含碳化硅的材料制成。
13.按照权利要求1所述的装置，其特征在于还包括牵引装置，用于牵引钨丝通过所述腔室，当该牵引装置牵引钨丝通过所述腔室时，所述喷嘴将颗粒喷射到钨丝上。
14.一种用于在钨丝上形成显微孔隙的方法，包括以下步骤(a)将一根被加热的钨丝接收到一个腔室中；(b)用足够的力向该被加热钨丝喷射颗粒以在钨丝上形成显微孔隙，其中，颗粒的直径范围是0.35至0.75微米，并由钽、铼、钼、钨、碳化硅、稀土元素和玻璃珠中的任一种或者它们的任何组合制成。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于还包括步骤(c)用一个颗粒清除器将嵌入的颗粒清除。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于所述方法还包括步骤(d)在步骤(c)中将嵌入的颗粒清除之后，卷取钨丝。
17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于所述方法还包括步骤(e)在步骤(c)中将嵌入的颗粒清除之前，卷取钨丝。
18.按照权利要求15所述的方法，其特征在于步骤(c)包括将被加热的钨丝加热以将嵌入在钨丝的显微孔隙中的颗粒熔化。
19.按照权利要求15所述的方法，其特征在于步骤(c)包括将嵌入钨丝的显微孔隙中的颗粒溶解在化学溶液中。
20.按照权利要求14所述的方法，其特征在于步骤(b)包括在向钨丝上喷射颗粒时牵引该钨丝。
21.按照权利要求14所述的方法，其特征在于包括在步骤(a)之前，加热钨材到一个可锻温度，并拉伸该钨材以形成所述被加热钨丝。
全文摘要
一种显微孔隙形成装置，用于在钨丝上形成显微孔隙。该装置包括一个颗粒源，一个用于接收被加热钨丝的腔室，以及多个喷嘴，喷嘴设置在腔室中用于向被加热的钨丝喷射颗粒。颗粒的直径为0.35－0.75微米。加热钨丝被接收在腔室中，喷嘴向钨丝喷射颗粒以在钨丝上形成显微孔隙。
文档编号B21C37/04GK1630022SQ20041008813
公开日2005年6月22日 申请日期2004年10月14日 优先权日2003年10月14日
发明者刘新兵, 黎明, 石塚诚, 达妮埃·霍根, 大久保和明, 木本光彦 申请人:松下电器产业株式会社