CN101743608A - 调光特性增强的高强度放电灯 - Google Patents

Abstract

一种高强度放电灯，包括放电容器(2)，和在放电容器内相对位置上具有彼此面对基本上平坦的端部(16)的两个电极棒(9)。导线(10)的螺旋线圈至少缠绕在电极棒中至少一个的表面的一部分上。螺旋线圈从对应电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔(11)以扩大灯的可调光瓦数范围。

Description

调光特性增强的高强度放电灯

技术领域

本发明涉及一种高强度放电(HID)灯，特别是包括用于增强的灯的调光(dimming)特性的改良电极的HID灯。本发明也涉及这种改良电极的制造方法。

背景技术

大多数市场上可购买到的已知HID灯有几个用途，例如低功率金属卤化物灯用于室内照明应用。HID灯具有不需要预热特性的电极。该灯必须使用冷电极可靠地启动，并在初始和达到稳态操作温度后的整个寿命期间都表现出规定的电和光特性。这些要求对电极设计设置了不同的且经常矛盾的条件。

除了这些要求之外，在灯的光输出必须调整为某减小的值，或者实际情况允许减少灯功率和能量消耗的应用中，调光是大的优点。

最重要的HID灯类型是高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、放电汽车灯、和特殊类型(投影，摄影棚等)灯。在用于室内照明或可能用于车辆照明的HID灯的低瓦数范围内，持续模式调光尤其重要。

传统电极设计只能使调光降至额定瓦数的大约60％，这使得它们不能用于某些应用。

根据US2,887,603和US2,951,171中公开的方案，在灯内使用了一对特殊电极。其中之一包括在锥形腔内的氧化钍发射材料。另一个公开了具有线圈的电极，该线圈为发射材料提供巢从而减少其损失率并因此延长灯的寿命。

在涉及放电灯电极的US3,619,699中，示出了以片状或粒状的形式使用氧化钍作为发射材料。发射材料的蒸汽放气帮助弧末端穿透入电极腔中，这在零电流后的AC再点火期间将等离子体成份注入腔中。这种放气在高压低电流灯中是非常希望的。深度不显著大于末端穿透的深度的腔有助于放气。腔内深处的高温是有利的，其通过在腔组件前端和包围它的冷却器辐射屏蔽之间提供增强的热耦合来达到，同时也通过在腔组件侧面和冷却器屏蔽之间的热绝缘来达到。将发射材料布置在腔的较低部分中有助于更深的末端穿透。避免了使辐射屏蔽突出超过腔组件，因为这种突出会有助于在屏蔽上形成点状弧末端。

该教导暗示了在电极尖端上使用螺旋组件，但是螺旋组件并不真的形成腔。螺旋组件用来给发射材料做贮存器。发射材料没有完全填满该贮存器，而是将该材料保持在合适位置的元件将腔完全填满。由于发射材料的嵌入和大量电极部件，导致制造这种电极也很复杂。

从已公开专利申请US2006/0238127中已知了另一种解决方案，其中放电容器具有设有一对电极的相互对置的第一和第二颈状部分，每个颈状部分沿其整个长度为管状。该文献中公开了棒和螺旋组合，其具有例如棒和螺旋之间的热接触难以控制的一些缺点。因此，利用中间组件将钨管安装在钨棒上来制造该电极。小直径钨管非常昂贵，并且需要非传统的电极制造技术，该技术会进一步增加生产成本并会涉及到主要是亚毫米尺寸电极具有的直径控制问题。

需要具有腔电极的HID灯，该腔电极需要简单且成本有效的制造技术。

最近新出现的需求是，HID灯可使用连续的宽瓦数范围调光。更进一步特别需要通过合适的电极结构来满足这个需求。

发明内容

在本发明的一个典型实施例中，提供了高强度放电灯，其包括放电容器，和在放电容器内在相对的位置上具有彼此面对的基本上平坦的端部的两个电极。导线的螺旋线圈至少缠绕在电极棒中至少一个的表面的一部分上。螺旋线圈从对应电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔以扩大灯的可调光瓦数范围。

在本发明另一方面的典型实施例中，提供了用于高强度放电灯的电极。该电极包括具有基本上平坦端部的电极棒。导线的螺旋线圈至少缠绕在电极棒表面的一部分上，螺旋线圈从电极的所述端部突出，从而形成空心腔以扩大灯的可调光瓦数范围。

最后提供了这种电极的制造方法，该方法包括如下步骤：将至少一个导线的螺旋线圈层的匝缠绕在电极棒表面上，同时螺旋线圈层从电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔。

在该方法的典型实施例中，螺旋线圈层和其匝在压模中压在一起，该压模包括圆柱体、内核和一个或两个同心环形可移动活塞。

本发明相比现有技术具有一些优点。相对于已知的HID灯的可调光瓦数范围，它显著扩大了HID灯的可调光瓦数范围。灯电极的柔性腔形结构提供了更好的发光效率；更好地限定的弧附件，以及由此产生的灯的更稳定的操作。本发明的电极结构能够仅仅对现有制造技术应用小的修改而制造，这又使灯的制造便宜且简单。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明，其中

图1是显示本发明的包括放电容器的HID灯的一个典型实施例的截面侧视图，

图2是显示图1中放电容器的截面侧视图，

图3是显示图1中灯的电极端部的截面侧视图，

图4是显示根据本发明的电极的另一实施例的截面侧视图，

图5是显示电极的又一个实施例的截面侧视图，

图6是显示电极的再一个实施例的截面侧视图，

图7是示意性显示在电极制造中使用的模压装置的截面侧视图，

图8是示意性显示在电极制造中使用的另一模压装置的截面侧视图，

图9是示意性显示模压之后图7的布置的截面侧视图，

图10是现有的灯与本发明的灯的调光瓦数范围的对比图。

具体实施方式

首先参考图1，显示了高强度放电灯，或者通常称为HID灯。该灯具有包括放电容器2的外壳1，放电容器2通过引入线5与夹紧部分6中的电端子4相连。放电容器2包括两个电极3。放电容器2可以由例如石英玻璃形成，当然也可以使用其他合适的材料，例如，多晶氧化铝、钇铝石榴石、AlN。外壳1可以由例如硬质玻璃、石英玻璃、或其掺杂形式形成，以实现容器内的放电所发射的UV辐射的适度过滤。

图2示出了放电容器2。在HID灯中广泛使用的、任何公知的物质，例如稀有气体、钠、金属卤化物、汞或替代汞的材料例如ZnI₂·AlI₃，均可对其进行填充。两个电极3具有在放电容器内相对位置上彼此面对的自由端部。这种布置通常用于其他HID灯。

图3显示了图1的灯的电极7中的一个的端部部分。在图3中，电极棒9由钨或钨合金形成。后者可以包含1-3％重量的选自包括例如钍、铪和铈的组的一种或多种金属的某些氧化物。这种材料通常用于放电灯电极。钨或钨合金导线的螺旋线圈10缠绕在电极棒9中至少一个的表面的一部分上。钨合金导线可以包括与电极棒9的材料相同的添加材料。缠绕有导线的表面部分靠近电极棒9的自由端部，在此处电极棒9终止于朝向放电空间的基本上平坦的端部16。螺旋线圈10从电极棒9的端部16突出。从而形成空心腔11以获得扩大的HID灯的可调光瓦数范围。

图4显示了另一种可选空心电极的端部部分。这与图3中示出的版本非常类似，其不同之处是螺旋线圈10包括两层。第一层17以与图3实施例中相同的方式缠绕在电极棒9上。然而，外部第二层18直接缠绕在第一层17上。这两层17和18一起提供了对于电极热质量更好的设计灵活性并且同时提供了更大的机械稳定性。在这个实施例中也形成了空心腔11，并保证了所需要的工作特性。

接下来图5和图6示出了最后这种两层类型的电极的两个改进实施例。

在图5中，第二层18相对于第一层17朝着电极的自由端部移动。这导致了腔11的不同形状，该形状具有漏斗状加宽喉部。已经有经验证明，这种形状也显著地促进可获得的扩大的可调光范围。腔11的漏斗状加宽喉部实际上包括长度为L1的内部部分和外部加宽部分。空心腔11的总长度是L2。在该所示实施例中，通过第一层17中的导线的半径r2确定喉部中加宽的度量。在这种情况下，该加宽等于r2的四倍，因为两个线圈的导线的直径相同。然而，该加宽可以在第二层18中的线圈的随后的匝中增长同时远离电极棒19的端部16移动。这得到了锥形漏斗状加宽喉部。该可能的实施例并没有通过单独的附图示出。

第二层18中导线的半径r3可以与第一层17中导线的半径r2大致上相同或不同。作为这种尺寸的常用实践规则，建议螺旋线圈的导线的半径r2和r3小于对应圆柱形电极棒9的半径r1的3/5。该规则来自于当前工艺水平的制造技术的制约。

图6显示了以第三层19结束的图5的一个版本。在这种情况下，第二层18也以大于第一层17的长度从对应电极棒的端部16突出。第三层19由钨或钨合金导线形成，缠绕在第一层17和第二层18之间，第三层中的导线的半径小于第一层17和第二层18中的导线的半径。例如，该半径可以通过几何得到优化，即通过半径r2和r3优化。基于这种布置，螺旋线圈10的导线之间的空间能够得到比之前的实施例更好的填充。第三层19可以延伸至第一层17的整个外侧，而不仅仅是与第二层18重叠的部分。发射材料也能够分配在线圈匝之间，而不是以合金的形式将其添加到电极棒或螺旋线圈的材料中。

在制造过程中，实施将至少一个钨或钨合金导线的螺旋线圈层的匝缠绕在电极棒9的表面上的步骤，同时所得到的螺旋线圈层将从电极棒9的端部16突出，从而形成空心腔11。

因此电极7的端部部分由螺旋线圈10形成。这意味着线圈相邻匝之间的电气与机械接触有时会不充分。为了提高接触质量，在制造过程中可以将螺旋线圈层和其匝压在一起。图7示意性示出用于这种目的的模压装置。圆柱体13的内部直径基本上等于第二层18的外部直径，以在模压期间提供支撑。出于同样的原因，将内核14推入腔11中。内核14给第一层17提供内部支撑。在第一层17和第二层18以相同的长度从对应电极棒9的端部16突出的情况中，唯一需要的模压元件是布置在内核14周围的环形活塞15。环形活塞15可沿内核14移动。如果向活塞15施加力F₁，螺旋线圈10的匝开始变形直至某一程度，就像图9所示的那样。结果是更密集的电极端部结构，该结构在灯工作期间更抗放电。

如图9所示，图5的层结构需要不同的模压工具。由于突出长度L1和L2不同，适合在内核14周围放置两个同心环形活塞15′和15″。以彼此独立的方式分别施加对应的力F₁和F₂。

在图10的图表中，对比了不具有腔11的公知HID灯(D1)和根据本发明典型实施例的具有腔11的HID灯(D2)的可调光瓦数范围。这两个HID灯具有相同的额定瓦数值。可以看到的是，D2情况中的可调光瓦数范围起始值比D1情况中低很多。更进一步，D2的1m/W效率也更好。扩大的灯的可调光瓦数范围包括额定瓦数的至少10-100％。通常在额定功率的5-100％的整个范围内可以得到稳定的操作，这使得在额定灯流明输出的1-100％内得到调光能力。使用任何公知HID电极，这都是不可能。

图2的两个电极都是根据本发明实施例的类型。但是也可以使用一个不具有空心腔的传统电极和一个根据本发明实施例的电极。

本发明并不限于已显示和公开的实施例，其他元件、改进和变形也在本发明的范围内。例如，为了本发明的目的，也可以应用电极棒的不同横截面形状，例如多边形横截面，这对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims (21)

1.一种高强度放电灯，包括放电容器和两个电极棒，该两个电极棒具有在放电容器内相对位置上彼此面对的基本上平坦的端部，导线的螺旋线圈至少缠绕在电极棒中至少一个的表面的一部分上，螺旋线圈从对应电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔以扩大灯的可调光瓦数范围。

2.如权利要求1所述的高强度放电灯，其中两个电极棒都设有从对应电极棒的所述端部突出并从而形成空心腔的螺旋线圈。

3.如权利要求1所述的高强度放电灯，其中所述螺旋线圈至少以两层，内部第一层和外部第二层，缠绕在对应电极棒上。

4.如权利要求3所述的高强度放电灯，其中第一和第二层以相同的长度从对应电极棒的所述端部突出。

5.如权利要求3所述的高强度放电灯，其中外部第二层以大于第一层的长度从对应电极棒的所述端部突出。

6.如权利要求3所述的高强度放电灯，其中第三层导线缠绕在第一和第二层之间，第三层的导线的半径小于第一和第二层中导线的半径。

7.如权利要求3所述的高强度放电灯，其中第一和第二层中导线的半径基本上相等。

8.如权利要求1所述的高强度放电灯，其中电极棒是圆柱体形状。

9.如权利要求8所述的高强度放电灯，其中螺旋线圈的导线的半径小于对应电极棒半径的3/5。

10.如权利要求1所述的高强度放电灯，其中灯的扩大的可调光瓦数范围包括额定瓦数的至少10-100％。

11.如权利要求1所述的高强度放电灯，其中发射材料施加到螺旋线圈的匝之间的空间。

12.一种用于高强度放电灯的电极，包括具有基本上平坦端部的电极棒，至少缠绕在电极棒表面的一部分上的导线的螺旋线圈，该螺旋线圈从电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔以扩大灯的可调光瓦数范围。

13.如权利要求12所述的电极，其中电极棒由钨形成。

14.如权利要求12所述的电极，其中电极棒由钨合金形成。

15.如权利要求14所述的电极，其中电极棒的材料是钨合金，该钨合金包含1-3％重量的包括钍、铪和铈的金属的至少一种的氧化物。

16.如权利要求12所述的电极，其中螺旋线圈由钨形成。

17.如权利要求12所述的电极，其中螺旋线圈由钨合金形成。

18.如权利要求17所述的电极，其中螺旋线圈的材料是钨合金，该钨合金包含1-3％重量的包括钍、铪和铈的金属的至少一种的氧化物。

19.一种制造权利要求12的电极的方法，包括如下步骤：将至少一个导线的螺旋线圈层的匝缠绕在电极棒的表面上，该螺旋线圈层从电极棒的所述端部突出，从而形成空心腔。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括如下步骤：在包含圆柱体、内核和环形可移动活塞的压模内将螺旋线圈层和其匝压在一起。

21.如权利要求19所述的方法，进一步包括如下步骤：在包含圆柱体、内核和两个同心环形可移动活塞的压模内将螺旋线圈层和其匝压在一起。

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