优化的hid弧管几何结构的制作方法
【专利说明】优化的ΗID弧管几何结构发明领域
[0001]本公开一般涉及优化的高强度放电(HID)弧管几何结构以改进灯色控制和温度分布ο
【背景技术】
[0002]陶瓷金属卤化物(“CMH”)灯是特殊类型的高强度放电(“HID”)灯，以及更具体来说涉及金属卤化物电弧放电灯。这些灯已知为工作在高压力和高温度，并且具有由陶瓷材料所制成的放电管(经常称作“弧管”)。CMH灯的弧管包括稀有气体(例如氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)或者其混合物)、水银或者其备选的一部分(其蒸汽用作缓冲气体)和金属卤盐的混合物(例如Nal (碘化钠)、T1I (碘化铊)、Cal2 (碘化钙)和REIn (其中1?1?表示稀土碘化物))的可电离填充。金属卤盐的这个混合物(有时称作“金属卤化物剂量”)负责灯的高发光效能、优良颜色质量和白色。用于CMH灯的特性稀土碘化物可包括 Dyl3、HoI3、Tml3、Lal3、Cel3、Prl3和 Ndl 3中的一个或多个。
[0003]具有陶瓷弧管的常规HID灯(例如高压钠(HPS)和陶瓷金属卤化物(CMH)灯)具有“盒形”(圆柱)几何结构的弧管设计。这个几何限制基本上归因于早期陶瓷弧管制造技术的限制，例如中心主体管部件的挤出和平坦盘形弧管端部(又称作“插塞”)的挤压。由于圆柱几何结构，常规CMH灯不是工作在跨弧管的整个中心主体部分的准均匀温度分布。具体来说，常规CMH弧管的放电室的一些区域甚至在高温稳态操作条件期间也可比其他区域要凉，并且这些较凉区域形成多个局部“冷点”位置。圆柱形状的CMH弧管设计呈现冷角，其充当局部冷点，特别是在封闭圆柱放电室的插塞表面和圆柱中心主体管的表面的界面部分。CMH灯的放电室中的汽化金属卤盐(例如碘化钠蒸汽)可按照饱和汽相存在，其中熔解金属卤盐的汽相和液相处于热均衡，并且均同时存在。液相之上的均衡蒸汽压力通过液相的温度来控制，液相的温度通常等于“放电室壁的内表面上的最冷点”的温度，因为这个物理点及其周围区域是蒸汽首先冷凝的位置。但是，一旦被冷凝，这个液体冷凝物通过重力来控制，使得它沿向下方向流动。如果冷凝剂量流动到放电室的内表面上的局部更热位置，则它迅速再汽化，并且剂量微滴的这种迅速汽化引起放电等离子体的瞬时蒸汽剂量密度的尖峰。蒸汽剂量密度的这类尖峰又生成灯电特性的电压尖峰，其也可引起光强度的尖峰以及来自灯的发射光的相关突然颜色变化。光强度的这类尖峰和关联的突然颜色变化是不合需要的，并且扰乱高质量照明环境、例如零售位置照明。
[0004]在CMH弧管的两个相对电极彼此进一步背向移动的设计中，它们之间的发光电弧放电变成线路发射器，以及拟相等辐照的表面原来是椭圆，其仍然是“球状体”放电室几何结构的一员。这种概念在过去一直用作用于对QMH放电室进行成形的基础，并且这个相同概念当前用来设计现有技术形状的CMH放电室。
[0005]但是，也必须考虑从热电极尖端到达CMH放电室的内表面的热辐射。来自弧管壁上的电极的这个附加辐照能够局部增加放电室的端部上的一些点的温度，这些端部是弧管的中心主体部分与CMH弧管的延长管状密封部分(又称作“分支”)汇合的界面区域。因此，当CMH灯沿垂直定向进行操作时，来自电极的定域热福射能够再汽化液体金属卤化物剂量(其因重力而沿放电室壁的内部表面向下流动)。如果CMH弧管具有由两个半球所组成(并且其另外还可包括在弧管中心的圆柱段)的“球形”设计，则灯的垂直操作特别成问题，因为潜在局部过热和液体剂量微滴的再汽化可易于在这种CMH弧管的底部主体-分支界面段(“主体-分支过渡部分”)发生。这种情况可发生，因为球形弧管设计的半球端部不是完全适合线路发射器的热辐射场，并且不能适应来自电极的附加定域热通量。因液体剂量移动和再汽化引起的电、光和颜色不稳定性的这种现象引起CMH灯的瞬时颜色不稳定性和增加的颜色可变性，其通常称作“剂量不稳定性”。
[0006]对剂量不稳定性的问题的所提出解决方案涉及通过在电弧室的内部表面上提供环状机械屏障或“结节”以包围电极组合件(在主体-分支过渡部分)，来防止液体金属卤化物剂量向下流动到局部更热表面。如果这种结节的垂直尺寸(高度)足够高以停止或阻挡液体剂量的垂直流动到达靠近电极尖端的弧管的内表面上的过热点，则剂量不稳定性能够显著降低或者完全消除。但是，这种结节在陶瓷弧管主体上造成尖点，并且该结节因电极发热而可成为陶瓷弧管主体的整个端部的最热部分。因此，结节和周围区域可遭受最高机械应力，并且可易于形成陶瓷材料中的裂纹。这些裂纹则能够蔓延到较低应力区域，并且可使弧管在操作期间完全破裂或者甚至裂开。另外，一些金属卤化物剂量混合物可操作以迅速将结节腐蚀到结节无法对灯的整个使用寿命履行其剂量稳定功能。
[0007]剂量不稳定性问题的另一种所提出解决方案涉及在局部过热的主体-分支过渡部分增加弧管材料的发射率，以促进这个区域中的弧管壁的更有效冷却。但是，这种解决方案能够改变或降低壁的材料强度，特别是在热感应应力足够高以使弧管破裂的最关键区域，这再次能够引起降低的灯使用寿命。此外，实际上，局部控制陶瓷材料的发射率是困难的，以及这类CMH弧管的主体-分支界面部分(其也是冷点位置)的过度和无控制冷却可过多降低金属卤盐的均衡蒸汽压力，这能够引起降级的灯性能。
[0008]对于剂量不稳定性的又一所提出解决方案涉及使用弧管中心主体部分与主体-分支界面部分之间的椭圆形过渡区。但是，使用椭圆形过渡区限制主体-分支过渡区以及整体弧管的形状的几何灵活性，并且对陶瓷弧管形成过程的加工增加不必要复杂度。
【发明内容】
[0009]所提出的是用于控制高强度放电(HID)弧管的几何结构以提供改进灯颜色控制和温度分布的设备和方法。在一些实施例中，包含位于电极附近的过渡区的锥形段，以提供漏斗状主体-分支界面部分。主体-分支界面部分成形为使得有利地控制沿放电室壁的内表面的温度分布，使得它单调递减，从而在主体-分支界面产生稳定局部冷点位置。
[0010]在另一方面，所提供的是用于提供具有二段构造的CMH灯的设备和方法，该CMH灯包括具有轴向不对称外部构造的双端略微轴向不对称放电室，其中略微轴向不对称放电室提供适度轴向不对称温度分布。在一些实现中，特定轴向不对称构造几何结构提供适度轴向不对称温度分布，例如以补偿放电管的操作环境的热不对称性，例如单端外护套、轴向不对称反射器外壳或垂直燃烧定向。
【附图说明】
[0011]参照结合附图的以下详细描述，一些实施例的特征和优点及其实现方式将变得显而易见，附图示出示范实施例(不一定按比例绘制)，包括:
图1是常规高强度放电(HID)灯的示意图；
图2是按照本发明的实施例、沿垂直定向的弧管的剖面图，其中重力方向通过箭头所示;
图3A是示出按照本发明的实施例、沿水平定向进行操作时在图2的弧管部件中发生的温度的稳态分析模拟结果的温度示意图；
图3B是示出按照本发明的实施例、沿垂直定向进行操作时在图2的弧管部件中发生的温度的稳态分析模拟结果的温度示意图；
图4示出按照本发明的实施例的CMH弧管的示例；
图5A是在烧结之前沿水平定向嵌入轴向对称放电室的组装常规三段形状HID CMH放电管主体的实施例的示意剖面图；
图5B是烧结之后的图5A的常规三段形状HID CMH放电管主体的示意剖面图；
图6A是按照本发明的实施例、在烧结之前沿水平定向嵌入轴向不对称放电室的组装二段形状HID CMH放电管主体的实施例的示意剖面图；
图6B是按照本发明的实施例、在烧结之后的图6A的二段形状HID CMH放电管主体的示意剖面图；
图7示出按照本发明的实施例、嵌入轴向不对称放电室的35W CMH放电管的详细构造几何结构；
图8示出按照本发明的方面、沿水平和垂直燃烧定向嵌入轴向不对称放电室的70瓦特二段形状CMH放电管的热成像校准计算机建模数据；
图9示出沿水平和垂直燃烧定向嵌入轴向对称放电室的常规70瓦特三段形状HID CMH放电管的热成像校准计算机建模数据；
图10示出按照本发明的实施例、嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管的实现；
图11示出按照本发明的实施例、包含嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管、具有G12基座单端构造的“成品” HID CMH灯的示例；
图12A示出包括沿垂直基座向上(“VBU”)定向的常规三段“盒形”放电管的MR16实施例的HID CMH灯；
图12B示出按照本发明的实施例、包括沿垂直基座向上(“VBU”)定向嵌入轴向不对称放电室的二段形状放电管的MR16实施例的HID CMH灯；以及
图13A至图13D示出按照本发明的实施例、用于通过将特定轴向不对称性引入放电室几何结构中来创建适度轴向不对称温度分布的备选实现选项。
【具体实施方式】
[0012]图1是高强度放电(HID)灯以及更具体来说是陶瓷金属卤化物(CMH)灯100的已知实施例的示意图。一般来说，CMH灯包括由半透明或透明陶瓷材料所制成的弧管101，该弧管通过由例如熔融石英或硬玻璃所制成的透光外包封或外灯泡124来包围。外灯泡124可包封真空或者可填充有惰性气体、例如氮，并且在一端提供有灯头114。弧管101包括陶瓷壁102(具有内表面和外表面)，其包封放电室104。放电室104通常填充有液体剂量，其工作在灯的高温的标准操作条件下。弧管100还包括两个电极110和112，其相对彼此设置，并且扩展到放电室104中。电极110经由电流引入导体116来连接到形成灯头114的部分的第一电触点。电极112经由电流引入导体118(其可称作“框架”)来连接到形成灯头114的部分的第二电触点。在一些实施例中，外灯泡124可具有两个灯头，其中具有第一端的第一灯头和第二端的第二灯头，以及第一电极连接到第一灯头并且第二电极连接到第二灯头。在如图1所示的实施例中，CMH灯100的弧管101还包括突出端插塞120和122(其可称作“分支”)，其设置成分别包封电极110和112的至少部分。在CMH灯100的操作期间，电弧放电在电极110和112的尖端之间