CN101138067A - 用于高强度放电灯的高度透明陶瓷电弧管 - Google Patents

用于高强度放电灯的高度透明陶瓷电弧管 Download PDF

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Abstract

一种用于高强度放电灯的陶瓷电弧管。电弧管包括围绕电弧的陶瓷透光管。透光管具有选自以下群组的两个或两个以上特征：(a)小于2.6mm的内直径，(b)小于14mm的壁厚，(c)大于20微米或小于5微米的平均粒度或大于20％的实际同线传输(RIT)，和(d)具有小于100nm的Ra值的内表面或外表面。这些特征导致了电弧光源较小的表观尺寸和光的较少散射，从而产生反射灯中电弧管的改进的性能。

Description

用于高强度放电灯的高度透明陶瓷电弧管
本申请要求享有在2005年3月9日提出的美国临时专利申请No.60/659,950的权益，其内容通过引用结合于本文中。
发明领域
本发明一般涉及陶瓷电弧管放电灯，并且更具体地涉及用于高强度放电灯的改进的陶瓷电弧管。
相关技术说明
传统上，石英是用来制作用于高强度放电(HID)灯的电弧管的材料。石英具有1.46的低折射率，典型地具有光滑表面，并且当光穿过材料时是实质上没有光的散射的完全玻璃质的，因此，在反射灯中石英以因而的优良性能传输非常清晰的无畸变的电弧的图像。相比于石英电弧管，陶瓷电弧管(a)将以较高的温度运转，这产生了较高的蒸气压力而使增加的效率、较好的色彩和较高的性能成为可能，并且(b)具有增加的物理强度和对化学腐蚀的抵抗力，这有助于较久的运行寿命。然而，陶瓷具有次于石英的光学性质：普通光学陶瓷氧化铝和钇铝石榴石(YAG)分别具有1.77和1.84的折射率，从而在电弧管的内表面和外表面产生增加的费涅反射；并且多晶陶瓷(polycrystalline ceramic)具有部分地因为表面粗糙度引起的从陶瓷表面的光散射和因残余孔隙度和晶粒边界散射引起的有限的体积散射。本领域所已知的是，多晶氧化铝(PCA)的半透明度高度地依赖于粒度(grain size)。
存在着对改进的陶瓷电弧管的需要，以便陶瓷电弧管可在诸如汽车高强度放电头灯的放电灯中提供改进的、优选地相当于石英电弧管的光学性能。
发明概述
提供了用于高强度放电灯的陶瓷电弧管。电弧管包括陶瓷透光管和一对隔开的电极。透光管具有选自以下群组的两个或两个以上特征：(a)小于2.6mm的内直径，(b)小于1.4mm的壁厚，(c)大于20微米或小于5微米的平均粒度或大于20％实际同线传输(RIT)，和(d)具有小于100nm的Ra值的内表面或外表面。
附图简要说明
图1是根据本发明的反射灯或头灯的概略性或示意性截面图。
图2是根据本发明的陶瓷电弧管的局部示意性截面图。
图3a是显示为在同一系统中的石英电弧管全部光束流明(fullbeam lumens)的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的全部光束流明的等高线图，头灯系统具有粒度为约25微米的典型的半透明PCA电弧管。
图3b是显示为在同一系统中的石英电弧管MBCP的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的MBCP的等高线图，头灯系统具有PCA电弧管。
图4是显示为在同一系统中的石英电弧管MBCP的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的MBCP的等高线图，头灯系统具有经抛光的YAG电弧管。
图5是显示为在同一系统中的石英电弧管MBCP的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的MBCP的等高线图，头灯系统具有经抛光的PCA电弧管。
图6是PCA的同线传输对粒度的曲线图。
图7是显示为在同一系统中的石英电弧管MBCP的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的MBCP的等高线图，头灯系统具有平均粒度为约50微米的PCA电弧管。
图8是显示为在同一系统中的石英电弧管MBCP的百分数的、作为电弧管直径和电弧管壁厚的函数的头灯系统的MBCP的等高线图，头灯系统具有经抛光的蓝宝石电弧管。
本发明优选实施例的详细说明
如在此所用的那样，当给定了诸如5-25或5到25的范围时，这意味着优选地至少为5，并且个别地和独立地，优选地至多为25。
参考图1，显示了反射灯或头灯10，其包括反射器12和陶瓷电弧管14，反射器12是如本领域所已知的并且可为抛物线式的、椭圆形的、自由形态的或非成像的反射器或任何其它的光学系统，陶瓷电弧管14可在玻璃护罩16内。灯10还包括电气式地与电极22，24连接的导电体18，20。导电体18固定到导线支架26的弯曲端部上，导线支架26以传统的方式与基座连接。电弧管14包括陶瓷的透光管28，其优选地为圆柱形，但是可为两端开口的任意伸长形状的中空管，所述开口由第一支脚(leg)30和第二支脚32至少部分地塞住，两个支脚优选地为圆柱形。支脚30，32可为陶瓷的，但是可为其它材料，诸如钼、其它难熔金属或它们的合金或陶瓷和金属的组合物，诸如金属陶瓷。导电体18，20可具有由钨、钼、铌和/或如本领域所已知的其它材料制成的部分。图1是示意性的，并且除了关于透光管28外，显示了传统的和已知的反射灯、护罩、陶瓷电弧管和相关结构，诸如在US 2005/0007020 A1、US 2004/0174121 A1、US5,998,915、US2004/0108814 A1、US6,404,129 B1和WO 2004/051700A2中所已知的，它们的内容通过引用结合在本文中。支脚30，32和导电体18，20可为不同的材料、零件、构造和布置，并且可包括附加的零件和特征，并且可以不同的方式进行密封，所有这些都是如本领域所已知的那样。例如，支脚30，32可由钼制成(参见US2005/0007020 A1的图3)或者是可包括钼管道(参见US2005/0007020A1的图7、图9和图13)。本发明针对管28和它的直径、厚度、陶瓷材料和表面光滑度。
图2的陶瓷电弧管34可用于反射灯10。电弧管34具有对应于透光管28的陶瓷透光管40、对应于第一支脚30的第一支脚36、对应于第二支脚32的第二支脚38、对应于导电体18，20的导电体42，44和对应于电极22，24的电极46，48。如本领域所已知的那样，陶瓷密封化合物50可用来密封支脚内的导电体。管28和40优选地是多晶氧化铝(PCA)或高度密实的、一般为各向同性的多晶陶瓷，诸如钇铝石榴石(YAG)、氧化钇、尖晶石或氮氧化铝(AlON)，或者是单晶陶瓷，诸如蓝宝石或单晶YAG。
对于透光管28和40而言，小的壁厚和小的内直径分别减小了散射的量和光源的有效尺寸，并且因此改进了所发明的陶瓷反射灯中的电弧管的性能。对于在透光管直径上的每0.2mm的减小，相比于标准光学系统中的标准石英灯，汽车头灯的聚焦的亮点强度都改进了约3％，并且改进了全部光束输出约1％。图3a和图3b显示了相比于标准光学系统中的石英电弧管的在PCA电弧管的电弧管直径和电弧管壁厚之间的关系。管28和40的内直径应如热和应力设计考虑所允许的那样小，并且优选地小于3.0、2.8、2.6、2.5、24、2.3、2.2、2.1、2、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、14、1.3、1.2、1.1、1mm，并且优选地至少为0.8、0.9或1mm。
管28，40的壁厚应如热和应力设计考虑所允许的那样小，并且管28，40的壁厚优选地小于1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3mm，并且优选地至少为0.25mm。弧隙(arc gap)可例如为4.2mm或如本领域所已知的其它距离。较小的壁厚和内直径(和/或随同此处所公开的其它改进)的联合益处可产生具有以下的相当量(至少90％，优选地为至少92％、94％、95％、96％、98％、99％或更优选地为100％)的陶瓷电弧管：(a)用于光束的主穿过区中的驱动光束的、需要在25m距离处的20勒克司(lux)最小值的、ECE规章98说明书细目3和7限定的聚焦的亮点强度(在下文中和权利要求中为″聚焦的亮点强度″)，和(b)相比于根据欧洲的ECE规章99的具有2.6mm内直径、1.8mm壁厚和4.2mm弧隙的额定尺寸的灯型号D2的标准石英HID汽车头灯的总光束输出(total beam output)，即从头灯系统投射到路上的总流明。
多晶陶瓷材料固有地拥有大量的体积散射晶格点，这可来自残余孔隙度和晶粒边界。体积散射晶格点越多，通过陶瓷的电弧的图像传输越差，这将不利地影响光学系统中的陶瓷电弧管的性能。还为本领域所已知的是，PCA传输以小于约5微米的非常小的颗粒和当它们接近单晶时的大的颗粒得到改进。最差的PCA传输在约5-20微米的粒度范围内出现，如用于PCA的传输对微米级的粒度的曲线图图6所示。典型地，半透明的PCA具有20-40微米的平均粒度，其中个别的颗粒在尺寸上的变化高达60微米。PCA中的体积散射可通过使用具有大于20、40、50、80、100或130微米或在5微米以下的平均粒度的陶瓷而减小。当粒度增加时，体积散射晶格点的数量减少，晶粒边界的截面面积减少并且大部分陶瓷变得较少散射。对于较小的粒度而言，减小了在晶粒边界的折射的影响，并且减少了体积散射。本领域所众所周知的是，多晶陶瓷的粒度可通过等于或接近烧结温度的附加热处理或改变氧化铝的掺杂物而增加。以烧结温度的附加热处理可将PCA的平均粒度从25微米增加到约100或130微米，同时具有同质的尺寸分布并且没有过大的颗粒生长。图7显示了具有50微米的平均粒度的PCA电弧管的MBCP性能。相比于图3b，相比于典型的头灯反射器系统中的ID＝2.0mm和壁厚＝0.4mm的PCA管的典型情况的标准的PCA，这相当于对于汽车头灯光束图案(beam pattern)性能的对聚焦的亮点强度的15％的增长和对全部光束输出的5％增长。平均粒度还可通过本领域所已知的各种处理工艺而产生为小于5微米。优选地，管28，40中的多晶氧化铝PCA陶瓷的粒度或平均粒度小于5微米，更优选地，小于3微米，更优选地小于1微米或大于20微米，更优选地大于30、40、50、60、70、80、90、100、110、120微米。
具有各向同性的物理性能的高度密实的多晶陶瓷电弧管材料的选择，诸如YAG(钇铝石榴石)、尖晶石(MgAl2O4)或氧化钇(Y2O3)，还可减小在陶瓷的体积内的散射并且这些材料因此还可用于电弧管。在氧化铝中，体积散射由在随意定向的颗粒结构内的不同材料折射率的结晶方向之间的光的双折射部分地驱动。使用在所有方向具有接近恒定或恒定系数的陶瓷材料可减小体积散射的这个起因。如果制作高密度陶瓷，则多晶YAG的使用典型地产生了比粒度受控的PCA更少的散射。这可产生大于20％的实际同线传输测量(real in-line transmission，RIT)(这是优选的)，其中RIT是在用于具有入射光的单色波长的0.8mm的样品厚度的约0.5°的孔径张角上进行测量的。用于本发明的具有各向同性的物理性能的优选的高度密实的多晶陶瓷电弧管材料的RIT优选地大于20％，更优选地大于30％、40％、50％、60％、70％或80％。在头灯应用中，使用具有低体积散射的多晶YAG的增加的益处显示在图4中，其作为在同一系统中的石英电弧管的性能的百分数显示了头灯系统中的变化的尺寸的经抛光的YAG电弧管的性能。
由单晶陶瓷材料制成的电弧管可用于透光电弧管材料，因为它实质上不含有体积散射晶格点，是完全密实的，并且不含有晶粒边界。能传送可见光的任何单晶陶瓷(诸如蓝宝石或单晶YAG)都可用作陶瓷的透光电弧管材料。已显示的是，可使用蓝宝石陶瓷电弧管获得在半透明的PCA电弧管上的约20％的MBCP的增加。图8作为在同一系统中的石英电弧管性能的百分数显示了头灯系统中变化的尺寸的经抛光的蓝宝石电弧管的MBCP性能。
其中光所经过(内表面和外表面二者)的管28，40的表面粗糙度由陶瓷的多晶亚结构(其可包括表面处颗粒的随机定向)和来自形成和处理的表面形状人为结果造成，而表面粗糙度可在表面处造成光散射，这扭曲了电弧图像，并且对性能是有害的。表面粗糙度可以Ra值(表面特征的高度的算术平均量度)进行介绍。所希望的是，减小Ra值，因此降低了表面粗糙度，因此降低了表面散射，并且改进了性能。其中光在其途中穿出电弧管的陶瓷管28和40的内表面和外表面的Ra值优选地小于500、400、300、200、150、120、110、100、80、75、70、60、50、40、30、25、20、10或5nm。表面轮廓测量法测量和传输测量是从被抛光到不同的表面粗糙度水平的YAG盘进行的，其显示的是，以在Ra75nm以下的粗糙度水平防止了传输的重大损失(约10％)。这些测量是：Ra为0.78nm、9.60nm、68.11nm、136.47nm和1171.17nm的粗糙度水平分别具有84.22％、83.88％、76.02％、63.98％和1.18％的传输百分数。光度的测量对此进行了支持，并且显示的是，相比于具有Ra>300nm的未抛光的表面，将内表面和外表面二者抛光到Ra<100nm可改进收集的效率，即，从光学系统收集的光，该光学系统使用在陶瓷电弧管内的标准光源，陶瓷电弧管将在宽的光学径角性(etendue)范围上光的5-20％聚焦到电弧管的有限的光学径角性测量系统内。光学射线跟踪模拟显示的是，对于用于典型的头灯反射器系统中的具有ID＝2.0mm和壁厚＝0.4mm的PCA管的典型情况的汽车HID头灯应用而言，该改进转化为聚焦的亮点强度的5-10％的增加和全部光束输出的2-4％的增加。图5显示了相比于标准头灯系统中的石英电弧管的经抛光的PCA电弧管的MBCP性能。
管28和40的表面可以是光滑化的或经抛光的，并且Ra值以各种机械的、化学的和其它抛光方法进行降低，诸如使用与待抛光表面产生了有力的接触的磨料微粒的机械抛光或使用可溶解或移除表面缺陷的酸或溶剂的化学抛光。用于抛光诸如PCA的硬质陶瓷的有用的机械抛光方法使用了悬浮在溶液中的磁性磨料微粒，使用变化的磁场旋转磁性磨料微粒。这对抛光小形状的或复杂形状的内表面是非常有用的，这是由于使磨料微粒与表面产生接触的力是以磁力的方式施加的，而无需外部的物理接触。磁性抛光是本领域所已知的；参见Yamaguchi和Shinmura的″Study on a New Internal FinishingProcess by the Application of Magnetic Abrasive Machining″，Trans.Jpn.Soc.Mech.Eng.，Vol.60，No.578,1994。如果进行制作陶瓷电弧管的陶瓷形成/处理方法使用自由表面或别的高度光滑的表面来形成电弧管的内表面，则陶瓷电弧管的内表面可在制作的期间给予小于100nm的Ra。这将是有用的，因为用以抛光陶瓷电弧管的外表面的方法较简单并且更加灵活。
本发明的陶瓷电弧管对汽车HID头灯是尤其有用的，并且还可用于录像投射灯、医学灯、显示照明、光纤照明和其中不希望有散射光而希望有良好控制的光束图案的其它应用，或者是用于其中光学系统的尺寸或重量或成本可通过减小光源的有效尺寸而减小的应用。
尽管本发明已经参考优选的实施例进行了介绍，但是本领域技术人员应明白的是，可不背离本发明范围地对其元件作出各种改变以及用等同物进行替换。另外，可不背离本发明实质范围地作出许多变型，以使具体情形或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不局限于为实施本发明而构思出的作为最佳方式公开的具体实施例，而是，本发明将包括落在附加权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于高强度放电灯的陶瓷电弧管，所述电弧管包括多晶氧化铝陶瓷透光管和一对隔开的电极，所述陶瓷透光管具有选自以下群组的两个或两个以上特征：(a)小于2.6mm的内直径，(b)小于1.4mm的壁厚，(c)大于20微米或小于5微米的平均粒度，和(d)具有小于100nm的Ra值的内表面或外表面。
2.如权利要求1所述的电弧管，其特征在于，所述透光管具有选自所述群组的三个或三个以上特征。
3.如权利要求1所述的电弧管，其特征在于，所述透光管具有所述群组的全部四个特征。
4.如权利要求1所述的电弧管，其特征在于，所述电弧管进一步包括至少部分地塞住所述透光管的第一端的第一支脚和至少部分地塞住所述透光管的第二端的第二支脚。
5.如权利要求1所述的电弧管，其特征在于，相比于根据欧洲的ECE规章99的具有2.6mm内直径、1.8mm壁厚和4.2mm弧隙的额定尺寸的灯型号D2的标准石英高强度放电汽车头灯，所述电弧管提供了聚焦的亮点强度或总光束输出的至少90％。
6.一种反射灯，包括如权利要求1所述的电弧管和反射器。
7.一种用于高强度放电灯的陶瓷电弧管，所述电弧管包括陶瓷透光管和一对隔开的电极，所述陶瓷透光管由高度密实的、一般为各向同性的多晶陶瓷制成，所述陶瓷透光管具有选自以下群组的两个或两个以上特征：(a)小于2.6mm的内直径，(b)小于1.4mm的壁厚，(c)大于20％的实际同线传输，和(d)具有小于100nm的Ra值的内表面或外表面。
8.如权利要求7所述的电弧管，其特征在于，所述陶瓷透光管由钇铝石榴石、氧化钇、尖晶石或氮氧化铝制成。
9.如权利要求7所述的电弧管，其特征在于，所述透光管具有选自所述群组的三个或三个以上特征。
10.如权利要求7所述的电弧管，其特征在于，所述透光管具有所述群组的全部四个特征。
11.一种用于高强度放电灯的陶瓷电弧管，所述电弧管包括陶瓷透光管和一对隔开的电极，所述陶瓷透光管具有选自以下群组的两个或两个以上特征：(a)小于2.6mm的内直径，(b)小于1.4mm的壁厚，和(c)具有小于100nm的Ra值的内表面或外表面。
12.如权利要求11所述的电弧管，其特征在于，所述陶瓷透光管是单晶陶瓷透光管。
13.如权利要求12所述的电弧管，其特征在于，所述单晶陶瓷是蓝宝石或单晶钇铝石榴石。
14.如权利要求11所述的电弧管，其特征在于，所述透光管具有所述群组的全部三个特征。
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