CN103189954A

CN103189954A - 制造气体放电灯用电极的方法

Info

Publication number: CN103189954A
Application number: CN2011800543572A
Authority: CN
Inventors: S.普尔特曼斯; B.范达伊勒; K.M.F.范布伦
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: US9053922B2; JP5897587B2; CN103189954B; US20130257269A1; EP2638557B1; EP2638557A1; JP2013544015A; WO2012063151A1

Abstract

本发明描述了一种制造用于气体放电灯的电极(1)的方法，该方法包括：形成电极轴(10)；在绕组长度(LW)上形成线圈(2)；将线圈(2)布置在电极轴(10)上；以及使线圈(2)的材料熔融，使得当熔融的线圈材料已重新凝固时，凝固的材料(30,31)包括一体式外壳(3)，该一体式外壳(3)包括在绕组长度(LW)的一部分(LT)上的熔合部分(30)和在绕组长度(LW)的剩余部分(LB)上的罩部分(31)。本发明还描述了一种用于气体放电灯的电极(1)，该电极(1)包括：电极轴(10)；线圈(2)，其在绕组长度(LW)上布置在电极轴(10)上；以及一体式外壳(2)，其包括线圈(2)的重新凝固材料，该一体式外壳(3)包括在绕组长度(LW)的一部分(LT)上的熔合部分(30)和在绕组长度(LW)的剩余部分(LB)上的罩部分(31)。本发明还描述了一种气体放电灯(6)，其包括封闭放电容器(40)的灯头(4)、第一电极(1)和第二电极(1)，其中电极(1)布置成从放电容器(40)的相对侧伸入放电容器(40)中，其中电极(1)中的至少一个包括根据本发明的电极(1)。

Description

制造气体放电灯用电极的方法

技术领域

本发明描述了制造气体放电灯用电极的方法、用于气体放电灯的电极和气体放电灯。

背景技术

诸如用于数字投影照明(DPL)中的那些气体放电灯中的电极在灯工作期间变得非常热。特别地，超高压(UHP)气体放电灯中的操作条件使得在灯的最冷区域(即，夹箍区(pinch area))中容易达到1200K的温度。在电极末端处的温度可以容易地达到3700K。在这样的高温下，电极的热负荷是极大的，并且电极的末端可能回熔（melt back）并显著改变电极的形状。这被称为电极烧损(burn-back)。当两个电极均因烧损而变短时，电极的正面之间的间距变长，放电电弧也变长，从而使放电电弧的亮度减弱。

在电弧放电灯的情况中，“光源”为放电电弧，并且光源的尺寸和形状与电极间距直接相关。小的电极间距通常是有利的，因为这以小的集光率（etendue）提供了接近点大小的光源。光源的集光率应与用于最佳投影仪或“射束器”（beamer）性能的光学系统的集光率匹配。例如，光学面板可以基于数字微反射镜装置中半导体芯片上的微反射镜的阵列。由于光学面板的成本与其尺寸有关，UHP灯中现有技术电极相对大的电极间距在用于使用这些灯的投影系统的光学面板的制造中也是成本因素。朝较小光学面板的演化使得较小的电极间距是期望的，因此现有技术电极表现出的烧损效应可能是严重的缺陷。

改善经受增加的热负荷的电极的热性能的一种方式将是增加其机械稳定性，以使得该电极在操作期间将不易烧损。例如，可以使用大的固体电极。然而，这样的大电极相应地较重，并且将需要完全重新设计，包括对灯驱动器的驱动方案参数的调整。

在另一种已知的方法中，钨丝线圈被布置在电极轴上。通常，通过将线材围绕“假针”卷绕成一层或多层而形成线圈，然后将完成的线圈转移到电极轴上。在操作期间，线圈充当良好的热辐射器并可用来在电极的输入和输出功率之间获得良好的平衡。然而，即使对于这样的线圈与棒电极来说，在电极末端处的不可避免的高温也将熔化电极末端。因此，现有技术线圈与棒电极的形状将显著改变，使得灯性能在第一工作时间期间变化，直到获得稳定的电极表面。因此，用于线圈与棒电极的一些制造方法包括这样的步骤：其中例如事先通过熔融电极的末端和一些线圈以在电极的正面形成熔合区而获得电极的改变的稳定操作形状。一种这样做的方法是通过激光熔融电极末端来进行。

已知的线圈与棒电极设计与多个缺点相关联。高功率DPL灯受具体类型的电极故障的影响，因为可能出现在灯操作期间由高的热负荷导致的部分线圈“敞开”或甚至断裂的情况。在线圈断裂快速发生并有效地终止灯的寿命的同时，线圈开口会显著缩短灯的寿命，因此这些负面发展都是非常不期望的。此外，线圈“开口”意味着线圈在热负荷下缓慢退绕，并且对电极的热特性具有对应的负面效应。例如，具有“敞开的”线圈的电极可能与灯操作电压的增加相关联，因为线圈不再满足其功能，并且电极经受更大的热负荷。另外，电极中的高热负荷导致电极正面非常不期望的烧损。

因此，本发明的目的是提供一种用于气体放电灯的改进的电极设计。

发明内容

本发明的目的由根据权利要求1所述的制造电极的方法、根据权利要求9所述的电极和根据权利要求13所述的气体放电灯来实现。

根据本发明，制造电极（特别是的用于UHP气体放电灯的电极）的方法包括以下步骤：形成电极轴；在绕组长度上形成线圈；将线圈布置在电极轴上；以及熔融线圈的材料使得当熔融的线圈材料已重新凝固时凝固的材料包括优选地基本上在整个绕组长度上的一体式外壳或罩子，该一体式外壳包括在绕组长度的一部分上的熔合部分和在绕组长度的剩余部分上的罩部分。

根据本发明的方法的优点在于，如此制造的电极的质量和热性能介于实体电极设计和现有技术线圈与棒电极设计的质量和热性能之间的某个位置，使得本发明的电极结合了这些设计的优点。如此制造的电极在机械上强于现有技术线圈与棒电极，并且其线圈仍然能作为有效的热辐射体起作用，同时急剧降低线圈断裂或开口的可能性。此外，在由一体式外壳的额外实体质量提供的高热负荷下改善的性能意味着，使用根据本发明的方法制造的电极不会像使用现有技术制造的电极那样同等程度地遭受由热负荷导致的显著的几何形状变化。因此，使用根据本发明的方法，能以特别简单的方式制造具有延长的寿命的有利地稳定的电极。“一体式外壳”应被理解为包括具有到罩部分的不间断过渡的熔合部分，即使熔合部分和罩部分是在各独立处理步骤中形成的，如下面将解释的那样。实际上，一体式外壳将被看作单个实体。术语“熔合部分”应被理解为表示在熔融期间已聚结或结合的电极末端和线圈绕组的重新凝固材料。术语“在绕组长度的剩余部分上的罩部分”应被解释为表示一体式外壳的罩部分能从熔合部分延伸至朝向电极的基部定位的线圈的端部，但不必一直延伸至线圈的端部。例如，罩部分能终止于从线圈的端部略向内一定距离处。

根据本发明，电极包括电极轴；在绕组长度上围绕电极轴布置的线圈；以及包括优选地基本上在整个绕组长度上延伸的线圈的重新凝固材料的一体式外壳，该一体式外壳包括在绕组长度的第一部分上的熔合部分和在绕组长度的剩余部分上的罩部分。

相比可比较的现有技术电极，本发明的电极能经受更高的热负荷，使得它能用于更高功率的应用。另外，相比具有现有技术电极的灯，一对这样的电极能彼此更靠近地布置在气体放电灯中。根据本发明的电极的优点在于，它能由标准电极例如通过使用任何现有技术线圈与棒电极作为起点而制成。利用一体式外壳或罩子，根据本发明的电极看起来像是实体电极，并且它还在机械上表现得像实体电极一样。然而，由于外壳是外部的凝固物，线圈结构保持在罩子内或罩子的内部中，如下面将解释的。一体式外壳的熔合部分确保电极的末端遭受较少烧损。因此，本发明的电极的热力学性能介于实体电极和现有技术线圈与棒电极的热力学性能之间。

根据本发明，气体放电灯(优选UHP气体放电灯)包括放电容器、布置成从放电容器的相对侧伸入放电容器中的第一电极和第二电极，其中电极中的至少一个包括根据本发明的电极。这样的电极可使用以上所述方法制造。

根据本发明的气体放电灯相比现有技术气体放电灯呈现出改善的性能，因为本发明的电极不受到极端变形，即，电极更好地保持其形状。所得到的有利地短而稳定的电弧基本上在灯的寿命期内提供有利的点状光源，而不像现有技术灯，其中电极间距由于电极形状在烧损期间改变而增加，电弧的亮度随时间推移而降低。电极的稳定性也意味着，根据本发明的灯呈现出在其寿命内有利的灯电压稳定性。

从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。实施例的特征可以在适当时组合。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同等地适用于另一权利要求类别。

由于一体式罩子包括不同的区域，即熔合区域和罩区域，在根据本发明的方法的优选实施例中，熔融线圈的材料的步骤包括使第一线圈区域成形的第一熔融步骤和使第二线圈区域成形的第二熔融步骤，使得第一和第二线圈区域可以彼此不同且独立地成形。

优选地，第一线圈区域包括围绕电极的末端布置的线圈的一部分，并且第一熔融步骤包括使第一线圈区域的材料和电极末端的材料熔融，使得第一线圈区域中的线圈的熔融材料与电极末端的熔融材料聚结或结合以提供一体式外壳的熔合部分。该熔合部分允许电极末端在操作期间以非常有利的方式起作用，因为很大程度上防止了电极的熔回，从而有效地允许电极在灯的寿命期内保持其形状，而没有任何严重的几何变形。

由于一体式外壳包括罩区域以及熔合区域，在本发明的一个优选的实施例中，第二线圈区域包括邻近熔合部分的线圈的剩余部分的至少一部分，并且第二熔融步骤包括使第二线圈区域的材料熔融以提供一体式外壳的罩部分。这里，邻近熔合部分的线圈的剩余部分应当理解为表示第二线圈区域包括在熔合部分之后的线圈绕组的剩余部分，如上所述，该部分位于电极的末端处，并且该第二线圈区域能一直延伸至绕组的端部，但能同样好地终止于从绕组端部向内一定距离处。

优选地，一体式外壳在基本上整个绕组长度上围绕线圈的整个周边对称地形成，使得罩子或外壳在从电极的任一侧观察时基本上相同。当然，如果某些热特性是所需的，可以以不均匀或不对称的方式形成罩，例如，使罩在电极的上侧上延伸至线圈绕组的端部，而在电极的下侧上很少延伸至线圈绕组的端部。

施加热量以使线圈和电极材料熔融的任何合适的技术可用来使一体式外壳成形。然而，在本发明的特别优选的实施例中，使线圈的材料熔融的步骤包括将激光束导向至线圈处。这样，可以将能量非常精确地沉积到线圈和/或电极的材料中精确选择的深度处，以便仅熔融线圈和/或电极的所需区域。

由于一体式罩子的熔合部分包括电极末端和线圈绕组的重新凝固材料，同时罩部分仅包括线圈绕组外层的重新凝固材料，在本发明的一个优选的实施例中，使用第一组激光参数生成的第一激光束在第一熔融步骤中被导向至第一线圈区域处以形成一体式外壳的熔合部分，而使用第二组激光参数生成的第二激光束在第二熔融步骤中被导向至第二线圈区域处以形成一体式外壳的罩部分。这样，可以考虑不同的材料厚度和宏观热特性，并且可以将合适量的能量沉积在合适的位置处。

如上文所提及的，线圈用来在灯操作期间从电极的主体向外辐射热量以改善电极的输入和输出功率之间的平衡。线圈的绕组层的数量可以影响最终电极的热特性。因此，形成线圈的步骤包括围绕假针缠绕线材以形成内线圈层，并且随后围绕内线圈层缠绕线材以形成另一外线圈层。线圈可以以任何合适方式被卷绕。例如，可能有利的是，在电极的末端处开始并将内层在假针上缠绕至某点处，然后颠倒卷绕方向以卷绕附加的外层，该外层可以在或不在整个绕组长度上延伸。可以将相同线材用于内绕组层和外绕组层，或者在适当时可以使用不同的线材。然后可以将完成的绕组在熔融步骤之前从假针转移到电极轴。安装在电极轴上的绕组的取向可以使得单个绕组层靠近电极正面布置，而两个或甚至三个绕组层沿电极轴进一步向下布置，或反之亦然。所选取向将取决于其它因素，如技术人员将理解的那样。优选地，外绕组层在电极正面“之后”一定距离处或从电极正面进一步往回一定距离处终止，使得当线圈的材料和电极末端的材料被熔融以熔合在一起时，可以在一体式外壳或罩子的前部区域中形成有利地“带尖的”（pointed）形状。

在一体式外壳的熔合部分中，线圈绕组结构不再存在，使得能量只能从外壳的外表面从电极向外辐射。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，线圈绕组包括内线圈层和至少一个外线圈层，并且一体式外壳的罩部分包括重新凝固的外线圈层。这样，罩下面的内线圈层仍能用来从电极主体并因此也从电极的末端逸散热量，而外罩确保在热负荷下具有改善的机械性能。当然，线圈绕组可包括两个、三个或甚至更多内线圈层。

线圈的热辐射可以在一定程度上取决于线圈的尺寸。因此，在本发明的另一优选实施例中，线圈包括钨丝。优选地，线材具有在0.1mm至0.5mm的范围内的截面直径。

电极在热负荷下的性能将很大程度上取决于电极的质量。沿电极主体均匀分布的质量能确保沿电极轴均匀或均一的热对流。因此，在本发明的另一优选实施例中，电极轴包括高纯度钨制成的的基本上棒形的轴。优选地，轴具有在0.2mm至1.2mm的范围内的直径。

在两个相对电极的正面之间建立的放电电弧的光通量和亮度将取决于正面之间的距离。因此，在本发明的特别优选的实施例中，在第一电极的正面和第二电极的正面之间的间距可以在0.7mm和1.6mm之间的范围内，这具体取决于其中将使用灯的照明组件或照明系统的光学特性。通常，在根据本发明的气体放电灯中，电极可以更靠近彼此定位，例如，电极间距为在可比较的现有技术灯中的电极间距的约80%，使得可以建立具有相应地较高亮度的较短的电弧。根据本发明的气体放电灯的集光效率，即，通过孔收集的光通量与灯的总光通量的比率相比具有现有技术电极的气体放电灯可以有利地在约10%的范围内增加。

附图说明

图1示出具有现有技术电极的现有技术UHP灯；

图2示出现有技术电极；

图3示出在熔融之前的电极部件；

图4示出在熔融之前的电极的截面；

图5示出在第一熔融步骤之后的根据本发明的电极的截面和穿过真实电极的截面的对应图像；

图6示出在第二熔融步骤之后的根据本发明的电极的截面和穿过真实电极的截面的对应图像；

图7示出根据本发明的UHP灯。

在整个附图中，相同的标记表示相同的对象。附图中的对象未必按比例绘制。

具体实施方式

图1示出现有技术UHP灯5，其包括封闭放电室40的石英玻璃灯头4。一对电极50以共线布置设置在放电室40中，使得电极50的正面相隔距离D。每个电极50在灯5的夹箍区域中连接到钼箔41，并且该箔41继而连接到外部电极引线42，从而可以将电压施加在电极50上。每个电极50包括线圈绕组51，其在电极50的末端处部分地熔融在熔合区域52中，以与电极50的材料结合。该现有技术电极设计在图2中更详细地示出。电极50的熔合区域52在灯5的操作期间保护电极末端区域不产生严重变形。

图3示出了熔融之前的电极部件，并且示出了电极轴10和通过将此前卷绕的线圈布置在电极轴上制成的绕组2。线圈可能已在此前的步骤中通过将钨丝缠绕成一个或多个线圈层(内线圈层21和外线圈层22)而被单独地制成，内线圈层21和外线圈层22在该示例中显示为在绕组长度L_W上围绕假针(未示出)。然后将线圈转移到电极轴10上，如此处所示。在该示例中，线圈布置在电极轴10上，使得外线圈层22终止于距电极的正面11一定距离处。当然，线圈2可以倒过来安装，这具体取决于电极的性能要求。此处所示绕组2有效地提供了两个不同的线圈区域210、220，即靠近电极正面11且在绕组长度L_W的第一部分L_T上围绕轴10的末端区域12卷绕的第一线圈区域210和在绕组长度L_W的剩余部分L_B上的第二线圈区域220。图4示出了该部件在熔融之前的截面。如在图中可以看出，在该示例中，绕组的第一部分或长度LT包括单个内线圈层21，而绕组的第二部分或长度L_B包括两个线圈层21、22。当然，绕组的第一部分L_T也可延伸至包括外线圈层22的某一部分。在另一示例中，绕组的第一部分L_T可能仅包括暴露的内线圈层21的一部分，而绕组的第二部分或长度L_B可能包括在大部分或全部外线圈层22上的绕组以及暴露的内线圈层21中的一些。

图5示出了在第一熔融步骤之后的图4的部件的截面以及在第一熔融步骤之后穿过真实电极的截面的对应的第一图像。这里，将合适的激光束B₁导向至第一线圈区域210以将能量沉积在电极末端区域12的主体中和该第一线圈区域210中的线圈21的材料中，使得这些区域210、12的熔融材料聚结或结合以提供具有正面11的熔合区域30，通过这种方式将轴10的材料与绕组的第一长度L_T的内线圈层21一起熔融。根据在激光熔融步骤期间应用的激光参数，靠近第一线圈区域210的第二线圈22的一部分也可被熔融。在重新凝固之后，该熔融的实体区域30为电极提供了有利的热特性，从而确保电极在操作期间基本上保持其形状，并且即使在极高温度下也不显著回熔。如第一图像所示，电极末端的材料已与内线圈的材料和外线圈的一些材料聚结或熔合。

图6示出在第二熔融步骤之后的根据本发明的电极1的截面和在第二熔融步骤之后穿过真实电极的截面的对应的第二图像。这里，通过将合适的激光束B₂导向至第二线圈区域220以将能量在该第二线圈区域220中沉积在外线圈绕组22的材料中，外线圈层22的材料已被熔融以提供罩区域31。在重新凝固之后，罩31基本上接合，而不中断熔合区域30。这样，获得了一体式罩子3或外壳3。在罩31以下，保留了内绕组层21的线圈结构，从而使包括内线圈层21和罩部分31的电极主体仍能作为热辐射体令人满意地起作用。从内线圈层21传递到罩31的任何热量被有效散失，从而使电极的功率方案在操作期间能保持平衡，甚至在非常高的温度下也是如此。

在上述熔融步骤中，在生成激光束B_l、B₂中的过程参数可包括适当选择的脉冲时间、脉冲功率、光程、脉冲序列中的脉冲数、脉冲频率等。另外，当激光束B_l、B₂指向正被熔融的线圈区域时，电极轴能旋转，并且可以相应地选择诸如旋转速度和转数的参数。可以选择和调整诸如环境气体、气体流量、激光器相对于电极的位置、电极与保持装置的热接触、第一熔融步骤和第二熔融步骤之间的时间等的其它参数以提供所需结果。

图7示出了根据本发明的UHP灯6，其具有与图1所示灯5基本上相同的结构。这里，已使用本发明的方法制造的各自包括一体式外壳3的两个电极基本上共线地设置在灯头4的放电室40中。由于使用上述方法制造的每个电极1的一体式外壳3确保非常有利的热性能，而也没有任何尖峰或突伸的显著增长(甚至在3600°C的范围内的持续的温度下)，电极1可以彼此更靠近地放置。在所示示例中，灯6包括带有放电室40的具有约116μl的容量的UHP灯。将电极间隔设置成小至0.7mm且多至约1.6mm的短距离，从而允许建立非常短且明亮的放电电弧。

虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行许多附加的修改和变型。例如，可以想到的是，根据本发明的电极能在用于舞台照明的MSR(稀土介质源)灯领域中的更新的发展中使用。

为清楚起见，应当理解，在本申请全文中使用的“一个”或“一种”不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。

Claims

1.一种制造用于气体放电灯的电极(1)的方法，所述方法包括：

形成电极轴(10)；

在绕组长度(L_W)上形成线圈(2)；

将所述线圈(2)布置在所述电极轴(10)上；

使所述线圈(2)的材料熔融，使得当熔融的线圈材料已重新凝固时，该凝固的材料(30, 31)包括一体式外壳(3)，所述一体式外壳(3)包括在所述绕组长度(L_W)的一部分(L_T)上的熔合部分(30)和在所述绕组长度(L_W)的剩余部分(L_B)上的罩部分(31)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述使所述线圈(2)的材料熔融的步骤包括使第一线圈区域(210)成形的第一熔融步骤和使第二线圈区域(220)成形的第二熔融步骤。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一线圈区域(210)包括围绕所述电极轴(10)的末端(12)布置的所述线圈(2)的一部分，并且所述第一熔融步骤包括使所述第一线圈区域(210)的材料和所述电极末端(12)的材料熔融，使得在所述第一线圈区域(210)中的所述线圈(2)的熔融材料与所述电极末端(12)的熔融材料聚结，以提供所述一体式外壳(3)的所述熔合部分(30)。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述第一线圈区域(210)提供所述熔合部分(30)，并且所述第二线圈区域(220)包括邻近所述熔合部分(30)的所述线圈(2)的剩余部分的部分，并且所述第二熔融步骤包括使所述第二线圈区域(220)的材料熔融以提供所述一体式外壳(3)的所述罩部分(31)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述一体式外壳(3)在基本上整个绕组长度(L_W)上围绕所述线圈(2)的整个周边形成。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述使所述线圈(2)的材料熔融的步骤包括将激光束(B_l, B₂)导向至所述线圈(2)的区域(210, 220)处。

7.根据权利要求6所述的方法，其中使用第一组激光参数生成的第一激光束(B₁)在所述第一熔融步骤中被导向至所述第一线圈区域(210)以形成所述一体式外壳(3)的所述熔合部分(31)，并且使用第二组激光参数生成的第二激光束(B₂)在所述第二熔融步骤中被导向至所述第二线圈区域(220)以形成所述一体式外壳(3)的所述罩部分(31)。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在绕组长度(L_W)上围绕所述电极轴(10)卷绕线圈(2)的步骤包括围绕所述电极轴(10)缠绕线材(20)以形成内线圈层(21)以及随后围绕所述内线圈层(21)缠绕线材(20)以形成外线圈层(22)。

9.一种用于气体放电灯的电极(1)，所述电极(1)包括：

电极轴(10)；

线圈(2)，其在绕组长度(L_W)上布置在所述电极轴(10)上；以及

一体式外壳(2)，其包括所述线圈(2)的重新凝固材料，所述一体式外壳(3)包括在所述绕组长度(L_W)的一部分(L_T)上的熔合部分(30)和在所述绕组长度(L_W)的剩余部分(L_B)上的罩部分(31)。

10.根据权利要求9所述的电极，包括内线圈层(21)和至少一个外线圈层(22)，并且其中所述一体式外壳(3)的所述罩部分(31)包括重新凝固的外线圈层(22)。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的电极，其中所述电极轴(10)为基本上棒形的且具有在0.2mm至1.2mm的范围内的直径。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的电极，其中所述一体式外壳(3)基本上在整个绕组长度(L_W)上延伸。

13.一种气体放电灯(6)，其包括：封闭放电容器(40)的灯头(4)、第一电极(1)和第二电极(1)，其中所述电极(1)布置成从所述放电容器(40)的相对侧伸入所述放电容器(40)中，其中所述电极(1)中的至少一个包括根据权利要求9至12中的任一项所述的电极(1)。

14.根据权利要求13所述的气体放电灯，其中所述灯(1)包括超高压气体放电灯(1)。

15.根据权利要求13或14所述的气体放电灯，其中在所述第一电极(1)的正面(11)和所述第二电极(1)的正面(11)之间的间距(d)包括至多1.6mm，更优选地至多0.7mm。