CN100342482C - 高压气体放电灯及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高压气体放电灯(HID灯或带有在约0.05-0.5mg/mm³之间的汞填充物的一般灯)，该灯具有至少一个电极(7、8)，该电极在位于灯容器(2)内部的端部有增厚的例如球形的部分(9、10)。该部分的尺寸取决于灯的工作参数和/或电极棒的直径，其中在工作的第一时限期间，电极尖端(19)在所述部分独立地形成其本身。该尖端从该部分生长，直到其自由端开始熔化为止。电极尖端通过这种方式自调整，因而在整个灯寿命期间能保持最佳电极间距。此外，还介绍了制造这种灯的方法。

Description

高压气体放电灯及其制造方法

技术领域

本发明涉及高压气体放电灯(HID[高强度放电]灯或UHP[超高性能]灯)，特别涉及汞填充量在约0.05和0.5mg/mm³之间的汞高压灯，该灯包括带有电极棒的至少一个电极，该电极棒在其端部提供有增厚的、例如球形电极部分。本发明还涉及带有这种高压气体放电灯的照明单元和利用适合于灯的操作参数给灯供电的电源单元以及制造该灯的方法。

背景技术

通过使用的电极的性质和形状将这些灯的制造、工作特性、使用寿命和成本确定为基本程度。相应地，已经研制了电极的各种几何形状，以便以各种方式考虑这些准则。在最简单的情况下，该灯包括各由钨棒形成的两个电极。电极棒的自由端延伸到灯容器内，所述灯容器带有在操作状态中可以形成光电弧的气体气氛。各自的另一端经过延伸到灯容器外面的引线连接到用于接收工作电压的连接管脚。

为了例如提高电极的热辐射和避免引线过热和相应地避免在高灯功率时破坏灯容器一侧的密封的风险，公知的解决方案是在电极的各个自由端提供用与电极相同的材料制成的一个或几个线圈。这些线圈可以熔合到电极棒上，特别在AC操作灯中用于实现热缓冲器的功能。由此也可以延长电极的使用寿命。这种电极可以相对容易地用钨制造并且一般是公知的。

然而，这些电极的固有缺点是通常导热性相对低并且不可再生，这是因为在灯的寿命期间线圈和电极棒之间以及单个匝之间的热接触可能改变。这些效果可以引起灯特性即光学输出和所要求的工作电压改变高达30％，特别是在具有短光电弧(例如约1mm)的灯的情况下。由于这些灯是在容易改变熔合部分的高温(3000K以上)下工作的，因此在短弧灯(例如UHP灯)中，这些问题的产生基本上与线圈是否熔合到电极上无关。为避免这个问题而用适当强的固体钨棒制成的电极造价昂贵并且制造复杂。

从US-PS3067357中可知一种电极，其中钨棒具有通过在其自由端熔化形成的球形部分。在制造期间或在灯工作期间可产生熔化所需的热量，所述部分的尺寸和电极间隔由灯电流、灯内压力和电极棒的直径确定。在工作期间，这个部分的某些比例(50％)通常必须处于熔融状态。通过这种方式，该电极的制造基本上是较简单的并且不贵，这是因为通过所述量的合适调节而不是通过对容差、复杂性和昂贵相对敏感的制造和组装工艺来实现脱离光电弧的球形部分的尺寸。

然而，该灯的主要缺点是，必须非常精确地调整灯电流并且必须保持非常恒定，以便产生球形部分并在所要求的部分将其保持在熔融状态。只有百分之几高的电流可以具有使整个部分和电极棒部分熔化的结果，因此所述部分变得更大，显著地和永久地改变了到相对电极的距离。在必须非常精确地观察电流限制以便可以利用这种电极以稳定方式操作短弧灯的短光电弧的情况下，这个效果很强。除此之外，在根据灯内的气体蒸汽的升高气压的接通状态期间，这些电流限制改变。

这个灯的另外的缺点是在灯寿命期间电极距离增加。这基本上是由防止壁变黑的自由碘气氛加速了钨从热电极尖端向电极后部转移造成的。这个缺陷还特别强地将短弧灯影响到由于使用这些电极而使其最大寿命只有几百小时的程度。

最后说明的是光电弧可以周期性地在电极前表面上移动，特别是在带有这种电极的汞高压灯(具有约200巴压力的UHP灯)中，因而不可能在投影系统中使用这些灯。

发明内容

相应地，本发明的一个目的是提供在开篇所述类型的高压气体放电灯和具有这种灯的照明单元，在其总工作寿命期间这些灯以电极距离基本上是永久的提供了稳定的工作而没有波动，并且没有为此必须强加精确和恒定性的灯电流这种特殊要求。

本发明的另一个目的是提供一种方法，由此可用特别简单和便宜的方式制造这种高压气体放电灯。

一方面，前一个目的是根据权利要求1借助开篇所述类型的高压气体放电灯实现的，其特征在于

对于0.5-8A的灯电流，电极部分是球形的并具有0.5-3.0mm的直径，以及

电极部分具有比电极棒的直径大1.5-5倍的直径，其中

电极部分的尺寸取得使所述电极部分在灯正常工作期间不熔化，但是在灯工作的第一时限期间，电极尖端在电极部分形成其本身。

另一方面，后一个目的是根据权利要求8借助具有这种高压气体放电灯和具有将适合于灯的工作电压和工作电流输送给灯的电源单元的照明单元实现的，使得增厚电极部分在灯正常工作期间不熔化，但是在灯工作的第一时限期间在电极部分形成电极尖端本身。

上述工作参数特别指工作电压和工作电流的水平及其随时间变化的梯度和它们的频率。

本发明基于惊奇地认识到，在具有这种电极的灯的工作第一时限期间，电极尖端本身形成，在电极端部的尖端开始熔化时自动结束工艺。

因而，这个方案特别有利的是电极尖端在其长度上是自稳定化的。因此电极间隔的复杂最优化是多余的。

此外，在整个灯寿命期间这个自稳定效果保持完整，因而在任何时候都保持最佳电极距离。这个优点对于短弧灯特别重要，因为在这些灯中电极是高负载的。而且，该灯因其稳定的光电弧而特别适合于投影应用。

确实是，电极尖端在光电弧接触的区域熔化。然而，由于与尖端相比增厚部分具有基本上更大的质量并由此用做热缓冲器或热辐射器，电极的保留部分基本上具有低温，结果是该灯具有非常长的使用寿命。

为实现上述第二个目的，根据权利要求5，提供制造高压气体放电灯的方法，其特征在于，在电极棒的一端提供有增厚的电极部分，对于0.5-8A的灯电流，电极部分是球形的并做成具有0.5-3.0mm的直径，其中电极部分具有比电极棒的直径大1.5-5倍的直径，使得在灯工作的第一时限期间借助所述灯电流在该部分形成电极尖端。

因为通常很复杂的电极制造变的多余了，因此这个方法的主要优点是特别简单和便宜，即被限制到电极棒的增厚部分的制造。

从属权利要求涉及本发明的另外实施例的优点。

根据权利要求2和3的实施例具有考虑到发光效率和在灯寿命期间防止灯容器变黑的特别优点。

附图说明

通过以下参照附图对所给的优选实施例的介绍使本发明的其它特点、特性和优点更明显，其中：

图1是根据本发明的灯的一般示意图；

图2(a)-(c)表示形成电极时的几个阶段；

图3绘出了形成的电极尖端的直径和球形电极部分的直径之间的关系；

图4表示形成的电极尖端的长度和球形电极部分的直径之间的关系；和

图5表示根据本发明用于灯的电源单元。

具体实施方式

下述灯的工作参数即工作电压和电流的电平及它们随时间变化的梯度和频率涉及在灯工作的第一时限期间电极尖端的产生和在所希望的应用中的接下来的正常工作。因此，灯优选与电源单元组合，借助该电源单元，一般可得到的干线电压被转换成具有所述性能的灯的所述工作电压。例如在WO95/35645、WO00/36882和WO00/36883中公开了这种电源单元，这些文献结合在本公开中供参考。

图1表示具有带有光发射窗口的石英玻璃或陶瓷材料的椭圆形灯容器2的短弧高压气体放电灯1的例子。容器内的气体是其中添加了约0.001-10μmole/cm³溴(或氯)的汞蒸汽，因而可产生再生钨循环。连同存在于泡壳2中的氧一起，在灯工作期间同时防止容器壁变黑。

由钨制成的第一和第二电极7、8的第一端延伸到灯容器2内。这些端各包括基本球形电极部分9、10，而电极的另一些端连接到例如用钼制成的各个导电箔5、6。容器2以圆柱形石英部分3、4的形式纵向延伸，其中箔5、6以气密密封方式封闭在圆柱形石英部分3、4中。输送灯电流的连接管脚11、12按顺序连接到箔并延伸到外部。

图2以放大尺寸表示形成电极7、8之一的几个阶段。下面参照电极7借助例子介绍的工艺和工序在灯的AC工作情况下还适用于另一电极8。

参照图2a，用直径约为0.4mm的钨电极棒20开始制造。在最简单的情况下，在该电极棒的第一端形成形状为球形、直径约为0.8-1.7mm的电极部分9。这些尺寸与约1.5-2.5A的灯电流有关，而其它尺寸可适合于其它电流。发现在灯电流在约0.5-8A之间的的情况下(50-500W的UHP灯)，通常合适的范围是在0.2-0.7mm之间的棒直径和在0.5-3.0mm之间的球形部分的直径。如果球形部分的直径约为棒直径的1.5-5倍一般是有利的。

球形部分9可以通过在棒20的一端熔融形成或利用不同的方式如通过预热钨丝的机械镦锻法形成，因而形成图2(b)中所示的电极7。代替球形，也可采用类似于球形的替换形状，例如圆锥部分或其它“增厚部分”，特别对于灯工作电压的较高频率，选择扁平部分。

接着用这种类型的两个电极7、8制造图1的灯。与棒20的直径相比相对大的球形部分9、10的直径的结果是，在灯工作期间所述部分不会很强地被加热，这与带有常规电极尖端的情况一样。这尤其有利的是，从电极尖端向电极后部的钨转移基本上比带有开篇所述的公知电极的情况小。

而且，令人惊奇地发现，在灯工作的第一时限期间图2(c)的球形部分改变。另外，在AC操作的情况下，对于两个电极7(8)确实是这样。电极尖端19在施加光电弧本身的区域形成其本身，因而球形部分9(10)给定在这个区域内的对应扁平形状。

电极尖端19形成其本身的形状在第一位置受到增厚部分的尺寸和灯电流频率的影响。

发现特别是对于球形部分9(10)，电极尖端的厚度即其直径De在第一位置由频率f确定，并且基本上与部分9(10)的直径Dk无关。这些相互关系示于图3中，其中发展电极尖端19的直径De[μm](三角形标记)作为对于具有400μm直径的电极棒的球形部分9(10)的变化直径Dk[μm]的函数绘出曲线。

这里灯用120W的功率在约80V用频率为90Hz的灯电流工作。然后相同极性的电流脉冲叠加在预定数量的半周期上，优选灯电流的每个半周期，即与相关周期相同的极性的灯电流的每个半周期。电流脉冲的平均幅度和灯电流的平均幅度之间的比可在0.6-2之间，电流脉冲的持续时间和灯电流的半周期之间的比在0.05-0.15之间。还发现其它尺寸规则是，通过电流脉冲给灯供应的功率的百分比优选是在半周期期间借助灯电流输送给灯的功率的5和15百分比之间。

下面参照图5更详细地介绍用于产生这种灯电流的电路，并详细公开于WO95/35645中。

在90Hz的工作频率下，尖端相应地具有与电极棒相类似的直径。通常发现，电极尖端的直径De为：De＝a/f，特别对于该灯是比例恒定的，并在从2000-10000(在这种情况下约为4000)μmHz^0.5范围内。

与此相反，发展电极尖端19的长度Le取决于球形部分9(10)的直径Dk。这个关系示于图4中，其中绘出了对于400μm的电极棒直径的电极尖端的长度Le(方形标记)作为部分9(10)的变化直径Dk的函数的曲线。该灯再用120W功率、在约80V用频率为90Hz和根据图3所示的电流波形的工作电流工作。

电极尖端19的长度Le实际上也清楚地与灯电流和灯功率有关。这两个值越高，产生的尖端19越短。灯电流和灯功率确定输入电极的总能量，而球形部分9(10)的尺寸又影响能量辐射。为实际应用选择这个部分的尺寸，以便获得长的灯寿命。

形成电极尖端19的第一工作时限的量为：对于约200μm的尖端长度为约1小时，对于约1mm的尖端长度为约50小时。

如果为该部分选择球形以外的增厚形状，上述相互关系也是有效的。

在其形成期间，尖端19尺寸逐渐增加，直到其前端变热熔化为止。一旦前端已经熔化，观察到不再生长。如果根据上述相互关系调整工作参数，以便尖端19达到约0.1-1.0mm的长度，因此在完成第一工作时限之后，最后电极距离将比在第一次接通灯之前球的形部分9和10之间的间隔短约0.2-2.0mm。

相应地，产生由相对细的电极棒20、相对大的球形部分9(10)和细电极尖端19形成的电极形状。这里部分9(10)的尺寸使得它具有好的热辐射特性并充分冷却，以便实现几千小时的可靠和稳定的灯工作。在工作期间产生的电极尖端19在其前端具有熔化区域，该区域足够小以便保护施加光电弧的稳定点。特别对于高压UHP灯确实是这样。实验表明在整个灯寿命期间光电弧的稳定性基本上比公知两种电极形状的情况好。

根据本发明的该电极也能解决由于安装和电极横向距离的容差出现的那些问题。这里球形部分可能首先呈现形成水平光电弧。然后在工作的第一时限在灯工作期间在施加光电弧的位置，尖端再生长，直到前端熔化为止。由于这取决于它们的相互距离，因此消除了横向容差。

代替图2(b)中所示的电极，可以替换使用已经包括先前形成的尖端的电极。由此显著减少了在第一工作时限期间发生的相对大的电压变化和电极间距的减小。为此，先前形成的尖端应该具有与在后来的正常工作期间自动形成的尺寸相同的尺寸。

可以替换进行电极的制造，其中一个或几个线圈提供在如图2(a)所示的棒的一端，线圈例如由与棒相同的材料构成。然后可以用相对简单的方式通过提供有线圈的棒的这个区域的全部或部分熔化形成球形或相似部分(“增厚”)。

根据本发明的电极的使用不限于短弧灯，虽然因为这种灯中的电极上的高负载和自调整以及电极间的非常小的距离而使它们具有特别的优点。

电极尖端的形成取决于与尺寸成正比的灯电流，即球形部分的热辐射功率和由此产生的温度。这个温度实际上应该尽可能的高，但不能高到使该部分熔化。通过合适的调整及工作参数和上面提到的其它参数的相互调节可发现用于实际上所有灯功率的最佳化的合适电极尺寸。

优选提供将一般干线电压转换成电源电压的电源单元，以便利用上述工作参数使灯工作。这种(开关模式)电源单元以举例形式示于图5中。假设这种情况下的干线电压是施加于电源单元的输入端K1、K2的AC电压。电源单元包括开关单元A，干线电压借助开关单元A被转换成用于灯LA的AC电压。为此，提供将干线电压转换成DC电压的第一器件30和将DC电压转换成用于灯的AC电压的整流器31。

电源单元还包括控制单元B，开关单元A借助控制单元B起动，以便例如灯电流的可编程数量的半周期或每个半周期与具有与相关周期相同极性的附加电流脉冲叠加。这导致在其时间梯度上相应地增加的灯电流，如参照图3所述，并且由此实现特别稳定的工作而没有电弧不稳定性。用于这种控制单元的合适电路公开于WO95/35645中。

或者，控制单元B也可以在半周期开始时用于相对于正常工作期间的平均电流减少灯电流，由此为某些电极实现形成特别稳定和扩散的光电弧。这种控制单元在WO00/36883中有介绍。

最后，控制单元B还可以影响与某些工作状态相关的灯电流或通过对应传感器装置检测的要求，例如温度、或流过灯的电流、或产生的光的强度或波动。适合于上述要求的控制单元公开于WO00/36882中。

借助于这种电源单元，上述其它工作参数例如灯电压的频率也可以最佳地适合于灯类型或某些工作条件。因此，优选，电源单元与灯组合，以便形成最佳适合于某些应用如投影目的的照明单元。

Claims (11)

1、一种高压气体放电灯，具有至少一个电极，该电极具有电极棒，电极棒在其一端包括增厚的电极部分，

其特征在于，

对于0.5-8A的灯电流，电极部分(9、10)是球形的并具有0.5-3.0mm的直径，以及

电极部分(9、10)具有比电极棒的直径大1.5-5倍的直径，其中

电极部分(9、10)的尺寸取得使所述电极部分(9，10)在灯正常工作期间不熔化，但是在灯工作的第一时限期间，电极尖端(19)在电极部分(9、10)形成其本身。

2、根据权利要求1的高压气体放电灯，其特征在于，至少一个电极(7、8)是由钨制成，并且气体是其中已经添加了用于产生再生钨循环的氧和溴或氯的汞蒸汽。

3、根据权利要求2的高压气体放电灯，其特征在于，以0.001-10μmole/cm³的量添加溴。

4、根据权利要求1的高压气体放电灯，其特征在于，电极尖端(19)的形成可受到与电极棒(20)和电极部分(9、10)的尺寸成正比的灯电流的影响。

5、一种制造高压气体放电灯的方法，

其特征在于，

在电极棒的一端提供有增厚的电极部分(9、10)，

对于0.5-8A的灯电流，电极部分(9、10)是球形的并做成具有0.5-3.0mm的直径，其中

电极部分(9、10)具有比电极棒的直径大1.5-5倍的直径，使得在灯工作的第一时限期间借助所述灯电流在该部分(9、10)形成电极尖端(19)。

6、根据权利要求5的方法，其特征在于，通过在电极上加上至少一个线圈和然后使带有电极材料的线圈全部或部分熔化形成增厚部分(9、10)。

7、根据权利要求5的方法，其特征在于，在增厚部分(9、10)处预先形成电极尖端，在灯工作的第一时限期间，尖端的最后形状从该尖端形成其本身。

8、一种照明单元，具有根据权利要求1-4任一项的高压气体放电灯和开关模式电源单元，该电源单元用适合灯的工作电压和工作电流输送给灯，使得在灯正常工作期间，增厚的电极部分(9、10)不熔化，但在灯工作的第一时限期间电极尖端(19)在电极部分(9、10)处形成其本身。

9、根据权利要求8的照明单元，其特征在于，开关模式电源单元包括控制单元(B)，借助该控制单元(B)，灯电流的可编程数量的半周期与相同极性的附加电流脉冲叠加。

10、根据权利要求9的照明单元，其特征在于，开关模式电源单元包括控制单元(B)，借助该控制单元(B)，在半周期开始时灯电流可相对于正常工作期间的平均电流减少。

11、根据权利要求9的照明单元，其特征在于，开关模式电源单元包括控制单元(B)和传感器装置，该传感器装置用于检测灯的工作状态，以便根据检测到的工作状态通过控制单元改变工作参数，用于获得稳定的灯工作。

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