专利名称：高压放电灯、高压放电灯照明设备和汽车前灯装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基本不包含汞的高压放电灯、利用该高压放电灯的高压放电灯照明设备和利用该高压放电灯的汽车前灯装置。
背景技术：
由于金属卤化物灯相对高的效率和良好的显色性，具有包括一对相对电极并包括惰性气体、发光金属卤化物和汞的电弧管的高压放电灯，即金属卤化物灯，被广泛使用。此外，这种高压放电灯已经开始广泛用作汽车前灯。包括用作汽车前灯的那些高压放电灯，目前实际应用的高压放电灯基本上使用汞(下文中方便地称为含汞灯)。在公开号为2-7347的日本专利中，描述了一种用作汽车前灯的高压放电灯的代表性说明书，它规定要密封大约2-15mg的汞。此外，在公开号为59-111244的日本专利中，描述了一种适于用作汽车前灯的包含规定的预定量汞的放电灯，即高压放电灯。根据该说明书，当这种高压放电灯在水平位置工作时，放电弧收缩成至少基本上成直线，该高压放电灯是高效的。
但是，现在环境问题越来越严重，而且在照明行业中，减少甚至除去灯中的汞被认为是非常重要的，因为汞给环境增加了相当大的负担。
为了解决这个问题，已经提出了若干种除去高压放电灯中汞的方法。例如，发明人做出了在日本专利2982198及公开号为6-84496和11-238488的日本专利中描述的发明。第一种发明是一种在其中封入钪Sc或稀土金属卤化物及惰性气体并利用脉冲电流可控开启与关闭的装置。第二种发明是一种包含由金属卤化物和惰性气体组成的放电介质的装置，因此在宽输入范围内有较小变化的颜色特性，从而能够用于调暗照明。第三种发明是一种通过除作为主发光材料的第一种金属卤化物以外还包含具有高汽压且很难发光的第二种金属卤化物从而在电特性方面有所改进的装置。
此外，在公开号为11-307048的日本专利中，描述了一种通过除钪Sc和钠Na卤化物以外还包含钇Y和铟In卤化物作为第三种金属卤化物来避免由于电极扩散造成变黑的高压放电灯，其中钇Y和铟In卤化物在工作中具有1×10-5大气压的气压，而且其金属本身在5-10eV电离。根据本文所公开发明的高压放电灯描述为具有汽车前灯所需的任何光通量和色度范围。
但是，当不包含汞的高压放电灯(下文中方便地称为“无汞灯”)用作汽车前灯的光源时，存在灯刚开启后光量不足的问题。为了解决这个问题，使刚开启后所施加的灯电流比稳态时的灯电流高若干倍，从而增加光量并将高压放电灯突然快速地带入稳态。
但是，在这种情况下，会引起另一个放电闪烁的问题。下面将描述放电闪烁的一些原因。
1、如果高压放电灯以上述方式开启，则电极会在刚开启后达到最高温度。因此，电极必须设计成能够耐得住即使开/关操作以相对较高频率发生时的温度。因此，稳态下灯电流是相对低的，从而电极温度会变得低于最佳温度。由于稳态时电极温度低，因此电极发射较少的热电子，这就很容易发生放电闪烁。
如果无汞灯用作汽车前灯，则刚开启后高于额定灯电流的灯电流，如3A的灯电流，必须连续流动几秒，如6秒。因此，电极必须设计成在稳态时有更低的温度，从而放电闪烁变得更加明显。在含汞灯的情况下，高于额定灯电流的灯电流的施加时间大约是1秒。
2、在无汞灯中，由于没有汞，电弧保持很细，但由于发射频谱的自吸收，又会导致电弧变粗。因此，很容易发生放电闪烁。
3、如果无汞灯包含具有相对高汽压和不太有助于发光的卤化物，其中该卤化物代替汞作为提供灯电压的介质，则高汽压使电弧收缩，从而容易发生放电闪烁。
4、如果无汞灯包含大约在10大气压的氙来提供与包含汞和在5-6大气压的氙的高压放电灯相当的灯特性，则更高的氙压使电弧收缩，从而容易发生放电闪烁。
5、无汞灯不产生HgI等物质，从而很容易出现自由卤素。但是，卤化物气体高度吸收电子，从而容易引起放电熄灭。因此，随着卤化物气体浓度的增加，电弧变得越来越不稳定。
如从上述原因可以理解的，与含汞灯相比，无汞灯非常容易遭受放电闪烁。此外，对含汞高压放电灯无不利影响的电极温度在无汞灯中会引起放电闪烁。
放电闪烁可能导致亮度闪烁，或者在极端情况下，会导致电弧熄灭。
由于对上述问题的研究，发明人发现通过适当地确定稳态电极温度和自由卤素浓度，无汞灯的电弧可以变得稳定。基于这个发现，发明人做出了本发明。
此外，发明人还发现通过以一种将稳态电极温度保持在非常窄预定范围内的方式来控制电极温度，无汞灯中的放电闪烁可以有效地降低。
本发明的一个目的是提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中出于对环境的考虑该灯基本不包含汞，而且产生减少的放电闪烁，还提供利用该灯的高压放电灯照明设备和利用该灯的汽车前灯装置。
本发明的另一个目的是提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中通过保持稳态电极温度和关灯时产生自由碘的量之间的一种预定关系来减少放电闪烁，还提供利用该灯的高压放电灯照明设备和利用该灯的汽车前灯装置。
本发明的另一个目的是提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中稳态电极温度保持在预定窄范围内，从而减少放电闪烁并延长电极寿命，还提供利用该灯的高压放电灯照明设备和利用该灯的汽车前灯装置。
发明概述根据权利要求1所述实施方案的高压放电灯，其特征在于该高压放电灯包括放电容器，具有防火、半透明而且其中有放电空间的密封容器，以及在密封容器中放电空间的相对端密封提供的一对彼此面对距离为5mm或更小的电极；及放电介质，密封在密封容器中，基本不包含汞，而包含在三个大气压或更高气压的氙气以及包括钠Na、钪Sc和稀土金属碘化物的发光金属卤化物中的至少两种，该高压放电灯稳态下保持50W或更低的灯功率，稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)和灯在开启100小时后关闭时产生的自由碘的量A(mol/cc)满足公式(1)。
T2/A＞1011(1)除非另有规定，本实施方案和后述实施方案中所使用的术语有如下的定义和技术含义。
<放电容器>
放电容器包括密封容器和一对电极。
(密封容器)密封容器是防火和半透明的。词“防火”的意思是密封容器能充分耐得住放电灯的正常工作温度。因此，密封容器可以由任何材料制成，只要该材料防火并使得放电产生的期望波长范围内的可见光能够发射到外面。例如，密封容器可以由陶瓷，如石英玻璃、半透明氧化铝和钇铝石榴石或其单晶体，制成。当需要时，密封容器的内表面可以涂上一层具有抗卤素性或抗卤性化物的透明薄膜，或者可以改变。
密封容器具有在其内部形成的放电空间。该放电空间优选地具有细长形状而且，例如，可以具有圆柱形状。当灯在水平位置开启时，这种形状使电弧向上弯，从而更接近放电容器内表面上部，因此在放电容器的上部温度升高更快。
此外，密封容器围绕放电空间的部分可以有相对高的厚度。即，密封容器围绕电极之间距离中部的部分可以比其端部分厚。这增强了放电容器的热传输，从而挨着放电容器放电空间下面和侧面部分内表面的放电介质的温度迅速升高。因此，实现了光通量的快速增加。
(一对电极)
该对电极密封在密封容器中放电空间的相对端，彼此面对距离为5mm或更小。必须确定在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)和后述产生自由碘的量A(mol/cc)满足一种预定关系。
电极温度T(℃)用高温计来测量。在对不同点的其它测量结果中，采用最小值作为电极温度。例如，在打算用于水平照明的高压放电灯情况下，在灯处于水平位置时开启的状态下，在水平方向上测量的电极温度。此外，在从尖端到底端距离为0.3mm的点测量电极温度的原因如下。即，根据本发明的高压放电灯产生高亮度电弧，因此由于电弧光的干扰，很难精确测量电极尖端的电极温度。另一方面，在从电极尖端到底端距离为0.3mm的点，可以很容易地精确测量到电极温度。
通过适当有选择地修改多个设计因素，包括电极直径、电极伸入放电空间部分的长度和灯电压，中的一个，电极温度可以改变。特别地，如果电极直径增加，则电极温度下降。如果减小电极伸入放电空间部分的长度，则电极温度下降。如果在灯功率保持恒定的情况下增加灯电压，则灯电流减小，导致电极温度下降。因此，通过适当设置上述设计因素，可以将电极温度控制在期望的值。
此外，可以配置电极用于交流电或直流电。如果灯以交流电工作，则该对电极有相同的结构。当高压放电灯用作汽车前灯时，灯非常频繁地开和关，而且在开始照明时要向灯施加高于稳态电流的电流。因此，为了满足这种条件，电极直径可以整体均匀增大。但是，当需要时，可以只在接近其尖端的电极部分形成大直径部分。如果灯以直流电工作，则通常正极的温度会迅速升高。因此，如果在接近其尖端的正极部分形成大直径部分，则可以增加热辐射面积，从而正极可准备好用于频繁的开/关操作。另一方面，负极可能不具有大直径部分。
<放电介质>
根据本发明，如上所述，放电介质包括发光金属的卤化物和氙而且基本不包含汞。
(卤化物)
卤化物是包括钠Na、钪Sc和稀土金属碘化物中至少两种的发光金属卤化物。上述钠Na、钪Sc和稀土金属是高效发光材料，在本发明中充当主发光金属。优选地，所使用的卤化物是钠Na卤化物及钪Sc和稀土金属卤化物中的至少一种。但是，当需要时，可以另外封入另一种发光金属的卤化物。例如，如果另外封入了铟In卤化物，则由于它向原始光添加了蓝光成分，因此有助于颜色调整。
现在描述构成卤化物的卤素。即，就反应性而言，碘最合适。至少上述主发光金属是以碘化物形式密封在密封容器中的。但是，当需要时，不同成分的卤素，如碘化物和溴化物，可以一起使用。灯开启100小时后关闭时在密封容器内容积中每单位容积(cc)产生的自由碘的量A(mol)与后述电极温度T(℃)相对于彼此之间必须满足公式(1)。产生自由碘的量可以通过调节密封的放电介质的量、修改加工放电容器组分或形状的方法或在密封容器中密封卤素吸气剂来控制。
产生自由碘的量A(mol/cc)以下述方式识别。即，遵循在题为“Methodof Early Determination of Life of Electrodeless Metal Halide Lamp”的论文中所述对产生自由碘的量的测量过程进行识别，其中该论文由发明人1997年在Illuminating Engineering Institute of Japan的physical-properties-and-applications workshop发表。概括地说，该过程如下。
1、将要测量的灯在电炉中加热到使放电容器中的自由碘完全蒸发。
2、使卤素灯发射的光透过放电容器，发射光的发射频谱利用瞬时分光计来测量。
3、用参考频谱除发射频谱以提供吸收频谱，吸收系数从吸收深度得到。
4、碘的量是基于测量吸收系数利用校准曲线来识别的，该校准曲线是基于吸收系数和碘的量之间的关系预先确定的。
(氙)氙气充当启动气体和缓冲气体，还用来在刚启动后占优势地发射光。密封氙气的压强是3大气压或更高，优选地是5大气压或更高，最优选地落在8至16大气压范围内。这使得可以实现高压放电灯的高的灯电压。从而，可以利用相同的灯电流提供更高灯功率，因此可以改善光通量的上升特性。特别是在汽车前灯、液晶探照灯等应用中，对灯的任何使用来说都有利的光通量良好的上升特性尤为重要。
(汞)本发明中词“基本不包含汞”的意思是完全不密封汞或存在的汞含量小于密封容器内容积的2mg/cc，优选地是密封容器内容积的1mg/cc或更少。但是，从环境角度看，期望不要密封汞。如果象现有技术那样，放电灯的电特性是由汞蒸汽维持的，则在短电弧类型高压放电灯的情况下，必须在密封容器中封入密封容器内容积20至40mg/cc，甚至有可能50mg/cc的量的汞。与此相比，本发明中所使用汞的量显著减少了。
<灯功率>
在本发明中，灯功率是提供给高压放电灯的功率。根据本发明，稳态下该功率是50W或更低。这意味着高压放电灯是很小的。
<电极温度和产生自由碘的量的关系>
如果稳态下电极温度T(℃)和灯在开启100小时后关闭时产生的自由碘的量A(mol/cc)满足公式(1)，则能够实现稳定电弧。另一方面，当T2/A的值为1011或更小时，电极温度相对低，而电弧开始变得不稳定，就容易发生电弧熄灭或亮度闪烁。因此，不允许T2/A的值小于或等于1011。在这种情况下，能够通过升高电极温度T(℃)、降低产生自由碘的量A(mol/cc)或适当采取这两种措施来满足公式(1)。
T2/A＞1011(1)<本发明的操作>
如果灯基本不包含汞，则电弧是不稳定的，容易发生电弧熄灭或亮度闪烁。但是，根据权利要求1中描述的实施方案，如可以从上面描述清楚看到的，通过确定电极温度T(℃)和产生自由碘的量之间的关系使之满足公式(1)，可以使电弧稳定并有效地减少放电闪烁。从而，能够显著地减少亮度闪烁和电弧熄灭。
本发明尤其适用于小型高压放电灯，在开始照明时要向该小型高压放电灯施加是稳态灯功率两倍或更高的灯功率，或者在开始照明时要向小型高压放电灯施加比额定灯电流高的灯电流，即2A或更高的灯电流。
根据权利要求2所述实施方案的高压放电灯的特征在于该高压放电灯包括放电容器，具有防火、半透明而且其中有放电空间的密封容器，以及在密封容器中放电空间的相对端密封提供的一对彼此面对距离为5mm或更小的电极；及放电介质，密封在密封容器中，基本不包含汞，该高压放电灯稳态下保持50W或更低的灯功率，开始照明时要输入是稳态灯功率两倍或更高的灯功率，稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(2)。
1700≤T≤1900(2)根据该实施方案，规定了一种高压放电灯，其中稳态下电极温度维持在由公式(2)定义的范围内，从而减少了放电闪烁并延长了电极寿命。控制电极温度落在预定范围内的手段并不限于特定的一种。例如，如参考权利要求1的实施方案所描述的，期望的电极温度可以通过适当地确定包括电极直径、电极伸入放电空间部分的长度和灯电压在内的设计因素中的至少一种来获得。
在本发明中，高压放电灯可以是除金属卤化物灯以外的另一种布置，只要在开始照明时向该高压放电灯施加是稳态灯功率两倍或更高的灯功率。因此，密封的放电介质不限于发光金属的卤化物和氙。此外，惰性气体可以是氙、氩、氪等。密封惰性气体的压强优选地是3大气压或更高。
本发明尤其适于用作汽车前灯的金属卤化物灯，其中封入发光金属，优选的是Na、Sc和稀土金属中至少两种的卤化物，优选的是碘化物，及具有相对高气压的金属，优选的是Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的一种或多种卤化物，优选的是碘化物，与三个大气压或更高的优选地五个大气压或更高的或更优选地八至十六大气压的氙。权利要求1所描述的布置使得更有效地长时间减少放电闪烁并允许提供长寿命的高压放电灯。
现在描述电极温度。如果电极温度低于1700℃，则放电不稳定，会发生放电闪烁。另一方面，如果电极温度高于1900℃，则电极的寿命缩短，从而高压放电灯的寿命缩短。但是，根据本发明，由于电极温度落在由公式(2)定义的范围内，因此减少了放电闪烁，高压放电灯也可以有实际上足够的寿命。
根据权利要求3所述实施方案的高压放电灯是根据权利要求2实施方案的高压放电灯，其特征还在于稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(3)。
1730≤T≤1850(3)根据该实施方案，规定了一种高压放电灯，其中控制电极温度落在比权利要求2限定的更窄的范围内，从而进一步减少放电闪烁并进一步延长电极寿命。
根据权利要求4所述实施方案的高压放电灯是权利要求1至3任何一项中所述的高压放电灯，其特征还在于放电介质包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种，该一种或多种卤化物充当提供灯电压的介质。
根据该实施方案，规定了代替汞用来提供灯电压的介质。这些介质的共同特征在于它们有相对高的汽压并发射相对少的可见光。因此，通过有选择地封入适当数量的这些介质，可以维持落在期望范围内，如20至70W，的灯电压。因此，可以相对低的灯电流输入需要的灯功率。
根据权利要求5所述实施方案的高压放电灯照明设备的特征在于该高压放电灯照明设备包括根据权利要求1至4任何一项的高压放电灯；照明电路，其中高压放电灯开启后4秒内的最大输出功率是稳态灯功率的2.5至4倍的。
根据该实施方案，由于高压放电灯开启后4秒内照明电路的最大输出功率，即输入到高压放电灯的最大灯功率，是开启灯的稳态灯功率的2.5至4倍，因此，可以实现汽车前灯所需的光通量的快速增加。
假定密封氙的压强落在3至15大气压范围内并由X(大气压)表示，而高压放电灯开启后4秒内的最大输入功率由AA(W)表示，那么如果AA的值被确定满足下面的公式(4)，则灯开启后4秒内光通量的增加可以变得更加快速，在灯前表面上一代表性点可获得8000cd的光强，这对汽车前灯是需要的。
AA＞-2.5X+102.5(4)只有当放电介质具有低汽压时，密封氙的压强和最大灯功率之间才能保持上述线性关系。这是因为，在这种情况下，灯开启后4秒内氙的光发射是占优势的。由于氙的发光量依赖于密封氙的压强和那时候的功率，因此，针对太低的氙压强，可以增加输入功率。另一方面，针对太高的氙压强，可以减少输入灯功率。高压放电灯照明设备可以以交流电或直流电工作。此外，它可以配置成在一段预定时间后从交流电工作和直流电工作中的一种切换到另一种。
此外，照明电路可以设计成具有200V或更低的空载输出电压。通常，本发明所使用的高压放电灯的灯电压低于含汞高压放电灯的灯电压，因此，照明电路的空载输出电压可以是200V或更低。这使得可以减小照明电路的尺寸。这里，在含汞高压放电灯的情况下，需要大约400V的空载输出电压。
此外，当期望时，点火器可以添加到根据本发明的高压放电灯照明设备。
根据权利要求6所述实施方案的汽车前灯装置的特征在于该汽车前灯装置包括汽车前灯装置主单元；安装在汽车前灯装置主单元中的、根据权利要求1至4任何一项的高压放电灯，其放电容器的轴线与汽车前灯装置主单元的光轴成一条直线；照明电路，其中高压放电灯开启后4秒内的最大输出功率是稳态灯功率的2至4倍。
由于该实施方案的汽车前灯装置具有权利要求1至4任何一项所述的高压放电灯作为光源，因此它提供了光通量的快速增长而且是安全的。此外，由于该高压放电灯不包含给环境增加相当大负担的汞，因此从环境角度看该汽车前灯装置是高度优选的。这里，“汽车前灯装置主单元”是指除高压放电灯和照明电路以外的整个汽车前灯装置。
图1是实现权利要求1所述实施方案的第一种模式的高压放电灯的前视图；图2是显示当T2/A的值变化时是否发生放电闪烁的图；图3是显示在保持电极温度为1900℃的情况下，当产生自由碘的量变化时T2/A的值如何变化的图；图4是显示在保持产生自由碘的量为3.5×10-5(mol/cc)的情况下，当电极温度变化时T2/A的值如何变化的图；图5是在实现权利要求2和3所述实施方案的第一种模式中，稳态下电极温度和放电闪烁发生率之间及稳态下电极温度和相对电极寿命之间的关系；图6是根据实现权利要求1至3中所述实施方案的第二种模式的高压放电灯的前视图；图7是根据权利要求5所述实施方案的高压放电灯照明设备的电路图；及图8是根据权利要求6所述实施方案的汽车前灯装置的立体图。
具体实施例方式
<实现权利要求1所述实施方案的第一种模式>
参考图1描述根据第一种模式的高压放电灯。在图1中，高压放电灯HPDL包括放电容器(1)、密封金属箔(2)、外部引线(3)和放电介质。
放电容器(1)包括密封容器(1a)和一对电极(1b)、(1b)。密封容器(1a)形成中空的纺锤形并有一对在两端与其一体完整构成的细长密封部分(1a1)。密封容器(1a)内部有一细长且基本呈圆柱形的放电空间(1c)。电极(1b)保持在预定位置，其底部嵌入密封部分(1a1)。每个电极(1b)的底端焊接到密封部分(1a1)中密封金属箔(2)的一端。
密封金属箔(2)密封在密封容器(1a)的密封部分(1a1)中，密封金属箔(2)的另一端连接到外部引线(3)。
放电介质包括发光金属和氙的卤化物并密封在密封容器(1a)中。所使用的卤化物可归类划分成第一组卤化物和第二组卤化物。第一组卤化物包括发光金属卤化物，特别地，钠Na、钪Sc和稀土金属中至少两种的碘化物。第二组卤化物主要是提供灯电压并包括具有相对高汽压和发射较少可见光的金属卤化物。氙密封在3大气压或更高。
(实例1)放电容器(1)密封容器(1a)由石英玻璃制成，具有6mm的外径和2.7mm的内径。
电极(1b)由钨制成，其尖端直径为0.4mm，其伸入放电容器部分的长度是2.3mm。
放电介质所使用的卤化物是ScI3、NaI和ZnI2，其关系是ScI3-NaI-ZnI2＝0.2mg。
氙是6大气压。
所使用的卤素吸气剂是0.01mg的Sc或Sb。
稳态灯功率是35W。
在从尖端距离为0.3mm的点的电极温度为1900℃。
开启100小时中产生的自由碘的量A是0.5×10-6(mol/cc)。
T2/A的值是7.22×1012。
现在，参考图2至图4，描述电极温度T(℃)、产生自由碘的量A(mol/cc)及放电闪烁发生情况之间的关系。
图2示出在图1所示实施方案中当T2/A的值变化时是否会发生放电闪烁。在该图中，水平轴表示T2/A的值，垂直轴表示是否会发生放电闪烁。垂直轴上的值1表示存在放电闪烁，而垂直轴上的值0表示不存在放电闪烁。
如从该图中可以看到的，当T2/A的值高于1011时，不会发生放电闪烁。
图3示出在保持电极温度为1900℃的情况下，当产生自由碘的量变化时T2/A的值如何变化。在该图中，水平轴表示当保持电极温度为1900℃时产生自由碘的量(mol/cc)，而垂直轴表示T2/A的值。
如从该图中可以看到的，即使电极温度为1900℃，但是当产生自由碘的量小于或等于3.5×10-5(mol/cc)时，T2/A的值还是大于1011。这表示，即使电极温度为1900℃，还是可以通过控制T2/A的值为预定值来抑制放电闪烁。
图4示出在保持产生自由碘的量为3.5×10-5(mol/cc)的情况下，当电极温度变化时T2/A的值如何变化。在该图中，水平轴表示当产生自由碘的量为3.5×10-5(mol/cc)时的电极温度T(K)，而垂直轴表示T2/A的值。
如从该图中可以看到的，当产生自由碘的量为3.5×10-5(mol/cc)时，除非电极温度大于或等于1900℃，否则不能充分抑制放电闪烁。
<实现权利要求2和3中所述实施方案的第一种模式>
该第一种模式中的高压放电灯表面上与图1所示的相似。但是，根据权利要求2所述的实施方案，电极温度保持在1700至1900℃之间，而根据权利要求3所述的实施方案，电极温度保持在1730至1850℃之间。
(实例2)放电容器(1)密封容器(1a)由石英玻璃制成，具有0.025cc的内容积，放电空间的最大内径为2.4mm。
电极(1b)由钨制成，其直径为0.40mm，伸入部分的长度是1.6mm，电极之间的距离是4.2mm。
放电介质所使用的卤化物是ScI3、NaI和ZnI2，其关系是ScI3-NaI-ZnI2＝0.3mg。
氙是10大气压。
刚开启后的灯功率是85W，而稳态灯功率是35W。
刚开启后的灯电流是2.8A，而稳态灯电流是0.8A。
在从尖端距离为0.3mm的点的电极温度为1800℃。
现在参考图5，描述在实现权利要求2和3中所述实施方案的第一种模式中，稳态下电极温度和放电闪烁发生率之间及稳态下电极温度和相对电极寿命之间的关系。在图5中，水平轴表示电极温度T(K)，而垂直轴表示放电闪烁的发生率(％)和相对电极寿命(％)。这里，“相对电极寿命”是假定最长电极寿命数据为100％的一个相对值。在该图中，曲线a是放电闪烁发生率图，而曲线b是相对电极寿命线图。这些图是基于对原型高压放电灯进行开启实验获得的测量数据绘制的，该原型高压放电灯遵循与实例2相似的规格并列出了各种电极温度。
如从图5可以看到的，在较低的电极温度会发生比较多的放电闪烁。但是，一旦电极温度升高到高于大约1650℃，放电闪烁发生率会突然减小，而当电极温度大于或等于1700℃时，该发生率会减小到50％或更低。此外，当电极温度大于或等于1730℃时，放电闪烁发生率减小到30％或更低。此外，当电极温度大于或等于1850℃时，放电闪烁发生率减小到0％。
另一方面，一旦电极温度降到低于1700℃，电极寿命开始缩短。此外，当电极温度升高到高于大约1800℃时，电极寿命还会缩短，而且当电极温度升高到高于1900℃时，电极寿命会缩短到低于50％。
如图5所示，在权利要求2所述的实施方案中，由于电极温度大于或等于1700℃并小于或等于1900℃，因此，放电闪烁发生率小于或等于50％，而相对电极寿命大于或等于50％。另一方面，在权利要求3所述的实施方案中，由于规定电极温度落在更优选的范围内，即1730至1850℃，因此，放电闪烁发生率小于或等于30％，而相对电极寿命大于或等于90％。
<实现权利要求1至4中所述实施方案的第二种模式>
现在参考图6描述根据该第二种模式的高压放电灯。根据这种模式的高压放电灯与图1所示的高压放电灯相似，还配置成安装在汽车前灯装置中。特别地，高压放电灯(HPDL’)包括发光管(LT)、外封套(OT)、灯座(B)和绝缘管(IT)。
发光管(LT)同图1所示高压放电灯(HPDL)的配置一样。给与图1相同的部分指定相同的标号，同时省略对它们的描述。
外封套(OT)可以阻止紫外线。在外封套中放置发光管(LT)并在两端都固定到密封部分(1a1)。但是，它并没有密封，而是与外界空气相通。
灯座(B)既用作支撑发光管(LT)和外封套(OT)，又用作与发光管(LT)的电极对(1b)、(1b)电互连。即，发光管(LT)的一个密封部分(1a1)固定到灯座罩(B)，而从另一密封部分拉出的外部引线(3)平行延伸到外封套(OT)，然后引入灯座(B)并连接到一个端子(未示出)。
绝缘管(IT)覆盖外部引线(3)。
<权利要求5所述的实施方案>
参考图7描述根据该实施方案的高压放电灯。在该图中，高压放电灯照明设备包括照明电路(OC)和高压放电灯(HPDL)。
照明电路(OC)包括直流电源(11)、斩波器(12)、控制装置(13)、灯电流检测装置(14)、灯电压检测装置(15)、点火器(16)和全桥式逆变器(17)。
直流电源(11)向后述斩波器(12)提供直流功率，其可以是电池或整流直流电源。在汽车应用中，一般使用电池。可选地，也可以是对交流电进行整流后的整流直流电源。在任何情况下，当需要时，可以利用并联的电解电容器(11a)进行滤波。
斩波器(12)是将直流电源(11)施加的直流电压转换成所需值直流电压的DC/CD转换电路，并确定通过后述全桥式逆变器(17)施加到高压放电灯(HPDL)的输出电压值。如果直流电源的电压低于所需输出电压，则使用升压斩波器。另一方面，如果直流电源的电压高于所需输出电压，则使用降压斩波器。
控制装置(13)加入了一个具有编程时瞬间控制模式的微型计算机并控制斩波器(12)。例如，控制装置(13)以这样一种方式控制斩波器(12)高压放电灯刚开启后，是额定灯电流3倍或更高的灯电流从斩波器(12)流经全桥式逆变器(17)，随着时间的推移，灯电流逐渐降低到额定灯电流。此外，控制装置(13)接收后述关于灯电流和灯电压的检测信号的反馈，从而产生一个恒定的功率控制信号来对斩波器(12)执行恒定功率拉制。
灯电流检测装置(14)经过全桥式逆变器(17)与灯串联接入，检测对应于灯电流的电流，以便向控制装置(13)提供控制输入。
类似地，灯电压检测装置(15)经过全桥式逆变器(17)与灯并联接入，检测对应于灯电压的电压，以便向控制装置(13)提供控制输入。
点火器(16)置于全桥式逆变器(17)和高压放电灯(HPDL)之间，配置成当灯开启时向高压放电灯(HPDL)施加大约20kV的启动脉冲电压。
全桥式逆变器(17)包括由四个MOSFET(Q1)、(Q2)、(Q3)和(Q4)组成的桥电路(17a)，在桥电路(17a)中MOSFET(Q1)和(Q3)及MOSFET(Q2)和(Q4)之间交替开关的栅极驱动电路(17b)，及极性反相电路(17c)。全桥式逆变器(17)通过开关将来自斩波器(12)的直流电压转换成方波低频交流电压，并将产生的电压施加到高压放电灯(HPDL)以便以低频交流电开启灯。
如果高压放电灯(HPDL)是由照明电路(OC)利用方波低频交流电以这种方式开启的，则高压放电灯在刚开启后就产生所需的光通量。因此，25％的额定光通量可以在上电后1秒内获得，80％的额定光通量可以在上电后4秒内获得，这是汽车前灯所需要的。
<权利要求6所述的实施方案>
参考图8描述根据该实施方案的汽车前灯装置。在该图中，汽车前灯装置(HL)包括汽车前灯装置主单元(21)、一对照明电路(OC)和一对高压放电灯(HPDL’)。
汽车前灯装置主单元(21)包括前透明面板(21a)、反光镜(21b)、(21c)、灯座(21d)和固定装置(21e)。
前透明面板(21a)的轮廓与汽车外表面形状一致，并具有所需的光学装置，如棱镜。
反光镜(21b)、(21c)中每一个分别提供给一个高压放电灯(HPDL’)，配置成提供所需的光分布特性。
灯座(21d)连接到照明电路(OC)的输出端并安装在高压放电灯(HPDL’)的灯座(21d)中。
固定装置(21e)是用于将汽车前灯装置主单元(21)固定到汽车预定位置的装置。
高压放电灯(HPDL’)具有图6所示权利要求5中所述的配置。灯座(21d)安装在灯罩中并与其连接。
以这种方式，两灯泡高压放电灯(HPDL’)安装在汽车前灯装置主单元(21)中，构成四灯泡汽车前灯装置(HL)。每个高压放电灯(HPDL’)的发光部分通常位于汽车前灯装置主单元(21)中反光镜(21b)、(21c)的焦点。
具有图7所示电路布置的照明电路(OC)安装在金属容器(22)中并使各高压放电灯(HPDL’)通电来开启它们。
工业适用性根据权利要求1所述的实施方案，由于稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)和灯在开启100小时后关闭时产生的自由碘的量A(mol/cc)满足公式(1)，因此电弧变得稳定，减少了电弧熄灭或亮度闪烁。从而可以提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中在开始照明时要输入给其是稳态灯功率两倍或更高的灯功率。
T2/A＞1011(1)根据权利要求2所述的实施方案，由于稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(2)，因此抑制了放电闪烁，电极有相对长的寿命。从而可以提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中在开始照明时要输入给其是稳态灯功率两倍或更高的灯功率。
1700≤T≤1900 (2)根据权利要求3所述的实施方案，由于稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(3)，因此进一步有效抑制了放电闪烁，电极可有更长的寿命。从而可以提供一种适于用作汽车前灯的高压放电灯，其中在开始照明时要输入给其是稳态灯功率两倍或更高的灯功率。
1730≤T≤1850(3)根据权利要求4所述的实施方案，除了关于权利要求1至3实施方案所述的特征，放电介质包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种，该一种或多种卤化物充当提供灯电压的介质。因此，通过基本不使用给环境增加相当大负担的汞，可以提供一种适用于包括汽车前灯在内各种应用的高压放电灯。
根据权利要求5所述的实施方案，提供了一种具有权利要求1至4实施方案优点的高压放电灯照明设备，其中高压放电灯的放电闪烁减少了，并实现了光通量的良好增加。
根据权利要求6所述的实施方案，提供了一种具有权利要求1至4实施方案优点的汽车前灯装置，其中实现了光通量的良好增加。
权利要求
1.一种高压放电灯，其特征在于该高压放电灯包括放电容器，具有防火、半透明而且其中有放电空间的密封容器，和在密封容器中放电空间的相对端密封提供的一对彼此面对距离为5mm或更小的电极；及放电介质，密封在密封容器中，基本不包含汞，而包含三个3大气压或更高气压的氙气、以及包括钠Na、钪Sc和稀土金属的碘化物发光金属卤化物的中至少两种，该高压放电灯稳态下保持50W或更低的灯功率，及稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)和该高压放电灯在开启100小时后关闭时产生的自由碘的量A(mol/cc)满足公式(1)T2/A＞1011(1)
2.一种高压放电灯，其特征在于该高压放电灯包括放电容器，具有防火、半透明而且其中有放电空间的密封容器，和在密封容器中放电空间的相对端密封提供的一对彼此面对距离为5mm或更小的电极；及放电介质，密封在密封容器中基本不包含汞，该高压放电灯稳态下保持50W或更低的灯功率，开始照明时要输入是稳态灯功率两倍或更高的灯功率，及稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(2)1700≤T≤1900(2)。
3.根据权利要求2的高压放电灯，其特征在于稳态下在从尖端距离为0.3mm的点的电极温度T(℃)满足公式(3)1730≤T≤1850(3)。
4.根据权利要求1至3任何一项的高压放电灯，其特征在于放电介质包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种，该一种或多种卤化物充当提供灯电压的介质。
5.一种高压放电灯照明设备，其特征在于包括根据权利要求1至4任何一项的高压放电灯；及照明电路，其中高压放电灯开启后4秒内的最大输出功率是稳态灯功率高2.5至4倍。
6.一种汽车前灯装置，其特征在于包括汽车前灯装置主单元；安装在汽车前灯装置主单元中的根据权利要求1至4任何一项的高压放电灯，其放电容器的轴线与汽车前灯装置主单元的光轴成一条直线；及照明电路，其中高压放电灯开启后4秒内的最大输出功率是稳态灯功率高2至4倍。
全文摘要
本发明涉及一种高压放电灯、利用该高压放电灯的高压放电灯照明设备和利用该高压放电灯的汽车前灯装置，本发明的一个目的是基本不使用汞并减少放电闪烁。高压放电灯包括放电容器(1)，具有其中有放电空间(1c)的密封容器(1a)，以及在密封容器(1a)中放电空间(1c)的相对端密封提供的一对彼此面对距离为5mm或更小的电极(1b)；及放电介质，密封在密封容器(1a)中基本不包含汞，而包含三个大气压或更高气压的氙气以及包括Na、Sc和稀土金属碘化物的发光金属卤化物的中至少两种，其中该高压放电灯稳态下保持50W或更低的灯功率，而且稳态下在从尖端到底端距离为0.3mm的点的电极(1b)温度T(℃)和灯在开启100小时后关闭时产生的自由碘的量A(mol/cc)满足公式(1)T
文档编号H01J61/18GK1559078SQ0281875
公开日2004年12月29日 申请日期2002年9月26日 优先权日2001年9月27日
发明者加藤启幸, 川岛弘道, 道, 三, 上村幸三, 彦, 石神敏彦, 松田干男, 男, 蛭田寿男 申请人:哈利盛东芝照明株式会社, 东芝照明技术株式会社