专利名称：高效率放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压气体放电灯，该高压气体放电灯特别用于汽车前照明。
背景技术：
放电灯，特别是HID(高强度放电)灯，用于要求高光强度的大范围的应用。尤其 在汽车领域，HID灯被用作车辆头灯。放电灯包括具有内部放电空间的密封的放电容器，该密封的放电容器可以由例如 石英玻璃制成。两个电极伸到放电空间内，布置成彼此相隔一定距离，从而在它们之间引燃 电弧(arc)。放电空间具有填充物，该填充物包括稀有气体和诸如金属卤化物之类的其他成 分。当今，一个重要的方面是能量效率。放电灯的效率可以测量为关于所使用的电功 率的流明输出。在当今为了汽车前照明而使用的放电灯中，以35瓦的稳态操作功率实现了 约90流明/瓦(lm/W)的效率。EP-A-1349197描述了用于汽车头灯中的无汞金属卤化物灯。为了实现增强的发光 效率、低的灯电压下降、具有适于汽车头灯的色度的光、以及增大的、快速上升的光通量，选 择包含卤化钪(质量a)和卤化纳(质量b)的第一卤化物的量，使得0. 25<a/(a+b) <0. 8， 以及更优选地0. 27 < a/(a+b) < 0. 37。提出第二卤化物(质量c)替代汞来提供灯电压， 第二卤化物的量使得0. 01 < c/ (a+b+c) < 0. 4，以及优选地0. 22 < c/ (a+b+c) < 0. 33。在 放电容器中存在卤化物，其量为内部容积的0. 005-0. 03mg/mm3，优选地，0. 005-0. 02mg/mm3。 附加地，在放电介质中存在5-20个大气冷压的氙气体。提供具有0. 3mm或更大轴径的杆状 电极，其可由钨、掺杂的钨、铼、铼/钨合金等等制成。外壳包覆所述放电容器，放电容器可 以密闭地密封以隔绝外部空气或者可以含有密封在其中的大气压的或压力降低的空气或 惰性气体。在一个实例中，在34mm3的放电容器中提供0.35mm直径的钨电极。该放电介质 包含0. Img的ScI3,0. 2mg的NaI和0. Img的ZnI2,以及25°C UO个大气压的氙气。在具有 更高的第二卤化物量的第一比较的实例中，卤化物的量为0. 08mg的ScI3,0. 42mg的NaI和 0. 30mg的ZnI20在第二比较的实例中，卤化物的量为0. Img的ScI3,0. 5mg的NaI和0. 2mg 的 ZnI2。
发明内容
本发明的目的是提供允许高能效操作的灯。尤其对于汽车领域，期望的是具有较低标称功率(例如处于20-30W范围内)的放 电灯。如果这样的灯可以设计成具有高效率，使得尽管电操作功率较低仍实现了足够的总 流明输出，那么可以节省能量。然而，发明人已经认识到，简单地以较低的标称功率操作现有的灯设计将导致急 剧下降的效率。例如，以35W操作的灯具有约901m/W的效率，以25W操作时，仅具有621m/ W左右的效率。根据本发明，因此提供了一种灯设计，其目标是以降低的标称功率(即25W)高效率操作。根据本发明，所述放电容器具有12_20mm3(或μ 1)的容积。在这个放电空间中，提 供了填充物，该填充物至少基本上没有汞，即完全没有汞，或仅仅具有其不可避免的杂质。 所述填充物包括稀有气体和金属商化物成分，稀有气体优选地为氙。仔细地选择金属卤化物成分，以实现高的流明输出。所述成分至少包括纳(Na)和 钪(Sc)的卤化物，优选地，NaI和Scl3。纳(Na)和钪(Sc)的卤化物的质量比为(卤化纳 的质量)/(卤化钪的质量)=0.9-1. 5，优选地为1.0-1.3。 作为提供高效率的另一个措施，所述灯包括设在放电容器周围的外壳。该外壳优 选地也由石英玻璃制成。该外壳被密封，与外部隔绝，并以减小的压力(低于1巴(bar)的 压力)充满气体。该外壳作为绝缘体以使放电容器处于相对较高的操作温度，尽管电功率 减小了。总的来说，所推荐的灯具有的效率在25W电功率在稳态操作中等于或大于901m/ W。在本上下文中，以提及的lm/W为单位测量的效率总是以预烧的(burnt-in)灯测量的， 即在放电灯已经首次启动并按照预烧程序(burn in sequence)操作45分钟之后测量。优 选地，在25W的效率甚至为921m/W或更大，最优选地为951m/W或更大。如结合下面讨论的优选实施例将变得清楚明白的，存在可以用于获得高效率灯的 若干措施，使得甚至在25W的低操作功率获得以上的效率值。一方面，这些措施涉及放电容 器自身，其中小的内径和薄的壁有助于实现高效率。另一方面，这涉及放电空间内的填充 物，其中提供了相对较大量的卤化物，尤其是大量的纳和钪的发光卤化物(与其它卤化物， 如锌(Zn)和铟(In)的卤化物成对比)。另外，放电空间内的稀有气体的高压以及旨在通过 外壳降低热导的措施用于提供更多的流明输出。放电容器可以具有任意期望的形状。优选地，其具有外部的椭圆体形状和内部的 椭圆体或圆柱形状。在下面，将讨论放电容器的若干几何参数(壁厚度、内径/外径等等)， 其中参数中的每一个将在平面中测量，该平面处于电极之间的中心与其呈正交取向。关于所述放电容器，应该根据热学因素选择灯的几何设计。“最冷点”温度应该保 持为高以实现高效率。一般而言，放电容器的内径应当被选为相对较小，例如2. 0-2. 5mm。 优选2. Omm的最小内径，以避免电弧与放电容器壁离得太近。根据优选实施例，放电容器具 有2. 0-2. 3mm的最大内径。优选地，放电容器的壁厚度被选为1.5-1. 9mm。根据优选实施例，壁厚度为 1. 5-1. 75mm,以便提供相对较小的放电容器，其具有减少的热辐射并因此甚至在较低的电 功率下仍保持是热的。关于放电空间的填充物，优选地，可以以放电空间容积的5-20yg/y 1的浓度提 供金属卤化物成分。然而，为了实现高的流明输出，优选地使用至少lOyg/μΙ。根据另一 个优选实施例，金属卤化物浓度为10. 5-17. 5 μ g/μ 1以实现高的流明输出。一般而言，金属卤化物成分可以包括除纳和钪的卤化物之外的其他卤化物。通常 还可以使用锌和铟的卤化物。然而，这些卤化物基本上不对流明输出做出贡献，从而根据一 个优选实施例，金属卤化物成分包括至少90wt %的纳和钪的卤化物。进一步优选地，金属卤 化物成分甚至包括大于95%的纳和钪的卤化物。在一个特别优选的实施例中，金属卤化物 成分完全由NaI和ScI3构成，并且不包括其他的卤化物。在可替换实施例中，金属卤化物成分由NaI和ScI3以及少量添加的卤化钍(优选地为ThI4)构成。卤化钍用来降低电极的 功函数。提供在放电空间中的稀有气体优选地是氙。该稀有气体可以以10-18巴的冷 (200C )填充压力来提供。最优选地以及关于基本上不包括锌和铟的卤化物的卤化物成分 尤其优选地，优选地使用15-18巴的相对高的气压。这样的高压力提供高的流明输出，并且 同时可以导致相对较高的燃弧电压(burning voltage)，其范围可以是40V-55V，尽管该金 属卤化物成分仅由NaI和ScI3以及(可选地)ThI4构成。提供围绕放电容器布置的外壳_除了诸如阻挡UV辐射之类的其他用途之外_以 实现从放电容器到外部的一定的、有限的热流。所述外壳可以优选地由石英玻璃制成，并可 以是任何几何形状，例如圆柱形的、基本椭圆的或者其他形状。优选地，外壳具有至多IOmm 的外径。为了减少来自放电容器的热流，所述外壳设在距离放电容器一定距离处。出于测 量目的，这里讨论的距离是在灯的在电极之间的中央位置处截取的横截面中测量的。选 择外壳的气体填充物，以及距离和压力，从而获得期望的热转移系数(heat transition
丁的优选的值为 7. 0-225W/ (m2K)，进一步优选的值为 15. 5-75W/ (m2K)。优 选地，所述外壳布置成与放电容器相距0. 2-0. 9mm。根据优选实施例，外壳的气体填充物的压力为10-700毫巴，进一步优选地为 10-300毫巴。气体填充物优选为稀有气体，最优选地从氙和氩中选出。由于氙的较低的热 导率，在填充物中优选地含有至少20%的氙，进一步优选地至少50%的氙。在优选实施例中，电极是直径为215-275 μ m的杆形状。一方面，提供的电极应该 足够厚以便保持必要的上升(rim-up)电流。另一方面，在相对较低的稳态功率具有高效率 的灯设计的电极需要足够薄，以便仍然能够以低功率稳定地操作于稳态。发明人已经找到 用于解释电极中功率损失的模型，从而发现上述尺寸对高效率有所贡献。因此提出电极直 径的上述范围。进一步优选地，直径为230-260 μ m。
本发明以上的和其他的目的、特征和优点将根据优选实施例的如下描述而变得清 楚明白，其中图1示出根据本发明第一实施例的灯的侧视图；图2示出图1中所示的灯的中央部分的放大的视图；图2a示出图2中沿着线A的横截面视图；图3示出根据本发明第二实施例的灯的侧视图；图4示出图3中所示的灯的中央部分的放大的视图；图4a示出图4中沿着线A的横截面视图；图5示出所测量的灯效率值相对操作功率的曲线图。
具体实施例方式示出的所有实施例旨在被用作汽车灯，这些汽车灯用于车辆头灯，遵从ECE R99和ECE R98。特别地，这不意图排除非汽车用途的灯或遵从其他规范的灯。因为这样的汽车高 压气体放电灯本身是已知的，所以下面对优选实施例的描述将主要集中于本发明的特殊特 征。图1示出放电灯的第一实施例10的侧视图。该灯包括具有两个电触点14的插座 12，两个电触点14在内部连接至灯头(burner) 16。灯头16由石英玻璃的、环绕放电容器20的外壳(在下文中称为外灯泡)18组成。 放电容器20也由石英玻璃制成并限定了具有伸出的杆状电极24的内部放电空间22。来自 放电容器的玻璃材料进一步在灯10的纵向上延伸以密封到包括平钼箔26的电极24的电
气连接。外灯泡18在其中央位置处是圆柱形的并以一定距离布置在放电容器20的周围， 因此限定了外灯泡空间28。该外灯泡空间28被密封。如图2中更详细示出的，放电容器20具有围绕放电空间22而布置的外壁30 (壁 30的外部形状是椭圆形的)。放电空间22是圆柱形的。应当注意，这里使用的术语“圆柱 形”指的是放电空间22的中央的最大的部分并且不排除(如所示的)不同形状的例如锥形 封头部分。因此，环绕放电空间22的壁130的厚度是变化的，该厚度在对应于电极24之间的 中心的位置处为最大，并朝着两侧减小。放电容器20的特征为电极距离d，放电容器20的内径Cl1，放电容器的壁厚度W1, 放电容器20和外灯泡18之间的距离d2，以及外灯泡18的壁厚度W2。这里，值屯，Wl，d2，W2 是在放电容器20的中央垂直平面中测量的，如图2a中所示。如对于放电灯而言常规的，通过点燃电极24之间的电弧放电来操作灯10。包括在 放电空间22内的填充物影响光的生成，该放电空间22中没有汞，但包括金属卤化物以及稀
有气体。关于所示的放电灯10的热性能(behavior)，应当记住，意图水平地操作汽车灯。 于是电极24之间的电弧放电将导致电弧之上的放电容器20的壁30处的热点。同样，环绕 放电空间22的壁30的相对的部分将保持相对较低的温度(最冷点)。为了减少从放电容器20 到外部的热传输(transport)，以及为了保持良好功效所 需的高温，因而优选的是，提供具有减少的热传导的外灯泡18。为了限制来自外部的冷却， 外灯泡18被密封并充满热导率减小的填充气体。以小于1巴的减小的压力(在20°C在灯 的冷状态下测量的)提供外灯泡填充物。如将在下面进一步解释的，应该结合几何布置来 选择合适的填充气体，以便获得通过合适的热转移系数λ /d2从放电容器20到外灯泡18的 期望的热传导。到外部的热传导可以粗略地由热转移系数λ /d2表征，λ /d2计算为外灯泡填充物 的热导率λ (在本上下文中，其总是在800°C的温度下测量的)除以放电容器20和外灯泡 18之间的距离d2。由于放电容器20和外灯泡18之间的相对较小的距离，两者之间的热传导本质上 是扩散的并因而将计算为gZ-Agrai^，其中^是热通量密度，即放电容器和外灯泡之间每 时间单位传输的热量。λ是热导率，《gra^W是温度梯度，其在这里可以粗略地计算为放电容器和外灯泡之间的温度差除以距离例卯=&电容器外灯泡。因此，冷却与4成比例。关于本上下文中建议的实施例，可以选择填充气体的不同类型、填充压力的不同
值和不同距离值(12以获得期望的转移系数J1。降低填充压力(低于1巴，优选地低于700
毫巴，进一步优选地低于300毫巴)。特别优选的值是100毫巴的填充压力。然而，在优选 的区域中，热转移系数随压力的变化很小。优选的距离d2的范围是0. 2-0. 9mm。填充物可以是根据其(在800°C测量的)热 导率值λ选择的任何合适的气体。下表给出λ值(在800°C )的实例氖0.120W/(mK)氧0. 076W/ (mK)空气0. 068W/ (mK)氮0. 066W/ (mK)氩0. 045W/ (mK)氙0.014W/(mK)为了获得良好的绝缘，特别地优选氩、氙或其混合物作为填充气体。然而，因为热 转移系数当然地取决于距离d2，所以不同的气体填充物也可以选择为具有足够高的d2。
Λ7的优选值范围是从7. Off/ (m2K)(例如通过d2 = 1. 95mm的大距离处的氙填充物
实现)到225W/(m2K)(例如通过d2 = 0. 2mm的小距离处的氩填充物实现)。优选的范围是 从15. 5W/(m2K)(例如通过d2 = 0. 9mm处的氙填充物实现)到75ff/(m2K)(例如通过d2 = 0. 6mm处的氩填充物实现)。灯效率的模型发明人已经开发了下面的用于确定由灯10生成的光通量的模型F= η*Ρ 电弧，其中F是光通量，以流明为单位测量，η是以每瓦流明(lm/W)为单位测量的电弧 效率，以及Pm是电弧的功率。总电功率P τ被分割为在电极处损失的功率和电弧功率P Μ P灯=P电极+P电弧。发明人已经发现，电极中损失的功率取决于阴极相中电弧附着的模式，该模式可 以是点模式或扩散模式，在点模式中，电弧被缩短，使得电弧附着局限于电极尖端处的小区 域，在扩散模式中，电弧附着(几乎)覆盖电极尖端的整个前表面。发明人已经发现在点模式中，电极损失Ρ β基本上不取决于电极的几何形状，即 电极直径。它们可以表达为P 电极=2*Uh*I，其中I是灯电流，Uh是固定的加热电压，对于本发明的灯，该加热电压可以假设为 约5V。对于扩散模式中的操作，电极需要保持一定的高温。这需要的功率取决于电极的 几何形状。对于电极直径为300 μ m的杆状电极，需要6W的加热功率。对于其他直径，所要求的加热功率大约与直径的平方成比例。对于200 μ m的电极，要求仅3W的加热功率。在操作中，灯将在电弧附着模式下燃烧，该电弧附着模式在能量方面是有利的，即 其使用较低的功率。因此，可以适当地选择电极直径以获得相对较低的电极损失。气相发射器除了卤化钪之外，还可以使用卤化钍作为气相发射器。尽管没有钍的设计出于环 境方面的考虑是优选的，但是已经发现，添加ThI4可以通过降低以点模式燃烧的灯的电极 损失来提高灯的效率。发明人已经发现，以点模式燃烧的灯的效率可以取决于气相发射器。在没有ThI4 的灯中，以点模式操作时(与以扩散模式操作相反)，电极温度减小约150K，这对应于小于 IW的热负载的减小。然而，在包含Th的灯中，该效果为约300K，这对应于1-2W的热负载。 因此，与扩散模式相反，点模式的效率益处低于没有Th的灯中所预期的，包含Th的灯可以 是明显有利的。因此，例如ThI4的少量的添加可以将25W的灯的效率提高约3%。电弧效率η为了能够提出具有高的总流明效率的灯设计，发明人已经研究了对电弧效率有贡 献的因素。下面的参数对电弧效率n有贡献，并可以相应地进行调节以获得更高的效率。放电空间填充物-金属卤化物的量通过提高强烈发光的卤化物、特别是纳和钪的卤化物的总量， 提高电弧效率n。-金属卤化物成分_通过提高强烈发光的卤化物(例如纳和钪的卤化物)的量，与次级卤化物(例如 锌和铟的卤化物)形成对比，提高了电弧效率。最优地，所述金属卤化物成分仅由纳和钪的 卤化物组成。-在具有纳和钪的卤化物的金属卤化物成分中，通过选择卤化纳和卤化钪的质量 比至接近1. 0的最优值来提高电弧效率η。_稀有气体压力通过提高稀有气体(优选地为氙)的压力，提高了电弧效率。热白勺测W":提高“ 7令点”溫鹿-如果放电容器做得较小，则“最冷”点温度被提高，对高效率η有贡献。-因此，放电容器较小的内径导致较高的效率η。-可以由减小的壁厚度实现的减小的外径减少了热辐射，因此提高了“最冷点”温 度和效率η。-通过提供外壳(外灯泡)对放电容器进行绝缘，以获得期望的、低的热转移系数 ；I
-d2_通过在离放电容器更远的距离(12处提供外灯泡，限制了热传递并因此提高了效率。-通过在外壳中提供具有低热导率λ的气体填充物(例如氩，甚至更优选地为 氙)，所述热传递可以进一步减少。因此，通过改变上面给出的参数，可以适当地将电弧效率η调节至期望的值。然而，发明人进行的研究已经揭示出以下令人惊讶的事实尽管各个措施以及其组合对于将效率提高至某个点是有效的，但这仅用于将效率提高至最大值，其中甚至上面 的参数的明显变化也不明显地产生进一步提高的效率。令人惊奇地，发明人在测量中确定 的这个最大值几乎是不变的，并不显著地取决于各个参数，即该最大值nmax将是相同的，而 不管提高效率的参数的组合如何。下表示出，在实验中，效率η如何被提高到最大值，但是后来即使所述参数进一 步明显变化，效率η也不能进一步增大。所述实验从参照灯开始，该参照灯具有内径为 2. 4mm和外径为6. Imm的放电容器(放电空间的容积为21 μ 1)，并具有内径为6. 7mm和外 径为8. 7謹的外壳。金属卤化物由大约103. 2μ g的Nal、77. 2μ g的Scl3、19. 2μ g的ZnI2 和0. 4μ g的InI以及14巴冷压的氙组成。所述外壳充满100毫巴的空气，放电容器和外 灯泡之间的距离为0.3mm。对于每个灯，制造10件并测量最终的效率η。电弧效率η在 45分钟的预烧之后在35W时测量。
权利要求
1.高压气体放电灯，包括-放电容器(20，120)，其为密封的内部放电空间(22)提供至少两个伸到所述放电空间 (22)内的电极，-具有12-20mm3容积的所述放电空间(22)，-包括稀有气体和金属卤化物成分的填充物的所述放电空间(22)，所述填充物基本上没有汞，_其中所述金属卤化物成分至少包括纳和钪的卤化物，并且其中纳和钪的卤化物的质 量比为0. 9-1.5，_所述灯(10)进一步包括在所述放电容器(20，120)周围提供的外壳(18)，所述外壳 (18)被密封并充满压力低于1巴的气体，所述灯(10，110)在25W的电功率在稳态操作中具有等于或大于901m/W的效率。
2.根据权利要求1的放电灯，其中-所述放电容器(10，110)具有2. 0-2. 3mm的最大内径。
3.根据上述权利要求之一的放电灯，其中-所述放电容器(10，110)具有1. 5-1. 75mm的壁厚度。
4.根据上述权利要求之一的放电灯，其中-所述放电空间(22)包括所述放电空间(22)的每μ 1所述容积10-23 μ g的所述金属 卤化物成分。
5.根据权利要求4的放电灯，其中-所述放电空间(22)包括所述放电空间(22)的每μ 1所述容积10. 5-17. 5 μ g的所述 金属卤化物成分。
6.根据上述权利要求之一的放电灯，其中-所述金属卤化物成分至少包括90wt%的纳和钪的卤化物。
7.根据权利要求6的放电灯，其中-所述金属卤化物成分本质上由NaI和ScI3组成。
8.根据权利要求6的放电灯，其中-所述金属卤化物成分本质上由NaI、ScI3和ThI4组成。
9.根据上述权利要求之一的放电灯，其中_所述放电空间(22)中的所述稀有气体是以10-18巴的冷压提供的氙。
10.根据权利要求9的放电灯，其中_所述放电空间(22)中的所述稀有气体是以15-18巴的冷压提供的氙。
11.根据上述权利要求之一的放电灯，其中-所述外壳(18)以距离(d2)布置，并充满填充气体，使得热转移系数J1为7. 0-225W/(m2K)，其中λ是在800°C测量的填充气体的热导率，d2是所述外壳(18)和所述放电容器 (10，110)之间的距离。
12.根据权利要求11的放电灯，其中-所述外壳(18)布置在与所述放电容器(10，110)的距离(d2)为0.2-0. 9mm处。
13.根据权利要求11或12的放电灯，其中-所述外壳(18)充满压力为10-700毫巴的稀有气体。
14.根据权利要求11-13之一的放电灯，其中-所述外壳(18)充满气体，该气体至少包括氙和氩之一。
15.根据上述权利要求之一的放电灯，其中-所述电极(24)是直径为215-275 μ m的杆状电极。
全文摘要
描述了一种具有放电容器20的高压气体放电灯10。电极24伸到容积为12-20mm3的放电空间22中。放电空间具有稀有气体和金属卤化物成分的填充物，其中没有汞。所述金属卤化物成分至少包括纳和钪的卤化物，纳和钪的卤化物的质量比为0.9-1.5。灯10还包括在放电容器20周围提供的外壳18，其被密封并充满压力低于1巴的气体。灯10具有的效率在25W电功率在稳态操作中等于或大于90lm/W。
文档编号H01J61/12GK102007567SQ200980113146
公开日2011年4月6日 申请日期2009年4月7日 优先权日2008年4月14日
发明者M·哈克, U·赫希特菲舍尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司