电弧管的充气护罩的制作方法

专利名称：电弧管的充气护罩的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及放电灯，更具体而言，涉及具有电弧管(arctube)的放 电灯，该电弧管被封闭在保护壳(containment envelope)中的冷却气体包围。
背景技术：
现有的石英放电头灯的光效率较差，这是因为必须在头灯系统中吸收 电弧管发出的大量光(约30%或以上)，以主要避免头灯光束中所不需要的眩 光。由于各种影响，包括液体金属卣化物池(liquid metal halide pool)造成的 光散射、电弧的弯曲以及来自电弧管和护罩表面的反射，使得光源显得明 显大于电弧本身。头灯例如汽车头灯需要非常小的电弧管，汽车头灯的表 观光源长约5 mm或以下且直径约2 mm或以下。为了获得良好的光学性能， 期望使电弧管的外直径为约2-3 mm或以下。已存在有关内外直径极小的陶 瓷电弧管的教导，例如WO 2004/023517 Al,但这种电弧管具有极高的内部 温度。当在约35W下工作的陶瓷电弧管的外直径为约2 mm并且隙宽(gap length)为约5 mm时，陶瓷电弧管上部内表面的热区温度(hot spot temperature)(T3)达到高于1500 K，通常为约1700 K,然而陶瓷电弧管长寿 命的要求之一为T3低于约1500 K。需要在陶瓷电弧管的外部提供将T3温 度降至1500 K以下的冷却热环境。

发明内容
一种灯，其包括电弧管，该电弧管具有透光壳和一对间隔电极。电弧 管被封闭在其外部的保护壳中的气体介质包围。25。C时气体介质的至少10 mol。/o由He或H2或Ne或800。C时导热率大于N2的其它气体或它们的混合 物提供。保护壳可为护罩。透光壳外表面和护罩内表面之间的间隙优选小
于透光壳的外直径。护罩的壁厚优选大于护罩内直径的10%。电弧管具有 电弧部分。邻近电弧部分的护罩第一部分的壁厚可大于与所述第一部分相
隔的护罩第二部分的壁厚。(a)护罩的壁厚或者(b)电弧管和护罩之间间隙的 厚度或者(c)护罩的壁厚和间隙的厚度两者可以对有利地改善电弧管的轴向
温度梯度有效的方式改变。电弧管纵向轴线可以对有利地改善电弧管的方
位角溫度梯度(azimuthal temperature gradient)有效的方式垂直偏离护罩纵向 轴线。


图1图示根据本发明的灯；和
图2图示根据本发明替换性实施方案的灯。
图3图示根据本发明的灯，其中仅沿邻近弧光间隙(arcgap)的电弧管区 域的护罩壁厚。
图4图示根据本发明替换性实施方案的灯，其中仅沿邻近弧光间隙的 电弧管区域的护罩壁厚。
图5图示根据本发明的灯，其中电弧管安装在垂直向上偏离护罩中心
的位置。
图6图示根据本发明的灯，其中沿邻近弧光间隙的电弧管区域电弧管 外表面和护罩内表面之间的间隙减小。
图7图示4艮据本发明的灯，其中电弧管的电回流引线(electrical return lead)在电弧管外表面和护罩内表面之间的间隙中位于电弧管垂直向上的位置。
图8为含有N2的气体混合物的导热率曲线图。
图9a图示根据本发明的灯，其中电弧管共轴(concentrically)定位在不对
称护罩内。
图9b图示根据本发明的灯，其中电弧管的纵向轴线位于不对称护罩纵 向轴线垂直向上的位置。
图IO显示沿图9a线10-10的护罩截面图。
图ll显示图IO所示护罩的替换性实施方案。
图12显示图IO所示护罩的替换性实施方案(未显示断面线)。
具体实施例方式
在随后的说明中，当给定优选范围例如5至25(或5-25)时，是指优选 至少为5并且单独地且独立地优选不大于25。
参考图1,示出了具有电弧管12的高强度放电灯10，例如金属闺化物 灯，所述电弧管12容纳在密封保护壳例如密封护罩14内。电弧管12包括 容纳常规填充物的放电空间34。护罩14容纳填充冷却气体空间60的气体 介质或气体或冷却气体或冷却气体介质38，所述冷却气体空间60优选在电 极26、 28端部之间的^L电空间34周围的区域中包括电弧管12或透光壳16 外表面66和护罩内表面64之间的间隙或间距62。间隙62优选为环形间隙 并可具有均匀或不均匀的厚度。电弧管12包括优选为柱状或者替换性地为 长椭球状、球状或其它形状的透光壳16(在图1中示为管)，该透光壳气密封 且两端被第一立柱18和第二立柱20至少部分地堵住，所述立柱优选为柱 状，但也可为截面近似矩形或其它形状的箍缩(pinched)几何体。立柱18、 20可为石英或陶瓷，但也可为其它材料，例如钼或本领域已知的其它高温 金属。电弧管12和透光壳16可为石英或者其它高温透明或半透明材料， 但优选陶乾，这是因为陶资对冷却气体38的渗透性较低并且具有高的温度 极限，从而能够实现较小的电弧管12。灯10还包括分别与间隔电极26、 28电连接的导电体22、 24。导电体24固定在引线支架30的弯折端部分上， 所述引线支架以常规方式与基座32相连并且被电绝缘管例如石英或陶瓷管 36部分地包围。尽管显示引线支架30位于护罩14的外部而形成双端护罩， 但在一些灯的构造中，引线支架也可位于护罩14的内部而形成单端护罩。 在单端护罩设计中，例如图7所示，导电体22和24两者在最接近基座32 的同一端馈通护罩14。除了本申请所说明的之外，上述灯10及其部件为常 M^的且为本领域已知的。
本发明可用于头灯和汽车放电头灯，但也可用于所有高强度放电灯以 及不太优选的白炽灯和LED灯，并且具有任意光源壳，如本申请所述，当 光源壳被气密封气体被动冷却或者被紧密贴合光源壳的护罩或具有厚壁的 护罩或被具有任何所述优势的组合被动冷却时，可使光源壳更小且更亮。 在汽车放电头灯应用中，包括壳或管16的电弧管12优选由多晶氧化铝、 多晶YAG或本领域已知的其他陶瓷制成。电才及端部之间的间距或弧光间隙 优选为1-7、 2-6或约4mm,并且灯优选在15-1000、 15-500、 15-100、 20-60、
30-40或约35W下工作。
壳16的内直径优选小于2.6、 2、 1.5、 1.4、 1.3、 1.2、 U、 1、 0.9、 0.8、 0.7 mm,管或壳16的壁厚优选为0.2-1、 0.3-0.8或约0.4 mm。管或壳16的 外直径优选小于6、 5、 4、 3、 2.5、 2.3、 2.2、 2.1、 2、 1.9、 1.8、 1.7、 1.6、 1.5、 1.4或1.3 mm。间距或间隙62(护罩14内侧64和管16外侧66之间) 与壳16的外直径之比优选小于2、 1.5、 1、 0.8、 0.7、 0.6、 0.5、 0.4、 0.3、 0.2或0.1(对于He或其它有益气体，不必为紧密贴合的护罩)。如果间隙62 为厚度均匀的环状间隙，则其优选小于2、 1.5、 1、 0.8、 0.7、 0.6、 0.5、 0.4、
0. 3、 0.2或0.1mm。护罩14优选为圓柱状，并且优选具有均匀或基本均匀 的约0.5-6或1-3 mm或者优选约2mm的壁厚且优选具有大于护罩内直径的 10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%、 70%、 80%、 90%、 100%、 150%或 200%的壁厚，并且优选由石英制成，或者在温度足够低的情况下由硬质玻 璃例如铝硅酸盐玻璃(例如GE 180型)或温度极限足够高的其它玻璃制成。 GE 180型玻璃通常具有以下组成(％): 60.3SiO2、 14.3A1203、 6.5 CaO、 0.02 MgO、 0.21 Ti02、 0.025 Zr02、 〈0.004 PbO、 0,02 Na20、 0.012 K20、 0.03 Fe203、 18.2BaO、 0.001Li2O、 0.25 SrO。护罩优选具有小于10、 8、 6、 5、 4、 3、 2.8、 2.6、 2.5、 2.4、 2.2、 2、 1.9或1.8 mm的内直径，和小于20、 15、 12、 10、 8、 7、 6、 5.5、 5.3、 5.2、 5、 4.8、 4.6、 4.4、 4.2、 4或3.8 mm或者大 于20、 15、 12、 10、 8、 7、 6、 5.5、 5.3、 5.2、 5、 4.8、 4.6、 4.4、 4.2、 4或 3.8mm的外直径。护罩14的内直径优选小于5、 4、 3、 2、 1.5、 1.2、 1.1、
1、 0.8、 0.6、 0.5、 0.4、 0.3或0.2mm且大于管16的外直径。壳16的外直 径和护罩14的内直径之间的差优选小于壳外直径的4、 3、 2、 1、 0.8、 0.5 或0.3倍。电弧管12和管16可在护罩14内居中或者可在护罩14内偏离或 脱离中心。电弧管12和/或护罩14可为非圓柱状，在这种情况下，在两个 电极末端之间的中平面处测量上述尺寸。
护罩14和电弧管12之间的空间充满气体介质或气体或冷却气体38， 所述气体优选为Ne，或者更优选为H2或He或在80(TC下导热率大于N2的 其它气体或它们的混合物，25X:时压力优选为0.01-10或0.1-10或0.1-5， 更优选为0.3-3,更优选为0.5-2，更优选为约0.6-1.5，更优选为约0.8atm。 由于具有高的导热率，所述气体介质起到冷却气的作用以帮助冷却电弧管 12。气密封护罩中的传统填充物通常为压力为0.1-1.5 atm的>42气。N2分子由于分子量较大(ami^28)而具有低于较轻气体Ne(amu=20)、 He(amu^4)或 H2(ami^2)的导热率。最关《建的800。C(气体38的典型温度)时的气体导热率 (W/m-K)为N2=0.07、 Ne=0.12、 He=0.38和H2=0.46。如图1所示，电弧管 12被封闭在其外部的保护壳例如护罩14中的气体介质38包围。25。C时优 选气体介质38的至少10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 95、 97、 99 或99.9 %的(a)摩尔量和(b)压力由Ne或He或H2或800。C时导热率大于N2 的其它气体或它们的混合物提供，更优选由He提供。非所述冷却气之一的 气体介质38部分优选为N2。
护罩14内的气体38的功能之一是抑制镇流器(ballast)施加高压(最高约 25 kV)点火脉沖时电弧管12外部电引线之间的气体电击穿。由于He具有非 常高的电离电位，因而He气可充分抑制击穿。在引线22和24的一些构造 中，为了抑制灯点火过程中引线之间的电击穿，除冷却气38之外可能还需 要包括N2气分压。在这种情况下，应将相对于冷却气38(优选Ne、 H2或 He)的N2分压限制为抑制击穿所需的最小N2量，从而获得冷却气体的最大 冷却效益。期望在电弧管外侧和护罩内侧之间的区域中气体的总导热率最
The M丄T. Press, 1965， pp. 144-165)可知气体混合物的总导热率具有几种不 同的估算方法，大多数具有以下形式
其中^和^为导热率，x,和X2为各组成气体的体积百分率；A,2和A^为可 随组成的质量和直径以及温度变化的系数。在Tsederberg的146页上，给 出如下A,2的典型表达式(A2,具有互补的形式)
可利用等式1绘出如图8所示的气体混合物导热率曲线，在图8中比 较了气体混合物的导热率和传统N2气的导热率。图8中的各气体混合物由 一定百分率(0-100%)的N2气和作为其余部分的Ne、 He或H2气中任一种的 混合物组成。气体混合物的导热率应超出N2气自身的导热率(800。C时为 0.072W/m-K)至少20%,更优选50%、 100%、 200%、 300%，最优选400%, 使得800。C时气体混合物38的导热率应至少为0.086,更优选为0.108、0.144、
(等式1)0.216、 0.288，最优选至少为0.359 W/m-K。因而，可知纯He或H2为优异 的冷却气体，此外Ne为良好的冷却气体。另外，由图8可知，向He或H2 中加入N2，即使N2百分率高达80%或90%,仍可提供冷却气体(即导热率
明显超过N2自身的导热率)。混合物中N2气的百分率应选择为抑制所述引
线22和24之间高压击穿所需的最小百分率，在引线22和24之间施加灯 起动所需的点火电压。从而提供气体的最大冷却优势。
尽管基于导热率&和He为最佳气体，但出于随灯的具体应用而改变 的其它设计方面的考虑，例如将冷却气体封闭在护罩内，或者防止冷却气 侵入电弧管或灯点火过程中冷却气体的高压击穿，它们可能是不利的。认 为800°C时导热率大于N2的任何其它气体可用作冷却气。Chemical Properties Handbook, 1999给出了 297种最常见的无机气体和1296种有机气 体的导热率(气体温度的函数)。如下列出80(TC时导热率超过N2(80(TC时
k=0.072 W/m-K)的41种无才几气体:
分子式物质名称800。C时的导热率
H2氢0.457
He氦-30.400
lie氦-40.378
i)2o氧化氘0.368
I〕2氘0.338
H3N氨0.200
FH氟化氢0.189
B2H6二硼烷0.179
CH4N2氰化铵0.153
D3N重氨0.145
B4H10四硼烷0.137
B2D6氖二硼烷(deuterodiborane)0.132
CH2BO羰基曱硼烷(borine carbonyl)0.125
H4Si硅烷0.125
B5H9戊硼烷0.125
B5Hh四氢戊硼烷0.120
Ne氖0.117
N204四氧化二氮0.115
H20水0.108
H3NO羟胺0.108
H6Si2乙娃烷0.098
FH3Si一氟硅烷0.093
B3H6N3三胺曱硼烷(borine triamine)0.087
FNO亚硝酰氟0.086
H3P磷化氢0.083
F3N三氟化氮0.082
CDN氰化氘0.082
()2氧0.078
H6OSi2二曱硅醚0.078
H202过氧化氢0.077
CH4N20尿素0.077
C1H4P氯化膦0.077
F2氟0.077
N20氧化亚氮0.077
I-I4N2肼0.076
NO氧化氮0.076
F2H2Si二氟硅烷0.076
CHN氰化氢0.075
F20氧化氟0.074
N02二氧化氮0.074
HN03硝酸0.073
如下列出800°C时的导热率至少为N2(800°C时k=0.072 W/m-k)的两倍的 31种有机气体
分子式 物质名称 最小温度 最大温度 800°C时的
(K) (K) 导热率
C2F6 六氟乙烷 195 700 0.272
C6H15N 三乙胺 273 1000 0.266C3H7N烯丙胺32610000.214
C4H61，3-丁二烯2508500.193
C3H80曱基乙基醚27310000.191
C4H80乙基乙烯醚30910000.185
C3H10N21,2-丙二胺39210000.181
CH4甲烷9714000.179
C4H8环丁烷28610000.178
C4H10O曱基异丙醚30410000.175
C6H12曱基环戊烷34510000.174
C4H60二乙烯基醚30110000.166
C3H6环丙烷24010000.162
C5HI2()曱基异丁醚33210000.162
C4H9N吡咯烷36010000.160
C4H40呋喃3059950.156
C6H10O环己酮40010000.154
C4H80四氢咬喃3389980.154
二仲丁醚39410000.151
C7H,40二异丙基酮39810000.151
C2H402曱酸曱酯30010000.151
C3H7N丙烯亚胺33410000.149
C5H10O曱基异丙基酮36810000.148
C6H140正丁基乙醚36510000.148
C2H7N二曱胺2739900.147
C6H120乙基异丙基酮38710000.147
C4H9NO吗啉40110000.146
C3H402曱酸乙烯酯32010000.146
C6H120丁基乙烯基醚36710000.145
C3H6丙歸25010000.145
C3H603三碌烷3889980.144
由于可能在电弧管外侧上沉积单质碳而造成光阻和过热，所以有机气
体通常不是优选的。
从上述无机气体中排除所述无机气体中毒性高的那些、对于灯用过于
昂贵的那些和导热率没有比N2大至少20。/。(为了相对于N2具有明显的优势)
的那些，缩减为下列气体
分子式物质名称80(TC时的导热率
H2氢0.457
He氦-40.378
H3N氨0.200
B2H6二硼烷0.179
B4H10四硼烷0.137
CH2BO羰基曱硼烷0.125
I-I4Si硅烷0.125
B5H9戊硼烷0.125
B5Hn四氢戊硼烷0.120
Ne氖0.117
N204四氧化二氮0.115
H20水0.108
H3NO羟胺0.108
H6Si2乙硅烷0駕
FH3Si一氟硅烷0.093
B3H6N3三胺曱硼烷0.087
FNO亚硝酰氟0.086
此外，该列表中的几种有利备选气体在制备中难以控制，例如氢、氨
等。He和Ne安全、价廉、无化学活性且易于充入灯中。He非常有利，并 且当将护罩设计为在灯的整个使用寿命内包含He时He为优选冷却气体。
25。C时N2气(和/或除本发明教导的冷却气以外的其它耐高压气体)的 摩尔数和分压优选不大于气体介质38总摩尔数或总压力的5、 10、 l5、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 60、 70、 80或90%。 25°C时优选气体介质38摩 尔数和压力的0.1-90或0.卜80或0.1-50或0.1-30或1-20或1-15或1-5%由
N2提供。 在灯的典型应用中护罩14高的工作温度下(通常为400-1000°C，更典型 地约500-700°C)， 一些具有高导热率的优选冷却气体(H2、 He、 Ne或其它 800。C时导热率高于N2的气体)的小直径原子和分子通常易于扩散透过石英 护罩。与比较重且较不利的气体相比，通常较小且较有利的冷却气较快地 扩散透过石英。通常，在不到100小时中，超过99%的He从具有典型温度 (例如600。C)和典型石英壁厚(例如lmm)的石英护罩中损失掉。由于灯的典 型寿命为IOOO小时或以上，这种He损失程度是不合格的。透过典型护罩 材料(石英和玻璃)的H2损失速度通常与He损失速度相当或更劣化，Ne和 较重气体的损失通常优于He但为较不利的冷却气体。几种减少较优选冷却 气体(特别是He和/或H2)透过护罩14的扩散损失的方法包括但不限于在 护罩14的内表面和/或外表面上提供扩散阻挡层的涂层；或者在具有涂层或 没有涂层的相互嵌套的一个或多个护罩中，利用对冷却气具有较低渗透性 的摻杂石英或玻璃或掺杂玻璃或玻璃和石英组合物的组合代替护罩14的石 英材料。合适的涂层包括薄膜，或者浸涂或溶胶-凝胶例如透明或基本透明 的高温薄膜，有效地作为扩散阻挡层以避免或基本避免或基本抑制或减少 气体介质38的扩散损失。图1显示护罩14内侧上的膜40和外侧上的膜42。 膜40和膜42可为约1 iim厚的氧化钽或二氧化钛或氧化铝或二氧化铪或其 它高温透明材料或它们的组合的单层涂层，或者为二氧化钛或氧化钽或氧 化铝或其它高折射率高温光学薄膜层结合替换性氧化硅或其它低折射率高 温光学薄膜层的本领域已知的多层(优选总共2-100层，更优选总共3-50层， 更优选总共5-20层)干涉涂层(interference coating)(例如本领域已知的氧化钽 -氧化硅或二氧化钛-氧化硅干涉涂层)，所述多层干涉涂层同时作为气体38 的扩散阻挡层和改善灯的光学性能的抗反射或波长选择性或方向选择性涂 层。由于氧化钽的高温能力，在超高温应用中(例如大于600°C)，氧化钽优 选于二氧化钛，但护罩14通常可设计为特别是在其外表面上足以使用二氧 化钛涂层的冷却条件下运行。可通过CVD或溅射或蒸镀或本领域已知的其 它方法施涂多层或单层涂层，并且还可通过本领域已知的较简单的浸渍或 喷镀方法施涂单层涂层。许多玻璃通常对He和H2和较优选冷却气体的渗 透性低于石英，所述玻璃包括但不限于钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅 酸盐玻璃和铅玻璃。考虑到在灯中优选无铅成分并且在灯的许多应用中需 要高温玻璃，铝硅酸盐玻璃例如GE 180型玻璃为优选的护罩材料。180玻
璃的退火温度为785°C，该温度通常高于护罩14内侧的最大温度(通常为约 500-700°C)。在灯的设计中，也通常使用铝硅酸盐180玻璃，并且在180玻 璃和许多电弧管设计中的典型钼引线22、 24之间可实现良好的气密封。因 而，容纳He护罩的优选实施方案为经涂覆的石英护罩，或者更优选为玻璃 护罩，更优选为经涂覆的玻璃护罩，或更优选为经涂覆的铝硅酸盐玻璃护 罩。或者，容纳冷却气的保护壳可为头灯反光罩连同透镜和合适的密封件， 或者为足够大且冷的护罩(例如，与护罩14类似，不同的是该护罩的内表面 与管16的外表面相隔至少0.2、 0.4、 0.6、 0.8、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 8或10 mm)，护罩材料可为本领域已知的玻璃或金属而不是石英，这是因为已知玻 璃和金属是优于石英的He和H2扩散屏障。例如，参考图2，示出了具有电 弧管46的灯44，电弧管46容纳在反射罩48和透镜50内并被反射镜48和 透镜50包围，反射镜48和透镜50形成保护壳并将与气体介质或气体38 相同的气体介质或气体52气密封闭或容纳于其内。电弧管46被封闭在反 射镜48和透镜50形成的保护壳内的气体介质52包围并冷却。电弧管46 包括两端被第一立柱56和第二立柱58至少部分堵上的透光壳54。电弧管 46如本领域所公知并可与电弧管12类似或相同。通过由金属或玻璃制成基 底和/或表面涂层和/或施涂涂层(例如本申请所提到的涂层)，优选使反射镜 48和透镜50防气体52扩散损失或抗气体52扩散损失。
气体介质38的导热率与气体的压力无关，只要气体介质为连续态或流 体态而不是分子态。当克努森数<< 1时发生自由分子态向连续态的转变。 克努森数为无量纲流体参数，其等于气体碰撞的平均自由程除以气体泡壳 内的典型空间尺寸(在这种情况下为电弧管外侧和护罩内侧之间的间隙62)。 在与电弧管外侧相隔的间隙62为1.0 mm的护罩中He冷却气体的Kn<0.01 时，He的压力必须大于200 Torr。因而，如果最初在制灯过程中向护罩中 充入约1大气压(l bar, 760 Torr)的剂量，那么在灯的整个使用寿命内足以 保留少至初始He量的30。/。。在适当削弱He的冷却效果的情况下，和/或在 护罩和电弧管之间的间隙大于1.0 mm的情况下，在灯的整个使用寿命内 He的必要保留量可大大低于30%。如果在灯的整个使用寿命内存在相当大 的He损失，并且如果为实现高压击穿绝缘添加了一定百分比的N2,那么在 灯的整个使用寿命内必须保留的He量应约大于N2的初始百分比，以保留 He对冷却电弧管的重要作用。
通过使用包围电弧管的冷却气体38，电弧管内的T3温度优选低于 1700、 1600、 1500、 1475、 1450、 1425、 1400、 1375或1350 K，以j吏灯的 使用寿命较长。
作为示范性实施方案，本发明可在WO 2004/023517 Al(在此引入作为 参考)所述的装置中实现。WO 2004/023517 Al教导护罩内具有1.5 atm(25。C 时)的N2。根据3维有限元热模型的结果，如果以1.5 atm (25。C时)的He 代替Np在石英护罩的护罩壁为2 mm厚并且护罩内侧和电弧管外侧之间 的环形间隙为0.5 mm的情况下，在与WO 2004/023517 A1所述类似的陶乾 电弧管内顶部中心热区温度T3将下降240 K。 He和N2的冷却作用造成的 电弧管温度降低随电弧管和护罩的尺寸和温度而变化，但冷却作用通常在 约100-350K范围内。He优于N2的热优势可用于灯性能的其它改进，例如 减小电弧管和/或护罩的尺寸。例如，参考WO 2004/023517 Al,如果电弧 管的尺寸保持不变(内直径ID-1.2 mm，外直径OD=2 mm)且护罩内直径保 持ID二3 mm，那么为实现相同的T3温度，使用He时可使护罩外直径OD 小至5.2 mm,而使用N2时可使护罩外直径小至7 mm。较小且较薄的护罩 使得在灯的光学性能方面或在灯的制造工艺方面能够具有明显的优势。尺 寸的明显减小还源于电弧管12和管16的内直径ID和外直径OD的减小。 例如，T3温度下降240 K允许电弧管外直径OD从约2.0 mm减小至约1.5 mm，电弧管的内直径也相应减小。由于内直径ID的减小，在壁稳定电弧(即 弧光间隙>>10)的情况下，电弧直径(arc diameter)减小，使得电弧亮度通常 与电弧直径成正例。通常，以冷却气体例如He代替N2可使电弧管内直径 ID减小约20-30%,从而使亮度提高约20-30%,由此能够向聚束应用 (beam-forming application)例如汽车头灯、投影仪用灯或光导纤维等中的光 源提供明显的性能优势。另外，通过冷却气体对电弧管的冷却作用实现的 电弧管内直径ID减小使得电弧管顶部和底部之间的温度差较小，这是因为 高压气体在电弧管内的对流与ID-3近似成正例明显下降。因而，例如电弧 管内直径ID减小约25%导致温度差减小约两倍。温度差的减小以及内直径 ID 4交小造成的压力驱动环向应力(pressure-driven hoop stress)减小可4吏电弧 管外壳中的应力明显减小，从而为较长的灯用寿命提供可能性。另外，冷 却气体对电弧管的冷却作用可使电弧管和/或弧光间隙缩短相同的尺寸，从 而还提高了光源的亮度。冷却气体38例如He的热优势还可与冷却优势组
合，所述冷却优势源于减小电弧管外侧和护罩内侧之间的间隙，并且另外 增大护罩的外直径(或等价地，增大护罩的壁厚)。如下所述，冷却电弧管的
的热量的热路径具有四个基本要素，包括通过电弧管12壁的导热性、通过
气体介质38的导热性、通过护罩14壁的导热性和最后通常通过对流和辐 射实现的向外部环境空气的热传递。对圓柱几何体的传热方程的分析(包括 电弧管12、气体介质38和护罩14的导热率典型值，以及护罩14内部向外 界的传热系数)表明对整个热传递和电弧管内部最终冷却的主要限制在于气 体介质38的热阻和护罩外侧向外部环境空气的热传递，然而通过电弧管12 壁和护罩14壁的导热性对电弧管温度的影响不像其它两个热要素那样大。 第一限制要素即通过气体介质38的热阻与电弧管外侧和护罩内侧之间的间 隙62的厚度近似成比例，并与气体介质的导热率为反比关系。因而，如果 通过以He气代替N2可使气体介质的导热率提高到约为典型N2气导热率值 的四倍，那么对于放电头灯的典型尺寸可通过将间隙62从约2 mm减小到 约0.5mm获得相当的热优势。事实上，热模型证实，通过将间隙62从约2 mm减小到约0.5 mm，使得T3下降至少100-200 °C ，从而能够实现均匀的 冷却和/或较小的电弧管。制灯时通常难以将间隙62明显减小到0.5或0.25 mm以下。通常，如果间隙小于电弧管的外直径，更优选小于0.5倍的电弧 管外直径，或更优选小于0.25倍的电弧管外直径，或最优选小于0.1倍的 电弧管外直径，则小间隙62的热优势明显。另外，如果可增大护罩外侧向 周围空气的热传递，则可进一步增强对电弧管的冷却作用，从而能够实现 均匀的冷却和/或较小的电弧管。通常通过对流和辐射实现的从护罩外侧向 周围空气的热传递通常与护罩的外表面积成比例，如果护罩的几何形状为 圆柱形或近圆柱形，所述外表面积通常与护罩的外直径OD成比例。因而， 例如护罩的外直径增大约20-50%或更多可明显降低电弧管的温度和/或实 现较小的电弧管。假设护罩的内直径取决于电弧管的外直径和电弧管外侧 与护罩内侧之间的间隙62，那么提高护罩的外表面积要求较厚的护罩壁或 护罩具有紋理或波纹外表面。例如，对于护罩内直径为约5-10 mm且护罩 壁厚通常为lmm的放电头灯典型尺寸，护罩壁厚加倍为2mm将使护罩外 直径增大并使从护罩外表面的热传递增加约40%-20%。较厚护罩的热优势 随护罩壁厚度的增加不断增大，直到护罩壁的厚度达到称作临界半径的厚
度。对于具有石英或玻璃外护套的典型放电头灯的尺寸，临界半径为约160 mm。尽管制造护罩厚度明显超过约1-3 mm的灯极为困难，但如果石英或 玻璃护罩可做得更厚直至约160 mm的极限厚度，则冷却和/或较小电弧管 的热优势将不断改善。事实上，如图3和图4所示，如果护罩仅沿邻近弧 光间隙的电弧管区域为厚壁，则能够获得对电弧管中最热区(通常在电极之 间的电弧之上)的热优势。在沿电弧管立柱的护罩区域中和电弧管立柱以外 的密封区域中护罩壁可明显较薄，使得在立柱以外的密封区域中较薄的护 罩壁将简化护罩的气密封。另外，出于同样的原因，仅需在邻近弧光间隙 的区域中电弧管外侧和护罩内侧之间为小间隙62。在电弧区域中护罩接近 电弧管使得该区域中电弧管的最热部分明显冷却，并且在通常较冷的立柱 区域中护罩无需过于接近电弧管。这种情况如图1所示。通常，如果护罩 壁的厚度大于护罩内直径的10%,更优选大于护罩内直径的20%、 30%、 50%或75%，或更优选大于护罩内直径的100%,则较厚护罩壁具有明显的 热优势。可组合由冷却气、间隙62和护罩外直径产生的冷却和/或较小电弧 管的优势，使得任意两种优势的组合或全部三种优势的组合大于任意一种 作用单独的优势。
考虑到护罩的冷却作用随间隙62的减小和/或护罩壁厚的增大而明显 增强，因而可通过改变间隙62的大小和/或沿电弧管长度范围的护罩壁厚来 设计电弧管中的温度分布。特别是，希望降低电弧管最热区(在水平点火电 弧管中通常位于电弧中部上方)的温度，同时提高电弧管中最冷区(电弧管中 液体金属卣化物池产生所需的光致气体高蒸气压的位置，该位置通常位于 电弧管内电极下面和/或电极后面的底部角落)的温度。因而，通常希望降低 电弧上方接近电弧中部的区域中的电弧管温度，同时提高电弧下方位于电 极下面和后面的区域中的电弧管温度。这些温差由于冷区温度可能过低而 不利于灯的性能，并且在热区过热的情况下还不利于电弧管的强度，温度 梯度本身还在电弧管特别是陶瓷电弧管中产生应力，可能由于开裂或漏气 造成电弧管提早失效。在水平点火电弧管中，方位角温度梯度(即由顶部到 底部，特别是在电弧中部区域)和轴向温度梯度(即从电弧中部到立柱端部， 特别是在接近电极的区域)造成特别值得关注的应力。通过减小电弧管的内 直径ID(通过护罩构造(包括冷却气体38和减小的间隙62和增大的护罩壁厚) 的冷却作用实现)或者通过设计电弧管外侧和护罩内侧之间的间隙62厚度
和/或根据沿电弧管的轴向和/或方位角位置设计护罩壁的厚度，可实现通过 相对于热区提高冷区温度来提高电弧管的性能，或者通过降低热区温度来 提高电弧管的强度，或者通过降低电弧管中的应力来延长灯的寿命。例如，
为了降低热区温度，如图3和图4所示，可使护罩壁沿电弧管的电弧区域 较厚，和/或如图5所示电弧管可安装在护罩轴线垂直向上的位置，使得电 弧管外侧和护罩内侧之间的间隙在电弧管上方比在电弧管下方小。通过将
电弧管安装在护罩轴线上方，也将减小方位角温度梯度造成的应力。
图3显示具有护罩14b和具有透光壳16b的电弧管12b的灯。护罩14b 具有加厚部分70,该加厚部分70沿护罩腰部具有均勻的厚度。如图所示， 加厚部分70优选比护罩其余部分或护罩邻近部分基本上厚至少10、 20、 25、 30、 40、 50、 70、 90、 100、 120、 150、 200、 250、 300、 400或500%。力口 厚部分70优选邻近电弧管中部延伸或位于邻近电弧管中部的位置，优选居 中位于所示电极端部之间的中点，优选邻近整个放电空间34b(壳16b和两 个立柱18b、 20b限定的空间)延伸、或如图3所示邻近两电极端部之间的部 分(电弧管的电弧部分)延伸、或邻近(a)放电空间34b或(b)两电极端部之间的 空间或部分(电弧管的电弧部分)的至少10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 卯或95%延伸。图4显示与图3所示的灯基本相同的灯，该灯具有护罩14c 和具有透光壳16c的电弧管12c。护罩14c具有类似加厚部分70的加厚部 分70c,不同的是加厚部分70c处于护罩外侧而不是护罩内侧。或者，所述 加厚部分可部分处于护罩内侧且部分处于护罩外侧。
如图5所示，电弧管12d的纵向轴线可位于或固定在护罩14d纵向轴 线的上方(上方是指在灯使用期间的上方)，优选在护罩纵向轴线以上至少 0.1、 0.2、 0.5、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 10、 13、 15、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 48%(与护罩内直径相比)。图5示例对有利地改善电弧管的方位角 温度梯度有效的构造。
图6显示具有护罩14e和具有透光壳16e的电弧管12e的灯。图6与图 3类似，不同的是由护罩部分70e代替图3中的加厚部分70,该部分70e 具有较窄或较小的内外直径但厚度不变。如对部分70的上述讨论，该部分 70e同样优选邻近电弧管中部延伸或位于邻近电弧管中部的位置。部分70e 的内直径优选比相邻护罩14e部分的内直径小至少1、 2、 3、 5、 8、 10、 15、 20、 25、 30、 40、 50、 60、 70或80%。图6示例一种可改变间隙62厚度以
有利地改善轴向温度梯度的方法。
图7显示具有护罩14f和具有透光壳16f的电弧管12f的灯。导电体24f 与回路引线或引线支架30f电连接，所述回路引线或引线支架30f在电弧管 12f(和壳16f)外表面和护罩14f内表面之间的间隙中在电弧管垂直向上的位 置延伸或位于电弧管垂直向上的位置(向上是指在灯使用期间向上)。绝缘套 72包套引线支架30f的一部分以防止电弧放电。通过这种构造，来自电弧 管顶部(最需冷却的位置)的部分热量可传导出去并通过金属引线支架30f散 失。在间隙62区域中间隙62与引线支架30f直径之比优选小于5:1，更优 选小于3:1、 2:1或1.5:1。
如图9a和9b所示，在另一种实施例中，可相对于电弧管下方的护罩壁 厚度增大电弧管上方的护罩壁厚度。参考图9a,显示具有护罩14a和具有 透光壳16a的电弧管12a的灯。图9b显示类似的具有护罩14v和具有透光 壳16b的电弧管12b的灯。如图所示，护罩14a和14b分别具有加厚部分 68、 69，所述加厚部分优选基本上比护罩其余部分或相邻护罩部分厚至少 10、 20、 25、 30、 40、 50、 70、 90、 100、 120、 150、 200、 250、 300、 400 或500%。加厚部分68、 79可类似图3和图4的加厚部分轴向延伸，并且 部分68、 69为护罩的上部或顶部并可为上部180度、150度、120度、卯 度、60度或其它角度(见图10和12)，并且加厚部分68、 69可具有均匀的 厚度(见图10和12)，或可以渐缩，以便当壁接近顶部时变厚(见图11)。图 9a和9b的护罩构造目的在于减小环向温度梯度。与电弧管底部中心部分的 护罩壁厚度相比，在电弧管上方，特别是在电弧或放电空间正上方的电弧 管中部上方壁较厚的护罩14a、 14b造成电弧管的不均匀冷却，与底部相比 向顶部提供更多的冷却，从而明显减小了电弧管中的环向温度梯度和所造 成的应力。(在前述讨论中，电弧管的顶部是指使用过程中电弧管的顶部，
程中的电弧管底部热。)不均匀的护罩壁厚还可结合象图5那样安装电弧管 的优势，即，使电弧管纵向轴线垂直偏离并垂直高于护罩纵向轴线或位于 护罩纵向轴线上方(使用过程中)(如图％所示)，从而具有减小电弧管中垂直 和环向温度梯度的作用和减小所造成的应力的作用。如图6所示，在另一 种实施例中，电弧管外侧和护罩内侧之间的间隙62可随电弧管外直径和/ 或护罩内直径的轴向变化而沿轴向改变。间隙62越小，护罩对电弧管局部
温度的冷却作用越大，使得直径在电弧区域附近比在电弧管电极区域附近 小的护罩相对于电弧管的冷区有利地降低电弧管的热区温度。因而，在使 用过程中电弧管具有轴向温度梯度。例如，可以有效降低热区温度(例如在 电弧管电弧室或电弧壳中部上方)的方式，从而以有利地改善轴向温度梯度
的方式，(a)改变护罩壁厚、或者(b)改变电弧壳和护罩之间间隙的厚度、或 者(c)同时改变两者。类似地，如果电弧管直径在电弧附近较大且在电极附
近较小，并且护罩内直径在上述区域中为常数，那么护罩在电弧附近较接
球体)形电弧管和圓柱状护罩的情况下可实现这种状况。近椭球形电弧管通 常可设计为在电弧和电极区域中具有更好的等温分布，结合具有恒定内直 径的圆柱状护罩，椭球电弧管将在更好的等温分布下工作。另外，护罩的
冷却作用越大(即间隙62越小，和/或护罩壁越厚，和/或冷却气体例如He)， 结合椭球电弧管的圆柱状护罩的等温效果越好。
尽管参考优选实施方案对本发明进行了说明，但本领域技术人员应当 理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可作出各种变化且可以等同特 征取代本发明的要素。另外，在不脱离本发明实质范围的情况下可作出各 种改变以使具体情况或材料适应本发明的教导。因而，本发明不限于预期 作为实施本发明的最佳方式的具体实施方案，但本发明包括落入所附权利 要求范围内的所有实施方案。
权利要求
1.一种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管被封闭在其外部的保护壳中的气体介质包围，25℃时至少10mol％的所述气体介质由He或H2或Ne或800℃时导热率大于N2的其它气体或它们的混合物提供。
2. 权利要求1的灯，其中25。C时至少80 mol。/。的所述气体介质由He提供。
3. 权利要求1的灯，其中25。C时所述气体介质的压力为0.1-10 atm。
4. 权利要求1的灯，其中25。C时所述气体介质的0.1-90 mol。/。为N2。
5. 权利要求l的灯，其中所述保护壳为护罩，所述护罩具有内表面和 内直径以及外表面和外直径。
6. 权利要求5的灯，其中所述护罩的内表面或外表面被涂层充分覆盖，
7. 权利要求6的灯，其中所述涂层包含氧化钽或二氧化钛或氧化铝或 氧化铪或其它高温透明材料或它们的组合。
8. 权利要求5的灯，其中所述透光壳具有外直径，所述透光壳的外直 径和所述护罩的内直径之间的差小于所述透光壳外直径的两倍。
9. 权利要求5的灯，其中所述护罩的外直径和所述护罩的内直径之间 的差大于所述护罩内直径的20%。
10. 权利要求l的灯，其中所述透光壳为外直径小于4mm的管。
11. 权利要求5的灯，其中所述护罩的外直径小于8mm。
12. —种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管 被封闭在其外部的保护壳中的气体介质包围，所述透光壳具有外表面和外 直径，所述保护壳为具有内表面和内直径的护罩，所述透光壳的外表面和 所述护罩的内表面之间存在间隙，所述间隙小于所述透光壳的外直径。
13. 权利要求12的灯，其中所述间隙小于所述透光壳外直径的一半。
14. 一种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管 被封闭在其外部的保护壳中的气体介质包围，所述透光壳具有外表面和外 直径，所述保护壳为具有内表面和内直径以及外表面和外直径的护罩，所 述护罩在所述外表面和内表面之间具有壁厚，所述护罩的所述壁厚大于所述护罩内直径的10%。
15. 权利要求9的灯，其中所述护罩的外直径和所述护罩的内直径之 间的差大于所述护罩内直径的100%。
16. 权利要求8的灯，其中所述护罩的外直径和所述护罩的内直径之 间的差大于所述护罩内直径的20%。
17. —种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管 被封闭在其外部的护罩中的气体介质包围，所述电弧管具有电弧部分，邻 近电弧部分的护罩第一部分的壁厚大于与所述第一部分相隔的护罩第二部 分的壁厚。
18. —种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管 被封闭在其外部的护罩中的气体介质包围，所述电弧管在工作过程中具有 轴向温度梯度，所述护罩具有壁厚，所述电弧管具有外表面，所述护罩具 有内表面，所述电弧管的外表面和所述护罩的内表面之间存在间隙，其中(a) 护罩的壁厚或者(b)间隙的厚度或者(c)护罩的壁厚和间隙的厚度两者以对有 利地改善所述轴向温度梯度有效的方式改变。
19. 一种灯，包括具有透光壳和一对间隔电极的电弧管，所述电弧管 被封闭在其外部的护罩中的气体介质包围，所述护罩具有纵向轴线，所述 电弧管具有纵向轴线，所述电弧管纵向轴线以对有利地改善所述电弧管的 方位角温度梯度有效的方式垂直偏离所述护罩纵向轴线。
20. 权利要求5的灯，其中所述透光壳具有外表面，所述灯包括与所 述电极之一电连接的引线支架，所述引线支架在所述护罩的内表面和所述透光壳的外表面之间延伸。
21. 权利要求17的灯，其中电弧部分上方的护罩部分的壁厚大于电弧 部分下方的护罩部分的壁厚。
22. 权利要求12的灯，其中所述护罩具有纵向轴线，所述电弧管具有 纵向轴线，所述电弧管纵向轴线垂直偏离所述护罩纵向轴线。
全文摘要
提供一种具有电弧管的灯，电弧管具有透光壳。电弧管被封闭在保护壳例如密封护罩中的气体介质包围。气体介质优选为He或H₂或Ne或800℃时导热率大于N₂的其它气体或它们的混合物，以帮助冷却电弧管。护罩的内侧和/或外侧可涂覆有扩散阻挡层。为帮助冷却电弧管的热区，可减小护罩和透光壳之间的间隙，可加厚电弧附近的护罩壁部分，可使电弧管向上偏离护罩的纵向轴线，可使电弧管的回流引线位于护罩和电弧管之间。
文档编号H01J61/02GK101371330SQ200680033838
公开日2009年2月18日 申请日期2006年8月24日 优先权日2005年9月14日
发明者伊丽莎白·A·古佐夫斯基, 加里·R·艾伦, 戴维·C·杜迪克, 斯维特兰纳·塞莱兹尼娃, 李建武, 维克托·K·瓦尔加, 罗伯特·巴兰伊, 罗科·T·乔达诺, 阿戈斯顿·博罗茨基, 阿莫尔·S·马莱 申请人:通用电气公司