專利名稱：高壓放電燈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高壓放電燈。
高壓放電燈在照明零售應用、街道照明、城市美化、射束器和投影電視中已經(jīng)充當主要角色。目前已經(jīng)可以為擴展應用范圍創(chuàng)造了正面條件。市場上的終端用戶對光的均勻質(zhì)量越來越感興趣，并且將優(yōu)選使用高壓放電燈來代替用于重點照明的鹵素燈，這是因為高壓放電燈具有更高的發(fā)光效力。
一般情況下，開篇所述類型的高壓放電燈具有帶有耐高溫陶瓷壁的放電容器或者具有石英玻璃放電容器。這種高壓放電燈在實踐中被廣泛地使用，并且結合了高發(fā)光效力與良好的顏色屬性。燈的放電容器含有一種或幾種金屬鹵化物(其中具有Hg或者沒有Hg)，并且填充有用作啟動氣體的稀有氣體。
一般來說，放電容器的填充物含有一種或多種金屬碘化物，例如選自堿性族或稀土族，如果需要的話，可以與Tl、Cs、Na、Ca等進行組合，利用這些金屬碘化物可以實現(xiàn)用于普通演色指數(shù)CRI和色溫Tc的所希望的值。本說明書和權利要求書中的稀土金屬應該理解為元素Sc、Y和鑭系元素。
本說明書和權利要求書中的放電容器的陶瓷壁應該理解為由以下材料制成的壁單晶金屬氧化物(例如藍寶石)、半透明致密燒結多晶金屬氧化物(例如Al2O3、YAG)和半透明致密燒結多晶金屬氮化物(例如AlN)。
開篇所述類型的高壓放電燈可從專利US-A 2,951,171中獲知。該已知的高壓放電燈包括半透明外殼、惰性氣體填充物和在外殼內(nèi)軸向?qū)实亻g隔開的一對導電電極。這些電極各具有圓錐形凹槽(depression)和軸向圓柱形凹口(recess)，凹口中填充了具有高電子發(fā)射能力的材料。所述電極設有螺旋線圈形金屬線，該金屬線與凹口的壁接觸。該已知高壓放電燈的缺點是較難制造放電燈中的電極。
本發(fā)明的目的是完全或部分地消除上述缺陷。根據(jù)本發(fā)明，用于該目的的開篇所述類型的高壓放電燈包括一個封閉放電空間的放電容器，所述放電空間中含有可電離填充物；該放電容器具有第一和第二相互對置的頸形部分，并且在放電空間中設有一對電極；每個電極在其整個長度上是管狀的。
利用在整個長度上是管狀的電極，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)有利地改進了放電燈的啟動操作。根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的啟動開始于管狀電極的尖端處的點火。已知放電燈導致在電極上的某處啟動電弧，該電弧自身通常附著到遠離電極尖端的那部分電極上。隨著已知放電燈的溫度升高，該電孤逐漸向電極尖端移動。這個移動導致電極的不希望的濺射，并且減少了已知放電燈的流明維持率和/或使用壽命。
在根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈中，電弧在點火之后在管狀電極中孔向孔地延伸。這樣減少了濺射，并且使輝光向電弧的過渡效應最小化。不希望限制于任何特定理論，根據(jù)本發(fā)明的管狀電極中的孔用做陰極。此外，管狀電極中的孔的尺寸決定陰極功能，并且管狀電極的壁厚決定根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的陽極功能。
優(yōu)選地，管狀電極由鎢制成。原則上，對于根據(jù)本發(fā)明的放電燈的良好性能，不需要任何添加劑，比如Y、Rh、Dy或Ce。可以令人滿意地控制具有尤其由鎢制成的管狀電極的放電燈的溫度。此外，具有純鎢管狀電極的放電燈的工作溫度比已知放電燈的工作溫度大致低100度(攝氏度)。由于不再需要給鎢電極添加相對昂貴的添加劑并且不再需要線圈，因此根據(jù)本發(fā)明的放電燈大大降低了成本。優(yōu)選地，管狀電極通過對鎢進行擠壓和燒結而制成。
在已知高壓放電燈中，電極的制造相對比較困難，因為難以控制線圈和電極之間的熱接觸。此外，難以控制線圈相對于電極尖端的位置。特別是，線圈的線端影響電極的性能，并且如果它們從電極突出，則電弧將附著于突起上，并且由于達到了高溫而使線圈線回熔。此外，在已知放電燈的使用壽命期間，線圈可能將自身熔化到電極上，由此使電極性能向不希望的溫度區(qū)域偏移，并使已知放電燈產(chǎn)生故障或使其性能明顯退化。為此，根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的有利實施例的特征在于，放電空間中沒有線圈。
根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個優(yōu)選實施例的特征在于，電極延伸到放電容器外部。這有利于制造根據(jù)本發(fā)明的放電燈。優(yōu)選地，用焊接在朝向遠離放電空間的電極一側(cè)上的棒(rod)部分地填充電極。這個固體棒實現(xiàn)電連接并調(diào)節(jié)電極的溫度分布。優(yōu)選地，該棒延伸到放電空間中。從電極伸出并到達放電空間內(nèi)的固體棒的優(yōu)點是給定相同的電極外徑，對于較重的電極形成較輕的尖端，點火將仍然從管狀電極的尖端開始，因為啟動時該處的熱損失將是最低的，并且電弧將向所擠壓出的棒的尖端移動，從而防止電弧回到(back-arcing)不希望的位置上。
根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈中的電極的新設計導致用于放電燈以及電極的形狀的新設計參數(shù)。相應地，根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個優(yōu)選實施例的特征在于，電極的內(nèi)徑din和外徑dout之間的比例在以下范圍內(nèi)0.2≤dindout≤0.8]]>壁或孔必須充當陰極。舉例來說，直徑為1000μm且內(nèi)徑為350μm的管狀電極具有350μm的合適的壁厚。如果內(nèi)徑為100μm，則壁厚將為450μm。如果內(nèi)徑為800μm，則壁厚為100μm。
樣品管狀電極已經(jīng)制成并且在250W陶瓷放電金屬鹵化物燈(即所謂的CDM燈)中進行試驗。實驗表明，設有根據(jù)本發(fā)明的管狀電極的高壓放電燈按照希望的那樣執(zhí)行操作。特別是，所有放電燈都在電極尖端點火。此外，再點火尖峰(re-ignition spike)很低，并且點火和后續(xù)點燃(take-over)很平滑地進行。此外，根據(jù)本發(fā)明的具有管狀電極的高壓放電燈在穩(wěn)態(tài)條件下(即在1.3A的相對低電流下而不是在普通的2.5A的電流下)操作。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該高壓放電燈在這種條件下可以良好地進行操作。通過觀察燃燒中的放電燈得出以下結論在陽極階段，電弧在電極尖端上，而在陰極階段，電弧向壁的內(nèi)側(cè)移動。
從下面參照所述實施例的說明將使本發(fā)明的這些和其它方案更明顯。
附圖中

圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個實施例；
圖1B表示圖1A中所示的高壓放電燈的細節(jié)；和圖2表示根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個替換實施例。
附圖只是示意性的，并不是按照比例繪制的。特別地，為了清楚起見放大了一些尺寸。附圖中的類似部件盡可能地用相同的附圖標記表示。
圖1A非常示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈燈的放電容器10被切開的視圖。放電容器10具有封閉放電空間11的陶瓷壁。放電空間11含有可電離填充物，其在所示情況下不僅含有Hg，而且還含有Na、Ca和Tl。放電容器10設有第一頸形部分2和第二頸形部分3，第一電流提供導體4和第二電流提供導體5分別經(jīng)過這些頸形部分延伸到設置在放電空間11中的一對電極6、7。每個電極6和7由鎢(W)構成并且在其整個長度上是管狀的。放電容器的結構本身是已知的。
在圖1A的例子中，放電容器在一端被具有燈座2的外罩1包圍。當高壓放電燈處于工作狀態(tài)下時，在電極6和7之間存在放電。電極6經(jīng)過導體8連接到形成燈座2的一部分的第一電接觸上。電極7經(jīng)過導體9連接到形成燈座2的一部分的第二電接觸上。在圖1A的例子中，電極在放電空間中沒有線圈。這具有的優(yōu)點是電極的制造相對簡單。此外，不會有線圈在已知放電燈的使用壽命期間熔化到電極上的可能，從而不會將電極性能偏移到不希望的溫度區(qū)域中并且不會使得已知放電燈出現(xiàn)(早期)故障或者使其性能大大下降。
在附圖所示的根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個實際實施例中，燈的標稱功率為70W，燈的標稱燈電壓為90V。放電容器的半透明壁的厚度大約為0.8mm。放電容器的內(nèi)徑大約為6.85mm，電極尖端之間的距離大約為7mm。在圖1的例子中，燈的可電離填充物含有4.6mg的Hg、7mg(Na+Tl+Ca)碘化物，其中所述碘化物具有占碘化物的總摩爾量的64mole％Na、5mole％Tl和31mole％Ca的摩爾百分比成分。放電容器還含有作為起動增強劑的Ar，并且其填充壓強為300mbar。在燈工作期間，Tkp為1265K。該燈以90lm/W的發(fā)光效力發(fā)光100小時。所發(fā)射的光的色溫Tc為3150K。一般演色指數(shù)Ra近似為90。
圖1B示意性地表示如在圖1A中所示的高壓放電燈的細節(jié)的剖面圖。其中只示出了第二頸形部分3，第二電流提供導體5經(jīng)過該第二頸形部分延伸到設置在放電空間11中的管狀電極7。優(yōu)選地，電流提供導體5由鈮構成。在電流提供導體5和管狀電極7之間，提供一個鉬或金屬陶瓷的棒15。頸形部分3以一定的間隙緊密地包圍管狀電極5和Mo棒15。熔融陶瓷接頭21被設置在電流提供導體5、Mo棒15和頸形部分3的壁之間，由此提供對放電容器10中的放電空間13的氣密密封。
圖2示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個替換實施例。其中只示出了第二頸形部分3。在根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的本實施例中，電極7延伸到放電容器10的外部。此外，電極7部分地被棒11填充，在圖2的實施例中，棒11焊接到電極7朝向遠離放電空間13的一側(cè)上。固體棒11優(yōu)選地由Mo、W或Rh構成。鉬是非常合適的材料，因為它很便宜并且對于放電容器中的碘化物蒸氣具有優(yōu)異的抗性。
在根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個替換實施例(圖2中未示出)中，棒11延伸到放電空間13中。在另一替換實施例(圖2中未示出)中，放電空間13中的棒11從管狀電極7突出。
根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈中的電極的新穎設計導致用于放電燈以及電極的形狀的新設計參數(shù)。在圖1B和2中，還示出了管狀電極7的內(nèi)徑din和外徑dout。此外，圖1B和2中還示出了頸形部分3的內(nèi)徑dnsp。優(yōu)選地，電極6和7的內(nèi)徑din和外徑dout之間的比例在如下范圍內(nèi)0.2≤dindout≤0.8]]>優(yōu)選地，管狀電極6和7的內(nèi)徑至少為20μm。對于內(nèi)徑的一個不同的有利下限為50μm。
由于沒有線圈附著到管狀電極7上，因此現(xiàn)在頸形部分3、4的直徑可以比已知高壓放電燈的小得多。在電極的各部分(不僅包括由鎢構成的部分，而且包括由鉬構成的部分)與燃燒器(還稱為“vup”)的頸形部分的內(nèi)壁之間必須存在間隙。這個間隙由熱膨脹系數(shù)和技術容限來決定。由于所述棒和線圈必須穿過頸形部分3、4，因此頸形部分3、4的內(nèi)徑比所需尺寸大，并且通常大部分被鉬饋通引線(feed-through)填充。這樣做的優(yōu)點是如果頸形部分中的孔可以做成比已知放電燈中的孔小得多，則可以大大減少用鹽填充的體積。優(yōu)選地，管狀電極6、7的外徑dout與頸形部分3、4的內(nèi)徑dnsp的比例在如下范圍內(nèi)0.8≤doutdnsp≤0.95]]>較小的頸形部分3、4的優(yōu)點是在高壓放電燈中可以使用較少量的鹽。特別是，可以有利地實現(xiàn)放電容器10中的鹽含量的高達80％的減少。
根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈的一個優(yōu)選實施例的特征在于高壓放電燈的電流Imhl和電極6、7的外徑dout的比例在如下范圍內(nèi)2≤Imhld2out-din2≤6]]>在上述公式中，電流用安培表示，直徑用毫米表示。不希望限制于任何特定的理論，假設控制電極尖端的溫度的陽極階段的功率Panode由下式確定Panode＝I×[Vanode+功函數(shù)](例如對于鎢的情況為4.5eV)。已知電極棒的尺寸由陽極階段的功率控制。電極尖端的溫度可以在假設相同電流密度、采取3200K的上限和2200K的下限的情況下來計算。利用這種方式，對于高壓放電燈的電流Imhl和電極6、7的外徑dout之間的比例獲得上述關系式。
以250W的高壓放電燈為例，管狀電極的合適外徑dout大約為680μm。管狀電極的合適壁厚大約為140μm。頸形部分3、4的合適內(nèi)徑dnsp應該在大約830-880μm的范圍內(nèi)。具有相同瓦數(shù)的已知的250W高壓放電燈的常規(guī)棒狀電極應該具有大約800μm的直徑。線厚度為250μm的線圈通常纏繞在棒的周圍，則棒和線圈的總直徑為1300μm。這通常需要大約1500μm的頸形部分的內(nèi)徑dnsp。與已知放電燈相比，根據(jù)本發(fā)明的放電燈的鹽的減少在50-70％的范圍內(nèi)。
70W的高壓放電燈的另一例子具有大約為415μm的管狀電極的合適外徑dout。管狀電極的合適壁厚大約為85μm。頸形部分3、4的合適內(nèi)徑dnsp應該為大約550μm。具有相同瓦數(shù)的已知的70W高壓放電燈的常規(guī)棒狀電極應該具有大約300μm的直徑。線厚度為170μm的線圈通常纏繞在棒的周圍，則棒和線圈的總直徑為650μm。這通常需要大約775μm的頸形部分的內(nèi)徑dnsp。與已知放電燈相比，根據(jù)本發(fā)明的放電燈的鹽的減少在30-50％的范圍內(nèi)。
35W的高壓放電燈的又一例子具有大約為300μm的管狀電極的合適外徑dout。管狀電極的合適壁厚大約為60μm。頸形部分3、4的合適內(nèi)徑dnsp應該為大約435μm。具有相同瓦數(shù)的已知的35W高壓放電燈的常規(guī)棒狀電極應該具有大約200μm的直徑。線厚度為125μm的線圈通常纏繞在棒的周圍，則棒和線圈的總直徑為450μm。這通常需要大約585μm的頸形部分的內(nèi)徑dnsp。與已知放電燈相比，根據(jù)本發(fā)明的放電燈的鹽的減少在30-50％的范圍內(nèi)。
一般來說，實際上所有已知高壓放電燈都具有帶有纏繞在其上的鎢線圈的鎢棒的典型形式的電極。線圈被焊接或者夾持在棒上。線圈對起動性能和穩(wěn)態(tài)下的陰極階段(再點火尖峰)具有很大的影響。線圈通過提供一個點(spot)而增強點火以及后續(xù)點燃，電弧很容易將其自身附著于該點上。確信這種增強是由于三個因素造成的。在點火時，形變(deformity)使電場產(chǎn)生畸變，這有利于與壁上的電荷組合起來進行點火。其次，線圈由于低質(zhì)量和較低導熱率(從線圈到棒的接觸是點與線的接觸，即具有高耐熱性)而比棒更快地達到高溫。第三，電弧容易附著于線圈的兩匝之間。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了已有的棒+線圈結構的大量缺陷。一個困難之處在于如何制造可再生產(chǎn)的電極，因為線圈和棒之間的熱接觸以及線圈相對于棒尖端的位置是難以控制的變量。此外，線圈的線端影響電極性能，并且如果它們是從棒突出出來的，則電弧將附著在所述線端，并且線圈的線將由于達到高溫而回熔。在使用壽命期間，線圈可能將其自己熔融到棒上，使電極性能向不希望的溫度區(qū)域偏移，這將引起燈故障或者使其性能明顯下降。
根據(jù)本發(fā)明，使用由鎢制成的管狀電極。管中的孔起到陰極的作用，因此在原理上，這是由一個部件構成的電極，其中孔的尺寸決定陰極功能，而每毫米的鎢量決定陽極功能。在這種高壓放電燈的啟動過程中還發(fā)現(xiàn)了一個附加優(yōu)點，這是由于現(xiàn)在將從一個電極的尖端向相鄰電極的尖端進行點火。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電弧使其本身附著于管狀電極的孔上，而不是附著于電極上的別的地方。通過這種方式，在點火(run-up)期間電弧附著點不移動，而只是向頂部提供功率，正如實際所希望的那樣。在根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈中，大大減少了濺射，并且使輝光向電弧的過渡最小化，這對根據(jù)本發(fā)明的放電燈的使用壽命和維持率具有有利的影響。
應該注意的是，上述實施例只是示意性的，而并不限制本發(fā)明，本領域技術人員在不脫離所附權利要求書的范圍的情況下很容易設計很多替換方式。在權利要求書中，放在括號中的任何附圖標記都不應該構成對權利要求的限制。使用動詞“包括”及其變化形式不排除存在權利要求中所述以外的元件或步驟。元件前面的冠詞“一個”不排除存在多個這樣的元件。本發(fā)明可以通過包括幾個不同元件的硬件和通過適當編程的計算機來實施。在列舉幾個裝置的設備權利要求中，這些裝置中的幾個裝置可以通過一個相同的硬件項目來實施。在相互不同的從屬權利要求中引用某些裝置的事實不表示不能有利地使用這些裝置的組合。
權利要求
1.一種高壓放電燈，包括一個封閉放電空間(11)的放電容器(10)，所述放電空間(11)含有可電離填充物；該放電容器(10)具有第一(2)和第二(3)相互對置的頸形部分，并且在放電空間(13)中設有一對電極(6、7)；每個電極(6、7)在其整個長度上是管狀的。
2.根據(jù)權利要求1的高壓放電燈，其特征在于，所述電極(6、7)在放電空間(13)中沒有線圈。
3.根據(jù)權利要求1或2的高壓放電燈，其特征在于，所述電極(6、7)延伸到放電容器(10)的外部。
4.根據(jù)權利要求3的高壓放電燈，其特征在于，所述電極(6、7)各自部分地用一個棒(11)填充，所述棒(11)被焊接到電極(6、7)的朝向遠離放電空間(13)的一側(cè)上。
5.根據(jù)權利要求4的高壓放電燈，其特征在于，所述棒(11)延伸到放電空間(13)內(nèi)。
6.根據(jù)權利要求1或2的高壓放電燈，其特征在于，所述電極(6、7)的內(nèi)徑din和外徑dout之間的比值在如下范圍內(nèi)0.2≤dindout≤0.8]]>
7.根據(jù)權利要求1或2的高壓放電燈，其特征在于，所述管狀電極(6、7)的內(nèi)徑至少為20μm。
8.根據(jù)權利要求2的高壓放電燈，其特征在于，所述管狀電極(6、7)的外徑dout與所述頸形部分(2、3)的內(nèi)徑dnsp之間的比值在如下范圍內(nèi)0.8≤doutdnsp≤0.95]]>
9.根據(jù)權利要求1或2的高壓放電燈，其特征在于，所述電極(6、7)由鎢制成。
10.根據(jù)權利要求1或2的高壓放電燈，其特征在于，所述高壓放電燈的電流Imhl與電極(6、7)的外徑dout之間的比值在如下范圍內(nèi)2≤Imhld2out-d2in≤6,]]>其中電流用安培表示，直徑用毫米表示。
全文摘要
一種高壓放電燈具有封閉放電空間(11)的放電容器(10)，所述放電空間(11)含有可電離填充物。該放電容器具有第一(2)和第二(3)相互對置的頸形部分，并且在放電空間(13)中設有一對電極(6、7)。每個電極(6、7)在其整個長度上是管狀的。優(yōu)選地，所述電極在放電空間中沒有線圈。優(yōu)選地，所述電極延伸到放電容器的外部。根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈相對容易制造。
文檔編號H01J61/82GK1836309SQ200480022948
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月3日 優(yōu)先權日2003年8月11日
發(fā)明者H·A·凡埃斯弗爾德, V·M·費希爾, J·W·J·斯庫納 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司