CN102349130A - 用于脉冲操作的卤素灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于脉冲宽度操作的卤素汽车灯、包含卤素灯的照明组件以及操作卤素灯的方法。所述灯包括透明灯容器，该透明灯容器具有包括稀有气体成份和卤素成份的气体填充物。灯丝布置在容器内。在利用脉冲电源的常规卤素灯操作中，例如用于转弯和弯道灯的汽车卤素灯的PWM操作引起缩短的寿命。为了提出在脉冲操作下具有增加寿命的灯，气体填充物包括含量为0.1-5mol%的氮气。令人惊奇地发现，通过相应的少量的氮气可以抵消灯丝变形。

Description

用于脉冲操作的卤素灯

技术领域

本发明一般涉及卤素灯和包含这种灯的照明组件以及操作该灯的方法。更具体而言，该灯为可以利用脉冲电源操作的卤素白炽灯。

背景技术

如技术人员所知晓，在卤素灯中，包含灯丝的透明灯容器的气体填充物包括稀有气体成份和卤素成份。在操作中，其中从灯丝蒸发的（钨）材料与卤素成份反应的卤素周期使得能够在高的灯丝温度实现稳定的操作。

目前，不同类型的卤素汽车灯是可用的，诸如，例如已知的H4、H7或H8类型的灯。汽车卤素灯通过其电学属性（适合于在其标称功率在12V的车载电压操作）、其光学属性（即满足例如关于光通量的标准要求）及其几何/机械属性（即在限定位置的灯丝，装配在标准化反射器安装部中）而适合于用于机动车车载安装和操作。

WO2006/097058公开了一种白炽卤素灯，该白炽卤素灯在所示实例中为将在机动车上在12V的标称电压操作的汽车H8灯。钨灯丝布置在由石英玻璃制成的灯容器内。灯容器的气体填充物包括卤素成份和稀有气体成份。在第一实施例中，稀有气体成份包括在1.2MPa的冷填充物压强的氪气和氩气。卤素成份包括比例为450ppm的溴、碘和氯。在具有相同冷填充物压强和相同卤素成份的另外实施例中，稀有气体成份备选地包括氪气和氖气或氪气、氖气和氩气。据指出，所得到的卤素白炽灯非常适合用在静态弯曲灯（curve light）或者转向灯（turning light）中，所述灯在机动车转向或泊车期间或者当沿着弯曲路线驾驶时仅仅在短的间隔内在汽车头灯中使用。卤素灯也可以以12V用作白天行车灯以及利用车载电压的一半以6V用作位置指示灯。

在用于机动车的新颖AFS（先进的前照明系统）前照明中，静态弯道灯（bending light）和转弯灯（cornering light）功能性可以通过卤素白炽灯满足，卤素白炽灯典型地布置成与分离的反射器协作。静态弯道灯（在大于10°的转向角时使用）和转弯灯（与方向指示器一起被接通）自动地操作，而没有由驾驶员操作的单独的开关。在用于弯道灯和转弯灯的白炽灯的操作中，灯在切断之前是利用脉冲电源驱动的。在这种类型的操作中，灯连续地接通和断开，其中在“接通”阶段的电压是基本恒定的。因而，所发射的光强由相应的驱动方案控制。对于PWM（脉冲宽度调制）操作的情形，强度由占空比控制。当弯道/转弯灯切断时，使用PWM控制。这里，强度逐渐减小而不是立即断开，从而不刺激驾驶员。

已经发现，进行PWM操作的卤素白炽灯具有显著减小的寿命。对失效灯的分析已经揭示：利用脉冲电源的操作引起增大的灯丝变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于脉冲操作的汽车卤素白炽灯。另一个目的是提供一种包括卤素灯的照明组件以及一种实现灯的长操作寿命的操作卤素灯的方法。

此目的通过根据权利要求1的灯、根据权利要求11的照明组件以及根据权利要求15的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

发明人已经透彻地分析了在利用脉冲电源驱动的汽车卤素灯中发生的灯丝变形。如在下文所详细解释，灯丝材料中的热应力造成机械失效。然而令人惊奇地发现，通过向灯容器的气体填充物添加氮气可以减缓或者甚至消除潜在的机制。

根据本发明，除了稀有气体成份、卤素成份和可能的其它添加剂之外，灯容器内的气体填充物包括含量为0.1-5mol%的氮气。广泛的测试已经证实：甚至诸如0.2-3.5mol%或者更优选地甚至小于1mol%的少量的氮气对于抵消所认识到的机械失效的过程以及获得显著增加的灯的使用寿命是有效的。

氮气可以容易地添加到气体填充物，尤其是优选作为N₂添加。因而，以简单且廉价的方式实现了提供具有显著增加寿命的用于脉冲操作的卤素灯的目的。

除了在填充物中添加氮气之外，所述灯可以对应于已知的汽车灯设计。优选地，灯丝由掺杂了浓度小于500ppm的其它元素的钨材料制成。尤其优选的是掺杂了30-200ppm的钾的钨材料。这种类型的已知材料（其称为"抗下垂钨（non-sag tungsten）"）可以包括例如60-100ppm的钾以及铝、硅和氧气的轻微添加。

灯容器内的气体填充物优选地设有0.5-2×10⁶Pa、尤其优选的值为1.3-1.7×10⁶Pa的冷（22℃）填充物压强。气体填充物中的稀有气体成份（其可以是氖气、氩气、氪气或氙气中的任何一种或者其混合物）优选地按大于96mol%、更优选地大于98mol%提供。

根据本发明的优选实施例，气体填充物还包括含量为0.001-0.04mol%、优选地0.005-0.002mol%的氧气。添加氧气以及卤素有助于防止灯容器变黑。

卤素成份可以按小于0.5mol%提供。一般而言，卤素成份可包括碘、溴和氯中的一种或更多种。根据本发明的优选实施例，卤素成份包括氯并且优选地基本不含（杂质除外，即含有小于50ppm，即5×10^-3mol%）溴和碘。卤素成份（其包括或者完全由氯化物组成）优选地按0.01至0.05mol%存在。已经发现，使用仅仅由氯化物组成的卤素成份对于防止灯容器变黑是特别有利的。

优选地，灯具有适合于预期的汽车用途的电学属性。在10-14V的额定电压，40-75W的额定功率是优选的。为了满足适合于在弯道灯和转弯灯中使用的汽车灯的要求，对于灯优选的是，在其额定电压提供大于25Mcd/m2的亮度。给定的亮度值可以通过合适的灯丝设计来实现，特别是利用在额定功率/电压在稳态操作中使得灯丝温度高于2900℃的灯丝设计。可能的灯类型例如包含H1、H4、H7、H9和H11。

为了将所述灯用于头灯单元的反射器中，优选的是，灯容器固定到灯插座，该灯插座通常由塑料和/或金属材料制成。灯插座包括电连接到灯丝的电连接器。优选地，电连接器为依照汽车标准插头形状的插头连接器。另外，灯插座包括定位法兰，该定位法兰用于调节反射器内的灯。定位法兰优选地横切灯的纵向方向延伸，并且可包括用于反射器内的灯的轴向和/或径向对准的参照元件。

根据本发明的照明组件包含用于供应电源的驱动单元和连接到此驱动单元的灯。驱动单元包含脉冲驱动单元以供应脉冲电源。应注意，对于脉冲驱动单元，只需要在指定时间向灯供应脉冲电源，并且在其它时间可以向灯供应DC电源。优选地，脉冲驱动单元是可控制的，使得驱动方案，即脉冲电源的时序参数响应于控制输入而调节。因而，可以实现这样的操作，其中在完整周期上计算的时间平均功率随时间变化。通过这种操作，例如通过向灯供应具有逐渐减小的占空比的脉冲宽度调制电压，在完全切断灯之前，灯的强度可以逐渐减小。

优选地，脉冲驱动单元向灯供应具有峰值电压的电源，该峰值电压在“接通”阶段优选地在50-1000Hz切换频率保持恒定的8-30V，更优选地在100-500Hz保持恒定的10-14V。驱动方案优选地选择为使得灯被供应对应于其标称电压（用于恒定操作）或者低于标称电压（用于调光操作）的有效电压，包含连续减小的有效电压（用于软切断）。

对于照明组件，更优选的是，灯安装在机动车头灯单元的反射器内，从而实现弯道灯和转弯灯的期望功能。优选地，反射器可以成形并且布置成使得所发射的光束的中心相对于机动车的纵轴成30-90°的角度。

参考下述实施例，本发明的这些和其它方面将变得显见并且得到阐述。

附图说明

参考下述实施例，本发明的这些和其它方面将变得显见并且得到阐述。

在附图中，

图1示出根据本发明的用于脉冲操作的卤素汽车灯的侧视图，

图2以部分截面图示出包含安装在反射器内的图1的灯的头灯，

图3示出具有机动车头灯单元和驱动单元的照明组件的符号表示，

图4示出用于转弯/弯道灯的操作的时序图的符号表示。

具体实施方式

图1示出包括玻璃灯容器12和插座14的汽车灯10。掺杂钨材料的灯丝16布置在灯容器12内部。

插座14包括金属定位法兰18和电连接器部分20，该电连接器部分20具有电连接到灯丝16的凸出插头接触22。

灯10打算用在如图2所示的汽车头灯24中。头灯24包括反射器26，该反射器包含具有安装环30的中心安装开口28。灯10通过布置在安装开口28内而安装在头灯24内，使得具有灯丝16的灯容器12布置在反射器体积内。灯插座14由此布置在安装环30。此处，定位法兰18定位在安装环30上，从而保证灯10在反射器26内的精确轴向定位。

所示的灯10为汽车卤素灯。图1所示的特定形状仅仅为灯容器12的可能形状、灯丝16的尺寸和位置以及定位法兰18和电连接器20的形状的实例。灯10例如可以是如所示的具有单个轴向灯丝且在12V具有55W的额定功率的H1灯。备选地，灯例如可以是H7或H11灯（在12V具有55W的额定功率）。还备选地，灯可以是例如H9（在12V具有65W的额定功率）的另外不同类型。

对于所有上述类型，灯10具有如汽车头灯的灯所要求的高亮度。灯丝线圈16在操作中实现高于2900℃的温度。对于H7灯，在额定功率的亮度高于25Mcd/m2，例如为30Mcd/m2。

灯容器12包括气体填充物，该气体填充物包含稀有气体成份和卤素成份。在当前实例中，稀有气体成份为在1.5×10⁶Pa（15bar）的冷填充物压强的氪气。

在第一实施例中，卤素成份由碘、溴和氯化物的混合物组成。

另外，气体填充物包括含量为0.8mol%的气体氮气（N₂）。如下文所解释，氮气的这种轻微添加有助于获得在利用脉冲电压操作时灯10的显著增加的寿命。

如在下文进一步所解释的，在诸如弯道灯和转弯灯的切断序列的一些汽车应用中，卤素灯可以利用脉冲电源操作。在当前上下文中，这理解为指定一操作模式，在该操作模式中，电源以基本恒定电压的离散脉冲应用到灯10，并且在该操作模式中，这些脉冲被间隔所分离，在所述间隔中基本没有电源被供应到灯。公知的脉冲驱动方案为脉冲宽度调制（PWM），其中在恒定脉冲频率（f）（在汽车应用中该频率例如可以选择为在100Hz）提供预定持续时间的脉冲。占空比限定为该周期内脉冲是激活的时间的份额。因而，例如50%的占空比对应于其中"接通"持续时间等于脉冲之间"切断"间隔的持续时间的驱动方案。100%的占空比对应于DC操作。

对利用PWM操作的灯的失效分析揭示了灯丝的变形。由发明人进行的研究看上去表明灯丝变形的原因为由脉冲操作产生的热应力。然而，在灯丝内不是均匀地引起应力，而是发现应力集中在某些灯丝不均匀性处。在利用大量周期操作的过程中，应力造成灯丝变形，引起过早的灯失效。

现在发现，通过向气体填充物添加有助于防止变形的氮气，有可能减轻或者甚至防止这种效应。如测试所证实，气体填充物中诸如小于1mol%的 N₂的甚至少量的氮气对于防止变形具有显著效应，导致在脉冲操作条件下，特别是在脉冲宽度调制方案中被驱动时显著增加的寿命。

在下文中，解释如上所述在气体填充物中包括氮气的灯10用于弯道灯和转弯灯。

图3以符号表示示出包括头灯单元40的汽车照明组件，该头灯单元具有前头灯42和结合图2如上所述的弯道/转弯头灯24。尽管前头灯42布置在平行于机动车的纵向方向的光轴上，弯道/转弯头灯24布置成与其成一角度α，该角度例如可以是30-90°。

弯道/转弯头灯24内的灯10电连接到驱动单元44。驱动单元44包括控制单元46和脉冲驱动单元48。控制单元46控制脉冲驱动单元48向灯10供应电源的方式。

驱动单元44接收通常指定为50的允许弯道和转弯灯功能性的自动操作的输入信号。在大于10°的转向角，弯道灯被激活。如果方向指示器被激活，则转弯灯也被激活。

图4以符号表示示出灯10的电学驱动方案，所述灯在其功能上用作弯道灯或转弯灯。如果输入信号50向控制单元46指示弯道/转弯灯应被激活，则脉冲驱动单元48首先被控制以向灯10供应恒定电源。这可以是全车载DC电压（其可以看作是100%占空比），或者备选地具有恒定有效电压值的PWM调制电压。例如，DC 14V的车载电压可以被调制以实现12V的有效电压Veff。因此，灯10在间隔50内操作，该间隔具有对应于灯10的12V额定电压的恒定有效电压UN。

如果输入信号50向控制单元46指示弯道/转弯灯应被切断，则切断序列在时间间隔52内启动。在时间间隔52内，利用在对应于灯10的额定电压的恒定峰值电压UN、100 Hz的固定切换频率以及连续减小的占空比的脉冲宽度调制电压来驱动灯10。因而，如图4所说明（尽管在实践中间隔52将包括显著更大数目的切换周期T），有效电压Ueff以及由此提供给灯的平均电源逐渐减小，使得所发射光的强度也减小。以此方式，弯道/转弯灯不是立即断开，而是逐渐减小到零从而不造成刺激。

在第二实施例中，灯容器12包括气体填充物，其中稀有气体成份同样为在1.5×10⁶ Pa（15bar）的冷填充物压强的氪气。气体填充物包括含量为0.8mol%的气体氮气（N₂），其已经证明对于防止灯丝变形是有效的。另外，气体填充物包括含量为0.001mol%直至0.003mol%的气体氧气（O₂）。

气体填充物还包括卤素成份。在此优选实例中，卤素成份仅仅由氯化物组成，特别是0.015-0.03mol%的CH₂Cl₂。

已经发现，氧气的添加对于工作的卤素周期是有利的，并且基本不含溴和碘的卤素成份的使用有助于防止灯变黑。

应理解，本发明不限于所公开的各实施例。本发明可以有利地用于进行脉冲操作的任何汽车卤素灯并且不限于所述标准化类型的灯或者上述特殊驱动方案。另外，本发明不限于气体填充物内卤素成份和稀有气体成份的特定组成。

已经进行了利用不同卤素组成以及利用0.8mol%、1.0mol%、2.0mol%和3.5mol%的不同含量的N₂的测试。在所有情形中观察到所述效应，其中灯经过PWM测试周期以测量寿命。

因而发现所提出的氮气的添加起到了利用不同卤素和稀有气体组成防止灯丝变形的目的。

此外，术语"包括"和"包含"不排除其它元素或步骤，"一"或"一个"的使用不排除多个。参考图3所讨论的单元，例如驱动单元、控制单元和操作单元可以实现权利要求中列出的若干装置的功能。

尽管已经在附图和前述说明书中详细说明和描述了本发明，但是这种说明和描述被认为是说明性或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的各实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的各实施例的其它变化。在权利要求中，单词"包括"不排除其它元素或步骤，并且不定冠词"一"或"一个"不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列出某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应解读为限制范围。

附图标记列表

10     灯

12     灯容器

14     灯插座

16     灯丝

18     法兰

20     电连接器

22     接触

24     头灯

26     反射器

28     安装开口

30     安装环

40     头灯单元

42     前头灯

44     驱动单元

46     控制单元

48     脉冲驱动单元

50     输入信号

52     脉冲时间间隔

54     稳定操作时间间隔。

Claims (15)

1. 一种用于脉冲操作的卤素汽车灯，包括:

透明灯容器（12），其具有包括稀有气体成份和卤素成份的气体填充物，

以及灯丝（16），其布置在所述容器内，

所述气体填充物还包括含量为0.1-5mol%的氮气。

2. 根据权利要求1的灯，其中

所述气体填充物包括含量小于1mol%的氮气。

3. 根据上述权利要求其中之一的灯，其中

所述灯丝由掺杂有小于500ppm的其它元素的钨材料制成。

4. 根据权利要求3的灯，其中

所述钨材料掺杂有30-200ppm的钾。

5. 根据上述权利要求其中之一的灯，其中

所述填充物设有0.5-2×10⁶ Pa的冷填充物压强，

其中所述填充物包括大于96mol%的所述稀有气体成份。

6. 根据上述权利要求其中之一的灯，其中

所述气体填充物还包括含量为0.001-0.03mol%的氧气。

7. 根据上述权利要求其中之一的灯，其中

所述卤素成份包括氯并且基本不含溴化物和碘。

8. 根据上述权利要求其中之一的灯，其中

所述灯容器（12）固定到灯插座（14），所述灯插座（14）包括用于在反射器（26）内对准灯（10）的定位法兰（18），

其中所述灯插座（14）包括电连接到所述灯丝（16）的电连接器（20）。

9. 根据上述权利要求其中之一的灯，所述灯具有10-14V的额定电压和40-75W的额定功率。

10. 根据上述权利要求其中之一的灯，所述灯具有大于25Mcd/m2的亮度。

11. 一种照明组件，包括：

卤素灯（10），该卤素灯包括透明容器（12）和布置在所述容器（12）内的灯丝（16），所述透明容器具有包括稀有气体成份和卤素成份的气体填充物，

其中所述气体填充物还包括含量为0.1-5mol%的氮气，

以及驱动单元（44），其向所述灯（10）供应电源，

其中所述驱动单元（44）包括脉冲驱动单元（48）以向所述灯（10）供应脉冲电源。

12. 根据权利要求11的组件，其中

所述脉冲驱动单元（48）适合于在50-1000Hz的切换频率向所述灯供应具有8-30V的峰值电压的电源。

13. 根据权利要求11、12其中之一的组件，其中

所述脉冲驱动单元（48）布置成向所述灯（10）供应电源，使得平均功率随时间变化。

14. 根据权利要求11-13其中之一的组件，其中

所述灯安装在机动车头灯单元（40）的反射器（26）内。

15. 一种操作卤素灯的方法，其中

所述灯（10）包括透明灯容器（12）和布置在所述容器（12）内的灯丝（16），所述透明灯容器具有包括稀有气体成份和卤素成份的气体填充物，

以及其中所述气体填充物还包括含量为0.1-5mol%的氮气，

其中所述灯利用脉冲电源操作。

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