CN100401452C - 短弧高强度水银放电灯 - Google Patents

Abstract

提供了一种高压电弧放电灯设备，包括：灯，包括外壳，该外壳包含水银剂量、和它们的顶部彼此间隔开以限定所述外壳内的弧隙的一对电极；以及用于所述灯的操作装置，包括一作用于该电极和/或灯以确保在重新启动灯的过程中在电极之间不存在剂量液滴的装置，其中，所述操作装置包括用于在灯关断之后的冷却的过程中再加热电极一段时间的装置。

Description

短弧高强度水银放电灯

技术领域

本发明涉及短弧高强度水银放电灯。这种灯尤其是用于(但不专用于)图像投影设备的光源。

背景技术

对于在图像投影设备比如液晶投影仪中的应用，理想的灯具有尽可能接近点光源以及具有较高的强度的光源。超高压水银弧光灯接近满足这种需求，特别是在弧隙非常短(优选小于大约1.5mm)时。

在典型的超高压水银弧光灯中，通常为球形的石英外壳形成了电弧放电室并包含限定放电路径的间隔开的钨电极，该电极连接到从灯延伸到外部的电流导体。放电室还包含在大约10-100kPa的压力下的惰性气体(比如氩气)；每立方毫米10^-12-10^-8摩尔的卤素(氯、溴或碘)；和至少每立方毫米0.15毫克的水银剂量。这种类型的灯描述在US-A-2002/0000777中。在这种灯的工作中，使水银汽化，一般的蒸气压力为15至25Mpa。在灯不工作时，水银冷凝，通常在放电室中形成一个或多个液滴。

在具有非常短的弧隙(大约1mm)的超高压高强度放电灯中存在的问题是水银剂量液滴直径可能超过弧隙。在这种灯中，在实际中观察发现，存在这种可能：在关灯之后，剂量液滴形成在电极顶端，彼此相向增大并融合成一个。现在该短路灯不能重新点燃，因为在电极顶部之间不能建立电位差。性能限制范围阻碍了为解决这个问题而延长弧隙或减小剂量。

在US-A-2002/0000777中，所提供的方案是使电极的纵轴错位，如附图2所示。它指出，在水银液滴上的表面张力的作用使得不太可能稳定地形成缩短创液滴。如果在灯冷却时在每个电极上形成的剂量球的直径不组合而超过在一个电极的头部和另一个电极的头部之间的最短的距离，即距离d(参见该美国专利公开的附图2)，则该问题就解决了。然而，对于较高的功率，即超高水银压力设计，所需的轴向偏移和所得到的有效弧隙可能大得难以接收，因为必须保持电弧长度的绝对最小值以实现满意的聚光。

发明内容

本发明的一个目的是确保正好在给灯重新施加功率之前水银剂量的主要部分停留在电弧管壁上。结果，位于电极顶部上的剂量体积很少以致不能接通在电极之间的间隙并使灯短路。因此，可以确保成功的灯操作。

根据本发明，提供一种高压电弧放电灯设备，包括灯及其操作装置，该灯包括一包含水银剂量的外壳和它们的顶部彼此间隔开以限定弧隙的一对电极，该操作装置包括作用于该电极和/或灯以确保在重新启动灯的过程中在电极之间不存在剂量液滴的装置。

根据本发明，提供了一种高压电弧放电灯设备，包括：灯，包括外壳，该外壳包含水银剂量、和它们的顶部彼此间隔开以限定所述外壳内的弧隙的一对电极；以及用于所述灯的操作装置，包括一作用于该电极和/或灯以确保在重新启动灯的过程中在电极之间不存在剂量液滴的装置，其中，所述操作装置包括用于在灯关断之后的冷却的过程中再加热电极一段时间的装置。

在本发明的一种实施例中，该操作装置包括用于在关断灯时使灯功率分阶段地去除的装置。

在另一实施例中，该操作装置包括用于在灯关断之后的冷却过程中重新点燃电弧一段时间的装置。

在进一步的实施例中，该操作装置包括用于在关断之后和/或电弧点燃之前灯冷却的过程中振动灯的装置。

使用在此所公开的发明，该电弧的长度可被减小超过先前所考虑的实际下限。

附图说明

现在通过举例并参考附图描述根据本发明的短弧放电灯的实施例，在附图中：

附图1所示为公知类型的短弧水银放电灯的截面视图；

附图2所示为与附图1类似的视图，表示了在操作之后在灯冷却时如何通过水银剂量使电极短路；

附图3所示为根据本发明操作的短弧水银放电灯的示意表示；

附图4所示为根据本发明的第一实施例在两微小的时间段上平滑地减小灯功率时灯电压相对于时间的曲线图；

附图5所示为本发明的第二实施例的灯电压相对于时间的曲线图；

附图6所示为根据本发明的第三实施例操作的短弧水银放电灯的示意表示；

附图7所示为本发明的第三实施例的灯电压相对于时间(上面的曲线)和螺线管铁芯位置相对于时间(下面的曲线)的曲线图。

具体实施方式

参考附图1，公知类型的短弧水银放电灯包括石英外壳10，它具有一般球形中心放电室12。密封臂14、16从放电室12的相反的侧面延伸以密封着室12。密封臂14、16也容纳并支撑着电极18、20以及金属箔连接器22、24和引入导线26、28。放电室12包含在室温下在10⁴-10⁵帕的数量级的压力下的稀有气体(比如氩)、少量(10^-13-10^-8摩尔每立方毫米)的卤素和至少0.15毫克每立方毫米的水银剂量。通常，卤素可以是10^-12-10^-9摩尔每立方毫米的密度的溴。电极顶部32、34间隔大约1mm，线圈可以缠绕在每个电极顶部上以改善电极的冷却。在灯的操作的过程中，电源通过引入导线26、28、金属箔连接器22、24和电极18、20连接以在电极顶部32、34之间建立电位差。

在操作中，如下文参考附图3所描述，在电极顶部32、34之间施加的电位差产生电弧。在关断灯时，熄灭电弧，灯从它的工作温度冷却下来，逐渐接近室温。因为电极比石英外壳具有更高的热导率，并且事实上存在通过金属箔连接器22、24和引入导线26、28形成的导热通路，因此电极比放电室12的壁更快地冷却。因此水银剂量往往优选冷凝在电极顶部32、34上，并在它们之间形成接通液滴36，如附图2所示。当然这种接通液滴在电极之间形成了短路，由此防止了随后的灯的操作。

参考附图3，参考附图1描述的类型的灯40通过灯驱动器电路42操作。电弧是首先通过点火器电路44击穿产生的。驱动器电路42和点火器电路44都由控制单元(比如微处理器46)控制。在操作灯开关48的过程中，微处理器给点火器电路发送信号以击穿产生电弧，然后在微处理器46的控制下通过驱动器电路42维持该电弧。

现在描述实现本发明的目的的三种不同的方法：

1.在灯熄灭之前分阶段地去除灯的功率，可选择地与增加灯的强制冷却相结合。这可以称为“软”关灯。

2.在灯熄灭之后短暂地重新点燃。在电极顶部上已经冷凝了足够形成桥接的水银之前定时重新点燃。这个发明特别适合于封闭的无通风口的反光镜型设计。

3.在熄灭之后和/在试图重新点燃之前机械冲击和/或振动灯模块。

1.在灯熄灭之前分阶段去除灯功率

参考附图3和4，在灯开关48操作以关断灯时，微处理器46使驱动器电路42在一定的时间段上减小输送给灯的功率。也可以使用其它的控制装置替代微处理器，包括熟知的电气装置或机电装置。附图4所示为适合的灯电压减小分布图。在附图4中，灯首先在正常操作电压V_n下运行。在“灯关断”指令下，微处理器46以平滑的方式减小灯功率，如图所示，直到灯电压低于电平V_max，在这个电平下灯温度冷却到这样的程度：使在放电室中剩下的水银蒸气不足以形成足够大到接通电极间的间隙的液滴。可替换的是，还可以以其它的方式减小灯功率，例如以阶梯式或通过使用脉冲宽度调制技术。在这一点上，灯功率减小到零。可选择地，在灯关闭的时间段中增加灯冷却率，例如可以通过微处理器46增加冷却风扇50的速度。

对于132W短弧投影仪，已经计算了水银蒸气的平均工作温度T_bar。首先，使用由在W Elenbaas的题为“High Pressure Mercury Vapour Lamp”的书(1951年由North Holland出版)的Chapter 9中给出的关系计算工作水银蒸气压力。

等式1

在电弧的阳极区中的电场E由下式给出：

$E=\frac{V_{\mathrm{PC}}}{d}$ 等式2

这里电极间的间隙＝d(mm)和电弧阳极区电压是V_pc。

所测量的灯电压V_lamp由下式近似给出：

V_lamp＝(V_pc+15)伏特，等式3

由于在阴极和阳极下降区下降总共大约15V。

对于典型的132W的灯，V_lamp＝73伏特，电极间隙＝1.1mm，因此E＝53V/mm，假设电极下降总共15V，则根据等式1，工作蒸气压力为143大气压。由于1个大气压大约10⁵帕，在工作的灯中的蒸气压力P_lamp大约1.43×10⁷帕。

然后使用通用气体定律计算平均水银蒸气温度T_bar。这个灯的水银剂量为0.21mg/mm³或210kg/m³。然后，

P_lamp×Volume_lamp＝n×R×T_bar等式4

这里n是摩尔数，R是通用气体常数(8314焦耳/千克·摩尔/K)，Volume_lamp是放电管体积(立方米)。因此，

$\mathrm{Tbar}=\frac{200.6\×P_{\mathrm{lamp}}}{8314\×210}=1643K$

注水银的原子量为200.6

可以如下地确定灯电压Vmax，在该电压下在蒸气状态中剩下的水银恰好足够形成使电极短路的球体。

如果规定了电极间的间隙d(mm)，则在灯冷却下来时正好适合在电极之间的水银球的直径显然应该为dmm。给定电弧管体积和平均温度，则可以使用通用气体定律来估计对应于在蒸气状态下的水银量的工作压力。然后使用这个压力来估计在这种状态下的电弧电场，由此估计灯电压。在灯电压下降到这个值之下时可以安全地关闭灯。简化上文的等式1至4并假设平均蒸气温度为1643K，

$V_{\mathrm{amx}}=\frac{1463\×d^4}{{\mathrm{Volume}}_{\mathrm{lamp}}}+10\×d+15$

(注意：常数项1463代表平均温度1643K。)

这种策略能够很好地工作到0.7mm甚至更小的间隙，因为灯将在低至25V的电压上工作。

响应操作员关灯的请求，电子控制装备管理灯功率(由此管理灯电压)以减小到临界值V_max，然后关断灯电源。同时，通过控制电路或软件可以增加灯的强制冷却程度以缩短功率下降过程。由于现在水银在液态形式时没有足够的水银接通弧隙，因此在灯冷却到室温时不能接通弧隙。

在实验室进行试验时，研究了用于图像投影应用系统的10个典型的132W短弧灯的样品。通过以上文所描述的方式手动控制减小功率以实现在灯熄灭之前分阶段去除灯功率。使用当前设计的10个132W短路电弧图像投影灯随机样品，在恒定的300RMS开路电路电压下以170Hz的方波电流操作该灯的同时，研究增加与该灯串联的阻抗的效果。

发现突然增加与该灯串联的电阻经常导致灯不稳定，而在串联电阻平滑地增加时，发现在120秒的时间段内该功率均匀地减小到达到V_max时的点时，以稳定的方式运行的灯下降到大约20％正常功率。(灯电源频率为170Hz，电流波形基本为方形。)在来自风扇的冷却空气的喷射所撞击的灯的壁的地方上可以看到水银的物质沉积，这说明该方法工作十分好。

有时不稳定的灯的特性由在产生最小电压之后散射的电压读数指示。对于典型的132W灯，计算V_max为67V或灯电压(73V)的92％。试验数据显示，在小于20秒内可以实现所需的8％的电压降而无证据存在灯故障。

使用一个样品灯实施有限次数的受控制的功率下降运行。在这些测试中，研究灯工作频率和冷却风扇电压的效果。结果显示在有利的状态下20秒钟的时间冷却下来是可能的。

通过附加的软件和/或硬件与控制单元的组合可以实际地实现这种操作程序。

2.在熄灭之后的重新点燃

对于在其中在反光镜(mirror)中没有提供通风孔的灯设计，随着减小功率时仅电弧室壁慢慢冷却，第一实施例的上述的方法花费太长的时间。(注-要求输入功率的大约25％以保持壁温度在它的常规工作温度范围1150-1350C)。对于这种设计，本发明的目的-需要避免电极接通-通过初始熄灭之后以短暂的间隔重新点燃灯可以实现。该过程保持电极顶部为热的，同时灯的其余部位冷却下来。在热的重新点燃过程中通过未释放的力消除在快速冷却顶部上开始冷凝的任何水银。

参考附图3和5，通过附加的软件和/或硬件与控制单元的组合可以实现这个工作程序。

在“灯关断”信号时，灯电压减小到零。在关断之后不久，以较高的脉冲对点火器通电(Vp1)持续短暂的时间段以短暂地重新点燃电弧。这可以重复一次或多次(Vp2，Vp3)以使水银剂量保持蒸气化直到放电室的壁已经足够冷却(相对于电极)以增进在壁上而不是在电极上的冷凝剂量。一旦水银蒸气维持不足以形成接通液滴，则点火器关闭。

3.灯模块的机械冲击和/或振动

由此实现本发明的目的的第三种方法是通过使用施加给灯的机械冲击和/或振动，其施加方向或方向范围确保在完全消除进入在电极之间的任何液滴。在当水银具有更小的粘性的冷却下来的时间段中和/或在灯冷时紧跟着在试图点火之前可以应用这种激励。参考附图6，在微处理器46的控制下通过螺线管致动电路64启动操作往复的或振动的铁芯(plunger)62的螺线管60。铁芯62作用于灯40的适当的安装件66，并且一旦驱动就在趋于移去接通电极的任何水银液滴的方向上移动。在灯已经被关断之后在冷却下来的过程中给螺线管60施加一系列激励脉冲，如附图7所示。控制螺线管致动电路的附加的软件和/或硬件并入在微处理器中。

本发明代表在大约1.5mm或更小的弧隙的短弧投影灯的研究中重要的突破，因为：

1.已经有效地消除了在当前的灯设计中引起灯的不可靠性的重要的来源；和

2.已经消除了在灯设计方面的严重的限制，可以使得可以研究以超过20Mpa的水银压力并且弧隙小于1mm为特征的更高性能的灯。

控制装备供应商对已有的设计进行最小的改动就容易地实施本发明所要求的电子控制装备。

本发明消除了在通过1.5mm或更小的弧隙并超过15Mpa的水银压力为特征的短弧图像投影灯的操作中不可靠的重要来源。

此外，已经消除了在灯设计方面非常严重的局限性，因为剂量液滴的直径现在可以远大于弧隙。使用本发明现在可以设计具有亚毫米弧隙的可靠的超高压水银灯，以便获得较好的光效率。

本发明并不要求如在上文所引用的US-S-2002/0000777中所描述的电极重新配置。这消除了与带有精确取向电极的弧管的组件相关的所有的制造困难，比如在此所描述的困难。此外，可以完全避免由一个电极相对于另一个电极偏移和/或成角度引起的聚光的任何效率下降。

本发明采用在最终功率消除之前使灯功率逐渐减小的实施方案在电子控制装备中仅要求附加的逻辑元件。对于微处理器控制型实施方案，通过仅增加几行软件代码就可以实现这些。对于硬件控制型实施方案，要求附加的电路。在任何情况下，改变都较小并且简单，不损害灯单元的操作、寿命或效率。

本发明在功率消除之后利用热量重新点燃的实施方案在电子控制装备中要求附加的逻辑元件。对于微处理器控制型实施方案，可以仅要求附加的软件。对于其它的类型的实施方案，要求某些附加的电路。在任何情况下，改变都较小并且简单，不损害灯单元的操作、寿命或效率。

本发明在点火之前利用灯的机械冲击和/或振动的实施方案仅涉及对包含灯的设备进行很小的改进。除了包含适合的换能器的改进的灯模块安装装置之外，这些变化可以是简单地附加几行软件代码或者简单的定时器电路。通过使用低廉的换能器(比如在移动电话中使用的换能器)可以向灯施加在与电极顶端连接的线大致正交的方向上的振动。可替换的是，通过使用适合的阻尼螺线管作用可以施加在类似方向上的冲击。

Claims (5)

1.一种高压电弧放电灯设备，包括：

a)灯，包括外壳，该外壳包含水银剂量、和它们的顶部彼此间隔开以限定所述外壳内的弧隙的一对电极；以及

b)用于所述灯的操作装置，包括一作用于该电极和/或灯以确保在重新启动灯的过程中在电极之间不存在剂量液滴的装置，

其中，所述操作装置包括用于在灯关断之后的冷却的过程中再加热电极一段时间的装置。

2.如权利要求1所述的灯设备，其中外壳为球形石英外壳，该电极为钨电极并且连接到通过外壳延伸到外部的电流导体。

3.如权利要求2所述的灯设备，其中，所述外壳包括在室温下在10⁴至10⁵帕的数量级的压力下的稀有气体和每立方毫米10^-13至10^-8摩尔的卤素，以及所述水银剂量包括至少0.15毫克每立方毫米。

4.如权利要求3所述的灯设备，其中所述卤素是密度为10^-12至10^-9摩尔每立方毫米的溴。

5.如权利要求1至4中任一项所述的灯设备，其中对电极再加热的装置包括用于一次或多次重新点燃电弧的装置。

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