CN102334175B

CN102334175B - 高强度气体放电灯

Info

Publication number: CN102334175B
Application number: CN201080010100.2A
Authority: CN
Inventors: K.肖勒
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP5514840B2; EP2401757B1; US9018838B2; US9406497B2; JP2012518881A; WO2010097732A3; US20150221493A1; EP2401757A2; CN102334175A; US20110304266A1; WO2010097732A2

Abstract

本发明描述了一种高强度气体放电灯（1），其包括：放电壳体（5，5’），在放电室（2）中封装填充气体以及包括延伸到放电室（2）中的一对电极（3，3’，4，4’），以及其中，填充气体包括：卤化物成分，包括到至少30wt%总比例的钠的卤化物以及可选地碘化钪、以及到至少5wt%比例的钆和/或铽的卤化物。

Description

高强度气体放电灯

技术领域

本发明涉及高强度气体放电灯。

背景技术

在高强度放电灯中，两个电极之间建立的电弧产生强烈亮光。常常把这种灯简单地称作‘HID’灯。在现有技术HID灯中，放电室含有主要包括在灯工作期间蒸发的一个或更多个其它金属盐和卤化物——通常为碘化钠和碘化钪——的组合以及氙的填充气体。当用于汽车前灯应用中时，HID灯具有优于其它类型灯的大量优点。例如，金属卤化物氙灯的光输出大于可比较的钨卤素灯的光输出。另外，HID灯的寿命显著长于白炽灯。这些和其它优点使得HID灯特别适合于汽车前灯应用。

连同色温一起，通过适当规范（例如，通过欧洲的ECE-R99，其中，‘ECE’代表‘欧洲经济委员会’）在不同国家中规定了这种灯的其它特性，例如工作电压、灯驱动器特性、尺度等。常常，通过它们的称号（例如‘D1’、‘D4’等）简单地引用这些规范中规定的灯。ECE-R99需要例如汽车气体放电前灯传递的光通量至少是2750 lm。然而，发光二极管（LED）领域中的持续发展将会最终允许它们在汽车前灯中的普遍使用。由于LED容易取得5000 K以上的色温，所以应该预期将会相应地调整决定汽车前灯的规范。

汽车灯的色点、或者色温对于安全性是关键的。首先，交通工具的前灯必须为该交通工具的驾驶员充分照亮道路，其次，其它驾驶员不应当经受来自该交通工具前灯的潜在危险眩光。此外，前灯生成的光的颜色由于它影响驾驶员辨识光束路径中对象的能力（也称作辨色）而是重要的。电极尺度由于例如电极厚度可能影响电极温度以及因此还有灯电压，所以也在灯设计中起可观作用。US 2003/0062839 A1描述了选取电极的直径以使得电极在灯工作期间不变得太热的无汞放电灯。

汽车前灯的颜色必须遵从某些标准以确保一致性以及因此也促进驾驶员的安全性。一个这种标准是美国汽车工程师协会开发以定义汽车前灯颜色、以及将会对本领域技术人员是已知的SAE系统。研究已示出了汽车灯的色温应当大大高于4000 K，如使用SAE系统图示出的相应色点的X和Y坐标应当位于或靠近黑体线（与理想黑体辐射器对应的点的轨迹）。汽车前灯的这种色温特性改进辨色以及还有黑暗中对象的识别，因此增加了夜间驾驶中的安全性。这是因为，即使在同样强度下，人眼把色温较高的光——例如发蓝的白光——感知为比色温较低的光（例如色调为黄色的光）亮。这些要求正在导致部分客户对具有提到的高效率而且具有较高色温的氙HID灯的需求增长。灯的色温在很大程度上取决于气体填充物的成分。US 6,841,938 B2描述了填充物包括诸如碘化锂的碱卤化物、以及可以获得4700 K与7500 K之间的色温的陶瓷灯。也可以在设计灯时把灯的最冷斑点温度考虑在内，特别是对于应当可调光的灯。WO 2008/072154例如呈现了用于作为最冷斑点温度的函数确定具体卤化物最大量以避免调光期间过量卤化物的凝聚的公式。

然而，设计灯以产生发蓝的光由于在相等条件下由产生蓝光的灯输出的光通量低于产生黄光的灯的光通量，所以并非必定是直截了当的过程。为此，难以获得传递色温大于4000 K同时光通量级别可接受的明亮白光的灯。在试图取得这种高色温的目前技术水平的D1和D2（基于汞）灯中，观测到直至30%的光输出损耗，使得这些灯的效率不令人满意。其它D3和D4灯（无汞）取得只略微满足规范要求的光输出，例如只有3200+/－450lm的光输出。

因此，本发明的目的是提供色温高以及光通量高的改进高强度放电灯。

发明内容

通过根据权利要求1所述的高强度气体放电灯取得本发明的目的。

根据本发明的高强度气体放电灯包括：放电壳体，在放电室中封装填充气体以及包括延伸到放电室中的一对电极，以及其中，填充气体包括：卤化物成分，包括到至少30 wt%总比例的卤化钠以及碘化钪、以及到至少5 wt%比例的钆的卤化物以及可选地铽的卤化物。此处，对于卤化物或‘金属盐’规定的重量百分比是卤化物成分中该卤化物或金属盐的百分比重量。显然，如果灯实施例中卤化物成分中卤化钠和碘化钪的组合比例是30 wt%，则卤化钆以及可选地卤化铽的比例可以是至多70 wt%。

针对根据本发明的灯的试验已示出了在流明输出中没有任何不利下降的情况下可取得很有利的色温。例如，可以通过很靠近黑体线的SAE坐标获得6000 K区域中的色温。此外，观测到在灯的寿命上维持了根据本发明的灯的有利性能——高色温和高光输出。在简单和经济的解决方案中，因此，根据本发明的灯在制造中有成本效益的同时提供特别高的光输出。

根据本发明的灯的另一明显优点是，通过描述的填充气体，可以通过良好地处于汽车应用需要的蓝色区域中的色温来达到每瓦特很高级别的光输出（流明），即，高级别的效率。诸如碘化钆（GdI₃）的卤化钆以及可选地诸如铽的铽的卤化物（TbI₃）的添加引起可以在此高级别灯效率下达到的色温的显著增加。

有益地，可以在不需要替换任何已有电子器件或配件的情况下使用根据本发明的灯代替现有技术D1－D4前灯，使得可以符合介绍中提到的客户需要。

从属权利要求和后续描述公开了本发明特别有益的实施例和特征。

以下，诸如色温、工作电压、流明输出等的相关初始灯参数根据ECE规范寻求15个小时的灯时限。这是因为在这种灯工作第一个十五小时（视为‘老化’时间）之后获得这些参数。

此外，当在不提到具体卤化物的情况下以下参考金属的卤化物时，应该理解可以使用任何合适卤化物，例如溴化物、碘化物等，然而并非以任何方式限制本发明。

可以通过填充气体各种成分相对量的适当选取由根据本发明的灯取得期望色温。因此根据本发明的灯的填充气体卤化物成分包括到至少5 wt%如上所述比例的钆以及可选地铽的卤化物。此级别可以传递接近5000 K的色温。为了在维持灯高效率的同时进一步增加色温，根据本发明的灯的填充气体更优选地包括至少10 wt%、更优选地至少30 wt%以及最优选地至少50 wt%的卤化钆以及可选地卤化铽。

填充气体的卤化物成分中包括碘化钪允许取得每瓦特有利级别的流明。如已经表明的填充气体中碘化钪和碘化钠的组合量也有助于确保灯的高效率。显然，可以根据需要调整这些金属盐的相对比例。通过大致相等级别的碘化钠和碘化钪，灯的颜色输出在主要允许把色点的x坐标置于较靠近黑体线的同时只经受细微更改。另一方面，在减少碘化钪的相对比例的同时增加碘化钠的相对比例有助于延长灯的寿命保持，即，灯可以在较长寿命上提供相对恒定的流明输出。因此，在本发明进一步优选的实施例中，卤化物成分中碘化钠的比例为至少20 wt%和至多60 wt%，卤化物成分中碘化钪的比例为至少20 wt%和至多40 wt%。

在根据本发明的灯的先前所述实施例中，在不添加碘化锌的情况下取得高色温和高光通量，因而允许色温高和效率高的灯的有利经济实现。为了进一步改进灯的工作性能，可以向填充气体的卤化物成分添加一定量的碘化锌以便提高工作期间的灯电压。碘化锌的合适量可以例如在0.2 wt%与5.0 wt%之间。

如以上所提到的，在汽车应用中非常期望前灯的色温位于靠近SAE表示中的黑体线，如对本领域技术人员将会已知的。通过填充气体中金属盐比例的适当选取，可以获得其色点的x和y坐标位于、或者至少很靠近黑体线的色温。因此，在根据本发明的灯的特别优选实施例中，灯的卤化物成分还包括到至少0.2 wt%和至多5.0 wt%比例的碘化铟（InI）。给定范围中碘化铟的添加有助于即使在6000 K范围中的高色温下也在确保在根据本发明的灯的寿命上维持灯的色点的同时降低色点的y坐标。色点维持意味着色点的x和y坐标在灯的寿命上不显著改变。

通过添加少量稀土或过渡金属的一个或更多个额外盐，可以取得色温的进一步“微调”。因此，在本发明进一步的实施例中，卤化物成分优选地包括到卤化物成分的5 wt%与16 wt%之间比例的镝的卤化物和/或钬的卤化物。此外，卤化物成分优选地还包括一定量——直至10 wt%——的包括镓、镧、钕、钐、铥、钒和钇的一组稀土和过渡金属的一个或更多个卤化物添加剂。此组的合适卤化物实例可以是碘化镝（DyI₃）、碘化钐（SmI₃）或溴化钐（SmBr₃）、碘化钕（NdI₃）、溴化钇（YBr₃）等。这些卤化物添加剂中的一个或更多个卤化物添加剂也可以在它们的离子状态中有益地充当气相发射极。具有来自上述组的可选卤化物添加剂（一个或多个）的镝的卤化物和/或钬的卤化物的组合比例优选地不超过35 wt%。

高压气体放电灯的物理构造、它工作所处的条件、以及灯中填充气体的压力是影响灯的光输出和性能的进一步的参数。因此，在本发明进一步优选的实施例中，选取使用上述卤化物成分的填充气体的成分以及灯的构造参数以使得在通过至少38 V和至多55 V的初始工作电压工作时通过灯得到SAE领域中5500 K至7000 K范围中的色温。在本发明的另一优选的实施例中，填充气体可以包括非工作状态中至少12巴和至多17巴的压力下的氙气。

对于迄今为止的汽车前灯应用，通常使用额定在35W的灯。因此，根据本发明的灯优选地具有35W的额定或标称功率。灯的物理构造特性优选地使得灯的放电室容积至少15μl和至多30μl，而放电室的内径可以优选地在2.2 mm与2.6mm之间，更优选地2.4 mm；放电室的外径可以优选地在5.9 mm与6.3 mm之间，更优选地6.1 mm。在这种灯中，灯的填充气体中的卤化物成分优选地具有至少100μg和至多400μg的组合重量。

然而，根据本发明的灯不限于35W的实现。通过构造参数的适当选取，也可以例如把灯实现成25W的灯。在这种灯中，放电室的容积至少10 μl和至多25 μl，内径优选地大小在2.0 mm与2.4 mm之间，更优选地2.2 mm；而外径大小优选地在4.5 mm与6.1 mm之间，更优选地5.5 mm。在此较低功率实现中，填充气体中的卤化物成分优选地具有至少50 μg和至多300 μg的组合重量。

电极的选取可以决定HID灯中放电电弧的稳定性。稳定电弧的维持由于电极的厚度决定工作期间达到的电极温度（其继而根据镇流器参数确定电极的烧穿和换向行为），所以在很大程度上取决于电极的几何条件，特别是它们的直径。根据本发明的灯的压紧区域内电极的直径因此优选地至少200μm和至多320μm，电极尖端处的直径优选地200μm和至多360μm。可以把电极实现成从尖端至压紧处统一直径的简单柱状，或者可以实现为在尖端处比在压紧处宽。显然，这些尺度应用于烧灼之前电极的初始尺度。

如对本领域技术人员将会已知的，此处所述类型的HID灯中的电极从相对侧突出到放电室中，使得通过小间隙把电极的尖端分开。在根据本发明的灯中，把电极尖端优选地分开至少3 mm和至多5 mm（优选地3.6mm）的真实距离。电极尖端之间的光学间隔（即，如通过内室的玻璃看到的间隔）将会呈现为大于实际间隔。3.6 mm的电极间隔可以例如对应于4.2 mm的光学间隔。

HID灯的电极由于钨的熔点很高（如对技术人员将会已知的），所以通常由钨制成。含有钍的钨电极（称为钍钨电极）相比于纯钨电极而言在它的熔化温度以下的温度工作，使得电极不那么倾向于在工作期间变形。然而，钍与健康和环境风险相关联。钍是在处理中需要防范措施以便避免吸入或摄入的低级别放射性材料，它的使用从环境角度来看也是不期望的。因此，根据本发明的灯的电极可以优选地是无钍的钨电极，即，不包括钍添加剂的钨电极。

HID灯的放电壳体通常由石英玻璃制成。光输出的要求——例如光应当尽可能接近点状——意味着放电室必须小。然而，小尺度的放电壳体可能作为操作期间达到的高温的结果而遭受损坏。因此，在本发明特别优选的实施例中，放电壳体由诸如氧化铝的合适陶瓷材料制成。

如已经表明的，本文中所述类型的HID灯优选地包括把放电室放置在其内的额外外室。此外室还可以封装可以选取其成分以有利地影响流明输出的填充气体，如以上所提到的。此外室可以是透明石英玻璃，或者可以加工它以影响发出光的颜色。因此，在本发明进一步优选的实施例中，把灯的放电室放置在石英玻璃外室内，通过钕的化合物（例如氧化钕（Nd₂O₃））和/或钴的化合物（例如铝酸钴（CoAl₂O₄））加工此外室。这些化合物的作用是吸收操作期间灯发出的黄光。例如，氧化钕具有以580nm波长为中心的强吸收波段，使得此黄光不穿过外室壁。外室的加工可以因此酌情包括制成外室所用的石英玻璃的实际掺杂、或者向外室表面施加的涂覆。

本发明的其它目的和特征将会根据结合附图考虑的以下详细描述变得明显。然而应该理解把图设计为仅用于示例的目的而不作为本发明限制的定义。

附图说明

图1示出了根据本发明第一实施例的气体放电灯的横截面；

图2示出了根据本发明第二实施例的气体放电灯的陶瓷放电壳体的横截面；

图3示出了15个小时烧灼之后根据本发明的D4S灯的色点的SAE图。

在图中，相似的标记通篇是指相似的对象。图中的对象并非必定按比例绘制。

具体实施方式

在图1中，根据本发明实施例示出了石英玻璃气体放电灯1的横截面。基本上，灯1包括：石英玻璃外室6，封装具有含有填充气体的放电室2的放电壳体5。两个电极3、4从灯1的相对端突出到放电室2中。在制造期间，把放电壳体5的石英玻璃压紧在围绕电极3、4的两侧上以把填充气体密封在放电室2中。放电室2的容积（或体积）和热属性受放电壳体5的内径D_内和外径D_外的影响。在最宽点处测量内径和外径D_内、D_外。

电极3、4基本上是根据R99规范彼此分开与4.2mm的光学间隔对应的距离E_sep以及突出到放电室2中的钨柱（钍的或非钍的）。可以把根据本发明的灯的电极实现成从基底至尖端均匀厚度的简单柱体。然而，电极的厚度可以在电极的不同阶段同样变化，以使得例如电极在它的尖端处较厚以及在基底处较窄。在图中描述的实施例中，示出的电极3、4具有直至300μm的外径（直径的此值是烧灼之前的初始值），以及突出到压紧区中距离d。电极3、4通过压紧区中的钼箔30、40连接到外部引线31、41。

图2示出了在此实例中使用陶瓷材料（例如氧化铝）实现的根据本发明的灯的放电壳体5’的替选实现。放电壳体5’的此实施例的尺度由于陶瓷材料的不同温度行为以及由于可以制造这种陶瓷放电壳体5’的方式而可以与图1中示出的尺度不同。例如，通常由成型且热的熔融玻璃以单件制成石英玻璃放电壳体，而图中示出的陶瓷放电壳体5’可以包括组装成确保气密密封的诸如体50和末端插头51的数个单独部分。在此实例中，电极3’、4’示出为通过陶瓷末端插头接续，但是可以包括一个或更多个不同部件。

为求清楚起见，以上的图只示出了与本发明相关的部分。未示出的是灯为控制电极上的电压而所需的整流器和基底。当接通灯1时，镇流器的点火器迅速在电极3、4、3’、4’上以数千伏特冲击点火电压以发起放电电弧。电弧的热量使填充气体中的金属盐蒸发。一旦建立高发光强度的电弧，镇流器就调节功率，以使得电极3、4、3’、4’上的电压相应地降至工作级别，在此实例中，降至38V与55V之间的级别。

由于HID灯1中的电弧生成潜在损伤性紫外线光，可以通过掺杂石英玻璃屏蔽物或包裹物来封装放电壳体5、5’以吸收此辐射。图1中示出了这种外室6。可以使用对技术人员已知的技术，通过向外室6的内或外表面施加例如铝酸钴（CoAl₂O₄）的涂层、或者通过例如用氧化钕（Nd₂O₃）掺杂玻璃本身，加工此外室6。此加工确保吸收黄光，允许灯1发出的光的‘蓝色’的进一步改进。随后使用HID专用光学器件（图中未示出，如，前灯构造中的准直器和反射器）散布和收集穿过的光以便确保把尽可能多的光输出投入使用。由于这些和其他额外组件将会对本领域技术人员是已知的，所以此处不需要更详细地解释它们。

图3示出了描绘了观测色点的x和y坐标的SAE图。实黑线表示色温中可准许范围的限制、或者‘规则’，而断续线BBL表示黑体线。通过分别对应于4000K、5000K、以及6000K色温的虚线T1、T2、T3给出三个相关色温曲线。色点CP_ref对应于在填充气体的卤化物成分中具有52 wt% NaI、37.8 wt% ScI₃、0.2 wt% InI、以及10 wt% ZnI₂的现有技术D4参考灯。此灯取得只有4200 K的色点CP_ref。此外，如从图中可见的，此灯取得的色点CP_ref靠近规则边界，因此不令人满意。色点CP₁对应于在填充气体中具有33 wt% NaI、24 wt% ScI₃、以及43 wt% GdI₃的根据本发明的第一灯。此灯产生5700 K以及色点CP₁靠近黑体线的满意色温。色点CP₂对应于在填充气体的卤化物成分中具有26 wt% NaI、23 wt% ScI₃、以及51 wt% TbI₃的根据本发明的第二灯。此灯产生5800K的甚至更高的色温。色点CP₂还稍微更靠近黑体线，因此传递光通量和色温的满意值。此处描述的第一和第二灯实施例分别传递2850和2800 lm的满意光输出，在约80 lm/W，因而很有利地对比了只传递约70 lm/W以及未能取得满意维持的、试图达到高色温的现有技术灯。具有更靠近6000 K线的较高色温的灯实施例用色点CP₃表示以及对应于在填充气体中具有31 wt% NaI、37 wt% GdI₃、16 wt% DyI₂、以及16 wt% HoI₃的根据本发明的第三灯。此灯在不需要补偿外灯泡填充物的情况下传递特别高的色温（6140 K）和总体有利的光通量（2300 lm）。

虽然已以优选实施例和其上变化的形式公开了本发明，将会理解可以在不脱离本发明范围的情况下向其做出大量额外修改和变化。为求清楚起见，还应该理解本申请通篇“一”或“一个”的使用不排出多个，“包括”不排除其它步骤或元件。

Claims

1.一种高强度气体放电灯（1），包括：放电壳体（5，5’），在放电室（2）中封装填充气体以及包括延伸到放电室（2）中的一对电极（3，3’，4，4’），其中填充气体包括：卤化物成分，该卤化物成分包括

－钠的卤化物以及碘化钪，所述钠的卤化物以及碘化钪的总比例是至少30 wt%，以及

－钆的卤化物以及铽的卤化物，所述钆的卤化物以及铽的卤化物的比例是至少5 wt%。

2.如权利要求1所述的灯（1），其中卤化物成分包括到至少10 wt%比例的钆的卤化物以及铽的卤化物。

3.如权利要求2所述的灯（1），其中卤化物成分包括到至少30 wt%比例的钆的卤化物以及铽的卤化物。

4.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中钠的卤化物包括碘化钠，以及其中卤化物成分中碘化钠以及碘化钪的总比例为至少40 wt%。

5.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中卤化物成分中碘化钠的比例为至少20 wt%和至多60 wt%，填充气体中碘化钪的比例为至少20 wt%和至多40 wt%。

6.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中卤化物成分包括到至少0.2 wt%比例的铟的卤化物。

7.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中卤化物成分包括

－碘化钬和/或碘化镝；

－和/或包括镓、镧、钕、钐、铥、钒和钇的一组稀土金属的一个或更多个卤化物添加剂；

到至多35 wt%的组合比例。

8.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中选取填充气体的成分以及灯（1）的构造参数，以使得在通过至少38 V和至多55 V的初始工作电压工作时通过灯（1）得到5500K至7000 K范围中的色温。

9.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中填充气体包括非工作状态中至少12巴和至多17巴的压力下的氙气。

10.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），具有35W的标称功率，以及对于此灯（1）

－放电室（2）的容积大于或等于15μl以及小于或等于30μl；

－放电室（2）的内径包括至少2.2 mm和至多2.6 mm；

－放电室（2）的外径包括至少5.9 mm和至多6.3 mm；以及

－灯（1）的填充气体中的卤化物成分具有至少100 μg和至多400 μg的组合重量。

11.如权利要求1至3中任一项所述的灯（1），具有25W的标称功率，以及对于此灯（1）

－放电室（2）的容积大于或等于10 μl以及小于或等于25 μl；

－放电室（2）的内径包括至少2.0 mm和至多2.4 mm；

－放电室（2）的外径包括至少4.5 mm和至多6.1 mm；以及

－灯（1）的填充气体中的卤化物成分具有至少50 μg和至多300 μg的组合重量。

12.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中把电极（3，3’，4，4’）布置在放电室（2）的相对端以及对于此电极（3，3’，4，4’），灯（1）的压紧区域内电极（3，3’，4，4’）的直径为至少200 μm和至多320 μm，电极（3，3’，4，4’）的尖端处的直径为至少200 μm和至多360 μm。

13.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中把电极（3，3’，4，4’）的尖端分开至少3 mm和至多5 mm的距离。

14.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中放电壳体（5’）至少部分地由陶瓷材料制成。

15.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中把灯（1）的放电壳体（5，5’）放置在石英玻璃外室（6）内，通过钕的化合物和/或钴的化合物加工此外室（6）。

16.如权利要求1-3中任一项所述的灯（1），其中填充气体没有汞。