CN102124541A - 高压放电灯 - Google Patents

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Abstract

高压放电灯(2)没有电极并且借助微波来激励。声学谐振控制等离子体流动并且使其稳定化。该稳定化通过放电容器的特定形式来辅助。为此，陶瓷的、纵向伸展的放电容器划分为具有至少几乎恒定的内直径(ID)的中间部分以及两个端部，该放电容器的内直径朝向端部减小。

Description

高压放电灯
发明领域
本发明基于根据权利要求1的前序部分所述的高压放电灯。
背景技术
从WO 2008/048978中已知了调制的微波灯。
类似的谐振驱动的灯从US 5 508 592和US 6 737 815中已知。在此，没有电极的放电容器总是圆柱形带半球形倒圆的角。
发明内容
本发明的任务是：提供一种微波激励的高压放电灯，其具有小的颜色波动和良好的维护性。
该任务通过权利要求1的特征部分解决。
特别有利的扩展方案从从属权利要求获得。
根据发明介绍了没有电极的、通过RF或者微波激励的高效率的高压放电灯，其对流以声学方式来控制并且其因此是等离子体稳定的。这种高压放电灯的特征在于小的颜色波动以及良好的维护性。
具有电极的现代陶瓷金属卤化物灯具有以下问题：在电极上的损耗比较高。通过电压降(Fallspannung)以及通过向灯连接部或者馈电线的散热的电极损耗在功率平衡方方面为损耗的10％至20％、典型地平均为损耗的15％。
已知的金属卤化物填充物适用作放电容器的填充物，放电容器尤其包含具有如下的金属卤化物的填充物，该金属卤化物从Na的碘化物、Li的碘化物、Tl的碘化物、Ca的碘化物、稀土族金属(SE)的碘化物中单独或组合地选择。该系统尤其适于以下填充系统：NaJ、TlJ、CaJ2结合SEJ3，其中SE为元素Tm、Ce、Pr、Nd中的至少一种。
特别是在使用含Na/Li的和/或含Ce/Nd/Pr的金属卤化物填充物的情况下熔融物在电极的通过区域中发生或强或弱的分解，这导致颜色质量和光产量的改变。典型地由钨制造的电极不可避免地在(也具有小的电流负荷的)灯工作的情况下经受钨剥蚀，这导致电极返回燃烧以及燃烧器壁的变黑。由于电极返回燃烧以及填充物迁移造成这样的灯的寿命结束。
至今，陶瓷的金属卤化物放电灯带有电极地工作。这种灯的没有电极的工作在商业上局限于用于投影应用的具有低的光产量的小功率石英容器或者局限于带有强化冷却的典型为至少250W的高功率。在该工作中实际上没有使用对流的永久性声学影响用以等离子体稳定化。只有当等离子体稳定化在燃烧器中产生微小的热应力时，在任意定向中的通用的工作在具有小功率的陶瓷容器的情况下才是可能的。
为了更好地理解本发明，阐述以下内容：
为了借助声学谐振工作，有利地使用具有金属卤化物填充物的陶瓷放电容器。为了保证可以在120lm/W至175lm/W之间的范围中的高效率，已表明的是：必须有针对性地改进热学条件。为此，必须针对不同的额定功率而有针对性地驱动声学感生的对流，该对流按照确定的规则借助放电容器的表面来确定比例。由此可以强制执行新型的热学条件，其将效率长时间稳定地设置在典型为140lm/W至150lm/W的水平上。
目标是实现长时间稳定的多单元对流(Mehrzellen-Konvektion)。于是，这可以在大的额定功率范围上被维持。为此关键的是：确定比表面的区域并且关注其准则。为此，合适的特征量是功率密度。
通过描述针对表面相对于所使用的额定功率的比例的确定比例规则可以配置用于不同的功率等级和光通量等级的陶瓷放电容器。
本发明有针对性地调整填充气体的有针对性地借助声学模式受影响的放电等离子体中的对流流动。填充气体的该流动引起朝向放电容积的端部的附加的热流。这引起端部的加热以及冷点的加热。为了限制该加热必须设立有效的端部冷却，使得放电容器的端部和冷点不受过强地加热。
为了能够在纵向的声学模式中驱动金属卤化物灯，放电容器的几何尺寸应该具有至少2的所谓纵横比AV。纵横比优选地在3.5至6的范围中，尤其AV等于4.5至5.5，特别合适的是4.6至4.8的纵横比AV。纵横比是放电容器的内部长度和内直径之间的比例。放电容器具有纵轴并且基本上为圆柱状的。放电容器也可以稍微在中间鼓起。譬如在US 6 400 100中公开了这种灯的工作方式。
优选地使用与内容积有关的圆柱状的放电容器。放电容器具有外部的外壳面以及外部的端面或至少倾斜面。外部的外壳面加上外部的倾斜面和端面限定了总的外表面OSUM。如果将额定功率P与该总的外表面OSUM联系，则证明的是：为了高效率，这样限定的特定额定功率PS＝P/OSUM必须达到值17W/cm2至25W/cm2，而同时必须将内部表面上的内部壁负荷保持为高。该壁负荷应该至少达到28W/cm2。
为了理解本发明必要的是：想象地将放电容器相对于纵轴横向地划分为三个区段。在此，边界是放电容器的曲率改变。中央的中间区域限定了放电等离子体在其中延伸的热的等离子体区段，该中间区域具有小的曲率改变，该曲率改变优选为零，即内直径是恒定的或者仅仅少量改变(在内部长度上的变化小于15％)。该中间区域在工作中相对热。在该等离子体区段的区域中的壁负荷应该优选地在28W/cm2至45W/cm2的范围中。该等离子体区段的外表面以OH来表示。
引起冷却的在后的端部的表面(包括倾斜面或端面)以OK来表示。因为放电容器具有两个端部，所以必须考虑两个端部的表面。通常，两个端部对称，使得每个冷却的表面具有OK的一半。
当与OH关联的弧区段在工作中达到为至少28W/cm2的高的壁负荷W时，冷却则特别有效，然而总的表面积OSUM、即OH和OK之和具有17W/cm2至25W/cm2的明显更小的特定额定功率。换言之，在端部的区域中的表面OK必须足够大。OK和OH之间的比例VH优选地为0.75至1.00。该比例特别优选地在VH等于0.85至0.90的范围中。可以通过技术手段譬如在OK的区域中的涂层来修改VH。
本发明的优点是耐久的、高效的、陶瓷的小功率高压灯系统和中等功率高压灯系统的譬如借助有效的微波激励方法的实现可能性。因此可以实现特别紧凑的灯系统。
现在可以使用少Hg的以及没有Hg的填充物而对金属电极和金属通过区域没有损害。现在，对流的声学配置使用具有成锥形的端部的纵向伸展的放电容器。在放电容器上有利地存在内陷部(Einstülpungen)。该布置允许在同时小的热应力的情况下在空气中或在真空外灯泡中的高负荷的燃烧器工作，因为放电等离子体通过在燃烧器内部中所设置的对流被保持并且与陶瓷壁的接触可以被尽可能地稳定化和最小化。
尤其借助可调制的半导体高频发生器来驱动灯，该发生器优选为具有在50MHz至5GHz的频率范围中的适配网络和耦合施加器的微波(WM)发生器(在AB/C、D、E、F等级工作中的或者在针对不同的工作状态可转换的等级中的放大器电路)。优选的是典型地在200MHz和3GHz之间的范围、特别优选地从500MHz起，使得弧稳定化出现到燃烧器轴上。这通过使用声学感应的弧校直效应来实现。为此，周期性地激励第二方位谐振频率。特别优选的是，通过借助施加偶数的纵向谐振频率的驻波场调节声学感应的多单元结构来实现等离子体的混匀(Durchmischung)。
对载波频率(典型地为200MHz至3GHz)的调制通过幅度调制来进行，使得第二方位谐振频率以10ms至1ms的周期被周期性地过扫描(überscannt)，更确切地说从f中心-□f到f中心+□f；其中0.5kHz＜＝□f＜＝15kHz，典型地为5kHz。
作为另外的选择，可以将其他的调制与该调制叠加(例如通过对调制频率求和)，其他的调制在功率谱中产生激励线，该激励线在灯起动之后的施加阶段
Figure BPA00001310584700041
中以大约50Hz/sec至1kHz/sec的速率从起动频率f起动行进至在水平位置中测量的纵向谐振频率(典型地相距0.05kHz至2.5kHz)以下的位置中的停止频率，其中起动频率f起动在大约1.25*flong_hor-1.3*flong_hor(在水平工作中纵向谐振的位置)位于水平位置中的纵向谐振频率(优选为第二纵向谐振频率)以上，并且该激励线对应于电学总功率的3％至35％的线功率的功率部分。在此，稳定地设置并且长时间地将声学感应的多单元对流结构稳定化。在此，在随后被最优激励的纵向声学谐振的驻波场的压力波节点的位置上出现关于灯中心对称地设置的两个或者更多个等离子体收缩。
根据用于激励纵向谐振的线功率的功率部分，线功率可以在持续工作中经受另外的调制或者扫描运动(Sweepbewegung)。
作为填充成分使用
TlX、ZnX2、Al2O3、InX、InX3、HfX4、SnX2、MnX2、MgX2、ZrX4、TaX5、HgX2、CsX、NaX、DyX2、GaX3、CeX3、NdX3、PrX3、TmX3、ErX3、HoX3、DyX3、GdX3、TbX3、CaX2、ReX3、WX3、WOX、ReOX、S、Se、Te、Ge、Ga中的一种或者多种，其中X＝I、Br、Cl、F。
使用元素金属及其混合物同样是可能的。
所有的惰性气体Ar、Ne、Kr、Xe以及N2、CO2、CO、H2、D2和其混合物适合用作气体。
压力范围可以为0.1毫巴(冷)至300巴(热)。在工作中，压力优选地为0.5巴至30巴。
容器可以由陶瓷的(PCA、Y2O3、AlON、ALN、Zr2O3)或者玻璃陶瓷的材料譬如凝固的高温焊料(金属氧化物诸如Y2O3、Al2O3、Ce2O3、SiO2、Dy2O3、CaO等等的二元的或三元的共晶混合物)构成或者由(石英)玻璃容器或混合的材料系构成。
灯的内直径ID可以优选地为0.1mm至15mm，优选地最高为10mm。内部长度IL可以优选地为0.35mm至90mm、优选地至50mm。
壁厚度典型地在大约0.1mm至3mm的范围中。
附图说明
在下文中将根据多个实施例进一步阐述本发明。附图示出了：
图1示出了具有放电容器的高压放电灯；
图2示出了合适的放电容器的不同的实施例；
图3示出了合适的放电容器的另外的不同实施形式；
图4详细地示出了高压放电灯的系统；
图5示出了在50W功率的情况下比照不同的谐振频率绘制纵横比的图表；
图6示出了在100W功率的情况下比照不同的谐振频率绘制纵横比的图表；
图7示出了具有高压放电灯的完整系统。
具体实施方式
图1示意性地示出了没有电极的放电灯1。该放电灯在其本质上是陶瓷灯。由Al2O3陶瓷构成的放电容器2具有给定的内直径ID譬如为2mm以及给定的内部长度譬如为10mm。填充物包含诸如NaJ、NaBr、InBr、InJ、CeJ3、CeBr3、Xe、HgJ2和Hg。
灯借助具有条状导体耦合器3的系统驱动，该条状导体耦合器3具有在WM放大器上的移相器/拉姆达(lambda)/2迂回线路(平衡-不平衡变压器(balum))。MW频率为900MHz。至灯中的功率设置为25W。用于扫描的调制频率为110kHz至125kHz，并且AM频率为45kHz。线频率的调制强度为19％。
图2示出了不同的、特别良好地合适的、纵向伸展的放电容器，其具有纵轴A和缩窄的端部。在此，纵横比AV、即比例IL/ID至少为2、优选地至少AV等于3.5。优选地通过AV＝8来给定上限。在端部6上的缩窄部在1/8IL至1/5IL的典型长度上伸展。
在图2a的最简单的实施形式中，放电容器21配备有圆柱状的中间部分5。两个端部部分6成锥状，从而使得在轴A中达到最大的内部长度IL。
替代锥状缩窄部，根据图2b的放电容器也可以扁平缩窄，使得该放电容器在轴附近具有横向于轴的端部面7，但是该端部面具有减小的内直径DIE。该减小的内直径典型地为中间部分5的内直径ID的30％至65％。
内直径的减小也可以通过合适的弯曲曲线16(见图2c)实现，但是也可以按照阶梯17的方式(见图2d)来实现。具有转折点的弧形曲线14也适于直径的减小(见图2e)。
在根据图3的第二基本实施形式中，放电容器的直径的减小通过至少一个、尤其两个内陷部或隆起部来实现或辅助。因此实现：在轴A外得到最大的内部长度IL。而在轴A中得到减小的内部长度ILR。在此，横向于轴A的总的端部面在逐渐变细的隆起部的情况下(图3b)近似为0％，或者该端部面在30％至65％的范围中(图3a)。
图3a示出了如下实施例，其中中央的内陷部19设置在放电容器的端部上。在轴A外部设置有近似平面的端面20。在图3b的实施例中设置有内陷部19，其中并非直的端面而是弯曲的缩窄部22引起内直径ID的减小。于是，放电容器具有两个端侧的尖端21，其指向外部。
在根据图3c的一个特别的实施形式中，中间部分25并不具有直径恒定的直管，而是该中间部分轻微凹形地弯曲，在中间具有最大值IDM。但是，在端部处的内直径的差不应该超过最大值IDM的10％。在该实施例中没有端面。
通常3至6的纵横比AV是特别合适的，该纵横比非常有利地为AV等于4.5至5。
具有减小的内直径的端部结构用于将对流单元流动稳定化。在此，具有减小的直径的端部区域的轴向长度应该尽可能短。其应该优选地为最大内部长度IL的最大30％。于是，其对于调节在端部上的温度梯度而言作用重大。
在可见光谱范围中透明的涂层40也辅助性地起作用(见图2d)，该涂层具有至少ε＝0.55的提高的发射率。因此，中值在1μm至3μm的范围中。该范围一般表示为NIR(近IR)。该涂层应该至少施加在冷却的端部区域的一部分上。
图4示出了高压放电灯系统1的基本实现。核芯件是起声学谐振器作用的陶瓷放电容器2，其在此是带扁平的端部的锥形。实用的实施是：放电容器单件式地构建为具有锥形端部的箭筒状管6。箭筒本身具有恒定的内直径ID。通过第二首先开放的端部引入填充物。然后以匹配的栓塞7也将第二端部封闭，栓塞成形为使得该栓塞在其锥形形状方面对应于第一端部。在此，栓塞的外直径与开放的端部的直径ID匹配，使得可以借助玻璃焊料封接部8来密封该端部。
栓塞具有操纵部分47，可以事后在进行了装入和密封之后切去或者在造型方面修改该操纵部分，例如通过激光切割或者通过机械磨蚀，见箭头。
在两侧上围绕锥形端部放置有螺旋状缠绕的施加器9。该施加器分别与条状导体3连接。该连接用13来表示。还通过介电的光反射器11来使该系统完整，该光反射器凹形地弯曲并且将灯保持在其中心。
该系统避免了伴随毛细管和电极结构的使用而来的高的端部损耗。该端部损耗在输入功率的10％至15％的量级中变动。
根据发明的新的容器形式提供了在放电等离子体中的气体对流的声学多单元激励。在此，对以下条件单独地或者组合地予以关注是有帮助的：
总的灯功率P(以W为单位)和总的外表面OS之间的比例应该在15W/cm2至30W/cm2的范围中、优选地在17W/cm2至25W/cm2的范围中。特别合适的是P/OS＝18W/cm2至22W/cm2、尤其19.5W/cm2至21W/cm2的值。
总的灯功率P(以W为单位)和中央部分的外表面OSZ之间的比例(在没有具有减小的直径的端部的情况下)应该在25W/cm2至65W/cm2的范围中、优选地在28W/cm2至45W/cm2的范围中。特别合适的是值P/OSZ＝30W/cm2至40W/cm2、优选地34W/cm2至38W/cm2。
端部(其中总括两个端部)之间的外表面(包括可能的端面)与中央的中间部分的外表面的比例应该在75％至125％的范围中。优选的是值85％至90％。
内部表面的总的壁负荷应该优选地在30W/cm2至45W/cm2、优选地至42W/cm2的范围中。特别优选的是36W/cm2至41W/cm2的值。
图5和6示出了针对50W的灯功率(图5)和100W的灯功率(图6)的纵横比AV的选择。比照不同的声学谐振频率(以kHz为单位)的位置绘制了纵横比。除了记录了第一方位谐振频率和第二方位谐振频率以及第一径向谐振频率之外，还记录了第二纵向谐振频率和第四纵向谐振频率。
所表明的是，第一方位谐振是不合适的。与其说第一方位谐振建设性地起作用，不如说其破坏性地起作用。第一方位谐振示出了强烈的弧扭曲，使得其激励可以引起该弧熄灭。
此外，距第二纵向谐振和第四纵向谐振的足够的距离是必要的。该距离应该为至少5kHz。
在纵横比为至少2、更优地为至少3.5的情况下，即使在壁负荷不同和功率水平不同时，也实现了可用的声学谐振的足够的可选择性。
在选择同样对于较大的功率范围有效的唯一的设计的情况下，应该尽可能在AV等于4至6的范围中选择纵横比。上边界尤其由此给定：当第二纵向谐振频率达到大约为19kHz的听觉阈限时(见图5和6中的箭头)。
端部部分的轴向长度的具体下边界是中间部分的长度的10％。放电容器的优选实施形式在放电容器的端部上具有直的端面，或者端面甚至向内弯折。以该方式可以将在那里形成的对流单元附加地稳定化。
图7示出了高压放电灯系统，其具有放电容器30和电源31以及包含辅助点燃辅助电路33的EVG 32。
在工作中将50MHz至3GHz的RF用作载波频率，其中尤其通过幅度调制(AM)来周期性地激励第二方位谐振频率。
优选地，作为另外的调制将偶数的纵向谐振频率、优选为第二纵向谐振频率或第四纵向谐振频率施加到该频率。
对载波频率的调制特别优选地以10ms至1ms的周期性来进行。

Claims (12)

1.一种高压放电灯系统，其没有电极并且借助高频电磁波、尤其是无线电频率(RF)、优选地借助微波来激励，该高压放电灯系统具有陶瓷的、纵向伸展的、带有轴A的放电容器，其中放电容器具有填充物，当无线电频率功率(RF)从基本体出来耦合输入到该填充物中时，该放电容器形成等离子体，其中该填充物包括气体和至少一种金属卤化物，其中配备有用于驱动灯的电路，该电路提供无线电频率功率，使得耦合输入的无线电频率功率将该金属卤化物蒸发，这引起光发射，其特征在于，放电容器针对借助等离子体流动的声学调制控制的工作特定地通过放电容器划分为具有至少几乎恒定的内直径ID的中间部分以及两个端部的方式来设计，其中放电容器的内直径朝向端部减小。
2.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，在紧邻放电容器处设置有基本体，其中灯基本体包括介电材料。
3.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，在放电容器的中间M中内部长度IL与内直径ID的纵横比AV为至少2、优选地为至少3.5。
4.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，总的灯功率P(以W为单位)与总的外表面OS之间的比例在15W/cm2至30W/cm2的范围中。
5.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，总的灯功率P(以W为单位)与中央部分的外表面OSZ(没有具有减小的直径的端部)之间的比例在28W/cm2至45W/cm2的范围中。
6.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，端部之间的外表面与中央的中间部分的比例在75％至125％的范围之间，其中所述端部总括两个端部并且包括可能的端面。
7.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，内表面的总的壁负荷在30W/cm2至45W/cm2的范围中。
8.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，灯气氛的填充压力在工作中为0.5巴至30巴。
9.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，放电容器的填充物包含来自组Na、Li的金属卤化物和/或来自组Tm、Nd、Pr、Ce的金属卤化物。
10.根据权利要求1所述的高压放电灯系统，其特征在于，在工作中将50MHz至3GHz的无线电频率用作载波频率，其中通过幅度调制(AM)周期性地激励第二方位谐振频率。
11.根据权利要求10所述的高压放电灯系统，其特征在于，作为另外的调制将偶数的纵向谐振频率、优选地为第二纵向谐振频率或第四纵向谐振频率施加到所述频率。
12.根据权利要求11所述的高压放电灯系统，其特征在于，以10ms至1ms的周期性来对载波频率进行调制。
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