CN102859643A

CN102859643A - 无汞和钪的高强度气体放电灯

Info

Publication number: CN102859643A
Application number: CN2011800202205A
Authority: CN
Inventors: M.哈亚科; T.博勒特
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2013-01-02
Also published as: JP2013525970A; WO2011132113A2; EP2561544A2; US20130038207A1; RU2012149745A; WO2011132113A3

Abstract

本发明描述了一种无汞高强度气体放电灯（1），其包括：放电容器（5），所述放电容器（5）封闭放电腔（2）中的填充气体并且包括延伸到放电腔（2）内的一对电极（3,4），对于所述灯（1），填充气体来自在密封之前引入到放电腔（2）内的盐填充物，所述盐填充物不含钪并且包括卤化物组分，所述卤化物组分包括：至少65wt%且至多97.2wt%比例的卤化钠；至少2wt%且至多25wt%比例的卤化铊；以及至少0.5wt%且至多25wt%比例的卤化铟。消除来自填充气体的高活性的钪显著改进了光通维持率。

Description

无汞和钪的高强度气体放电灯

技术领域

本发明描述了一种无汞高强度气体放电灯。

背景技术

在高强度放电（HID）灯中，在两个电极之间建立的电弧产生强烈的亮光。当HID灯被用在汽车头灯应用中时，其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类似的钨-卤素灯的光输出。同样，HID灯比白炽灯具有明显更长的寿命。这些和其它优点使得HID灯特别适用于汽车头灯的应用。

在现有技术的HID灯中，放电腔含有：主要包括氙的填充气体、在灯工作时蒸发的卤化物和一个或者多个其它金属盐的组合物。较老的HID灯在填充气体中包括汞。出于显而易见的健康和环境的原因，在这种灯中使用汞被逐步淘汰。传统的汽车HID灯通常包括例如碘化钪（ScI3）的过渡金属卤化物（也称为稀土卤化物），以便于获得所需要的光输出。

来自汽车灯的光输出的质量对于安全是至关重要的。首先，对于交通工具的驾驶员，交通工具的头灯必须充分地照亮路。其次，道路交通中的其它参与者不应遭受来自其它交通工具头灯的潜在危险强光。同样，来自交通工具的头灯的光输出应具有很好的质量，以使得交通工具可以由其它交通参与者立即识别。为了确保交通工具头灯满足某些最低标准，汽车灯的特征（例如，颜色、工作电压、灯驱动器特征、尺寸，等等）在不同的国家由合适的法规（例如，在欧洲由ECE-R99，其中，“ECE”代表“欧洲经济委员会”）来指定。通常，在这些法规中指定的灯简单地由它们的名称来提及，例如，“D2灯”被理解为意味着35W的含汞灯头，“D4灯”被理解为意味着35W的无汞灯头，等等。

由于例如侵蚀性的盐填充（例如，碘化钪）和石英容器之间的化学反应的各种因素，HID灯最终变坏。这导致了电弧管的结晶，其呈现乳白色外观并且变得不透明。具有防止强光的细条纹的R型灯（例如，D4R灯）特别易于该类型的结晶。因为结晶使得石英玻璃不透明，它对灯的光通维持率具有显著地不利影响。更特别地，灯的光束维持率将消极地被影响。“光束维持率”用来表达光束的质量如何随时间改变。理想地，灯将在其整个寿命期间维持其光输出或者光束质量。对于在汽车头灯应用中的安全方面，恒定级别的光束维持率是非常理想的。实际上，正如从现有技术的灯中所已知的，随着放电容器增加的结晶（由于强烈温度驱动的化学反应），光束的质量因为较少的光从灯发射而变坏，并且，所发射的光因为结晶通常不均地分布可能不再均质发射。因此，在道路上的光分布范围和均质性将减少。最终，由于结晶对灯的损害发展，电弧管在工作时可能过热，并且可能最终失效以及甚至可以爆炸。

光束的维持率还由高反应性的盐组分和石英容器的二氧化硅之间的化学反应来不利地影响。因为由于放电灯泡的结晶（如果卤化钪被用在填充物中，通过形成硅酸钪）而失去某些盐（例如，钪），流明输出（即，光束质量）显著地下降。因为强光因此增加，所以驾驶者和其它交通参与者的安全性随着灯老化而下降。

与传统的HID灯相关联的另一个问题是：随着灯老化，灯电压增加。这是由于：随着灯老化从它们的金属盐中释放的游离的卤素（例如，碘或者溴）的形成。最初，比较低的电压足以启动灯，但是，随着灯老化和填充气体中的游离卤素量增加，点燃和维持电弧所要求的电压最后超过可以由灯的镇流器所提供的电压。

US6,392,346描述了400 W的无钪灯，其中，碘化钪由其它的稀土碘化物来代替，以获得特别的色彩重现性能。然而，来自灯的光输出通过许多因素来控制。具有相似的填充物但是不同几何形状的灯还表现得非常不同。因此，由US6,392,346采用的方法不适于低额定功率的HID灯，例如，用于汽车头灯应用的灯。

因此，本发明的目的是提供一种改进的HID灯，其避免了以上所提及的问题。

发明内容

该目的通过根据权利要求1的无汞高强度气体放电灯来达到。

根据本发明的无汞高强度气体放电灯包括：放电容器，所述放电容器封闭放电腔中的填充气体以及延伸到放电腔内的一对电极。用于灯的填充气体来自在密封之前引入到放电腔内的盐填充物，所述盐填充物不含钪并且包括卤化物组分，所述卤化物组分包括：至少65wt%且至多97.2wt%比例的卤化钠；至少2wt%且至多25wt%比例的卤化铊以及至少0.5wt%且至多25wt%比例的卤化铟。

根据本发明的灯的显而易见的优点在于，光通维持率，以及特别地，光束维持率被显著地改进。使用根据本发明的灯的试验结果已经示出了甚至在工作2500小时之后高达100%的光通维持率。换句话说，甚至就在灯的寿命期间，其光束几乎不遭受任何质量恶化，以使得来自根据本发明的灯的光输出与现有技术的灯相比非常有利，所述现有技术的灯的光束质量随着灯龄显著恶化。用于改进的光束维持率的原因是：随着灯老化，放电容器的结晶显著减少。该改进是通过消除来自填充气体的高活性和侵蚀性的钪以及通过使用可供选择的盐填充物来替代而获得的。

而且，通过使用所提出的填充物，灯电压随着灯的寿命推移而非理想的增加可以被减少差不多25%。这是因为游离卤素的形成在所提出的灯填充物中被显著减少。

有益地，根据本发明的灯可以用来代替现有技术的35W D3或者D4头灯，而不必替换任何现存的电子器件或者配件，以使得可以满足前序中所提及的客户要求。根据本发明的灯还可以用于20-30W的额定功率。

从属权利要求和随后的描述公开了本发明特别有益的实施例和特征。

“盐填充物”被理解为：在由夹紧来密封之前被引入放电腔的固体材料，这正如将被本领域技术人员所知的。该固体材料可以包括各种金属盐或者卤化物的颗粒。用于盐填充物的金属盐可以包括任何合适的卤化物，例如，碘化物或者溴化物。溴化物的包含可以对卤素循环起积极的影响。然而，与碘化物相比较，溴化物比较有侵蚀性。因此，优选地，盐填充物的更大比例由碘化物组成，以及仅仅小比例由溴化物组成。以下，因此，但是不从任何方面限制本发明，术语“碘化物”在指卤化物时可以以通常的方式来使用，但是不应当被解释为排除使用其它卤化物。

在气体放电灯中，当使用例如碘化铊的铊的卤化物激活时，例如碘化钠的卤化钠是非常好的光子发射器。卤化钠的显著更高比例可以然而导致具有橙色或者黄色色彩的光。优选地，因此，卤化物组分包括至少72wt%且至多80wt%比例的卤化钠，以及至少10wt%且至多20wt%比例的卤化铊。

例如碘化铟或者溴化铟的卤化铟被包括在根据本发明的灯中，以调节光的色度以及调节通量和影响灯电压。因此，在根据本发明的灯的优选实施例中，卤化物组分包括：至少5wt%且至多14wt%比例的卤化铟。

改进的发射器功能可以通过引入判断正确的数量的合适卤化物来获得。因此，在本发明的另外的优选实施例中，卤化物组分包括：包括至多15wt%比例的卤化镥、卤化铈和卤化钇的卤化物组中的一个或者多个卤化物。该组卤化物中一个或者多个的比例的增加已经显示了改进灯效能多达3-5%。

在灯工作期间，氧气和例如一氧化碳或者二氧化碳的其它“污染物”可能被排入填充气体。这些可以侵蚀性地起作用，以与填充物中的盐或者与电极起反应，以使得它们在填充气体中存在是非理想的。因此，在本发明的优选实施例中，卤化物组分包括至多15wt%比例的卤化镓。例如，包含碘化镓以充当“吸气剂”或者粘合剂来结合潜在地有害的污染物可以对灯化学具有稳定影响。

在无汞HID灯中的灯电压和光生成可以通过在填充物中包含卤化锌（通常为碘化锌）来控制。因此，在本发明的另外的优选实施例中，卤化物组分还包括至多25wt%比例的卤化锌。卤化锌的实际量可以根据理想的灯电压以及还有由灯输出的光的理想色点或者色度来选择。

根据本发明的灯优选地被实现为用于汽车头灯应用的25W D5或者D6灯。在这种灯中，放电腔的容积是至少15μl且至多23μl，而放电腔的内径可以在2.0mm和2.4mm之间，优选地2.2mm，以及放电腔的外径可以在5.3mm和5.7mm之间，优选地5.5mm。在这种灯中，灯的填充气体中的卤化物组分优选地具有至少50μg且至多450μg的组合重量，优选地，在100μg和300μg之间的组合重量。甚至对于具有该比较低的25W标定功率的这种灯，接近黑体线（black-body line）的非常有利的色温可以被获得具有可和D4灯相比的色彩感觉，并且因此满足汽车头灯的规定（reglement）。

对于至今为止的汽车头灯应用，额定在35W的D3或者D4灯目前广泛使用。因此，在本发明的另外的实施例中，灯被实现为具有35W的额定或者标定功率的D3或者D4灯。在该例子中，灯的物理结构特征优选地使得灯的放电腔的容积是至少17μl且至多25μl，而放电腔的内径可以在2.1mm和2.5mm之间，优选地2.4mm，并且放电腔的外径可以在5.9mm和6.3mm之间，优选地6.1mm。在这种灯中，在灯的填充气体中的卤化物组分优选地具有至少150μg且至多400μg的组合重量。

正如本领域普通技术人员所已知的，此处所描述的类型的HID灯中的电极从对侧突起进入放电腔，以使得电极的顶端分离仅仅非常小的间隙，以便于获得有利的点形光源。在根据本发明的灯中，电极顶端优选地分离至少2.95mm且至多3.85mm的真实距离，优选地是3.4mm的真实距离。电极顶端之间的光学间隔（即，正如通过内腔的玻璃可以看出的）将看起来比实际间隔更大；例如，与R99法规一致，3.6mm的“真实”电极间隔对应于4.2mm的光学间隔。

通过使用这种电极来获得稳定的电弧，关于根据本发明的灯的试验已经示出了：电极的尺寸可以起重要的作用。稳定电弧的维持率在很大程度上取决于电极的几何形状，特别地它们的直径，因为电极的厚度控制工作期间达到的电极温度，其再根据镇流器参数来确定整流性能和电极的回烧（burn-back）。25W灯的电极直径因此优选地至少200μm且至多300μm，更优选地至少230μm且至多270μm。对于35W的实现，电极的直径优选地至少200μm且至多400μm，更优选地至少250μm且至多350μm。电极可以实现为从顶端开始均匀直径的简单杆形，直到夹紧。显然，这些尺寸应用为点燃之前的电极最初尺寸。

正如本领域普通技术人员将已知的，使用钍可以通过降低逸出功（work function）对灯性能具有有益的影响，这导致了较低的灯温度或者灯一部分中的较低温度，以及更少的电极回烧。因此，在根据本发明的灯的另外的实施例中，电极优选地是涂钍的或者掺杂了钍的电极，例如，掺杂有多达5%氧化钍的电极。可替代地或者附加地，特别地在25W灯的情况中，灯的盐填充物可以包括多达8-10%的合适的钍化合物（例如，碘化钍），以改进灯的性能，从而给灯效能整个增加大约3-5%。

然而，类似于汞，钍造成了健康和环境危险。钍是在处理过程中需要防护措施以便于避免吸入或者摄取的低级别放射性材料，并且从环境观点来看，其的使用也是不希望的。因此，在本发明的优选实施例中，盐填充物也无钍。满意的灯性能（特别地在35W实现的情况中）仍然可以使用合适的热电极设计来获得，从而补偿“缺少的”气相发射器。

卤化物组分是放电腔的全部气体内容的仅仅小的比例，对于HID灯，其通常大部分是惰性气体。优选地，在非工作状态时，填充气体包括在至少10bar且至多20bar的压力下的氙气，优选地13-17bar。这被称为灯的“冷压”。氙是对于汽车HID灯的优选选择，因为它可以用来获得合适淡白色阴影的光。

汽车头灯的颜色必须符合某些标准，以便于确保一致性，以及因此还促进驾驶员的安全性。一个这种标准是SAE系统，其由美国的汽车工程师协会来制定，以限定汽车头灯的颜色，并且其对于本领域普通技术人员将是已知的。汽车头灯的这些颜色特征改进了在黑暗中的识别，由此增加了在夜间行车时的安全性。这是因为：甚至在相同的强度时，具有较高色温的光（例如，带青色的白色光）由人眼来察觉比具有低色温的光（例如，具有黄色色调的光）更亮。HID灯的色温由许多因素来影响，例如，灯几何形状、电极设计、填充气体组分，等等。因此，在本发明的优选实施例中，灯的结构参数和填充气体的组分被选择，以使得3000K到7000K（优选地3500到6000K）范围中的色温由灯在工作中来获得。

本发明的其它对象和特征将从以下与附图结合考虑的详细描述中变得明显。然而，将理解的是，图仅仅被设计用于说明的目的并且不作为本发明的界限的限定。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的气体放电灯的横截面；

图2示出了使用根据本发明的灯的大量实施例的实验结果的第一个表；

图3示出了使用根据本发明的灯的大量实施例的实验结果的第二个表；

图4示出了使用根据本发明的灯的大量实施例的实验结果的一组箱线图。

在图中，相同的标号始终代表相同的对象。图中的对象不必按比例画出。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明典型实施例的石英玻璃高强度气体放电灯1的横截面。本质上说，灯1包括石英玻璃放电容器5，其封闭含有填充气体的放电腔2。两个电极3、4从灯1的相反端突起进入放电腔2。在制造过程中，当放电容器在一端仍然开口时，可以引入盐填充物（例如，以各种金属卤化物的固体颗粒的形式），以及任何其它的填充物组分（例如，惰性气体）。然后，放电腔2通过夹紧（pinch）来密封。放电腔2的容积（或者体积）由放电容器5的内径D_i和外径D_o来控制。内径和外径D_i、D_o在最宽点处被测量。

电极3、4可以被实现为从基部到顶端均匀厚度的简单的杆。然而，电极的厚度也可以随着电极的不同段（stage）而均等地变化，以使得，例如，电极在其顶端处更厚并且在其基部处更窄。电极3、4借助于钼箔8在灯的夹紧区域中与外部引线6、7连接。

为了清楚起见，图仅仅示出了与本发明有关的部分。未示出的是基部和灯所要求的用于控制穿过电极的电压的镇流器。当灯1接通时，镇流器的点火器快速地穿过电极3、4施加几千伏的点火电压的脉冲，以启动放电电弧。电弧的热量使填充物中的金属盐蒸发。一旦建立高发光强度的电弧，整流器调节功率，以使得穿过电极3、4的电压因此降低到工作级别，例如，降低到对于35W D4灯的38V和55V之间的级别。

图2示出了对于大量灯的实验结果的第一图，其示出了光束维持率（以%表示）与时间（以小时表示）的对比，以及列举了灯填充物的组分的表。与100%的百分比偏离描述了灯的光输出相对于最初光输出（在点燃后不久所测量的）的增加或者减少。在这个和以下的图中，术语“灯”被理解为意味着具有相同填充物组分的一批灯，并且应理解，测量值是关于一批被平均的（averaged）。表仅仅列举了金属卤化物的金属，其可以是单个的卤化物（例如，碘化物）或者不同卤化物的组合物（例如，碘化物和溴化物）。第一曲线M1示出了参考D4R灯的光束维持率，对于所述参考D4R灯，盐填充物主要包括钠和钪的卤化物。正如图示出：由这个灯所产生的光的光束的光束维持率仅仅在工作750小时之后显著地降低到80%以下。剩余的曲线M2，M3示出了两个根据本发明的D4R灯的光束维持率。M2灯包括87.7wt%卤化钠，6.4wt%卤化铊，以及5.9wt%卤化铟。该灯M2在750小时后的光束维持率仅仅稍稍低于100%。另一个灯M3包括卤化物组分，其包括：81.1wt%卤化钠，5.9wt%卤化铊，和5.5wt%卤化铟以及0.2wt%卤化镥和7.3wt%卤化锌。该灯M3在750小时之后的光束维持率稍稍好于灯M2，并且也仅仅稍稍低于100%。由M2和M3灯所呈现的光输出的最初下降是由于用于色点校正的添加剂。这些测试灯的色温为大约3300K。最初，对于这些灯，呈现大约150-200lm的流明输出下降。然而，在大约500小时之后，流明输出再次增加，以使得光束维持率向100%恢复。对于D4R灯，执行试验，因为由于细条纹它们遭受更多的热应力（与D4S灯相比），其由参考灯M1的差的光束维持率来说明。即使如此，甚至在点燃500小时之后，根据本发明的具有盐填充物的D4R灯的光束维持率显著好于参考灯。D4S灯的光束和光通维持率可以因此希望是至少或者甚至更加有利的。

图3示出了对于大量灯的实验结果的第二图，其示出了光束维持率（以百分比表示）与时间（以小时表示）的对比，以及列举了灯填充物的组分的表。第一曲线M1示出了图2的参考D4R灯的光束维持率，其具有大约80-90 lm/W的效能。正如图示出，在工作2000小时之后，光束维持率在80%以下。剩余的曲线M4、M5示出了两个根据本发明的D4R灯的光束维持率，其具有比参考灯低10-20%的效能。M4灯包括：对于具有200μg组合重量的盐填充物，97.2wt%卤化钠，2wt%卤化铊，以及0.8wt%卤化铟。该灯M4在2000小时之后的光束维持率是大约93%。另一个灯M5（也具有包括97.2wt%卤化钠，2wt%卤化铊，以及0.8wt%卤化铟的卤化物组份，但是具有600μg组合重量的盐填充物）在2000小时之后呈现超过100%的光束维持率。换句话说，尽管效能较低，但是与参考灯相比较，根据本发明的灯的性能实际上随着时间而改进。

根据本发明具有填充物的灯的最好测试批次示出了具有大约5-10%下降的减少的最初流明输出。然而，在工作大约250小时之后，流明输出增加到最初级别或者甚至超过最初级别，正如具有M4和M5灯的实例。超出100 lm的流明输出的增加已经在试验上被观察到。此原因是：由于在创新性的填充物中没有钪，在灯中发生的显著低程度的结晶。例如，在500小时之后，与参考D4灯相比较，根据本发明的测试灯仅仅示出了“细条纹”或者“R类型”结晶的一半的量。这导致了创新性的灯的非常有利的光通维持率。

而且，在所执行的试验中，灯电压的增加（与灯老化相关联）被观察到仅仅为参考标准D4灯M1的灯电压增加的大约75%。与标准D4灯相比较，根据本发明的灯示出了有利的亮度、通量和发光度值。平均来说，在点燃15个小时之后，根据本发明的灯呈现标准灯的仅仅71%的亮度，92%的通量，以及86%的效能。然而，在1000小时之后，根据本发明的灯呈现标准灯的100%的亮度，157%的通量，以及152%的效能。该随时间推移的非常有利的性能示出：与相同类型的现有技术的灯相比，根据本发明的灯的卤化物组分提供了显著的改进。

图4示出了使用根据本发明的灯和如以上的参考灯的大量实施例的试验结果的一组箱线图。对于每个灯类型，在工作15小时时以及再次在2000小时之后进行测量。图从上向下示出了品质因数（FOM，在灯前面各个不同点处得到的加权的流明测量值）、发光度（lx）、亮度（cd/m2）和通量（lm）的箱线图，其具有对于每个灯的一对值。在每个实例中，左边的值在工作5小时之后得到，以及右边的值在工作1000小时之后得到。对于参考灯M1，发光度、亮度和通量的值在1000小时之后显著地更差。如以上在图2中所描述的具有填充物的两个灯M2、M3在1000小时之后呈现更有利的值。与参考灯M1相比，另两个灯也示出了有利的结果。灯M6具有包括82.7wt%卤化钠、11.7wt%卤化铊、以及5.6wt%卤化铟的卤化物组分，而灯M7具有包括81.5wt%卤化钠、10wt%卤化铊、和3.3wt%卤化铟以及0.2wt%卤化镥和5.1wt%卤化锌的卤化物组分。

虽然本发明已经以优选实施例的形式和在其上的变形进行了公开，但是，将理解的是：将对其形成很多的另外的修改和变形，而不脱离本发明的范围。

为了清楚起见，还应理解的是，在该申请各处，使用“一”不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或者元件。

Claims

1.一种无汞高强度气体放电灯（1），其包括：放电容器（5），所述放电容器（5）封闭放电腔（2）中的填充气体并且包括延伸到放电腔（2）内的一对电极（3,4），对于所述灯（1），填充气体来自在密封之前引入到放电腔（2）内的盐填充物，所述盐填充物不含钪并且包括卤化物组分，所述卤化物组分包括：

-至少65wt%且至多97.2wt%比例的卤化钠；

-至少2wt%且至多25wt%比例的卤化铊；以及

-至少0.5wt%且至多25wt%比例的卤化铟。

2.根据权利要求1的灯，其中，卤化物组分包括：至少72wt%且至多80wt%比例的卤化钠。

3.根据权利要求1或权利要求2的灯，其中，卤化物组分包括：至少10wt%且至多20wt%比例的卤化铊。

4.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，卤化物组分包括：至少5wt%且至多14wt%比例的卤化铟。

5.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，卤化物组分包括：包括至多15wt%比例的卤化镥、卤化铈和卤化钇的卤化物组中的一个或者多个卤化物。

6.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，卤化物组分包括：至多15wt%比例的卤化镓。

7.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，卤化物组分包括：至多25wt%比例的卤化锌。

8.根据权利要求1到7中任何一项的灯，具有25W的标定功率，并且对于所述灯（1）

-放电腔（2）的容积大于或者等于15μl且小于或者等于23μl；

-放电腔（2）的内径包括至少2.0mm且至多2.4mm；

-放电腔（2）的外径包括至少5.3mm且至多5.7mm；以及

-灯（1）的填充气体中的卤化物组分具有至少50μg且至多450μg的组合重量。

9.根据前述权利要求中任何一项的灯，具有35W的标定功率，并且对于所述灯（1）

-放电腔（2）的容积大于或者等于17μl且小于或者等于25μl；

-放电腔（2）的内径包括至少2.1mm且至多2.5mm；

-放电腔（2）的外径包括至少5.9mm且至多6.3mm；以及

-灯（1）的填充气体中的卤化物组分具有至少150μg且至多400μg的组合重量。

10.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，电极（3,4）被布置在放电腔（2）的相反端，并且其中，灯（1）的电极（3,4）是钨电极（3,4），对于所述电极（3,4），直径是至少200μm且至多400μm。

11.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，电极（3,4）的顶端分离至少2.95mm且至多3.85mm的距离。

12.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，盐填充物不含钍。

13.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，电极（3,4）包括：非涂钍的电极（3,4）。

14.根据前述权利要求中任何一项的灯，其中，灯（1）的结构参数和与惰性气体填充物组合的盐填充物的组分被选择，以使得3000K到7000K范围内的色温由灯（1）在工作时获得。