CN101866812A - 高强度放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度放电灯，包括：放电容器；可电离材料；以及各自具有嵌入部分和电极轴的至少两个电极。电极的电极轴中的各个包括：布置在嵌入部分和尖端之间的增厚部分；在嵌入部分和增厚部分之间延伸的第一轴段，第一轴段具有第一长度和第一轴直径；在电极的增厚部分和尖端之间延伸的第二轴段，第二轴段具有第二长度和第二轴直径。增厚部分具有大于第一轴直径和第二轴直径中任一个的总直径，从而具有分别高于第一轴段的比表面和第二轴段的比表面的比表面，且布置成以便限制由散热引起的在内壁处的电极轴温度。增厚部分离内壁具有最小为第一轴直径的至少50％的距离，第二轴段长度是第二轴直径的至少100％，且第一长度至多等于第二长度。

Description

高强度放电灯

技术领域

本发明涉及高强度放电(HID)灯，更具体地讲涉及具有适于温度限制的电极的放电灯。

背景技术

高强度放电灯的电极构造由为了进行适当的电极运行而必须同时满足的多个要求支配。灯必须可靠地启动，且灯必须在稳态状态下正确地工作。电极的启动状态和稳态运行方式为合适的电极结构设定了不同的且常常是矛盾的约束条件。

在灯运行的启动(即点火)和增亮过渡阶段期间，电极运行通过辉光和具有相差数量级的电流的辉光-电弧过渡模式。对于长期的有用的产品寿命，这些过渡阶段必须尽可能短，以便降低由于来自放电等离子体的重型粒子轰击引起的溅射以及由于电极材料的接近或者有时甚至超过其熔点温度的过度的蒸发率而造成的电极劣化。在电极运行的这些过渡阶段的过程中，在灯中产生放电等离子体，且大体需要从等离子体到电极有足够的能量传递。传递的能量将电极加热到高达一定温度，在该温度下，由电场协助的热离子电极放射提供灯的所需接通电流，以使其保持工作，且然后使其进入稳态状态。

一旦电极被加热到它们的稳态工作温度，就必须适当地调节电极的空间温度分布，以在它们与放电等离子体的交界区域处提供所需的放电电流。另一方面，必须不仅跨越电极正面而且还沿着电极轴线建立合适的温度梯度，以避免电极材料的过度蒸发，闪烁，电弧锚点运动，以及使电极足点(footprint)过热。

涉及具有高的接通、增亮和/或稳态工作电流的高强度放电灯的电极，且特别是用于汽车应用的高强度放电灯的电极的这组要求甚至更苛刻。在用于汽车应用的高强度放电灯的情况下，存在对电极轴直径、电极尖端几何结构和定位所设定的额外限制，这些限制与光学投影系统(汽车的头灯)中的灯的性能有关。另外，对“即时光”产生和“热重启”能力的要求意味着在灯运行的启动和增亮过渡阶段期间的强大的灯电流和强大的电极过载。在灯增亮期间，大体以70W至90W的功率来加热汽车头灯，该功率在大约30秒内逐渐降低到35W，以达到额定的稳态灯功率值和灯运行状态。结果在这个增亮阶段期间，电极主体的相当大部分在与稳态状态相比高得多的温度处运行。这会引起极高的电极足点温度，而周围的放电容器壁温度较低：接近非运行的灯的温度值。在容器壁中、热的电极足点处以及越过此点(即在负责使放电容器以真空密闭的方式闭合的密封区(箍缩密封区)中)的高的空间和时间温度梯度，在包围电极的密封件的玻璃中引起极高的热诱导的机械应力水平。当灯被反复地启动及然后关闭时，这些热诱导的高机械应力会在这些箍缩或收缩密封区中产生裂纹和裂纹传播。这会导致形成泄漏槽，且又会导致损失放电室的填充气体和剂量组分，从而最终使灯不工作。这种短命的灯会严重影响产品寿命性能和可靠性，从而使得道路安全也会受到不利的影响，而且会增加车辆维护成本。

从现有技术中得知，高强度放电灯的电极通常具有靠近电极尖端的线圈结构。这种线圈构件的任务一部分是要帮助点火，而一部分是要通过增强的辐射冷却，沿着电极的轴线，且特别是在靠近电极尖端的区域中，设定适当的轴向温度梯度。

例如在US 4,105,908公开了具有这种线圈布置的金属卤化物灯。通过使用在钨轴上包括开式钨线圈的电极来使这种已知的灯的辉光-电弧过渡加速，该线圈包括两层复合线材，该两层复合线材通过以开式卷绕的方式在芯体上进行过紧卷绕，且然后将两层复合线材以闭式的方式卷绕在轴上而制成。虽然这种结构会减小在启动时的闪烁，且会缩短辉光-电弧过渡时间，但是所公开的线圈结构放置得相对较靠近电极尖端，这与由汽车行业为高强度放电灯设定的可应用的标准相抵触。从而，不能在此技术领域中使用这种已知的灯。

US 4,232,243中公开了一种高压放电灯。这种高压放电灯的电极优选地包括布置得相对靠近电极尖端的钨线圈，该布置具有与以上所述相同的缺点。

US 4,893,057中另外公开了一种HID灯。这种已知的HID灯结合了提供电弧到电极尖端的迅速过渡的“全金属”电极。该电极在尖端端部处包括具有闭合地缠绕的线圈的一定长度的涂钍钨线材，从而使得电极尖端的迅速加热促进电弧从线圈裂隙到尖端的迅速过渡。再次，线圈相对靠近电极尖端，且专门有助于点火，而不是也限制电极足点处的温度。

目前在用于汽车应用的高强度放电灯中使用的电极具有更简单的几何结构。这些电极在电极轴上不具有线圈构件，至少在电弧室内部绝对不具有线圈构件。这是因为这些灯必须符合一些额外的约束条件，这些约束条件基本与其中使用了这些灯的头灯/投影反射器的光学设计有关。与这种光学考虑有关的严格的约束条件和这些灯的放电容器的非常紧凑的几何结构，一般不允许将额外的构件布置在电极轴上的尖端处及靠近该尖端。电极的轴向温度分布由以下(三者)之间的功率平衡来支配：与放电等离子体相接的电极尖端处的输入功率、电极轴的圆柱形侧表面上的辐射和传导/对流冷却，以及朝向电极足点区域的越过轴截面的传导功率损失。

同样在本领域中普遍已知的是，可在高工作电流的高强度放电灯的电极上使用线圈，以降低电极足点处的玻璃壁上的热负载。与以上所述的靠近电极轴的尖端而定位的线圈相反，这种线圈位于放电室的外面，且由放电室的壁材料包围，即线圈“箍紧”到放电室端部区处的玻璃-金属密封件的大块玻璃材料中。尽管此线圈结构具有增大电极足点表面且从而降低在包围绕有线圈的电极段的玻璃上的每单位表面的功率负载方面的优点，但是高强度放电灯产品中不常使用这种线圈结构。关于此的一个原因是在包围玻璃壁中的线圈构件的微通道中有剂量损失。在灯运行期间，剂量组分慢慢地自放电室向外迁移，并填充密封件中的电极上的线圈周围的微通道。这种剂量迁移的结果是灯参数的逐渐改变。这是因为电弧室中的剂量的量及其温度(“冷点温度”)是确定灯的电气参数和光学参数(特别是金属卤化物灯的颜色性能和光通量)的重要因素。由微通道中的显著的剂量损失所引起的灯性能的这种逐渐-且常常很迅速-的改变是无法接收的。

包围密封件中的电极上的线圈的微通道中的剂量损失的另一个结果是微通道中的剂量贮存的积聚。因为例如金属卤化物剂量成分的热膨胀系数可以比包围通道的石英玻璃的热膨胀系数大出数量级，所以可能会由于石英玻璃和贮存中的金属卤化物剂量成分之间的这种热膨胀不匹配引起的机械应力而产生裂纹。最后，灯可能会变得泄漏和不工作，或者甚至可破裂。

因此，特别需要提供一种具有这样的电极的高强度放电灯：该电极通过沿着放电容器内的电极轴的增强的散热(主要是通过辐射，以及额外地通过经由放电容器中的周围的放电气体和蒸气进行的对流/传导)来限制电极足点的温度。还需要比具有嵌入式线圈的结构更简单的足点温度限制结构。进一步需要提供具有在指向放电容器的中心区域的电极尖端部分附近没有额外元件的电极结构的这种灯。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种高强度放电灯，其包括：-具有包围放电空间的壁的放电容器；-包含在所述空间中的可电离材料；以及-至少两个电极，该至少两个电极各自具有嵌入部分和自放电容器的壁延伸且以电极的尖端结束的电极轴，电极布置在所述空间中，以在所述尖端之间建立电弧；其中，电极的电极轴其中各个都包括：-布置在电极的嵌入部分和尖端之间的增厚部分；-在嵌入部分和增厚部分之间延伸的第一轴段，该第一轴段具有第一长度和第一轴直径；以及-在电极的增厚部分和尖端之间延伸的第二轴段，该第二轴段具有第二长度和第二轴直径；并且，其中增厚部分具有大于第一轴直径和第二轴直径中的任何一个的总直径，从而具有分别高于第一轴段的比表面(specific surface)和第二轴段的比表面的比表面，且布置成以便限制由散热引起的在内壁处的电极轴温度；以及增厚部分离内壁具有最小为第一轴直径的至少50％的距离，第二轴段的长度是第二轴直径的至少100％，而第一长度至多等于第二长度。

可在具有高的接通、增亮和/或稳态工作电流的高强度放电灯中优选地使用所提出的电极结构。所提出的电极几何结构可特别适用于汽车应用的高强度放电灯。本发明具有优于现有技术的优点，即布置成靠近内壁的增厚部分确保了对电极的足点的有效冷却，同时电极轴的剩余部分不受影响，从而允许其用于不希望在电极尖端周围有额外元件的应用中。

附图说明

现在将参照附图对本发明进行详细地描述，其中：图1是高强度放电灯的一个优选实施例的纵截面图；图2是图1所示的电极结构的放大的示意性截面图；以及图3至10是电极结构的另外的优选实施例的示意性截面图。

具体实施方式

首先参看图1和2，显示了具有电极结构的一个示例性实施例的高强度放电灯1。高强度放电灯1包括具有包围放电空间的壁2的放电容器和包含在所述空间中的可电离材料。

至少两个电极3布置在灯中，电极3各自具有借助于放电容器的箍缩密封或收缩密封区5优选地密封到壁2中的嵌入部分4。电极3还具有自内壁2延伸到尖端7的电极轴6。电极布置在放电空间中，以在尖端7之间建立电弧。

电极3的电极轴6其中各个包括：-在电极3的嵌入部分4和尖端7之间的增厚部分20；-在嵌入部分4和增厚部分20之间延伸且具有第一长度X和第一轴直径D1的第一轴段11；以及-在电极3的增厚部分20和尖端7之间延伸且具有第二长度Y和第二轴直径D2的第二轴段12。增厚部分优选地形成为布置在电极轴6上的线圈。

假定D1和D2不一定要彼此不同，增厚部分20具有大于第一轴直径D1和第二轴直径D2中的任何一个的总直径D。因为增厚部分20具有较大的直径，所以增厚部分20还具有高于第一轴段11和第二轴段12的比表面的比表面。在此上下文中，总直径表示完全围绕的直径，即与电极轴平行且包围增厚部分20的最小的虚拟圆柱体的直径。在此上下文中，比表面意思是给定电极段的段表面/段长度的比率。由于增厚部分20的较高的比表面，所以增厚部分20会限制由散热(主要是由辐射，且另外是由通过周围气体和放电容器中的蒸气发生的对流/传导)引起的在内壁2处(即在电极足点处)的电极轴6温度。

为了实现所提出的电极结构的期望作用，增厚部分20不准接触放电容器的内壁2，但必须优选地布置成靠近内壁2。这样，借助于电极轴6的增强的散热，即借助于在放电容器端部部分处的容器壁2和较热的电极轴6之间的增强的热交换，来实现电极足点的局部温度限制，而不会对增厚部分20周围的壁2产生任何负面的、集中过热作用。我们的实验显示，增厚部分20应当与内壁2隔开最小为第一轴直径D1的至少50％的距离。在此上下文中，最小距离意思是从增厚部分的最靠近内壁2的点到内壁2的距离。这种最小距离将消除与壁2和增厚部分20的不必要的接触有关的可制造性和定位精确性考虑，同时仍然确保电极足点的局部温度限制功能。另外，增厚部分20应当与电极的尖端7间隔开，以便确保静电弧，即，以便避免由尖端7和增厚部分20之间的弧“跳”造成的闪烁作用。我们的实验显示，如果第二轴段的长度Y为第二轴直径D2的至少100％，则会避免闪烁作用。为了电极足点的局部温度限制，且为了电极尖端7处的电弧稳定性，以及为了使放电容器的中心区域没有额外的电极构件，第一长度X应当至多等于第二长度Y。

因此，所提出的电极结构在电极轴上具有增厚部分20。增厚部分20优选地形成为设置在电极轴上的线圈元件。但是，与现有技术的电极结构相反，此增厚部分20全部位于电弧室内部，且根本不与放电容器壁进行任何直接接触。增厚部分20必须放置得尽可能靠近电极足点。这样，就可以消除如一般的现有技术的论述中所描述的、具有由放电容器的壁材料覆盖的线圈的电极结构的缺点。从而可避免在线圈周围的玻璃-金属密封件中产生和传播微裂纹。

同时，电极轴6的足点的温度被限制，即电极轴6通过增厚部分的表面上的主要辐射性功率损失而被高效地冷却。在灯的启动和增亮阶段期间，该主要辐射性冷却作用是最高效的，此时电极轴6的温度由于电极的电流过载而在增厚部分的区域中也高得多。这样，对于所提出的电极结构，降低了在电极足处的放电室壁上的热负载，因为使通过电极轴6朝足点传导的功率降低了增厚部分20上的主要辐射性功率损失的量。

另一方面，由于所提出的电极结构的增厚部分20是与电极的尖端7间隔开的，所以电极轴6的正面的温度在灯的稳态工作状态下基本不受增厚部分20的影响。这与现有技术的结构相反，在现有技术的结构中，线圈定位成靠近电极轴的尖端区域。除了未改变的电极尖端温度分布之外，所提出的结构还可以容易地满足与电极的尖端部分有关的光学限制，因为靠近尖端的电极轴的几何结构不受增厚部分20的影响。

增厚部分20的尺寸必须进行调节，以便满足对电极足点处和电极尖端处的温度所设定的同时的要求、对电极尖端区域的几何限制，以及可制造性和定位精确性限制。增厚部分20必须在启动和增亮阶段期间确保高的所需的(主要)辐射性功率损失，以及在稳态状态期间确保降低了更多的最优消散功率损失。

在一个优选实施例中，第二长度为第二轴直径D2的至少150％，优选为其至少200％。这个离尖端7的间隔使能够更加集中地冷却电极足点，同时在尖端7周围的电极参数受更小的影响。

在所描绘的实施例中，通过应用沿着其长度具有一致的直径的电极轴6，第一轴直径D1和第二轴直径D2是相等的。然而，D1和D2也可以是不相同的，同时增厚部分20总是具有大于第一轴直径D1和第二轴直径D2中的任何一个的总直径D。

增厚部分还可在电极轴6上形成为准轴向对称(axiallyquasi-symmetric)的主体。图3至10描绘了电极轴6上的准轴向对称的主体的示例性实施例。该主体可单独地制造且例如通过焊接将其固定在电极轴6上，或者该主体可与电极轴6整体地制造。该主体可具有加肋的或不平坦的表面，以便进一步增大比表面，从而产生电极足点的更加有效率的冷却。增厚部分21可为圆柱形主体，如图3所示。图4中描绘了设有圆肋31的圆柱形增厚部分22。该主体还可具有球形、椭圆形或圆锥形形状。图5中显示了具有椭圆形主体的增厚部分23。

在一个特别优选的实施例中，增厚部分的主体具有朝壁2渐缩的形状，该渐缩的形状优选地遵从放电容器的内壁2的形状。图6和7分别以夸大的形式显示了这种增厚部分24和25。必须以这样的方式来选择增厚部分24和25的尺寸：即避免电弧管本身的任何可制造性问题，例如增厚部分24和25必须在对容器的端部区进行密封之前，装配和滑入放电容器的端部区的孔中。图6中的增厚部分24具有椭圆截面的形状，其具有基本平行于放电容器的内壁2而延伸的外壁。图7中的增厚部分25设有圆肋32，圆肋32的边缘基本遵从放电容器的内壁2的形状，即壁2和肋32的边缘之间的距离对于所有的肋32差不多相同。这些实施例具有两个主要的优点。第一，增厚部分24、25以基本均匀的方式加热壁2，从而避免放电容器的局部过热。第二，增厚部分24、25可布置成尽可能地靠近壁2，同时提供最大可能的比表面，从而确保高的散热效率，且使放电容器的中心区没有任何额外的电极元件。这在例如汽车应用中是非常重要的，在汽车应用中，可适用的标准可能会禁止在灯的中心区域中添加特殊的电极元件。

在又一个优选实施例中，增厚部分形成为电极轴6上的线圈，该线圈优选地焊接到电极轴上，更优选地熔融到电极轴上。图8中可以看到这种熔融增厚部分26。借助于焊接或熔融结构，增厚部分26和电极轴6的接触表面之间的热传递得到提高，而且实现了更加刚性的构造。如图9所描绘，形成增厚部分27的线圈可为多层线圈，优选地在其面向尖端的一侧上比在其面向嵌入部分4的一侧上具有更多层的绕线。增厚部分可以与在电极尖端7处形成现有技术的线圈基本相同的方式，在电极轴6的表面周围非常容易地形成为线圈。渐缩的线圈结构具有与图6和7的实施例相似的优点。

以上所述的电极结构的实施例允许将现有技术的电极制造技术应用于电极尖端。如图10所描绘，除了增厚部分20之外，第二轴段12可在尖端处设有另外的加厚部33。另外的加厚部33优选地形成为从现有技术中已知的线圈，该线圈可焊接到第二轴段12上，更优选地熔融到第二轴段12上，并且甚至可成形为例如球形。该另外的加厚部33可与增厚部分的任何实施例一起使用。

电极轴和增厚部分可由现有技术中使用的任何合适的材料制成。具有添加剂(比如，例如ThO2、稀土氧化物)的钨，或者无添加剂的钨，或者包含例如钾、铝和/或硅的钨合金，都适合用于电极轴和增厚部分两者。对于增厚部分，也可使用具有较低的熔融温度的材料，例如钼、铼、锇和/或其具有或没有钨作为额外的合金添加剂的合金。

以上所述的电极构造特别适于具有高的接通、增亮和/或稳态工作电流的高强度放电灯，且更尤其适于用于汽车应用的高强度放电灯。所提出的电极构造提供了改进的可靠性和较长的产品寿命。通过降低电极足点处的放电容器的壁上的热负载，从而降低在灯被反复地打开和关闭时在包围电极的放电容器的壁中产生和传播裂纹的可能性，来实现这些益处。

包括最佳模式的本书面描述使用实例来公开本发明，而且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括具有与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (15)

1.一种高强度放电灯(1)，包括：

-具有包围放电空间的壁(2)的放电容器；

-包含在所述空间中的可电离材料；以及

-至少两个电极(3)，所述至少两个电极(3)各自具有嵌入部分(4)和自所述放电容器的壁(2)延伸且以所述电极(3)的尖端(7)结束的电极轴(6)，所述电极(3)布置在所述空间中，以在所述尖端(7)之间建立电弧；

其中，所述电极(3)的所述电极轴(6)中的各个包括：

-布置在所述电极(3)的所述嵌入部分(4)和所述尖端(7)之间的增厚部分(20-27)；

-在所述嵌入部分(4)和所述增厚部分(20-27)之间延伸的第一轴段(11)，所述第一轴段(11)具有第一长度(X)和第一轴直径(D1)；以及

-在所述电极(3)的所述增厚部分(20-27)和所述尖端(7)之间延伸的第二轴段(12)，所述第二轴段(12)具有第二长度(Y)和第二轴直径(D2)；

其特征在于：

所述增厚部分(20-27)具有大于所述第一轴直径和第二轴直径(D1，D2)中的任何一个的总直径(D)，从而具有分别高于所述第一轴段的比表面和所述第二轴段的比表面的比表面，并且被布置成以便限制由散热引起的、所述内壁(2)处的所述电极轴(6)的温度；以及

所述增厚部分(20-27)离所述内壁(2)具有最小为所述第一轴直径(D1)的至少50％的距离，所述第二轴段(12)的长度(Y)是所述第二轴直径(D2)的至少100％，且所述第一长度(X)至多等于所述第二所述长度(Y)。

2.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述第二长度(Y)为所述第二轴直径(D2)的至少150％。

3.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述第二长度(Y)为所述第二轴直径(D2)的至少200％。

4.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述第一轴直径(D1)和所述第二轴直径(D2)彼此相等。

5.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述增厚部分(20-27)形成为准轴向对称的主体。

6.根据权利要求5所述的高强度放电灯，其特征在于，所述准轴向对称的主体具有加肋的表面，以进一步增大其比表面。

7.根据权利要求5所述的高强度放电灯，其特征在于，所述准轴向对称的主体具有球形、圆柱形、椭圆形或圆锥形形状。

8.根据权利要求5所述的高强度放电灯，其特征在于，所述准轴向对称的主体具有渐缩的形状。

9.根据权利要求8所述的高强度放电灯，其特征在于，所述准轴向对称的主体的所述渐缩的形状遵从所述放电容器的内壁(2)的形状。

10.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述增厚部分(20，26，27)形成为所述电极轴(6)上的线圈。

11.根据权利要求10所述的高强度放电灯，其特征在于，所述线圈焊接或熔融到所述电极轴(6)上。

12.根据权利要求10所述的高强度放电灯，其特征在于，所述线圈是多层线圈。

13.根据权利要求12所述的高强度放电灯，其特征在于，所述线圈在面向所述尖端(7)的一侧上比在面向所述嵌入部分(4)的一侧上具有更多层的绕线。

14.根据权利要求1所述的高强度放电灯，其特征在于，所述第二轴段(12)在所述尖端(7)处设有另外的加厚部(33)。

15.根据权利要求14所述的高强度放电灯，其特征在于，所述另外的加厚部(33)形成为焊接或熔融到所述电极轴(6)上的线圈。

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