專利名稱：帶有改進的放電容器的放電燈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高壓氣體放電燈，該高壓氣體放電燈特別地用于汽車前照明。
背景技術：
放電燈，具體而言HID(高強度放電)燈，用于需要高光強度的大范圍的應用。特 別是在汽車領域中，HID燈用作車輛前照燈。放電燈包括密封的放電容器，其可例如由石英玻璃制成，具有內部放電空間。兩個 電極突伸到放電空間內，布置成彼此成一定距離，以點燃它們之間的電弧。放電空間具有填 充物，填充物包括稀有氣體和諸如金屬鹵化物的另外成份。當前，重要方面是能量效率。放電燈的效率可作為相對于所用電功率的流明輸出 進行測量。在目前用于汽車前照明的放電燈中，以35瓦的穩(wěn)態(tài)運行功率來實現每瓦大約90 流明(lm/W)的效率。在用于汽車應用的已知放電燈制造期間，常規(guī)地，使用燈泡成形過程以獲得至少 具有外部橢圓體形狀的放電容器。US-A_45945^公開了一種氣體放電燈，其具有可電離填充物，該可電離填充物為 稀有氣體、汞和金屬碘化物。燈殼體由石英玻璃制成且具有細長放電空間，電極突伸到該細 長放電空間中。燈的放電空間為圓柱形。在圖示實例中，內徑是2. 5mm且電極之間的距離 是4. 5mm。燈殼體具有比較厚的壁以獲得均勻溫度分布。所描述的燈具有氬氣和Img摩爾 比為94. 5 4.4 1.1的碘化鈉、碘化鈧和碘化釷所形成的填充物，且運行時以35W的功 率獲得2500 Im的光通量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種燈，其可容易地制造且很好地適合于在減小的功率運 行。這個目的通過根據權利要求1所述的高壓氣體放電燈和根據權利要求12所述的 制造這種燈的方法實現。從屬權利要求是指本發(fā)明的優(yōu)選實施例。根據本發(fā)明，提供一種放電燈，其具有提供內部放電空間的放電容器，該放電容器 由放電容器壁包圍，放電容器壁由石英材料制成。常規(guī)地，存在突伸到放電空間內的至少兩 個電極。根據本發(fā)明，放電容器壁至少在這些電極之間的區(qū)域中在外部和內部均呈圓柱形 狀。帶有圓柱形石英放電容器的相應燈的制造可從石英材料的圓柱形管開始。在管上 形成兩個凹槽，在凹槽之間限定放電空間。電極插入于管內以突伸到放電空間內。放電容 器被填充并通過在兩端加熱并夾箍而最終密封。在不對放電容器壁的形狀做出進一步修改的情況下執(zhí)行上述制造過程。具體而 言，并不存在燈泡成形步驟，在所述燈泡成形步驟中在各凹槽之間的管部分被加熱到軟化 溫度，然后諸如通過吹制而進一步成形。替代地，放電容器壁(至少在電極各末端之間的部分)在內部和外部均保持圓柱形狀。放電空間優(yōu)選地具有12至20 mm3的體積，更優(yōu)選地是14-18 mm3的體積，該放電 空間填充有填充物，填充物至少包括稀有氣體(優(yōu)選地是，氙氣)和金屬鹵化物組合物。根 據本發(fā)明，填充物至少基本上無汞，即，完全沒有汞或者僅具有不可避免的汞雜質。在權利要求1中限定的根據本發(fā)明的燈具有金屬鹵化物組合物，謹慎地選擇這種 金屬鹵化物組合物以實現高流明輸出。組合物至少包括鹵化鈉(Na)和鹵化抗(&)，優(yōu)選地 是妝1和&13。鹵化鈉與鹵化鈧的質量比為(鹵化鈉的質量)/(鹵化鈧的質量)=0. 9-1. 5， 優(yōu)選地是1. 0-1. 35。因此，根據在權利要求1和權利要求12中所限定的本發(fā)明，石英材料的放電容器 壁被提供為圓柱形狀。相應的放電容器的制造被證明比使用燈泡成形的現有方法更簡單。 而且，圓柱形狀具有有利的光學性質先前已知的放電容器壁通常為橢圓體，其導致光學畸 變(放大)效應，而所提出的圓柱形放電容器不會在軸向產生這種畸變。在電極之間的電 弧在外部不會在光學上表現為長于其實際的情況?？紤]到汽車燈的規(guī)范較窄地限定了可見 (光學)弧長(通常平均為4. 2mm，且限定了可容許的公差)，且在電弧端部處的強發(fā)光部分 尤為重要，根據本發(fā)明的燈是特別有利的，其允許在電極各末端之間具有更大的實際距離， 而仍滿足給定的設計規(guī)范。較大電極距離繼而具有有利電性質、光學性質和熱性質電弧電 壓將更高，使得以較低電流實現例如25W的額定功率。較大距離允許從電弧到周圍放電容 器壁材料的更好的熱轉變，從而導致由于迅速加熱所致的優(yōu)秀的運作(rim-up)特性。特別 是在放電容器幾何形狀被選擇成獲得窄放電空間(小內徑)的情況下，獲得變直的電弧，其 有利地用于投射。因此，根據本發(fā)明的燈可容易地制造且很好地適合于以降低的額定功率運行(例 如，15-30W)，特別是用于汽車前照明。由于其中金屬鹵化物組合物和適當選擇的鹵化物的質量比，因此根據本發(fā)明的燈 還具有以減小的功率(15-30W)運行的高效率。應當認識到，對于給定燈設計(幾何形狀、 填充物等)而言，燈效率，即，相對于輸入電運行功率而言所實現的總流明輸出，在很大程 度上取決于運行功率。本發(fā)明人已經認識到，以較低額定功率簡單運行現有燈設計將導致大幅降低的效 率。舉例而言，以35W運行的燈具有大約90 lm/ff的效率，而該燈以25W運行時僅具有大約 62 lm/W的效率。因此根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種燈設計，其旨在獲得以減小的額 定功率(即25W)運行的高效率。根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所提出的燈具有以25W電功率穩(wěn)態(tài)運行的等于或大 于85 lm/W的效率。在本發(fā)明上下文中，所指的以lm/W進行測量的效率總是對已預燒 (burnt-in)的燈進行測量，即，根據預燒順序，在放電燈首次起動且運行45分鐘之后進行 測量。優(yōu)選地，在25W的效率甚至為881m/W或更高，最優(yōu)選地是951m/W或更高。結合下文所討論的優(yōu)選實施例而將變得顯而易見的是，存在可用于獲得高效率燈 的若干措施，使得甚至在優(yōu)選地為25W的低運行功率情況下來實現上述效率值。這些措施 一方面涉及放電容器本身，其中較小內徑和薄壁幫助實現高效率。另一方面，此涉及放電空 間內的填充，其中提供較大量的鹵化物，特別是提供大量的發(fā)光的鹵化鈉和鹵化鈧(相對 于其它鹵化物，諸如鹵化鋅(Zn)和鹵化銦(In))。另外，在放電空間內的稀有氣體的高壓和涉及降低經由外部封殼所進行的熱傳導的措施用來提供更多的流明輸出。在下文中，將討論放電容器的若干幾何參數(壁厚，內徑/外徑等)，其中這些參數 中的每一個在各電極之間的中央平面中進行測量，該中央平面與電極成正交方位。放電容器的幾何設計應根據熱考慮來選擇?！白罾潼c”溫度應保持較高以實現高效 率。一般而言，放電容器的內徑應選擇為相對較小，例如1.9-2. 1 mm。1.7mm的最小內徑是 優(yōu)選的以避免電弧過于靠近放電容器壁。根據優(yōu)選實施例，放電容器具有2. 4 mm的最大內 徑。放電容器的壁厚可優(yōu)選地被選擇為1. 0-1. 5mm，從而提供相對較小的放電容器，其 具有減小的熱輻射且因此甚至在較低電功率保持較熱。關于放電空間的填充物，金屬鹵化物組合物可優(yōu)選地以6_19μβ/μ1的放電空間體 積濃度提供。但是，為了實現高流明輸出，優(yōu)選地使用至少9μβ/μ1的濃度。根據另一優(yōu)選 實施例，金屬鹵化物濃度為9-12. 5μδ/μ1以實現高流明輸出和良好的流明維持性。一般而言，金屬鹵化物組合物可包括除了鹵化鈉和鹵化鈧之外的其它鹵化物。通 ?？梢粤硗馐褂名u化鋅和鹵化銦。但是，這些鹵化物基本上不會有助于流明輸出，因此根據 優(yōu)選實施例，金屬鹵化物組合物至少包括90wt%的鹵化鈧和鹵化鈉。另外優(yōu)選地，金屬鹵 化物組合物甚至包括超過95%的鹵化鈉和鹵化鈧。在特別優(yōu)選的實施例中，金屬鹵化物組 合物完全由NaI和^I3組成且并不包括另外的鹵化物。在替代實施例中，金屬鹵化物組合 物由Nal、^I3和少量額外鹵化釷(優(yōu)選地是ThI4)組成。鹵化釷用于降低電極的功函數 (work function)。提供于放電空間中的稀有氣體優(yōu)選地為氙氣。稀有氣體可在10-18巴的冷(20°C ) 填充壓力下提供。最優(yōu)選地且特別優(yōu)選地，關于基本上不包括鹵化鋅和鹵化銦的鹵化物組 合物，優(yōu)選地使用10-20巴、更優(yōu)選的13-17巴的相對較高的氣體壓力。盡管金屬鹵化物組 合物僅由NaI和^I3以及(可選的)ThI4組成，這種高壓力也提供高流明輸出且同時可導 致相對較高的燃弧電壓，燃弧電壓可在40-55V的范圍。作為提供高效率的另一措施，該燈包括外部封殼，外部封殼圍繞放電容器提供。外 部封殼優(yōu)選地也由石英玻璃制成。封殼被密封到外部且被填充氣體，氣體可以以大氣壓或 減小的壓力(低于1巴的壓力)提供。盡管是在減小的電功率的情況下，外部封殼用作隔 熱來保持放電容器在相對較高的運行溫度。外部封殼可為任何幾何形狀，例如，圓柱形、大體上橢圓形或其它形狀。優(yōu)選地，外 部封殼具有至多IOmm的外徑。為了減小從放電容器的熱流動，外部封殼提供于距放電容器特定距離處。出于測 量目的，本文所討論的距離以在電極之間的中央位置處所取得的燈的截面進行測量。選擇 外部封殼的氣體填充物以及距離和壓力，使得實現所需的熱轉變系數λ/(12。λ/(12的優(yōu)選 值為6. (m2K)，進一步優(yōu)選為34-113 ff/(m2K)。優(yōu)選地，外部封殼布置于距放電容器 0.3至2. 15mm距離處，優(yōu)選地是0. 6_2mm距離處。根據優(yōu)選實施例，外部封殼的氣體填充物為10-700毫巴的壓力。氣體填充物優(yōu)選 地為氬氣、氙氣或空氣中的至少一種或者其混合物。在優(yōu)選實施例中，電極為桿形，直徑為150_300Mffl。一方面，電極應被提供為足夠厚 以維持所必需的運作電流。另一方面，用于在相對較低的穩(wěn)態(tài)功率下具有高效率的燈設計的電極需要足夠薄，以在低功率下仍能以穩(wěn)態(tài)運行且充分地加熱放電容器。對于25W額定 功率的燈設計，直徑的優(yōu)選值為230_270Mffl。


通過下文優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特點和優(yōu)點將會變得顯 而易見，在附圖中
圖1示出根據本發(fā)明的實施例的燈的側視圖； 圖2示出圖1所示的燈的中央部分的放大圖； 圖加示出沿著圖2中的線A的截面圖3a至圖3f示出根據圖1的燈的放電容器的制造階段的側視圖； 圖4示出所測量的燈效率值相對于運行功率的曲線圖。
具體實施例方式所圖示的所有實施例旨在用作符合ECE R99與ECE R98的、用于車輛前照燈的汽 車燈。具體而言，這并不旨在排除用于非汽車用途的燈，或者根據其它規(guī)范的燈。由于這種 汽車高壓氣體放電燈是本身已知的，下面的優(yōu)選實施例的描述將主要集中在本發(fā)明的特殊 特征。圖1示出放電燈的第一實施例10的側視圖。該燈包括基座12，基座12具有兩個 電接觸件14，這兩個電接觸件14在內部連接到燃燒器16。燃燒器16包括圍繞放電容器20的石英玻璃制成的外部封殼(在下文中被稱作外 部燈泡)18。放電容器20也由石英玻璃制成且限定內部放電空間22，內部放電空間22具 有突伸的桿形電極M。來自放電容器的玻璃材料在燈10的縱向進一步延伸以將電連接密 封到電極24，電極M包括平坦鉬箔26。外部燈泡18在其中央部分為圓柱形且以一定距離圍繞放電容器20布置，從而限 定外部燈泡空間28。外部燈泡空間28被密封。如在圖2中更詳細地示出的那樣，放電容器20具有圍繞放電空間22布置的放電 容器壁30。壁30的內部形狀和外部形狀為圓柱形。放電空間22因此為圓柱形狀。應當注 意的是，圓柱形狀至少存在于各電極24之間的放電空間22的中央最大部分中，其并不排除 (所示的)不同形狀(例如圓錐形)的端部。在其中部，包圍放電空間22的壁30因此具有基本上恒定的厚度W1。放電容器20的特征在于電極距離d、放電容器20的內徑Cl1、放電容器的壁厚W1、在 放電容器20與外部燈泡18之間的距離d2以及外部燈泡18的壁厚w2。這里，值屯、Wl、d2、 w2在放電容器20的中央垂直平面中進行測量，如圖加所示。燈10通過點燃在各電極20之間的電弧放電而如放電燈那樣常規(guī)地運行。光產生 受到包括于放電空間22內的填充物的影響，該填充物不含汞且包括金屬鹵化物以及稀有 氣體。由于放電容器壁30的圓柱形狀，在各電極對之間點燃的電弧在外部、在光學上表 現為與其實際具有的長度相同的長度，即，并無由圓柱形放電容器壁30所造成的光學畸變 (放大)效應。因此，對于外部觀察的4.2mm(ECE R 99)的光學電極距離而言，電極各末端可實際上定位成以4. 2mm隔開(與橢圓體放電容器形成對照，在所述橢圓體放電容器中，取 決于曲率，可能必需提供僅3. 8mm的電極距離來獲得4. 2mm的外部光學距離)。由于放電 燈的燃弧電壓通常取決于電極距離而線性地變化，帶圓柱形放電容器的燈因此可獲得高8% 的燃弧電壓，因此為了獲得相同的運行功率，例如25W，需要大約低8%的電流。擴大的電極距離還提供燈在運作期間良好的熱性能。由于增加的燃弧電壓，熱功 率將更高且增加的距離d保證迅速地加熱該放電容器壁30。薄放電容器20具有相對較低 的石英質量，使得其可迅速地加熱。另外，擴大的電極距離以及相對較窄的放電容器(內徑Cl1選擇成相當小，例如，2.0 mm，如將在下文中所討論的那樣)，在電極M各末端之間的電弧將具有相對較直的形狀，其 有利于由位于反射器中的燈生成的光的投射。關于所示的放電燈10的熱性能，應記住，汽車燈試圖水平地運行。在各電極對之 間的電弧放電然后將導致在電弧上方、在放電容器20的壁30處的熱點。同樣，包圍放電空 間22的壁30的相對部分將保持在相對較低的溫度(最冷點)。為了減少從放電容器20向外部傳熱，且為了維持良好效能所需的高溫，因此優(yōu)選 地提供外部燈泡18以降低熱傳導。為了限制從外部冷卻，外部燈泡18被密封且填充有填 充氣體。外部燈泡填充物可以以(在20°C、在燈的冷態(tài)進行測量的)小于1巴的減小的壓 力來提供。如將在下文中進一步解釋的那樣，應關于幾何布置做出合適填充氣體的選擇以 實現通過合適熱轉變系數λ Zd2從放電容器20到外部燈泡18的所期望的熱傳導。到外部的熱傳導的特征大致在于熱轉換系數λ/d2，其被計算為外部燈泡(其在目 前情況下總是在800°C的溫度測量)填充物的導熱率λ除以放電容器20與外部燈泡18之 間的距離d2。由于在放電容器20與外部燈泡18之間的相對較小的 距離，在二者之間的熱傳導基本上是擴散式的且因此被計算為
,其中奪是熱通量密度，g卩，在放電容器與外部燈泡之間每次傳熱的 量。Λ是導熱率且grsrfiS是溫度梯度，其此處可大致計算為放電容器與外部燈泡之間
的溫差除以距離
權利要求
1.一種高壓氣體放電燈，其包括放電容器(20)，其提供密封的內部放電空間(22)，所述內部放電空間0 由石英材料 制成的放電容器壁(30)包圍，至少兩個電極(M)，其突伸到所述放電空間02)內，所述放電空間0 包括填充物，該填充物為至少一種稀有氣體和金屬鹵化物組合物， 所述填充物基本上不含汞，其中所述金屬鹵化物組合物至少包括鹵化鈉和鹵化鈧，且其中鹵化鈉與鹵化鈧的質量 比為 0. 9-1. 5，并且其中所述放電容器壁(30)至少在所述各電極04)之間的區(qū)域中在外部和內部呈 圓柱形狀。
2.根據權利要求1所述的放電燈，其中所述放電空間02)具有12-20mm3的體積。
3.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述放電容器(10，110)具有1.7-2. 4 mm的內徑。
4.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述燈在運行45分鐘之后的已預燒狀 態(tài)下，當以25W的電功率穩(wěn)態(tài)運行時具有等于或大于85 lm/ff的效率。
5.根據前述權利要求之一所述的放電燈，所述燈還包括外部封殼(18)，其圍繞所述放電容器00，120)提供，所述外部封殼(18)被密封且填 充氣體。
6.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述放電容器(10，110)具有1.0至 1. 5mm的壁厚。
7.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述放電空間02)在所述放電空間 (22)的每μ 所述體積中包括6-19 μg所述金屬鹵化物組合物。
8.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述金屬鹵化物組合物至少包括90wt% 的鹵化鈉和鹵化鈧。
9.根據權利要求8所述的放電燈，其中所述金屬鹵化物組合物基本上由Nal、^I3和 ThI4組成。
10.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中在所述放電空間0 中的所述稀有氣 體是氙氣，該氙氣以10-18巴的冷壓力提供。
11.根據前述權利要求之一所述的放電燈，其中所述外部封殼(18)以距離(d2)布置且 被填充有填充氣體，使得熱傳導系數λ/屯為6.5 - 226 W/(m2K)，其中λ是在800°C測量 的填充氣體的導熱率且(12是在所述外部封殼(18)與所述放電容器(10，110)之間的距離。
12.一種制造高壓氣體放電燈的方法，其包括以下步驟提供石英材料的圓柱形管O)；在至少兩個遠部處加熱所述管( 且在每個所述遠部處形成凹槽G)，使得在各凹槽 (4)之間限定放電空間(22),將至少兩個電極04)插入到所述管(2)內以突伸到所述放電空間02)內，利用填充物來填充所述放電空間(22)，所述填充物至少由稀有氣體和金屬鹵化物組合 物09)組成，所述填充物基本上不含汞，以及加熱并夾箍所述管O)以密封所述放電空間02)，執(zhí)行各所述步驟，并無燈泡成形步驟，使得所述放電空間0 至少在各所述電極04) 之間的區(qū)域中在外部和內部保持圓柱形狀。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述金屬鹵化物組合物09)至少包括鹵化鈉和鹵化鈧，其中鹵化鈉與鹵化鈧的質量 比是 0. 9-1. 5。
14.根據權利要求12至13中任一項所述的方法，其還包括以下步驟 圍繞所述放電容器形成外部的密封的封殼(18)。
全文摘要
描述了具有放電容器(20)的高壓氣體放電燈(10)。電極(24)突伸到放電空間(22)內，放電空間(22)由石英材料的放電容器壁(30)包圍。放電空間具有填充物，填充物為稀有氣體和不含汞的金屬鹵化物組合物。金屬鹵化物組合物至少包括鹵化鈉和鹵化鈧，鹵化鈉與鹵化鈧的質量比為0.9-1.5。為了提供可易于制造且很好地適合于以減小的功率運行的燈，放電容器壁(30)在外部和內部具有圓柱形狀?？赏ㄟ^以下步驟來制造燈提供石英材料的圓柱形管(2)，在至少兩個遠部處加熱所述管(2)且在那里形成凹槽(4)，將兩個電極(24)插入于所述管內且在兩端加熱并夾箍所述管(2)以密封所述放電空間(22)。執(zhí)行制造，而無需燈泡形成步驟，使得放電空間(22)在外部和內部保持圓柱形狀。
文檔編號H01J61/82GK102150231SQ200980135339
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月7日 優(yōu)先權日2008年9月10日
發(fā)明者哈克 M., 維斯特邁爾 M., 穆克爾 R., 埃蒙茨 W. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司