具有高色温的放电灯的制作方法
【专利摘要】一种放电灯，包括放电容器20，该放电容器20限定了具有两个电极24的密封的内部放电空间22。一种填充物，由稀有气体和金属卤化物组分组成，并且没有汞。所述放电容器20包括其中嵌入所述电极24的外部凹槽，该些外部凹槽以它们之间的槽距Ra设置。所述放电容器20进一步包括内径ID。在该灯的工作中，在所述电极之间形成电弧放电，并且所述金属卤化物组分被部分蒸发。在该灯工作后，所述金属卤化物组分在所述放电容器20的内壁上形成薄膜。该薄膜具有以mm2来度量的表面积AS。所述金属卤化物组分在所述放电空间22内被提供以这样的量使得计算为Q=RaxID/AS的匹配系数Q具有2或更大的值，从而实现高色温。
【专利说明】具有局色温的放电灯
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压气体放电灯，该高压气体放电灯具体用于汽车的前照明。
【背景技术】
[0002]放电灯，特别是HID (高强度放电)灯，用于要求高光通量的大范围的应用中。尤其在汽车领域，HID灯被用作车辆头灯。
[0003]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。两个电极伸到该放电空间内，设置成彼此相隔一定距离，从而在它们之间点燃电弧(arc)。该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它成分。
[0004]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与所使用的电功率有关的流明输出。在当今为了汽车的前照明而使用的放电灯中，以35瓦的稳态工作功率实现了约90流明/瓦(lm/W)的效率。
[0005]具有例如在20-30W范围内、特别是25W的更低标称功率的放电灯已经被提出。然而，使用在先的35W设计用于工作在25W下是不充分的，因为如果工作在更低的功率下这些设计显示出急剧降低的效率。为了依然发出充分的光通量来用于汽车的前照明，HID灯需要具有特殊的设计来在降低的工作功率下产生高效率。
[0006]WO 2009/127993 Al描述了一种具有放电容器的高压气体放电灯，其中电极伸到容积为12-20_3的放电空间中。该放电空间具有稀有气体和金属卤化物组分的无汞的填充物。该灯旨在工作在25W电功率下的稳态工作中，光通量对应的效率大于90 lm/W。在优选的示例中，放电空间的形状为圆柱形并且具有2.2mm的内径。该放电容器外部为椭圆形并且具有5.5mm的外径。该放电容器周围提供有填充了降低压力的气体填充物来获得规定的热传递系数的外灯泡。放电容器填充有在15-18巴冷压下的氣。金属齒化物组分包含在该放电空间中，该金属卤化物组分在第一个示例中仅包括NaI和ScI3，并且在另外的示例中还额外地包括Thl4。该金属卤化物的量被提供为15.8吒/耵和10.52吒/耵。
[0007]在当今的放电灯中，越来越需要发出高色温(例如高达5000K)光的灯。因此，用于在降低的功率下有高效率的灯的设计将不得不被重新设计来同样发出所要求的色温的光。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种在降低的功率下允许能量效率工作并具有高色温的灯。
[0009]本发明人已经认识到通过仅仅调整金属卤化物组分(即包含在放电容器中的卤化物类型和相对量)的直接方法来设计用于更高色温的放电灯会与在降低的工作功率、特别是25W下的高效率要求相冲突。
[0010]在研究不同参数对色温的影响中，本发明人作出了令人惊讶的发现，该发现为--关于放电空间的尺寸和形状的提供在放电容器内的卤化物的量的谨慎匹配对色温有决定性的影响。[0011]按照这些发现，本发明提出了一种放电灯，该放电灯按照习惯包括限定具有至少两个伸到其中的电极的密封放电空间的放电容器。该放电空间包括稀有气体(优选为氙)和金属齒化物组分的填充物，该填充物至少基本上没有汞，即完全不包含汞或仅仅包含其不可避免的杂质。
[0012]该放电容器可以按照几何参数来限定，特别是内径ID和槽距RA。内径是电极之间在中央位置中测得的内部放电空间的直径。槽距RA是放电容器纵向两端之间的距离，在电极嵌入到放电容器壁材料(优选为石英玻璃)中处形成的外部凹槽的对应中央测得该槽距RA。该槽距RA因此是对该放电容器纵向延伸的度量。
[0013]对本领域技术人员已知的是，提供在该放电容器内的金属卤化物在灯的稳态工作中至少部分被蒸发。在灯以水平设置工作之后，如果该灯被关闭，金属卤化物再次凝固形成内部放电容器壁上的薄膜，也被称作“盐湖”。这层薄膜通常冷凝在该放电容器壁的“最冷点”的周围，中央地位于电极下方。
[0014]该薄膜的尺寸因此取决于该放电容器的尺寸和形状以及所提供的金属卤化物的量而形成。对该薄膜的尺寸的测量可以是以_2度量的表面积As。该表面积As可以通过在水平取向上工作后直接从下方观察具有重新凝固的薄膜的灯、识别“盐湖”的范围、并测量该表面来度量。
[0015]本发明人已经发现通过用槽距RA与内径ID的乘积除以薄膜的表面积As计算得到的匹配系数Q对有关发射自该灯的光的色温起着令人惊讶的重要作用。
[0016]对于值小于2的匹配系数Q，实现相对较低的色温。对于值大于或等于2的匹配系数Q，实现期望的更高的色温。特别优选的是值大于或等于2.5的匹配系数Q，进一步优选为大于或等于3。尽管对于匹配系数Q的特定值获得的色温的绝对值取决于诸如金属卤化物组分等等之类的其它参数，但是所获得的色温的相对值显示出对匹配系数Q的强烈依赖。对于金属卤化物组分的优选示例，Q=2的匹配系数导致约T=4700的色温，而对于具有相同金属卤化物组分并且同样另外不改变的参数时针对Q=3的匹配系数所获得的色温几乎为 T=4900。
[0017]这种令人惊讶的影响可以通过以下事实来解释:匹配系数Q指示卤化物接触具有不同温度的放电容器的部分的方式。在放电灯在稳态中工作期间，温度轮廓(profile)形成在环绕该放电容器的壁中，并具有中央地在电极之间、电弧放电上方的热点和与它相反的、中央地在电极之间、放电下方的最冷点。由于热量同样从电极耦合到放电容器壁中，因此电极嵌入的放电容器的端部将同样在相当高的温度。因此，产生的温度轮廓将在更低的放电容器壁中在最冷点和电极嵌入的纵向端之间具有显著的温度差异。包含在放电容器内的金属卤化物特别是在未被蒸发时与该更低的放电容器壁相接触。当在它们的不同温度下接触放电容器壁的这些更低区域时卤化物将部分蒸发。因此，取决于盐湖、围绕该盐湖的放电容器壁的形状的延伸以及温度轮廓之间的匹配，金属卤化物的不同部分将在灯的工作中在不同的温度下蒸发，从而导致不同反应种类的形成。结果，色温将显示出对上述因素之间的匹配的一定依赖。正如实验结果已经示出的，匹配系数Q实际上是针对这种匹配的良好度量，并且提供了针对上述因素对色温的影响的模型。
[0018]匹配系数Q因此提供了一种方便的措施用于放电容器的最相关的几何参数与对应的适于设计期望的高色温的灯的金属卤化物填充物的特殊匹配。通过观察作为匹配参数的匹配系数Q，有可能仍然使用金属卤化物最有效的组分，并因此获得高色温而不显著损失效率。因此，根据本发明的具有2或更大的匹配系数Q的灯能够满足高发光效率和高色温的这种冲突的要求。
[0019]尤其优选地，该灯可以被布置成在工作期间在25W稳态电功率下产生至少1800Im的光通量，即效率为72 lm/W或更高。在本文中，所提到的以Im度量的光通量和以lm/W度量的效率总是以老化(burnt-1n)的灯测量的，即在放电灯已经首次启动并按照老化程序工作15h之后测量的。优选地，效率甚至更高，例如78 lm/W或更高。
[0020]在这样的降低的功率下放电灯的效率可以由多个参数所影响来实现期望的值。正如结合下面讨论的优选实施例将变得清楚明白的，存在可以用于获得在25W下期望的高效率灯的若干措施。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，其中提供了具有相对大量的钠和钪的发光卤化物(与包含在该组分中的其它卤化物相对)的特定组分。另外，放电空间内的稀有气体的高压和旨在经由外壳降低热导的措施用于提供更多的流明输出。
[0021]放电容器可以例如具有球形、圆柱形、椭圆形或任何其它形状。优选地，它具有外部的椭圆形状和内部的椭圆形或特别优选的圆柱形状。根据优选的实施例，该放电容器具有15-21 mm3 (或耵)的容积。进一步优选地容积为17-20 mm3。
[0022]该放电容器的几何设计应该根据热的考虑来选择。特别是“最冷点”的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2.0-2.4_。内径应当优选地至少为2.0mm以避免电弧与放电容器壁过于接近。根据优选实施例，放电容器具有2.1-2.3mm的内径(在平面中测得，该平面处于电极之间的中央与其呈正交取向)。
[0023]优选地，放电容器的壁厚度(同样在平面中测得，该平面处于电极之间的中央与其呈正交取向)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，其具有降低的热辐射并因此甚至在较低的电功率下仍保持是热的。
[0024]优选地，内部放电空间具有中央地设置的圆柱形部分。因此，内部的放电容器壁是直的，并具有超过优选为3-5mm的特定长度。与圆柱形部分相邻，形成放电容器的端部，从而引至电极被嵌入的位置。槽距RA可以为例如6-10mm，优选地为7-9mm，最优选地为8 土0.2 mm。已经发现对于具有槽距RA的25%和75%之间，优选为50% 土 10%的长度的中央圆柱形部分形状的放电空间，匹配系数Q尤其良好地适于设计具有期望的色温的灯。
[0025]根据另外的优选实施例，金属卤化物组分的组成至少包括钠(Na)和钪(Sc)的卤化物，优选地为NaI和Scl3。Na和Sc的卤化物的质量比为消化钠的质量)/ (卤化钪的质量)=0.8-1.3，优选地为0.9-1.2。优选地，金属卤化物组分包括除钠和钪的卤化物之外的其它卤化物。特别优选的是另外使用铥和铟的卤化物。然而，这些卤化物基本上不对流明输出作出贡献，从而根据一个优选实施例，金属卤化物组分包括至少60wt%的钪和钠的卤化物，优选地为70wt%或更多，并且最优选地为79 土 5 wt-%。
[0026]特别是为了获得高色温，进一步优选地，金属卤化物组分包括铥的卤化物。优选地，金属卤化物组分包括至少lOwt-%的铥的卤化物，进一步优选地至少15%，最优选地为20+/- 3 wt-%。另外，特别地，在包括许多卤化铥的金属卤化物组分中，对于高色温提供一定量的卤化铟是优选的，例如0.05 - 0.7 wt-%，优选地为0.4 -0.6 wt-%。另外，可选地，一定量(例如1-4 wt-%)的碘化钍可以出现在金属卤化物组分内。[0027]提供在放电空间中的稀有气体优选地为氙。该稀有气体可以以10-18巴(bar)的冷(20°C)填充压力来提供。最优选地，使用12-16巴的相对较高的气压。这样的高压提供高的流明输出，并且同时可以导致相对较高的燃弧电压(burning voItage)。
[0028]正如提供高效率的其它措施，该灯包括提供在放电容器周围的外壳。它可以用于(除了诸如例如阻挡UV辐射之类的用途之外)实现从放电容器到外部的一定的、有限的热流。该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、大体地椭圆形或其它形状。该外壳与外部密封并填充有降低了压力(低于I巴的压力)的气体。该外壳作为隔离以保持放电容器处于相对较高的工作温度，而不管降低的电功率。
[0029]为了降低来自放电容器的热流，该外壳被提供在距离放电容器一定距离处。出于测量的目的，这里讨论的距离是在电极之间的中央位置处截取的灯的横截面中测量的。选择外壳的气体填充物，以及距离和压力，从而获得期望的热传递系数
及 $
T。了的优选值为23.3-75 ff/ (m2K)。优选地，该外壳被设置在距离该放电容器0.2-0.9 d2
mm处。
[0030]根据一个优选实施例,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。气体填充物优选地为稀有气体,最优选地选自氣和II。由于氣的更低的热导率，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。
[0031]本发明另外涉及包含连接到电气电力电源的如上所述的放电灯的照明系统。优选地，该电力电源被布置用于在25W稳态工作功率下(优选地在点燃和初始的运转阶段后)操作放电灯。进一步优选地，该照明系统包含其中可以安装该灯的反射器，以便发射自该灯的光在反射器处被反射以形成产生的光束。该照明系统特别地优选为汽车的前照明系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]本发明的以上和其它目的、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示出根据本发明的一个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3a、3b示出工作后在放电容器中形成的盐湖的图片；
图4示出照明系统的示意表示；
图5示出取决于金属卤化物量的盐湖表面积的曲线图；
图6示出了显示色温对匹配系数Q的相依性的曲线图。
【具体实施方式】
[0033]本发明的优选实施例旨在被用作用于车辆头灯的汽车灯。由于这样的汽车高压气体放电灯本身是已知的，所以下文对优选实施例的描述将主要集中在本发明的特殊特征上。
[0034]图1示出放电灯的第一个实施例10的侧视图。该灯包括具有两个电接触14的基座12，两个电接触14在内部连接至灯头16。[0035]灯头16由石英玻璃的、环绕放电容器20的外壳(在下文中称作外灯泡)18组成。放电容器20同样由石英玻璃制成并限定了具有伸入的杆状电极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钥箔26的电极24的电气连接。
[0036]外灯泡18在它的中央部分处是圆柱形的并以一定距离设置在放电容器20的周围，因此限定了外灯泡空间28。外灯泡空间28被密封。
[0037]如图2中更详细示出的，放电容器20具有在放电空间22周围设置的外壁30。壁30的外部形状为椭圆形。放电空间22包括长度为Lc的中央圆柱形部分34。在生产中，该放电容器形成自圆柱形的石英玻璃管。圆锥形端部32在凹槽形成过程中获得，其中凹槽36以槽距RA形成。电极24被插入端部32中。
[0038]因此，在最终获得的放电容器20中电极24在端部32处嵌入放电容器壁30中。
[0039]环绕放电空间22的壁30的厚度是变化的，该厚度在对应于电极24之间的中央的位置处为最大，并朝着两侧减小。
[0040]放电容器20通过槽距RA、电极距离d、圆柱形长度L。、放电容器20的内径ID、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来表征。这里，ID、W1, d2、W2的值是在放电容器20的中央垂直平面中测量的，如图2a中所
/Jn o
[0041]正如对于汽车的放电灯而言是常规的，在水平取向上通过点燃电极2 4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，该填充物没有汞，并且包括金属齒化物以及稀有气体。
[0042]关于所示的放电灯10的热性能，由于工作期间的水平取向，电极24之间的电弧放电将导致放电容器20的壁30在电弧上方处的热点。同样地，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)。
[0043]为了降低从放电容器20到外部的热传输，以及为了保持良好效力所需的高温，优选地是提供具有降低的热传导的外灯泡18。为了限制来自外部的冷却，外灯泡18被密封并填充有降低的热导率的填充气体。以小于I巴的降低的压力(在20°C下灯的冷态中测得)提供外灯泡填充物。正如将在下文中进一步解释的，应该结合几何设置来选择合适的填充气体，以便实现经由合适的热传递系数、Zd2从放电容器20到外灯泡18的期望的热传导。
[0044]到外部的热传导可以粗略地由热传递系数入Zd2表征，A /d2计算为外灯泡填充物的热导率、(在本文中其总是在800°C的温度下测得)除以放电容器20与外灯泡18之间的距离d2。
[0045]填充气体的不同类型、填充压力的不同值和不同的距离值(12可以被选择以获得期
望的热传递系数。填充压力被降低(低于I巴，优选地低于700毫巴，进一步优选地低于
300毫巴)。特别优选的值为100毫巴的填充压力。然而，在优选的区域中已经发现，热传递系数随压力的变化非常小。
[0046]优选的距离(12的范围是0.2-0.9 mm。填充物可以是根据它的热传导率值入(在800°C下测得)选择的任何合适的气体。例如，热传导率\对于氙为0.120 W/(mK)，氧为0.076 ff/ (mK)，空气为 0.068 ff/ (mK)，氮为 0.066 ff/ (mK)。[0047]为了获得良好的隔离，特别地优选氩(0.045 ff/ (mK))、氙(0.014 ff/ (mK))或其混合物作为填充气体。然而，由于热传递系数当然地取决于距离d2，因此在具有足够高的d2时也可以选择不同的气体填充物。
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[0048]f的优选值范围从7.0 ff/ (m K)(例如通过d2 = 1.95 mm的远距呙、氣填充物实
现)到225 ff/(m2K)(例如通过d2 = 0.2 mm的近距离、気填充物实现)。优选的范围是从23.3 W/(m2K)(例如通过d2 = 0.6 mm、氙填充物实现)到75 W/(m2K)(例如通过d2 = 0.2mm、氩填充物实现)。
[0049]为了能够提出具有全面的高流明效率的灯的设计，若干对高效率作出贡献的因素将作如下调整。
[0050]对于灯的几何设计，应当采用热的测量来提高“最冷点”的温度。如果放电容器做得较小，则“最冷点”的温度被提高，对高效率有贡献。结果，放电容器更小的内径导致更高的效率。因此，提出内径ID优选在2.1-2.3 mm。
[0051]可以通过以降低的壁厚度实现的降低的外径来降低热辐射，因此提高“最冷点”的温度和效率。作为外径，提出4.5-6.5mm。
[0052]另外，通过选择封进的稀有气体(优选为氙)的高压(优选为12-16巴)，效率被进一
步改善。
[0053]其它措施涉及金属卤化物组分。具体地，通过选择卤化钠和卤化钪的质量比使其接近于1.0-1.1的近似最优值可以获得高的电弧效率。
`[0054]针对金属卤化物组分，对于具有相对较高量的碘化钠(NaI)和碘化钪(ScI3)并额外地包含碘化铥(TmI3)和碘化铟(InI)的金属卤化物组分已经发现高效率。
[0055]在放电灯的工作中，放电容器20如图2中所示水平地取向。放电容器壁30的温度将不是不变的，而是显示出规定的温度轮廓。就图2中的更低的壁30而言,最冷点38将中央地形成在电极24之间，而放电容器壁30将在嵌入点39处具有最高的温度，在嵌入点39处电极24嵌入在放电容器20的石英材料内。
[0056]金属卤化物在冷的灯内为固体，在灯10工作期间部分蒸发，该金属卤化物包含在放电空间22内并与更低的放电容器壁30相接触。取决于盐湖的延伸和所接触的更低的放电容器壁30的部分的温度，金属卤化物将在不同温度下蒸发。如果提供有大量金属卤化物，并且盐湖延伸至倾斜的端部32，以及因此更接近嵌入点39，则大量金属卤化物将比那些存在于最冷点38周围的金属卤化物在高得多的温度下蒸发。
[0057]作为将在下文中详细解释的实验已经显示出这对所获得的色温的影响，因为在不同温度下金属卤化物的蒸发将导致形成不同的反应种类。
[0058]下面将根据上文中涉及的观察结果讨论灯的实施例，该实施例旨在用于25W(标称工作功率)的(稳态的)工作功率水平中。关于灯的热特性来选择特定的设计以实现高的灯效力。
[0059]在优选的示例中，放电容器和外灯泡按照如下被提供:
示例HID灯(25W)
放电容器:圆柱形的内部形状
椭圆形的外部形状
【权利要求】
1.一种放电灯，包括 -放电容器(20)，限定具有至少两个电极(24)的密封的内部放电空间(22)，其中所述放电空间(22)包括稀有气体和金属卤化物组分的填充物，所述填充物基本上没有汞， -其中所述放电容器(20)包括其中嵌入所述电极(24)的外部凹槽(36)，并且所述凹槽(36)以它们之间的槽距RA被设置， -所述放电容器(20)包括内径ID， -其中在所述灯的工作中电弧放电形成在所述电极(24)之间并且所述金属卤化物组分至少部分蒸发，使得在该灯工作后该金属卤化物组分在所述放电容器(20)的内壁上形成薄膜，所述薄膜具有以mm2度量的表面积As， -并且其中所述金属卤化物组分在所述放电空间(22)内被提供有这样的量，使得计算 ^ RA-1D为Q = 二^的匹配系数Q具有2或更大的值。
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2.根据权利要求1的放电灯，其中 -所述灯被布置以在25W电功率下的工作期间产生至少1800 Im的光通量。
3.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述匹配系数Q具有2.5或更 大的值，优选为3或更大。
4.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述内部放电空间(22)包括在所述电极之间中央部分中的圆柱形部分(34)。
5.根据权利要求4的放电灯，其中 -所述圆柱形部分(34)具有3-5 mm的长度(L。)。
6.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述放电空间(22)具有15-21 mm3的容积，优选为17-20 mm3。
7.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述放电容器(20)具有2.0-2.4 mm的内径ID，优选为2.1-2.3 mm。
8.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述金属卤化物组分至少包括钠和钪的卤化物，其中钠和钪的卤化物的质量比为0.8-1.3，优选为 0.9-1.2。
9.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述金属卤化物组分包括至少10 wt-%的卤化钱。
10.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述金属卤化物组分包括0.05 - 0.7 Wt-%的卤化铟。
11.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述金属卤化物组分至少包括钠、钪、铥和铟的卤化物。
12.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -在所述放电空间中的所述稀有气体是氙，在10-18巴的冷压下提供，优选为12-16巴。
13.根据上述权利要求之一的放电灯，其中 -所述灯进一步包括提供在所述放电容器周围的外壳，所述外壳被密封并且填充有低于I巴压力的气体。
14.根据权利要求13的放电灯，其中-所述外壳被设置在距离所述放电容器一定距离(d2)处并且填充有填充气体，使得热传递系数Y为23.3 - 75 W/(m2K)，其中\是该填充气体在800°C下测得的热导率，并且d2是所述外壳和所述放电容器之间的距离。
15.一种照明系统，至少包括 -根据上述权利要求之一的放电灯(10)， -其中所述放电灯连接到电`气电力电源(40 )。
【文档编号】H01J61/34GK103493175SQ201280020258
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年4月19日 优先权日:2011年4月27日
【发明者】M.哈亚克, B.普罗科施 申请人:皇家飞利浦有限公司