CN103946949A - 高压气体放电灯 - Google Patents

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Abstract

一种高压气体放电灯，包括：放电容器；外壳，其封闭所述放电容器，在外壳与放电容器之间具有中间空间；UV增强器，其具有封闭带有填充气体的电极空间的壁以及从电极空间通过壁延伸到中间空间的内部电极。所述UV增强器布置在外壳与放电容器之间的所述中间空间中，UV增强器的所述壁由陶瓷材料制成并且包含所述填充气体。电极直接密封在壁内。

Description

高压气体放电灯
技术领域
本发明涉及一种高压气体放电灯，该高压气体放电灯包括：放电容器；外壳，其封闭所述放电容器，在外壳与放电容器之间具有中间空间（interspace）；UV增强器，其具有封闭带有填充气体的电极空间的壁以及从电极空间通过壁延伸到中间空间的内部电极，所述UV增强器布置在外壳与放电容器之间的所述中间空间中，UV增强器的所述壁由陶瓷材料制成。
背景技术
高压放电灯的一个已知的问题通常是这些灯的点火。取决于灯的类型，需要相对较高的点火电压，其通常由起动器以一个或多个点火电压脉冲的形式供应给灯。在实践中，甚至当点火电压脉冲足够高时，也可能存在不允许的长点火时间，而且同时获得该点火延迟的大传播。这是在点火期间引入灯放电的放电容器中的初级电子短缺的结果。通过在放电容器中添加少量的放射性元素85Kr，可以消除初级电子的短缺，使得点火时间变得更短并且其传播降低。85Kr具有它有放射性的缺陷，并且其使用可以通过使用UV增强器而避免。这是一种产生UV辐射且置于灯的放电容器邻近的相对较小的放电容器。当灯点火时，UV增强器发射的UV辐射确保了在灯的放电容器中存在足够的初级电子。
开篇段落中描述的类型的灯可从WO98/02902（US5811933）获知。该已知的灯是高压放电灯，更具体地为金属卤化物灯。该灯具有带有两个灯电极的放电容器。放电容器的材料可以是石英玻璃或者陶瓷材料。在该说明书和权利要求书中，陶瓷材料被理解为表示诸如氧化铝或者钇铝石榴石之类的致密烧结的多晶金属氧化物，或者诸如氮化铝之类的致密烧结的多晶金属氮化物。支撑灯头的外壳包围放电容器。放电容器与外壳之间的空间容纳UV增强器，该UV增强器具有陶瓷材料壁并且设有增强器电极，该增强器电极连接到第一灯电极并且具有电容性耦合。该电容性耦合通过将UV增强器置于到第二灯电极的供应导线邻近而实现。与具有两个内部电极的增强器相比，电容性耦合的UV增强器的使用具有以下优点：该增强器仅仅在必要时操作，即在给出具有相对较高的电压和高频的点火电压脉冲时的灯的起动阶段期间操作。结果，该增强器在灯的操作期间不消耗能量并且因此具有非常长的寿命。
陶瓷材料用于UV增强器的壁对于灯的点火行为具有有利的影响，因为由陶瓷UV增强器生成的UV辐射看起来大大地增加了引入灯放电（灯击穿）的可能性。然而，该已知的灯具有以下缺陷：UV增强器本身制造相对困难且相对昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供抵消上面提到的缺陷的措施。依照本发明，开篇段落中所描述类型的高压放电灯的特征在于，电极直接密封在壁内，并且陶瓷壁的材料包含基本上具有与填充气体的成分相同成分的气体。所述填充气体通常为惰性/稀有气体，即氦气、氖气、氩气、氙气和氪气（注意：避免放射性85Kr）中的至少一种。优选地，所述稀有气体为氖气、氩气或氙气。在这个方面，基本上相同的成分表示陶瓷壁中的气体的成分至少对于75原子%（at%）而言与填充气体的成分相同。例如，如果填充气体为100%的氖气，那么陶瓷壁中封闭的气体的成分具有至少包含75at%的氖气和至多25at%的其他气体的成分。实现直接密封的一种技术是经由收缩密封。UV增强器通常具有致密烧结的多晶氧化铝的壁。该材料经常用在高压放电灯的制造中，从而可以采用现有的用于陶瓷放电容器的技术，允许在严格的公差范围内的小型化。在已知的UV增强器中，电极借助于密封玻璃密封到壁中，在UV增强器的制造工艺中需要额外的步骤。然而，该工艺通常被应用，因为该工艺可以在（选择的）气体氛围下且在大约1巴（bar）的正常压力下执行。尽管像这样将Nb电极直接密封在壁内的可能性是已知的，但是一般的观点是，该直接密封必须在真空或者接近真空的情况下执行以便避免对于陶瓷壁的半透明度以及因而可能地对于UV输出的有害影响，和/或避免对于密封的有害影响，例如以便防止Nb与气体，例如与氢气反应。这样的真空下的工艺通常被认为比正常压力下（选择的）气体氛围下的可比较的工艺昂贵和复杂得多。出于这些原因，从来没有考虑制造具有直接密封的电极的UV增强器。令人惊奇的是，发明人发现，气体氛围下的直接密封在没有对于密封的有害影响以及没有对于UV增强器的UV增强性质的有意义的有害影响的情况下是可能的。可以遵循各种不同的方法以获得直接密封。
第一种方法包括两个步骤：
- 在大约1450-1600°C处在H2氛围下对可以是金属管、棒、箔或导线的电极预密封。在不固执于理论考虑的情况下，因此认为获得了UV增强器的壁与电极之间的尚不气密的预密封，因为烧结的陶瓷壁材料本身已经是气密的；
- 在希望的气压下且在大约1850°C的温度下，在填充气体氛围（例如氩气）下对电极最终密封，使得在冷却之后，当棒、箔导线用作电极时，希望的填充气压存在于UV增强器的电极空间内。可替换地，当使用管时，在密封以及随后借助于通过利用激光熔化管的端部形成的金属熔滴闭合管之后，容易将气压设置为希望的压力。
在不固执于理论考虑的情况下，认为电极空间中的气体从H2到填充气体的交换由于电极的粗糙表面的原因经由UV增强器的壁与电极表面之间的尚未完全密封的界面而发生。由于在第一工艺步骤中，已经在一定程度的闭合孔隙度上烧结了PCA，因而随后它在第二工艺步骤中被烧结为全密度。
第二种相对快速、灵活且廉价的方法仅仅包括一个步骤，即在希望的气压下，在稀有气体氛围下，在大约1850°C将电极直接密封在UV增强器的壁内，使得在冷却之后，当棒、箔导线用作电极时，希望的填充气压存在于UV增强器的电极空间内。可替换地，当使用管时，在密封以及随后借助于通过利用激光熔化管的端部形成的金属熔滴闭合管之后，容易将气压设置为希望的压力。
在不固执于理论考虑的情况下，认为发生以下情况：在这两种方法开始时，壁的陶瓷材料具有开放多孔结构，使得结构中的孔隙填充有这两种方法开始时使用的气体。在第一种方法中，第一工艺步骤是在大约1500°C烧结，并且发生完全开放的多孔结构的第一次收缩，其足够壁材料紧紧围绕电极收缩并且因而直接将电极嵌入到陶瓷壁中。然而，所述第一次收缩不足以完全闭合开放多孔结构。因此，在第一种方法的第二工艺步骤中，进行气体氛围的变化，并且随后发生大约1850°C下的第二次进一步的烧结和一定的收缩。由于所述第二工艺步骤开始时仍然有些开放的结构的原因，至少在大的程度上，在陶瓷材料的孔隙中发生气体的从第一工艺气体（H2）到第二工艺气体（填充气体，例如氙气或氩气）的交换，并且尤其在邻近陶瓷壁材料与电极之间的界面处，作为气包体封闭在壁的陶瓷材料中。陶瓷壁中的封闭气体因此具有与填充气体的成分接近的成分，即所述封闭气体至少对于75at%，例如对于90at%或者更多而言，具有与填充气体的成分相同的成分。
在第二种方法中，工艺开始时使用的气体为填充气体，并且在大约1850°C的工艺温度下，在一个步骤中发生完全收缩，在该步骤期间，所述填充气体到处且均匀地封闭在壁的陶瓷材料中。
所述第一种和第二种方法相对于现有技术都具有以下优点：避免了直接密封所需且在现有技术工艺中所使用的麻烦或者昂贵的在真空下的制造步骤。这两种创造性工艺都具有以下特性效果：诸如氩气之类的填充气体捕获于或者封闭在壁的陶瓷材料的其余孔隙中和/或邻近陶瓷壁和电极的界面，或者换言之，填充气包体存在于陶瓷壁中。
所述第一种方法具有以下优点：UV增强器的壁的陶瓷材料（例如PCA）的半透明度相对较高，而在第二种方法中，PCA壁的半透明度与经由第一种方法获得的UV增强器的壁的半透明度相比有所降低。然而，通过第二种方法获得的UV增强器壁的半透明度仍然足够允许UV增强器服务于其目的。
这两种方法都具有以下优点：例如通过激光或者电弧熔化闭合电极管的额外步骤是可避免的，从而呈现允许使用电极棒、导线和箔的优点。此外，所述方法是与使用密封玻璃的现有技术方法相比更快速且更廉价的方法。另一方面，激光闭合允许容易地设置UV增强器的电极空间内的希望的气压。
第二种方法相对于第一种方法具有以下优点：它比第一种方法更简单、更快速且更廉价。
直接密封进一步具有以下优点：抵消UV增强器与放电容器之间的闪络的灯中的必要爬电距离与使用密封玻璃的UV增强相比可能更短。这在气体填充灯中是特别有利的。通常，密封玻璃是导电的，导致更短的爬电距离。因此，具有直接密封的UV增强器的灯与已知的现有技术灯中相比允许UV增强器的位置更靠近放电容器，并且因此可获得更紧凑的灯。
在一个优选的实施例中，高压气体放电灯的特征在于，电极由金属或金属合金制成，该金属选自包括铌、钼、钨、铱、钌和铼的组。这些金属具有适当的化学和物理性质，即升高的温度下相对良好的抗氧化性以及与PCA的热膨胀系数匹配的热膨胀系数，以便在灯的寿命期间在灯的情况下正确地起作用。Nb具有与PCA的热膨胀系数非常匹配的热膨胀系数，然而，Nb对氧化相对灵敏。Mo、W和Re具有比Nb更好的抗氧化性，但是与PCA的热膨胀的匹配比Nb更差。Ir具有与PCA的热膨胀的良好匹配，并且具有优秀的抗氧化性，但是较昂贵。
在另一个实施例中，高压气体放电灯的特征在于，电极由金属或金属合金和陶瓷材料的混合物（金属陶瓷）制成，该金属选自包括铌、钼、钨、钌、铱和铼的组，陶瓷材料选自组Al2O3、Y2O3、Y3Al5O12、ZrO2、MgO、MgAL2O4、B2O3及其混合物。金属陶瓷是由尤其适合于用在照明应用中的陶瓷和金属成分制成的复合材料。这些复合材料具有与PCA的热膨胀系数类似的膨胀系数，具有相对于例如用在金属卤化物灯的气体填充物中的各种不同的卤化物的可比较的良好电导性和相对较高的抗腐蚀性。
在一个优选的实施例中，UV增强器具有公知的致密烧结的钇铝石榴石（YAG）或者多晶氧化铝（PCA）的壁，或者具有来自掺杂有MgO、MgO-Er2O3或MgO-Er2O3-ZrO2的PCA的壁，因为该材料与使用非掺杂PCA时的情况相比似乎导致用于对灯点火的有利的更低的闪络电压。
在一个有利的实施例中，增强器电极在UV增强器的第一末端处具有引线，增强器电极在UV增强器内的末端与UV增强器的第一末端隔开一定距离，该距离至少等于UV增强器的外直径的二倍。在这样的构造中，当供应点火脉冲时，金属卷曲物与到增强器电极的引线之间的不希望的击穿的可能性非常小。
汞和稀有气体的组合作为用于UV增强器的填充物是可能的。然而，稀有气体或者稀有气体混合物是优选的，因为这排除了使用重金属汞。当使用氩气作为用于UV增强器的填充物时，获得了非常令人满意的结果。在大约室温下，稀有气体填充物的填充压力于是优选地被选择为处于从50毫巴（mbar）至300毫吧的范围内。在小于50毫巴的压力值下，增强器的UV输出看起来变得更小；在超过300毫巴的压力值下，增强器的点火电压可以采取很高的值。
优选地，UV增强器位于灯电极邻近，其纵轴基本上平行于灯的纵轴。在该实施例中，实现了增强器中生成的UV辐射的最大量直接撞击到灯电极上，这有利于在灯中生成二次电子。
附图说明
现在，参照附图阐述依照本发明的灯的上面描述的方面和另外的方面，在附图中
图1为依照本发明的灯的侧视图；
图2更详细地示出了图1的灯的UV增强器；以及
图3示出了依照本发明的灯的UV增强器的另一实施例。
具体实施方式
图1示出了一种包括放电容器1的高压金属卤化物灯，该放电容器由支撑灯罩4的外壳3利用中间空间2包围。放电容器1由致密烧结的多晶氧化铝制成，并且具有第一灯电极8和第二灯电极12，这些电极分别借助于电流供应导线7和10连接到灯头4上的接触9和13。灯设有位于中间空间2中的UV增强器5。所述UV增强器被定位成紧邻电流供应导线7与端部（VUP）16内侧的电极8之间的连接。UV增强器具有借助于引线导线6连接到第一灯电极8的内部增强器电极（这里未示出；参见图2中的42）。UV增强器具有与第二灯电极12的电容性耦合。该耦合由通过导体15连接到第二灯电极12的金属卷曲物14构成。
图2在截面中且更详细地示出了图1的灯的具有纵轴A的UV增强器。增强器25的壁41由陶瓷材料制成。在一个实际的实施例中，该壁由掺杂有300ppm的MgO和50ppm的Er2O3的致密烧结的多晶氧化铝制成。增强器设有增强器电极42，该增强器电极在增强器的第一末端43处具有引线26，所述引线预期连接到第一灯电极。引线26通过使用以下工艺不使用熔化玻璃而是经由直接密封而以真空密封的方式直接连接到壁41：
- 在H2气体氛围下在大约1500°C处将金属管密封在UV增强器的壁内；
- 在氩气氛围下在大约1850°C处进行最后的密封，其后将氩气压力调节到大约150毫巴；并且
- 在所述氩气压力下借助于激光闭合金属管。
在第二末端45处，借助于烧结塞46以真空密封的方式密封增强器。预期连接到第二灯电极的金属卷曲物24在增强器纵轴A横向的平面内包围UV增强器25。为了获得适当的电容性耦合，金属卷曲物24必须位于UV增强器内的增强器电极42末端47的邻近。末端47与卷曲物24所在的平面之间的距离优选地至多等于UV增强器的外直径。在图2中所示的实施例中，末端47基本上位于卷曲物24的平面内。UV增强器25具有10mm的长度、2mm的外直径以及0.675mm的内直径。电极42和引线26构成一个直径为0.0.72mm的Nb导线组件。电极末端47与增强器的第一末端43隔开4.5mm的距离。该4.5mm距离大于增强器外直径（2.0mm）的二倍。这最小化了金属卷曲物24与引线26之间击穿的可能性。金属卷曲物24被形成为单匝具有0.72mm的导线直径的Nb导线。有可能以多匝形成卷曲物，但是这不得到额外的优点。UV增强器25填充有具有150毫巴±50毫巴的压力，在图中具有150毫巴的填充压力的氩气。
图3示出了依照本发明的灯的UV增强器的另一实施例。具有纵轴A’的UV增强器35具有掺杂有300ppm的Mg和50ppm的Er的致密烧结的多晶氧化铝的壁。直接密封的钼棒在大约1850°C处密封为UV增强器的壁内的电极，在1巴的氩气氛围下作为第一末端53处的增强器电极36。在冷却之后，UV增强器内侧的氩气压力从大约1巴下降至大约125毫巴。电极36具有距离第一末端53 4.5mm的内部末端57。UV增强器35具有注塑圆顶形式的第二末端55。代替向UV增强器提供单独的电容性耦合金属卷曲物的是，可替换地，有可能例如以如US5811933的图3中所示的方式与放电容器的纵轴成一定角度（例如45°）地将图3的类型的UV增强器置于邻近引线导体的电极之后。然而，这样的定位在离放电容器这样小的距离处需要UV增强器的壁的以及来自电极的非常良好的耐热性。增强器35具有大约10mm的长度、2.0mm的外直径和0.675mm的内直径并且填充有氩气。
若干具有如图1中所示的构造的灯经受点火测试。如图1中所示，这些灯中的UV增强器位于灯电极的邻近，其纵轴平行于灯的纵轴。灯电极由此直接受增强器中生成的UV辐射辐照。这些灯经由设有点火电路的稳定镇流器连接到220V、50Hz的供电电源。点火电路包括型号为SN57/SN58（飞利浦）的起动器，具有被布置成平行于灯的电容器，从而供应具有3.0kV的最大值和7μs的脉宽的点火脉冲。点火脉冲被供应给连接到增强器电极的灯电极。于是，发现增强器的UV输出是令人满意的。在点火测试之前，灯工作10-15分钟，并且随后关断且在暗室中维持至少55分钟。测试在灯的寿命期间的各个不同的时刻（0、100、1000、2000小时）执行。点火时间之后点火的所有灯都很好地处于30s的要求内。下表1说明了测试的结果。标题“Mu”表示每批灯的规定时间（以秒（s）或分钟（min）为单位）之后未点火的灯的百分比。
表1 使用闪光周期的带有HID-PV C 70W min-min驱动器的CDM-T(c)70W/930 Elite+的点火测试结果（BU=底座向上，BD=底座向下）
密封方法 灯测试 灯龄 位置 杆 Mu Mu Mu Mu Mu Mu Mu
    (h)     2s 5s 10s 30s 2.5min 5min 15min
直接（发明） UVe80 0 BD LP 1.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
直接（发明） UVe80 1000 BD LP 11.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
                       
CDM密封玻璃 UVe6 100 BD LP 4.2% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
CDM密封玻璃 UVe6 1000 BD LP 6.8% 3.2% 1.1% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
CDM密封玻璃 UVe6 2000 BD LP 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
                       
SON密封玻璃 UVe19 100 BU LP 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
SON密封玻璃 UVe19 1000 BU LP 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
SON密封玻璃 UVe19 2000 BU LP 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
显然，在相对较低点火电压脉冲（3.0kV）处仅仅存在非常小的点火延迟。此外，该点火延迟的传播看起来非常小。
本发明的保护范围并不限于所描述的实施例。本发明存在于每一个新颖的特征以及特征的每一种组合之中。权利要求中的附图标记并没有限制其保护范围。动词“包括”及其变体的使用并没有排除存在权利要求中未说明的元件。元件之前冠词“一”的使用并没有排除存在多个这样的元件。

Claims (8)

1.一种高压气体放电灯，包括：放电容器；外壳，其封闭所述放电容器，在外壳与放电容器之间具有中间空间；
UV增强器，其具有封闭带有填充气体的电极空间的壁以及从电极空间通过壁延伸到中间空间的内部电极，所述UV增强器布置在外壳与放电容器之间的所述中间空间中，UV增强器的所述壁由陶瓷材料制成，
特征在于，所述电极直接烧结到壁上并且陶瓷壁的材料包含基本上具有与填充气体的成分相同成分的气体。
2.如权利要求1所述的高压气体放电灯，特征在于，填充气体为稀有气体，优选地为氖气、氩气或氙气。
3.如权利要求1或2所述的高压气体放电灯，特征在于，电极选自包括导线、棒和箔的组。
4.如权利要求1或2所述的高压气体放电灯，特征在于，电极为金属管。
5.如权利要求4所述的高压气体放电灯，特征在于，金属管是激光密封的。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的高压气体放电灯，特征在于，电极由金属或金属合金制成，该金属选自包括铌、钼、钨、铱、钌和铼的组。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的高压气体放电灯，特征在于，电极由金属或金属合金和陶瓷材料的混合物制成，该金属选自包括铌、钼、钨、钌、铱和铼的组，陶瓷材料选自包括Al2O3、Y2O3、Y3Al5O12、ZrO2、MgO、MgAL2O4、B2O3及其混合物的组。
8.如权利要求1或2所述的高压气体放电灯，特征在于，壁的材料选自包括YAG、PCA、掺杂有Mg氧化物的PCA、掺杂有MgEr氧化物的PCA和掺杂有MgErZr氧化物的PCA的组。
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