专利名称：高压气体放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压气体放电灯，该高压气体放电灯包含至少基本上无汞的放电气体，并且适合于和/或预定用于投影显示器，特别是以短弧灯的形式。
传统的高压气体放电灯通常除了包含起动器气体(例如，惰性气体)之外，还首先包含一种放电气体(例如，一种诸如碘化钠或碘化钪的金属卤化物)，这种放电气体是实际的发光材料(光发生器)，其次还包含一种电压梯度形成器或缓冲气体(例如，汞)，这种电压梯度形成器或缓冲气体通常必须具有与起动器气体和光发生器相比相对较高的蒸汽压力，并且实质上具有提高光效率和灯的灯电压的作用。
由于在光技术方面的优良特性，这种类型的灯是众所周知的，并且它们特别应用在诸如LCD投影仪的投影显示器中，而且还越来越多地应用在汽车技术中。然而，对于这些以及其它应用，还存在一项环保要求，即灯不能含有汞。
与缺少汞相关的问题(清楚地描述在例如US2003/0020409A1中)基本上是这样一种事实，即，对于相同的灯功率，在连续运行期间，除非采取措施以某种其它方式实现汞的上述功能，否则会获得较低的灯电压以及由此带来的较高灯电流和较低的光效率。
已经采取了大量的努力来解决这个问题。然而，特别是在具有短弧的放电灯(“短弧灯”)的情况下，比如需要点状光源的投影显示器和其它应用所要求的，由于这些应用的特殊要求，这些努力只能大体上导致不令人满意的结果。
这些要求基本上首先是为了达到最优的光效率而需要例如至少6000K的放电气体高温。为了这个原因，放电灯应该尽可能的不包含具有低电离电势的填充气体，因为这些气体即使在低温下也具有相对较高的电导率。
此外，在这样一种放电灯中，电子散射的横截面应该尽可能大，这样，对于给定弧长，可以获得相对较高的灯电压。
最后，还必须保证放电灯在发射光的可见区内具有尽可能最佳的发射光谱。
通常公知的是采用氙来替代汞。然而，与氙相关的一个缺点是电子散射的横截面相对较小，因此灯电压也相对较低。这意味着，为了获得特别是投影应用所需要的高的灯功率，灯电流就会相应地高。
应该提及的一个实例是已知的Cermax短弧灯，它具有300W功率、1.5mm弧长、14伏灯电压以及21安培灯电流。在LCD投影仪中，这样的一个灯仅产生具有120W功率的UHP灯的大约一半的光功率。通常，基于氙的已知的短弧灯具有低于相当UHP灯大约3到5倍的效率。
从US 2003/0209986 A1了解到的是一种具有放电气体的无汞放电灯，该灯包含用于实现期望光发射(光发生器)的第一金属卤化物，具有相对较高蒸汽压力的不发射任何可见光的第二金属卤化物(缓冲气体)，以及惰性气体(起动器气体)。据说为了能够在LCD投影仪中使用，该灯也可以设计成短弧灯。
本发明的目的是提供一种至少基本上无汞的放电灯，特别是作为一种短弧灯，该放电灯具有与已知的这种类型的灯相比较而言的进一步改善的光效率，并且还具有较高的灯电压。
还准备提供的是一种至少基本上无汞的放电灯，借助于该灯，可以产生在可见光范围内的发射光谱，该灯特别适合用在投影显示器中。
如权利要求1中要求保护的，该目的通过一种特别是具有短弧的高压气体放电灯实现，该灯包括具有至少基本上无汞的放电气体的放电管，该放电气体包含惰性气体以及作为电压梯度形成器和光发生器的锌，其中该灯被设计成，在灯的运转状态下，气相的锌的压力是至少约20巴(bar)。
通过采用具有这样一种高压的锌，所述锌特别是作为电压梯度形成器是惊人地有效，并且由于它的仅仅相对较低的蒸汽压力，这种现象是之前所没有预料到的。
从属权利要求涉及本发明有益的实施例。
权利要求2和3描述了惰性气体优选的压力和优选的类型。
权利要求4和5描述了为了以相对较低费用获得上述锌的压力的多种可能性。
权利要求6涉及一种优选使用的放电管的壁材料。
权利要求7和8中要求保护的实施例具有这样一种优点，即，不会出现氧/卤化物循环，因此，由于电极腐蚀充分降低，灯的使用寿命显著地增加。
权利要求9涉及一种优选的电极和/或放电管的尺寸，这些尺寸可以被用来获得特别高的灯电压和灯的效率。
最后，通过权利要求10要求保护的实施例，可以以相对简单的方式获得发射光的期望颜色特性。
本发明将通过参考附图中显示的实施例进行进一步描述，然而，本发明并不受限制。
图1显示了贯穿本发明(第二)实施例中放电管的横截面示意图。
下面描述的放电灯是短弧灯，其中，该弧具有达到大约4mm的长度，并且优选的在大约1mm和大约3mm之间的范围内。
在根据本发明的无汞灯的第一实施例中，存在位于放电管中的放电气体，该放电气体包含作为电压梯度形成器和光发生器的锌，所述锌在灯的运转状态下，具有大约30巴的气相压力。
还加入到放电气体中的是惰性气体，优选的是氙，在灯的运转状态下具有例如大约100巴的相对高压，所述惰性气体同样在该压力下基本上用作电压梯度形成器。
惊人地发现，以这种气体成分和前述的压力，可以获得大约20伏的弧电压以及大约32伏的灯电压。
这令人吃惊是因为，纯氙灯即使在大约100巴氙压的情况下也仅仅具有大约17伏的灯电压，其中12伏是由电极处的压降引起的，因此弧电压仅大约5伏。这样，仅仅可以获得大约30％的效率，使得提供给灯的大约70％的功率没有流入到放电中，而是用于加热电极。
以大约30巴的上述锌压，灯的效率可以增加到大约63％，因此与上述纯氙灯实例相比，灯效率是其两倍以上。这个值仅比以汞作为电压梯度形成器的传统UHP灯获得的值稍微差些。
放电管内壁的负荷在这种情况下超过2W/mm2，弧功率超过大约50瓦/mm弧长。
尽管已经作出努力，通过加入锌和碘化锌来提高无汞灯的灯电压，但是发现了放电弧的减少，因此以前相信，锌/碘化锌压力的增加到超过大约10巴是没用的。而且，在低的锌/碘化锌压力下，在大约1.5mm弧长的情况下，仅仅可以获得很小的灯电压的增加。
优选地，锌仅以金属形式引入到放电管中。在已知的含汞UHP灯中，通过加入卤素(例如以碘化锌的形式)和氧而产生钨/氧/卤化物循环，并且该循环据说增加了放电灯的使用寿命。然而，已经发现这种措施在更高锌压的情况下是不成功的。因为这个原因，在这里描述的实施例中，没有添加卤化物，所以不会出现氧/卤化物循环。
出于相同的原因，已经证明如果在放电气体中也不存在氧是有利的。即使通过在生产灯时采取适当的措施可以很大程度上确保在放电管中不包含氧，但是优选地，引入非常少量的金属来结合存在于放电管中的氧。作为实例，稀土金属或者甚至钽已被证明特别适合该目的。
为了足够量的锌蒸发并且获得前述的锌压，通常需要放电管中最冷点的温度基本上不低于大约1500K到大约1700K之间的值。
这可以以例如一种已知的方式保证，即，通过以适当不对称的方式成型放电管和/或通过将放电管的尺寸定为尽可能小和/或通过适当地定电极的尺寸，这样，至少在放电管中最冷点的温度以想要的方式增加。
然而，由于传统的诸如特别是石英玻璃的放电管壁材料在处于增加的温度时受到侵蚀，并且可能在相对较短时间后变得混浊，因此放电管由蓝宝石或YAG材料制成，这些材料不仅适于耐热，而且还是光学透明的，并且不会散射发射的光或者仅非常轻微地散射。
通过参考图1中显示的第二实施例将描述一种进一步的措施，该措施可以被附加地应用，也可以作为一种替换来应用，并且该措施可以被用来获得上述蒸发以及压力上的增加。
图1显示了贯穿放电灯的放电管的横截面示意图。由于耐热，诸如蓝宝石或YAG的上述材料又一次被用作放电管1壁的材料。在放电管1的端部，存在用于电极引线4、6(或者连接线)的由玻璃或陶瓷材料(例如，PCA)制成的已知的套管(bushing)2、3，该套管通向设置在放电管1内部的电极5、7，并且还用作固定电极5、7。
该放电管1的一个实质特征在于电极5、7的体积和放电腔10的体积之间的比大于在已知放电灯情况下的比。
优选地，放电管1具有传统的尺寸，电极5、7具有与它们在已知放电灯中的体积相比较而言较大的体积。
鉴于在已知的AC UHP灯中，电极占用了例如大约10％的放电腔体积，在已知的DC UHP灯中它们占用了大约达到15％的放电腔体积，因此，在根据本发明的放电管1中，在AC灯的情况下，电极5、7具有超过大约20％的放电腔10体积，在DC灯的情况下，电极5、7超过大约25％的放电腔10体积。
如图1所示，在这种情况下，电极5、7优选地配置成具有相对较大的直径(也就是说，在垂直于放电管轴向的方向上)，但是，与此同时，相对的电极头的形状和间隔基本上保留为已知的方式。在该连接中，电极引线4、6相对较大的直径也是有利的，因为电极引线4、6向放电管1中偏转在电极5、7处产生的相当大量的热量，从而额外地帮助加热了后者，并且获得了上述的高温。
与上述第一实施例不同，电极5，6体积的增加没有用来以想要的方式仅在最冷点提高温度，而是整体地提高了放电管1所有区域的温度，并且与此同时缩小了最高和最低温度之间的差，从而使得足够量的锌蒸发，并且获得了上述的压力。已经发现，灯电压甚至可以如此进一步增加，因此第二实施例特别适合于需要特别高功率的投影应用。
下述尺寸已经被证实在这方面是特别有利的放电管1的内直径是大约3mm，其内长是大约4mm。电极5、7具有大约2mm的直径，以及大约1.25mm圆柱头的等效长度。电极5、7因此占用了超过25％的放电腔10的体积。在放电管1的外直径大约7mm到大约8mm，长度大约7mm的情况下，灯优选地以大约150W到大约200W之间的输入功率运转。因此，放电管1内壁上的负荷超过大约2W/mm2。
换言之，上述所有的特征基本上对于放电气体的成分和压力以及对于图1中示出的放电管和电极5、7的尺寸，均可以互相组合，以便增加灯电压，从而提高灯的效率。
为了设定或优化发射光的期望颜色特性，可以向放电气体中进行添加，这是当灯用在投影系统时特别重要的，例如，添加锂增加红色成分，添加汞增加蓝色和绿色成分，添加铊增加绿色成分，以及添加铟增加蓝色成分。然而，除锌之外，通常没有其它光发生器是另外需要的。
关于汞的使用，应该指出，本发明的一个重要目的是避免放电气体中的汞。这不会改变汞还可能被用于校正发射光的发射光谱的事实，因为用于该目的的汞的量比在已知的汞被用作电压梯度形成器或缓冲气体的灯中的量至少低大约10倍。因此，在这方面，根据本发明的包含用于校正发射光谱目的的汞的灯被认为是基本上不含汞的。
此外，这么小量的汞还帮助提高了灯电压并由此提高了灯的效率。
最后，还应该指出的是，上述用于提高放电管中(最低)温度的措施，特别是通过增大电极与放电腔体积相比的体积的措施，当然还可以用在其它类型或已知类型的例如在放电气体中不包含任何锌的放电灯中。电极体积的增加在高电流流过以及相当大部分的能量损失由电极以热量形式占有的灯中是特别有用的。
权利要求
1.一种高压气体放电灯，特别具有短弧的高压气体放电灯，包括具有至少基本上无汞的放电气体的放电管(1)，该放电气体包含惰性气体以及作为电压梯度形成器和光发生器的锌，其中该灯被设计成，在灯的运转状态下，气相的锌的压力是至少大约20巴。
2.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中在灯的运转状态下，惰性气体的压力处在大约100巴的范围内。
3.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中惰性气体是氙。
4.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中为了获得气相的锌的压力，灯的壁负荷增加到大约1.5W/mm2和大约2W/mm2之间的值。
5.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中放电管(1)和/或电极(5，7)被定尺寸和/或成型为，放电管(1)中的最低温度处在大约1500K和大约1700K之间的范围。
6.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中放电管(1)的壁由蓝宝石或YAG材料制成。
7.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中放电气体至少基本上不包含氧和/或至少基本上不包含卤素化合物。
8.如权利要求7所述的高压气体放电灯，其中放电气体包含小量的与氧结合的金属，特别是来自诸如稀土金属或钽的组中的金属。
9.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中电极(5，7)和/或放电管(1)的尺寸被确定为，电极(5，7)占放电腔(10)体积的至少20％到25％之间。
10.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其中，为了获得发射光的期望光特性，放电气体包含来自于下述组的至少一种物质锂、铟、汞、铊。
11.一种投影系统，特别是诸如LCD投影显示器，它包含如前面任意一项权利要求所述的高压气体放电灯。
全文摘要
本发明描述了一种高压气体放电灯(HID灯)，包含至少基本上无汞的放电气体，并且适合于和/或预定用于投影显示器，特别是以短弧灯的形式。由于放电气体包含惰性气体以及作为电压梯度发生器和光发生器的锌，基本上获得了可与汞灯相比较的灯电压和效率，其中在灯的运转状态下，气相的锌的压力优选地为大约30巴。通过提高特别是放电管中最低温度，可以实现获得该压力所需的蒸发。为了提高温度提出了各种措施。
文档编号H01J61/073GK101048847SQ200580036904
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月20日 优先权日2004年10月26日
发明者H·蒙克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司