CN102164446A - 高压脉冲发生器、高压放电灯和点燃单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于螺旋脉冲发生器的紧凑型高压脉冲发生器，其特征在于，螺旋脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件或者高温共烧陶瓷部件，其由陶瓷膜和施加到其上的、金属导电胶或金属膜形式的金属化物构成。此外，本发明还涉及一种高压放电灯和一种基于这种高压脉冲发生器的点燃单元。

Description

高压脉冲发生器、高压放电灯和点燃单元
本发明申请是申请日为2006年12月22日的、申请号为200680047990.8(国际申请号为PCT/EP2006/069375)以及发明名称为“具有改进的点燃性能的高压放电灯以及高压脉冲发生器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明基于高压放电灯。这种灯尤其是用于通用照明或者用于光学照相目的或者用于车辆照明的高压放电灯。此外，本发明还涉及一种高压脉冲发生器，该高压脉冲发生器尤其可以用于灯。
背景技术
高压放电灯的点燃的问题目前通过以下方式来解决：点燃装置被集成到镇流器中。这带来的一个缺点是，馈电线必须耐高压地设计。
过去，一再尝试将点燃单元集成进灯中。在此尝试将点燃单元集成到灯头中。一种特别有效的和有希望实现特别高的脉冲的点燃借助所谓的螺旋脉冲发生器来实现，参见US-A 3 289 015。很久之前，这种装置在不同的高压放电灯如金属卤化物灯或者高压钠灯中被建议，参见例如US-A 4 325 004、US-A 4 353 012。然而。它们并不能实施，因为一方面它们太贵，另一方面，将其装入灯头中的优点并不充分，因为保留了引起灯泡中的高压的问题。因此，灯损坏的概率，无论是绝缘问题或者灯头的破裂，都强烈增大。目前常用的点燃装置通常不能被加热超过100℃。所生成的电压随后必须被输送给灯，这要求具有相应高压耐受性(典型为大约5kV)的线路和灯保持器。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种高压放电灯，其点燃特性相对于迄今的灯明显得到改进，并且不担心由于高压引起的损坏。这尤其适于金属卤化物灯，其中放电容器的材料可以是石英玻璃或者陶瓷。
该任务通过一种具有放电容器的高压放电灯来解决，其中该放电容器安置在外灯泡中并且通过支架保持在那里，其中点燃装置集成在该灯中，该点燃装置在灯中生成高压脉冲，其中该点燃装置安置在外灯泡中。
此外，本发明的任务是提供一种紧凑的高压脉冲发生器，其中螺旋脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件，或者实施为由陶瓷膜和金属导电胶构成的高温共烧陶瓷部件。
根据本发明，现在借助特定的耐高温的螺旋脉冲发生器生成点燃灯所需的至少1.5kV的高压脉冲，该螺旋脉冲发生器被集成在外灯泡中的放电容器的紧邻的附近。由此，不仅可以冷点燃而且也可以热再点燃。
现在使用的螺旋脉冲发生器尤其是所谓LTCC部件。这指的是，由具有LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics低温共烧陶瓷)能力的陶瓷来制造。这样的材料是一种特殊的陶瓷，该陶瓷可以被制为耐高达600℃的温度。虽然LTCC已经与灯结合地被使用(参见US 2003/0001519和US-B 6 853 151)，然而，针对完全不同的目的，LTCC被使用在实际极少遭受温度负荷的、具有100℃以下的典型温度的灯中。LTCC的与高压放电灯(如特别是具有点燃问题的金属卤化物灯)的点燃相关联的高温度稳定性的特殊值，在现有技术中不能被得到。
螺旋脉冲发生器是一种部件，其将电容器的特性与波导的特性相结合用于生成具有至少1.5kV的电压的点燃脉冲。为了制造，具有金属导电胶的两个陶瓷“生膜”被压印，接着错位地绕成螺旋形，并且最后均衡地挤压为成型体。接着在800℃至1100℃之间，尤其在800℃至900℃之间的温度范围的空气中进行金属胶和陶瓷膜的共烧。这样的处理允许螺旋脉冲发生器的典型高达700℃的温度负荷的使用范围。由此，螺旋脉冲发生器可以在外灯泡中安置在放电容器的直接附近，也可以安置在灯头中或者安置在灯的紧邻的附近。
然而，为了制造螺旋脉冲发生器，也可以使用具有金属导电胶的陶瓷“生膜”，该生膜属于HTCC材料(High Temperature Co-fired Ceramics(高温共烧陶瓷))的烧结温度的区域。它们例如是Al2O3、ZrO2等。该类材料在1100℃到1800℃之间的高温范围中被致密地烧结。
烧结也可以在氮气(N2)、氩气(Ar)或者氢气(H2)或者它们的具有不同的气体组分和混合比的混合物中进行。
为了制造螺旋脉冲发生器，优选可以使用陶瓷生膜，该生膜在烧结之后具有ε为5至20000的相对介电常数(D.K.)。这能够实现螺旋电容器的很大的电容并且此外还能够实现所生成的高压脉冲的比较大的宽度。对介电常数的实际上合适的值是ε＝10至100。
由此，很紧凑的结构变得可能，这能够实现将螺旋脉冲发生器直接装入灯的外灯泡中或者装入其灯头中。此外，高的脉冲宽度还有利于放电容器的等离子体中的击穿。
优选所有如下胶系都适于作为膜上的金属化物：这些胶系具有至少一种金属成分并且这些胶系在烧结工艺之后传导电流。优选的是，这些金属成分为：Ag、Au、Cu、Mo、Ni、Pt、由Ag和Pd根据组成AgxPd1-x构成的混合物。在此，x优选在0.5至0.99的范围内。
金属化物也可以以金属膜的形式层压到陶瓷基板上。膜的厚度优选在1μm至100μm的范围中。在此，膜可以在成形的绕制工艺之前或者在其期间被施加。
非金属的、对导电的涂层合适的材料系是石墨。
非金属-无机的、用于导电的涂层的材料系是导电的陶瓷或者金属陶瓷。
基本上优选所有的如下陶瓷材料系都适于制造螺旋脉冲发生器：其中通过浆料(Schlicker)可以由这些陶瓷材料系拉出陶瓷生膜。陶瓷材料系(非金属-无机的)在基本状态中具有在εr＝5和εr＝20000之间的介电常数。但是，其中至少一种组分是陶瓷材料系的混合物和材料系也是合适的。尤其是表1中的材料：
表1
Figure BSA00000440896400041
这样的材料选择的优点是：
-高使用温度，使得螺旋脉冲发生器可以装在灯的紧邻的附近，装入其灯头中或者甚至装入灯的外灯泡中；
-小的结构；
-可以省去耐高压的馈电线；
-高的储能能力和随之而来的高点燃脉冲能量；
-用于启动高压放电灯的脉冲宽度可以根据介电常数来提高；所得到的典型脉冲宽度为50至200ns；
-充电电压可以根据匝数提高因子5至200。
具体螺旋脉冲发生器例如由陶瓷LTCC材料制造，具有ε为65。带长度为50cm至110cm。金属化物是由Ag构成的导电胶。所得到的螺旋脉冲发生器例如具有大约1.4cm至2.5cm的外直径。
与此无关地，这种螺旋脉冲发生器也可以用于其他应用，因为它不仅仅高温稳定，而且也极其紧凑。对此重要的是，螺旋脉冲发生器实施为LTCC部件，该LTCC部件由陶瓷膜和金属导电胶构成。为了提供足够的输出电压，螺旋体应该包括至少5匝。
此外，可以基于该高压脉冲发生器提供点燃单元，该点燃单元此外包括至少一个充电电阻和开关。该开关可以是火花隙或者也可以是SiC技术的二端交流开关(Diac)。
在灯的应用的情况下，在外灯泡中的安置是优选的，因为由此省去了耐高压的电压馈电线的必要性。
此外，螺旋脉冲发生器可被设计为使得能够实现高压脉冲甚至能够实现灯的热再点燃。陶瓷构成的电介质的特色在于极其高的介电常数εr(εr＞10)，其中根据材料和结构，ε可以达到典型为ε＝70至100。这提供了螺旋脉冲发生器的很大的电容，并且能够实现所生成的脉冲的比较大的时间宽度。由此，螺旋脉冲发生器的很紧凑的结构变得可能，使得实现装入市场上常见的高压放电灯的外灯泡中。
此外，大的脉冲宽度还使放电空间中的击穿变得容易。
任何常用的玻璃，即尤其是硬质玻璃、Vycor(维克玻璃)或者石英玻璃都可以用作外灯泡的材料。填料的选择也未受特别的限制。
附图说明
以下将借助多个实施例更为详细地阐述本发明，其中：
图1示出了螺旋脉冲发生器的原理结构，
图2示出了LTCC螺旋脉冲发生器的特性曲线，
图3示出了在外灯泡中具有带螺旋脉冲发生器的第三点燃电极的高压放电灯的原理结构，
图4示出了在外灯泡中具有带螺旋脉冲发生器的叠加点燃装置的高压放电灯的原理结构，
图5示出了在外灯泡中具有螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯，
图6示出了在灯头中具有螺旋脉冲发生器的金属卤化物灯，
图7示出了具有装好的火花隙的螺旋脉冲发生器，
图8示出了作为典型螺旋脉冲发生器的时间函数所得到的输出电压的测量。
具体实施方式
图1以俯视图示出了螺旋脉冲发生器1的结构。该发生器由陶瓷圆柱体2构成，两个不同的金属导体3和4螺旋形地绕到该圆柱体中。圆柱体2内部是空心的并且拥有给定的内直径ID。这两个导体3和4的两个内接触部6和7相邻并且通过火花隙5彼此相连。
两个导体中只有较外面的导体在圆柱体的外边缘上拥有另一接触部8。另一导体开放地结束。这两个导体一起形成了具有开放端的波导，其中该波导以介电的媒质(陶瓷)实现。
螺旋脉冲发生器由两个以金属胶涂覆的陶瓷膜绕制或者由两个金属膜和两个陶瓷生膜构建。在此，一个重要的特征量是匝数n，该匝数应优选在5至100的量级。该线圈布置因此被层压并且接着被共烧结，由此形成陶瓷部件，特别是LTCC部件。这样形成的具有电容器特性的螺旋脉冲发生器随后与火花隙以及充电电阻连接。
火花隙本身可以位于内部端子或者外部端子旁，或者也可以位于发生器的线圈的内部。作为初始化脉冲的高压开关，优选可以使用火花隙。此外，耐高温度的半导体开关的使用，优选SiC技术的半导体开关的使用也是可能的。例如，可以使用Cree公司的开关元件MESFET。该开关元件适于高达350℃的温度。
在一个具体的实施例中，使用具有ε＝60至70的陶瓷材料。在此，优选将陶瓷膜、特别是分别由Heraeus提供的陶瓷带如Heratape CT 700或者CT 707或者优选是CT 765，或者其中至少两种的混合物用作电介质。生膜的厚度典型为50μm至150μm。尤其是同样由Heraeus提供的Ag导电胶如“可共烧的银(Cofirable Silver)”用作导体。具体的例子是Heraeus的TC 7303。DuPont的金属胶6142也提供了良好的结果。这些部分可以被良好地层压并且接着被烘烤排胶(“binder burnout”)并且被共烧(“co-firing”)。
具体的螺旋脉冲发生器的内直径ID是10mm-14mm。各个条的宽度同样大约为6mm至9mm。膜厚度为50-80μm并且两个导体的厚度也分别为7μm至12μm。在300V的充电电压的情况下该发生器产生2500V。在该前提条件下，螺旋脉冲发生器在匝数为大约n＝19时达到其特性最优。
在图2中示出了以μs为单位的高压脉冲的关联半值宽度(曲线a)、以μF为单位的部件的总电容(曲线b)、以mm为单位的所得到的外直径(曲线c)，以及示出了效率(曲线d)，以kV为单位的最大脉冲电压(曲线e)和以Ω为单位的导体电阻(曲线f)。
图3示出了具有陶瓷放电容器11和外灯泡12的高压放电灯(尤其是高压钠灯10)的原理结构，其中外灯泡12具有集成在其中的螺旋脉冲发生器13，其中点燃电极14在外部在陶瓷放电容器11附近。螺旋脉冲发生器13与火花隙15和充电电阻16一起安置在外灯泡中。
图4示出了具有集成的螺旋脉冲发生器21的高压放电灯(尤其是金属卤化物灯20)的原理结构，其中未将点燃电极在外部安装在放电容器22附近，其中该放电容器可以由石英玻璃或者陶瓷制成。螺旋脉冲发生器21和火花隙23以及充电电阻24一起安置在外灯泡25中。高压脉冲与灯的工作电压叠加并且通过主电极被输送。
图5示出了具有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡中。第一馈电线26是有小段被弯曲的线。第二馈电线27基本上是杆，该杆通向远离灯头的穿通部28。在来自灯头30的馈电线29与杆27之间设置有点燃单元31，如在图4中所示的那样，该点燃单元包含螺旋脉冲发生器、火花隙和充电电阻。
图6示出了类似图5具有放电容器22的金属卤化物灯20，该放电容器由两个馈电线26、27保持在外灯泡25中。第一馈电线26是有小段被弯曲的线。第二馈电线27基本上是杆，该杆通向远离灯头的穿通部28。在此，在灯头30中设置有点燃单元，更为确切地说不仅设置有螺旋脉冲发生器21，而且设置有火花隙23和充电电阻24。
图7示出了具有装好的火花隙53的螺旋脉冲发生器50的实体实现形式。该螺旋脉冲发生器在火花隙53的内部具有两个电端子，并在外周边上具有一个端子。
图8示出了短路中的具有230V输入电压的陶瓷螺旋脉冲发生器上的输出电压Uout的测量。输出电压Uout表示为时间t(单位ns)的函数。最大输出电压在此示例性地为-1850V。
该技术也可以用于无电极的灯，其中螺旋脉冲发生器可以用作点燃辅助。
该紧凑的高压脉冲发生器的另外的应用在于其他设备的点燃。应用尤其在所谓的魔术球(magischen Kugeln)中，其中有利地产生伦琴脉冲以及产生电子束脉冲。作为对常用的点燃脉冲的替代，使用在车辆中也是可能的。
在此，使用高达500的匝数n，使得输出电压达到100kV的量级。因为，输出电压UA作为充电电压UL的函数通过UA＝2×n×UL×η给定，其中系数η通过η＝(AD-ID)/AD给定。
本发明展现了与用于车辆前灯的高压放电灯的结合中的特别的优点，其中这些高压放电灯填充以优选至少3巴的高压力的氙气和金属卤化物。这些灯特别难于点燃，因为由于高的氙气压力，点燃电压高于10kV。目前尝试将点燃单元的部件安置在灯头中。具有集成的充电电阻的螺旋脉冲发生器可以安置在车灯的灯头中或者安置在灯的外灯泡中。
本发明展现了在结合不含汞的高压放电灯中的非常特别的优点。这种灯由于环境保护的原因而是特别值得追求的。它们包含合适的金属卤化物填充物和尤其是含有处于高压的稀有气体，如氙气。由于没有汞所以点燃电压特别高。点燃电压典型为至少5kV，但是也可以高于20kV。目前尝试将点燃单元的部件安置在灯头中。具有集成的充电电阻的螺旋脉冲发生器可以安置在无汞灯的灯头中或者安置在灯的外灯泡中。
根据上述描述可知，本发明的实施例涵盖但不限于以下技术方案：
方案1：一种具有放电容器的高压放电灯，该放电容器安置在外灯泡中并且通过支架保持在那里，其中点燃装置集成在该灯中，该点燃装置在灯中生成高压脉冲，其中该点燃装置安置在外灯泡中。
方案2：根据方案1所述的高压放电灯，其中点燃装置是支架的一部分。
方案3：根据方案1所述的高压放电灯，其中点燃装置是螺旋脉冲发生器。
方案4：根据方案3所述的高压放电灯，其中螺旋脉冲发生器由耐热材料、尤其是由具有低温共烧陶瓷能力的材料来制造。
方案5：根据方案1所述的高压放电灯，其中由螺旋脉冲发生器产生的高压直接作用到放电容器中的两个电极上。
方案6：根据方案1所述的高压放电灯，其中由螺旋脉冲发生器产生的电压作用到在外安装在放电容器旁的点燃辅助电极上。
方案7：根据方案1所述的高压放电灯，其中螺旋脉冲发生器由多个层构建，其中层的数目n为至少n＝5。
方案8：根据方案7所述的高压放电灯，其中层的数目n最高为n＝500，优选为最高n＝100。
方案9：根据方案1所述的高压放电灯，其中螺旋脉冲发生器具有大致空心圆柱形的构型，其内直径为至少10mm。
方案10：根据方案1所述的高压放电灯，其中螺旋脉冲发生器的介电常数εr为至少εr ＝10。
方案11：根据方案1所述的高压放电灯，其中在外灯泡中此外还安置有串联电阻，其限制螺旋脉冲发生器的充电电流。
方案12：一种具有放电容器和关联的点燃装置的高压放电灯，其中点燃装置生成高压脉冲并且包含螺旋脉冲发生器，其中螺旋脉冲发生器由低温共烧陶瓷材料制成。
方案13：根据方案12所述的高压放电灯，其中螺旋脉冲发生器安置在灯的外灯泡中。
方案14：一种基于螺旋脉冲发生器的紧凑型高压脉冲发生器，其中螺旋脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件，或者实施为由陶瓷膜和金属导电胶构成的高温共烧陶瓷部件。
方案15：根据方案14所述的高压脉冲发生器，其中螺旋体包括至少n＝5匝并且优选最高包括n＝500匝。
方案16：根据方案14所述的高压脉冲发生器，其中陶瓷膜使用以下材料中的至少一种：钛酸盐或者铌酸盐、基于铋的钙钛矿或者钨-青铜。
方案17：根据方案16所述的高压脉冲发生器，其中材料的介电常数在3至21000之间选择，优选在5至20000之间选择。
方案18：一种基于根据方案14所述的高压脉冲发生器的点燃单元，其中该点燃单元此外还包括至少一个充电电阻和开关。

Claims (13)

1.一种基于螺旋脉冲发生器的紧凑型高压脉冲发生器，其特征在于，螺旋脉冲发生器实施为低温共烧陶瓷部件或者高温共烧陶瓷部件，其由陶瓷膜和施加到其上的、金属导电胶或金属膜形式的金属化物构成。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，螺旋体包括至少n＝5匝并且优选最高包括n＝500匝。
3.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，陶瓷膜使用以下材料中的至少一种：钛酸盐或者铌酸盐、基于铋的钙钛矿或者钨-青铜。
4.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器，其特征在于，材料的介电常数在3至21000之间选择，优选在5至20000之间选择。
5.一种高压放电灯，其具有放电容器和相关的点燃装置，其中该点燃装置生成高压脉冲并且包含根据上述权利要求之一所述的基于螺旋脉冲发生器的紧凑型高压脉冲发生器。
6.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋脉冲发生器安置在灯的外灯泡中。
7.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，整个点燃装置安置在外灯泡中。
8.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋脉冲发生器由多个层构建，其中层的数目n为至少n＝5。
9.根据权利要求8所述的高压放电灯，其特征在于，层的数目n最高为n＝500，优选为最高n＝100。
10.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋脉冲发生器具有大致空心圆柱形的构型，其内直径为至少10mm。
11.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，螺旋脉冲发生器的介电常数εr为至少εr＝10。
12.根据权利要求5所述的高压放电灯，其特征在于，在外灯泡中此外还安置有串联电阻，其限制螺旋脉冲发生器的充电电流。
13.一种基于根据上述权利要求1至4之一所述的高压脉冲发生器的点燃单元，其特征在于，该点燃单元此外还包括至少一个充电电阻和开关。
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