CN105264639B

CN105264639B - 优化的hid弧管几何结构

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Publication number: CN105264639B
Application number: CN201480033205.8A
Authority: CN
Inventors: A.博罗齐基; P.霍尔瓦思
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: KR20160006218A; EP2994931B1; US9552976B2; CN106887376A; WO2014183114A1; CN105264639A; EP2994931A1; US20140333200A1

Abstract

高强度放电(HID)弧管的几何结构控制成改进灯颜色控制和温度分布。在一些实施例中，包含位于电极附近的过渡区的锥形段，以提供漏斗状主体‑分支界面部分。陶瓷壁主体的壁厚度T，它的最大直径D2，锥形部分的锥半角α，以及相对的锥形部分之间的长度L3，以及相对的弯曲主体‑分支过渡部分之间的长度L1被选择以满足以下要求，从而形成主体‑分支界面部分以便有利地控制沿放电室的内表面的温度分布，使得它单调递减，从而在主体‑分支界面产生稳定局部冷点位置：0.5 < R3/D2 < 1.1并且T/2 < L3 < D2/2并且1.3 < L1/D2 < 2并且40° <α< 55°。在另一实施例中，弧管是二段构造，其具有轴向不对称外部几何结构和基本上轴向对称（即，仅略微不对称）内部表面几何结构，以便提供适度轴向不对称温度分布。

Description

优化的HID弧管几何结构

发明领域

本公开一般涉及优化的高强度放电(HID)弧管几何结构以改进灯色控制和温度分布。

背景技术

陶瓷金属卤化物(“CMH”)灯是特殊类型的高强度放电(“HID”)灯，以及更具体来说涉及金属卤化物电弧放电灯。这些灯已知为工作在高压力和高温度，并且具有由陶瓷材料所制成的放电管(经常称作“弧管”)。CMH灯的弧管包括稀有气体(例如氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)或者其混合物)、水银或者其备选的一部分(其蒸汽用作缓冲气体)和金属卤盐的混合物(例如NaI(碘化钠)、TlI(碘化铊)、CaI₂(碘化钙)和REI_n(其中REI_n表示稀土碘化物))的可电离填充。金属卤盐的这个混合物(有时称作“金属卤化物剂量”)负责灯的高发光效能、优良颜色质量和白色。用于CMH灯的特性稀土碘化物可包括DyI₃、HoI₃、TmI₃、LaI₃、CeI₃、PrI₃和NdI₃中的一个或多个。

具有陶瓷弧管的常规HID灯(例如高压钠(HPS)和陶瓷金属卤化物(CMH)灯)具有“盒形”(圆柱)几何结构的弧管设计。这个几何限制基本上归因于早期陶瓷弧管制造技术的限制，例如中心主体管部件的挤出和平坦盘形弧管端部(又称作“插塞”)的挤压。由于圆柱几何结构，常规CMH灯不是工作在跨弧管的整个中心主体部分的准均匀温度分布。具体来说，常规CMH弧管的放电室的一些区域甚至在高温稳态操作条件期间也可比其他区域要凉，并且这些较凉区域形成多个局部“冷点”位置。圆柱形状的CMH弧管设计呈现冷角，其充当局部冷点，特别是在封闭圆柱放电室的插塞表面和圆柱中心主体管的表面的界面部分。CMH灯的放电室中的汽化金属卤盐(例如碘化钠蒸汽)可按照饱和汽相存在，其中熔解金属卤盐的汽相和液相处于热均衡，并且均同时存在。液相之上的均衡蒸汽压力通过液相的温度来控制，液相的温度通常等于“放电室壁的内表面上的最冷点”的温度，因为这个物理点及其周围区域是蒸汽首先冷凝的位置。但是，一旦被冷凝，这个液体冷凝物通过重力来控制，使得它沿向下方向流动。如果冷凝剂量流动到放电室的内表面上的局部更热位置，则它迅速再汽化，并且剂量微滴的这种迅速汽化引起放电等离子体的瞬时蒸汽剂量密度的尖峰。蒸汽剂量密度的这类尖峰又生成灯电特性的电压尖峰，其也可引起光强度的尖峰以及来自灯的发射光的相关突然颜色变化。光强度的这类尖峰和关联的突然颜色变化是不合需要的，并且扰乱高质量照明环境、例如零售位置照明。

在CMH弧管的两个相对电极彼此进一步背向移动的设计中，它们之间的发光电弧放电变成线路发射器，以及拟相等辐照的表面原来是椭圆，其仍然是“球状体”放电室几何结构的一员。这种概念在过去一直用作用于对QMH放电室进行成形的基础，并且这个相同概念当前用来设计现有技术形状的CMH放电室。

但是，也必须考虑从热电极尖端到达CMH放电室的内表面的热辐射。来自弧管壁上的电极的这个附加辐照能够局部增加放电室的端部上的一些点的温度，这些端部是弧管的中心主体部分与CMH弧管的延长管状密封部分(又称作“分支”)汇合的界面区域。因此，当CMH灯沿垂直定向进行操作时，来自电极的定域热辐射能够再汽化液体金属卤化物剂量(其因重力而沿放电室壁的内部表面向下流动)。如果CMH弧管具有由两个半球所组成(并且其另外还可包括在弧管中心的圆柱段)的“球形”设计，则灯的垂直操作特别成问题，因为潜在局部过热和液体剂量微滴的再汽化可易于在这种CMH弧管的底部主体-分支界面段(“主体-分支过渡部分”)发生。这种情况可发生，因为球形弧管设计的半球端部不是完全适合线路发射器的热辐射场，并且不能适应来自电极的附加定域热通量。因液体剂量移动和再汽化引起的电、光和颜色不稳定性的这种现象引起CMH灯的瞬时颜色不稳定性和增加的颜色可变性，其通常称作“剂量不稳定性”。

对剂量不稳定性的问题的所提出解决方案涉及通过在电弧室的内部表面上提供环状机械屏障或“结节”以包围电极组合件(在主体-分支过渡部分)，来防止液体金属卤化物剂量向下流动到局部更热表面。如果这种结节的垂直尺寸(高度)足够高以停止或阻挡液体剂量的垂直流动到达靠近电极尖端的弧管的内表面上的过热点，则剂量不稳定性能够显著降低或者完全消除。但是，这种结节在陶瓷弧管主体上造成尖点，并且该结节因电极发热而可成为陶瓷弧管主体的整个端部的最热部分。因此，结节和周围区域可遭受最高机械应力，并且可易于形成陶瓷材料中的裂纹。这些裂纹则能够蔓延到较低应力区域，并且可使弧管在操作期间完全破裂或者甚至裂开。另外，一些金属卤化物剂量混合物可操作以迅速将结节腐蚀到结节无法对灯的整个使用寿命履行其剂量稳定功能。

剂量不稳定性问题的另一种所提出解决方案涉及在局部过热的主体-分支过渡部分增加弧管材料的发射率，以促进这个区域中的弧管壁的更有效冷却。但是，这种解决方案能够改变或降低壁的材料强度，特别是在热感应应力足够高以使弧管破裂的最关键区域，这再次能够引起降低的灯使用寿命。此外，实际上，局部控制陶瓷材料的发射率是困难的，以及这类CMH弧管的主体-分支界面部分(其也是冷点位置)的过度和无控制冷却可过多降低金属卤盐的均衡蒸汽压力，这能够引起降级的灯性能。

对于剂量不稳定性的又一所提出解决方案涉及使用弧管中心主体部分与主体-分支界面部分之间的椭圆形过渡区。但是，使用椭圆形过渡区限制主体-分支过渡区以及整体弧管的形状的几何灵活性，并且对陶瓷弧管形成过程的加工增加不必要复杂度。

发明内容

所提出的是用于控制高强度放电(HID)弧管的几何结构以提供改进灯颜色控制和温度分布的设备和方法。在一些实施例中，包含位于电极附近的过渡区的锥形段，以提供漏斗状主体-分支界面部分。主体-分支界面部分成形为使得有利地控制沿放电室壁的内表面的温度分布，使得它单调递减，从而在主体-分支界面产生稳定局部冷点位置。

在另一方面，所提供的是用于提供具有二段构造的CMH灯的设备和方法，该CMH灯包括具有轴向不对称外部构造的双端略微轴向不对称放电室，其中略微轴向不对称放电室提供适度轴向不对称温度分布。在一些实现中，特定轴向不对称构造几何结构提供适度轴向不对称温度分布，例如以补偿放电管的操作环境的热不对称性，例如单端外护套、轴向不对称反射器外壳或垂直燃烧定向。

附图说明

参照结合附图的以下详细描述，一些实施例的特征和优点及其实现方式将变得显而易见，附图示出示范实施例(不一定按比例绘制)，包括：

图1是常规高强度放电(HID)灯的示意图；

图2是按照本发明的实施例、沿垂直定向的弧管的剖面图，其中重力方向通过箭头所示；

图3A是示出按照本发明的实施例、沿水平定向进行操作时在图2的弧管部件中发生的温度的稳态分析模拟结果的温度示意图；

图3B是示出按照本发明的实施例、沿垂直定向进行操作时在图2的弧管部件中发生的温度的稳态分析模拟结果的温度示意图；

图4示出按照本发明的实施例的CMH弧管的示例；

图5A是在烧结之前沿水平定向嵌入轴向对称放电室的组装常规三段形状HID CMH放电管主体的实施例的示意剖面图；

图5B是烧结之后的图5A的常规三段形状HID CMH放电管主体的示意剖面图；

图6A是按照本发明的实施例、在烧结之前沿水平定向嵌入轴向不对称放电室的组装二段形状HID CMH放电管主体的实施例的示意剖面图；

图6B是按照本发明的实施例、在烧结之后的图6A的二段形状HID CMH放电管主体的示意剖面图；

图7示出按照本发明的实施例、嵌入轴向不对称放电室的35W CMH放电管的详细构造几何结构；

图8示出按照本发明的方面、沿水平和垂直燃烧定向嵌入轴向不对称放电室的70瓦特二段形状CMH放电管的热成像校准计算机建模数据；

图9示出沿水平和垂直燃烧定向嵌入轴向对称放电室的常规70瓦特三段形状HIDCMH放电管的热成像校准计算机建模数据；

图10示出按照本发明的实施例、嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管的实现；

图11示出按照本发明的实施例、包含嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管、具有G12基座单端构造的“成品”HID CMH灯的示例；

图12A示出包括沿垂直基座向上(“VBU”)定向的常规三段“盒形”放电管的MR16实施例的HID CMH灯；

图12B示出按照本发明的实施例、包括沿垂直基座向上(“VBU”)定向嵌入轴向不对称放电室的二段形状放电管的MR16实施例的HID CMH灯；以及

图13A至图13D示出按照本发明的实施例、用于通过将特定轴向不对称性引入放电室几何结构中来创建适度轴向不对称温度分布的备选实现选项。

具体实施方式

图1是高强度放电(HID)灯以及更具体来说是陶瓷金属卤化物(CMH)灯100的已知实施例的示意图。一般来说，CMH灯包括由半透明或透明陶瓷材料所制成的弧管101，该弧管通过由例如熔融石英或硬玻璃所制成的透光外包封或外灯泡124来包围。外灯泡124可包封真空或者可填充有惰性气体、例如氮，并且在一端提供有灯头114。弧管101包括陶瓷壁102(具有内表面和外表面)，其包封放电室104。放电室104通常填充有液体剂量，其工作在灯的高温的标准操作条件下。弧管100还包括两个电极110和112，其相对彼此设置，并且扩展到放电室104中。电极110经由电流引入导体116来连接到形成灯头114的部分的第一电触点。电极112经由电流引入导体118(其可称作“框架”)来连接到形成灯头114的部分的第二电触点。在一些实施例中，外灯泡124可具有两个灯头，其中具有第一端的第一灯头和第二端的第二灯头，以及第一电极连接到第一灯头并且第二电极连接到第二灯头。在如图1所示的实施例中，CMH灯100的弧管101还包括突出端插塞120和122(其可称作“分支”)，其设置成分别包封电极110和112的至少部分。在CMH灯100的操作期间，电弧放电在电极110和112的尖端之间延伸，以提供灯的有用可见电磁辐射(光)。

应当理解，弧管101的陶瓷壁102可由真空密闭和抗卤化物陶瓷材料、例如金属氧化物(例如蓝宝石或密集烧结多晶氧化铝(Al₂O₃)、钇铝石榴石(YAG))或者金属氮化物、例如氮化铝(AlN)来组成。也可利用其他抗卤化物陶瓷材料。这类陶瓷材料适合于形成半透明或透明弧管壁。

图2是按照本发明的实施例的弧管200的水平剖面图。箭头201示出弧管灯沿垂直定向进行操作时的重力方向。弧管200可具有陶瓷弧管壁202构造，以限定放电室204。弧管可包含到高强度放电(HID)灯中、例如陶瓷金属卤化物(CMH)灯中。相应地，弧管200可取代图1的CMH灯100的弧管101。

放电室204通常填充有稀有气体(例如氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)或者其混合物)、水银(或者其备选的一部分，其蒸汽用作缓冲气体)和金属卤盐的混合物(例如NaI(碘化钠)、TlI(碘化铊)、CaI₂(碘化钙)和REI_n(其中REI_n表示稀土碘化物))。金属卤盐的这个混合物(有时称作“金属卤化物剂量”)负责灯的高发光效能、优良颜色质量和白色。

按照本文所公开的新实施例，已经认识到，靠近其主体-分支过渡部分的CMH弧管的冷点位置的定域和稳定极为重要，以便提供CMH灯的良好瞬时颜色稳定性和低颜色可变性。理想地，CMH弧管的冷点位置必须大致处于主体-分支界面部分。具体来说，冷点位置应当在放电室外部，但是在弧管分支内部的最热点，以便防止剂量不稳定性，并且取得特定CMH弧管设计的最佳潜在性能。但是，如果冷点位置不能位于放电室外部，则它应当位于放电室内部的局部温度和重力最小值，使得当灯处于基本上垂直定向时，液体剂量不能向下流动到这个局部最小点下面的局部更热区域。

因此，按照本文所述的实施例，CMH弧管的几何结构在制造期间控制成包括附加锥形段(图2中示为锥形段234A和234B)，其各位于电极附近的过渡区。例如，锥形段234A位于放电室232A的中心部分与主体-分支界面部分236A之间。另外，注意确保漏斗状主体-分支界面区(以下更详细论述)适当地成形为使得有利地控制沿放电室壁的内表面的温度分布，使得它单调递减，因而在主体-分支界面部分提供稳定局部冷点位置。

再次参照图2，弧管200包括示为虚线206的假定主轴和最大直径D2。陶瓷弧管壁202可具有厚度“T”，并且包封放电室204，其包含可电离填充、例如金属卤化物剂量。两个相向电极210和212位于放电室204中，并且各具有电极尖端211A和213A。电极尖端211A如所示定位成与电极尖端213A相对，以便在电弧室中具有它们之间的预定距离，其能够称作“弧隙”。两个电极尖端211A和213A可由钨或钨合金来制成，而电极的中心部分可由钼来制成。

参照图1，在一实现中，引入导体116和118(图2中未示出)连接到各电极210和212。图2中，电极210和212通过位于弧管200的远端238A和238B的密封部分(未示出)离开放电室。密封部分按照不透气方式来密封弧管，其中熔融陶瓷接头或密封玻璃可用来形成不透气密封。在一些弧管实施例中，放电室204的中心部分的两个相对开口可通过端插塞(未示出)(其各还包封密封部分)来封闭，并且弧管200可基本上仅由中心主体部分208来组成(即，弧管没有包括两个延长端结构220和222，有时称作“分支”)。因此，在一些实施例中，弧管200可以仅包括一般球形或一般延长球形中心主体部分208。相应地，应当理解，按照本发明的弧管结构并不局限于图2所示的弧管200实施例，而是在本文中并且在包括其各种成形部分的尺寸的范围的方面概括地描述。

再次参照图2，在CMH灯的操作期间，放电室204中的金属卤化物剂量处于饱和汽相，其中熔融金属卤盐的汽相和液相处于热均衡，并且两相均同时存在。均衡蒸汽压力通过液相温度的温度来控制，该温度通常等于陶瓷弧管壁202上的“最冷点”的温度，因为这是蒸汽首先冷凝的点。但是，一旦被冷凝，金属卤化物混合物的液体冷凝物(又称作“液体剂量”)将在重力影响下朝下流动。如果冷凝剂量流动到放电室204的内表面上的局部更热位置，则它将迅速再汽化。

理想地，在CMH灯的垂直操作中，放电室204的最低垂直点应当是最冷温度点(“冷点)，以便防止电压尖峰以及光强度和颜色的不合需要变化。如果最冷点不是位于放电室204的最低垂直点处或内部，则冷点的下一个最佳位置处于局部垂直温度和重力最小值，使得液体剂量不能向下流动到位于这种局部重力最小值下面的局部更热区域。

再次参照图2，弧管200包括发光中心部分或弧管主体部分208、第一(底部)分支220和第二(顶部)分支222。弧管主体208包括可选圆柱部分230、第一和第二弯曲部分232A和232B、第一和第二锥形部分234A和234B以及第一和第二主体-分支过渡部分236A和236B。第一和第二弯曲部分232A和232B通过绕主轴206旋转的凸弧段(锭环的部分)来构成或形成。第一和第二锥形部分234A和234B将第一和第二弯曲部分232A和232B桥接到第一和第二主体-分支过渡部分236A和236B，其包封两个电极210和212。第一和第二主体-分支过渡部分236A和236B能够可视化或者形成为绕主轴206旋转的凹弧段，以提供主体-分支过渡部分的“漏斗状”形状。第一和第二弯曲部分232A和232B、第一和第二主体-分支过渡部分236A和236B的曲率半径以及第一和第二锥形部分234A和234B的锥角被选择和/或形成为使得弧管壁202的温度甚至在考虑电极发热的情况下也朝弧管200末端单调递减。因此，当弧管200处于垂直定向以使得重力沿箭头201的方向(其中第一分支220最靠近地板)起作用时，靠近底部电极210的弧管壁202的温度将低于更高(更远离地板或地面)的壁的任何点的温度。因此，在第一主体-分支过渡部分236A的区域或者刚好在放电室204外部和第一分支220内部的其周围区域来创建定域冷点。

在图2所示的实施例中，弧管壁202的厚度“T”对整个弧管组合件200是基本上均匀的。但是，在一些实现中，附加和/或可选特征可包括在第一和第二主体-分支过渡点237A和237B的位置中提供比在第一和第二分支外端238A和238B所形成的壁厚度要厚的壁厚度，使得第一分支220和第二分支222逐渐变细。具体来说，可提供第一和第二分支220和222外几何结构的锥形形状，以增加第一和第二主体-分支过渡点237A和237B的机械强度，创建弧管主体208与第一和第二分支220和222之间的平滑过渡几何结构，并且支持靠近第一过渡点237A或者靠近第二过渡点237B(取决于弧管200的定向)的电弧室内部的冷点的定域。另外，例如在使用注模技术来形成CMH弧管的情况下，这种锥形分支结构有利地支持CMH弧管的制造。

弧管200可用来取代常规CMH弧管，并且经优化以提供放电室204的稳定和明确定义“冷点”位置。这种稳定冷点位置为位于放电室壁202的内部表面240上的液体剂量(金属卤盐池)提供稳定位置。换言之，CMH弧管设计成使得没有液体剂量移动在稳态灯操作期间(当灯工作在垂直位置以使得重力沿箭头201的方向起作用时)发生。

图3A是示出按照一些实施例、在图2的弧管部件中发生的温度的水平定向(其中重力沿箭头301的方向起作用)、稳态分析模拟的温度示意图300。具体来说，图300以图形方式示出CMH灯的39瓦特操作期间在弧管壁202中可发生的估计温度。在这种状况中，电极(未示出)的电极尖端在操作期间可达到大约3150开氏度(3150 K)的温度。因此，如图3A以图形方式所示，大约1400 K的高温在电弧放电上方的弧管的上壁部分302(其因放电室中的气体对流所引起的浮力而向上翘曲)中发生，而放电室304的底壁部分中的温度低至大约1300 K。温度在主体-分支过渡部分337A和337b下降到大约1250 K，并且在分支部分的极端338A和338B最低至大约750 K。因此，放电室中的金属卤化物剂量冷凝物将在重力影响下沿向下方向(如箭头301所示)朝水平CMH弧管300的放电室304的底部流动。由于冷凝剂量流动到放电室中表示稳定局部重力最小值(稳定机械均衡)的这个更凉位置，所以它将均匀地汽化，并且将不会引起蒸汽剂量密度的尖峰。因此，当CMH弧管300沿水平定向进行操作时，电压尖峰以及光强度和颜色的不合需要变化将不会发生。

图3B是示出按照一些实施例、在图2的弧管部件中发生的温度的垂直定向(其中重力沿箭头351的方向起作用)、稳态分析模拟结果的温度示意图350。具体来说，图350以图形方式示出CMH灯的39瓦特操作期间在弧管壁202中沿垂直定向可发生的温度。在这种状况中，上电极(未示出)的电极尖端在操作期间可达到大约3180开氏度(3180 K)的温度。因此，如图3B以图形方式所示，大约1350 K的高温在放电室的壁中的上部352发生，而包括弧管的底部主体-分支过渡部分的放电室354的下壁部分中的温度低至1220 K。温度在下分支中的主体-分支过渡部分387A之后下降到大约1150 K的值，并且在下分支的极端388A最低至大约740 K。因此，弧管350的放电室中的金属卤化物剂量冷凝物将在重力影响下沿向下方向(箭头351的方向)朝弧管350的中心主体部分的下部354流动。如上所述，主体-分支过渡部分354的曲率半径适当地选择和/或形成为使得壁温度甚至在考虑电极发热的情况下也朝最靠近地面的弧管末端单调递减。因此，中心主体部分354的下部表示放电室中的冷凝剂量的局部温度最小值，也就是说，它提供冷凝剂量的定域冷点，使得电压尖峰以及光强度和颜色的不合需要变化将不会发生。

图4示出按照实施例的35瓦特CMH弧管400。弧管400包括放电室404，并且弧管具有大约0.6毫米(0.6 mm)的壁厚度“T”，但是T能够在大约0.4 mm至大约2.0 mm的范围中。在一些实施例中，发光中心主体部分408具有恒定壁厚度，并且分支部分420和422也可具有恒定壁厚度。但是，如上所述，在一些实施例中，这些分支部分的壁厚度可以是不同的，使得分支部分420和422逐渐变细。在所示实施例中，弧管的总长度L为大约29.7 mm，其中中心主体部分408的长度L1为大约10.1 mm。中心主体部分的可选圆柱部分430的长度L0为大约1.2 mm，以及电极尖端211A与213A之间的长度L2(“弧隙”)为大约4.5 mm。锥形部分434A和434B的长度L3为大约0.7 mm，但是在一些实施例中，L3大于壁厚度T除以2，但小于最大直径D2除以2。如所示，锥半角α为大约四十五度(45°)，但是在一些实施例中可在大约四十度(40°)至五十五度(55°)的范围中。在一些实施例中，分支部分420和422的外表面可具有大约零度(0°)至大约二度(2°)的范围中的锥半角。在如图4所示的实施例中，中心主体部分408的最大直径D2为大约6.2 mm。大约2.3 mm的内曲率半径R5限定主体-分支过渡部分436A和436B的内曲率半径，但是在一些实施例中，R5可在0与R3之间，而大约3.7 mm的半径R3限定位于可选圆柱中心部分430与侧翼锥形部分434A和434B之间的侧翼弯曲部分432A和432B的曲率半径。大约2 mm的半径R4限定主体-分支过渡部分的外曲率半径。

按照实施例的优化弧管几何结构对于所有(陶瓷)金属卤化物灯是有益的，其中金属卤化物的至少一部分具有冷凝液相(即，金属卤化物以饱和蒸汽形式存在)。如果剂量组成是使得它使陶瓷表面湿润，则实施例是特别有益的。在这种情况下，冷凝液体剂量粘到陶瓷表面，并且可在沿重力方向朝下流动之前形成大微滴。在一些实施例中，金属卤化物剂量可由NaI、LaI₃、TlI和CaI₂来组成，其中这些碘化物分别在下列近似范围中存在：20-50 wt%、10-30 wt%、3-10 wt%和25-60 wt%。

如上所述，按照一些实施例的CMH弧管中的剂量位置稳定性的有益结果在于，与常规CMH弧管设计相比，灯颜色、光通量和电参数的瞬时变化全部变为更稳定，并且因而得到改进。具体来说，，通过构成图2所示的弧管200的放电室204(以及图4的弧管400的放电室404)以使得陶瓷壁的温度从放电室的轴向中心点单调递减，来取得(形成)CMH弧管的瞬时颜色控制。具体来说，如果弧管200(和/或弧管400)沿垂直定向进行操作，则陶瓷壁的温度朝底部分支(最靠近地板)单调递减，以防止除了在位于放电室204的最低点的区域的预定义冷点或者在底部分支的顶部周围的位置、即基本上在弧管200的主体-分支过渡部分237A之外的剂量冷凝。换言之，按照本文所述实施例的CMH弧管设计产生更一致的颜色、流明和电参数性能，并且提供稳定和无闪烁灯操作。

除了提供CMH灯特性的改进控制之外，以上所公开CMH弧管的优化几何结构还降低能够在弧管200(或者弧管400)的陶瓷壁内部形成的热感应应力，这改进灯的长期可靠性。这种结构还产生具有降低故障率的更健壮HID灯，并且因而引起减少数量的客户投诉。通过优化包括放电室的形状、主体-分支过渡部分的形状的弧管几何结构，并且通过控制全部沿弧管的弧管壁厚度分布，来取得CMH弧管设计的这些改进特征。

此外，与包括椭圆或准椭圆段的常规CMH弧管设计相比，上述弧管的结构具有生产费用不高的简单几何结构。相应地，这些弧管提供改进HID灯产品性能，其以降低的制造废品率和降低的成本来取得。

具有如上所述弧管几何结构的CMH灯的标称功率范围能够根据应用而改变。例如，用于零售照明应用的CMH灯可具有大约二十瓦特(20 W)至大约一百五十瓦特(150 W)的标称操作功率范围，而供户外/工矿照明中使用的CMH灯可具有大约250 W至大约800 W的标称操作功率范围，以及供运动照明中使用的CMH灯可具有大约1 kW至大约2 kW的标称操作功率范围。因此，这类灯的壁厚度特性也将改变。

以下描述的其他实施例一般涉及HID灯，以及更具体来说涉及为CMH灯提供具有特定轴向不对称构造几何结构的双端放电室，其提供适度轴向不对称温度分布。在一些实现中，特定轴向不对称构造几何结构能够设计成提供适度轴向不对称温度分布，例如以补偿放电管的操作环境的热不对称性，例如单端外护套、轴向不对称反射器外壳或垂直燃烧定向。

图5A是沿水平定向嵌入轴向对称放电室的组装常规三段形状HID CMH放电管主体500的实施例的示意剖面图。CH放电管主体500包括陶瓷圆柱放电室管501，其配置用于第一组合分支-插塞件502与第二组合分支-插塞件503之间的连接，以形成内部准椭圆成形和基本上轴向对称放电室505。第一组合分支-插塞件502包括：分支部分，其中具有分支孔504，以容纳第一电极；以及准锥形端插塞部分，这些部分作为一个单件来注模。类似地，第二组合分支-插塞件503包括：分支部分，其中具有分支孔506，以容纳第二电极；以及准锥形端插塞部分，这些部分再次作为一个单件来注模。第一组合分支-插塞件502和第二组合分支-插塞件503被认为是“公”陶瓷件，因为它们包括圆盘或挡块508、509以及圆柱壁架或搁架510、511，其中当组装CMH放电管主体500时，将圆柱壁架510、511插入圆柱放电室管501(其被认为是“母”陶瓷件)中，一直到挡块或圆盘508、509。如所示，组装放电管主体500具有基本上轴向对称和内部准椭圆几何结构的嵌入放电室。

图5B是烧结之后的图5A的常规三段形状HID CMH放电管主体500的示意剖面图。如上所述，CMH放电管主体500包括陶瓷圆柱放电室管501，其这时与第一组合分支-插塞件502和第二组合分支-插塞件503共同烧结，以形成真空密闭放电室505。共同烧结的陶瓷接头512通过烧结过程来形成，以使放电管主体500成为单件部件。在填充有剂量并且密封之后，单件放电管主体500提供CMH灯的放电管，其具有基本上轴向对称几何结构并且因此在CMH放电管的“中性”操作条件下(例如，在水平操作中并且没有包围放电管的外灯泡)的基本上轴向对称温度分布的放电室。

图6A是按照本文所述新方面、在烧结之前沿水平定向嵌入轴向不对称放电室603的组装二段形状和轴向不对称HID CMH放电管主体600的实施例的示意剖面图。CMH放电管主体600包括第一组合分支-插塞件602，其包括具有分支孔以容纳第一电极的分支部分，并且包括准锥形端插塞部分605，这些部分作为一个单件来注模。第一组合分支-插塞件602与图5A的第一组合分支-插塞件502相似，因为它也被认为是锥形端插塞部分的“公”陶瓷部件，因为它类似地包括圆盘或挡块606和圆柱壁架或搁架部分608。第二组合分支-插塞-中心体件610也包括具有分支孔612以容纳第二电极的分支部分、准椭圆端插塞部分611并且还包括准管状中心体部分614，这些部分再次作为一个单件来注模。准管状中心体部分614包括圆形远边缘部分616，其成形和/或确定大小为安装到或者连接到圆柱壁架部分608，一直到挡块606(未示出)。因此，第一组合分支-插塞件602和第二组合分支-插塞-中心体件610在如所示安装或组装在一起时形成二段形状HID CMH放电管，其中限定在它们之间的放电室603具有轴向不对称几何结构。具体来说，放电室603具有准椭圆和基本上轴向对称内部表面几何结构，但是具有轴向不对称外部表面几何结构。

图6B是烧结之后的图6A的二段形状和轴向不对称HID CMH放电管主体600的示意剖面图。CMH放电管主体600包括“公”第一组合分支-插塞件602，其这时与第二组合分支-插塞-中心体件610共同烧结，以形成真空密闭放电室603。在烧结之后，共同烧结的陶瓷接头620在正确完成和/或完全完成时无法被辨别，因为两个最初分离的陶瓷部件之间的结构和组成差异通过烧结过程来消除，并且不存在剩余的先前接头线的迹象。在填充有剂量并且密封之后，这样形成的单件放电管主体600提供CMH灯的放电管。由于图6A中示为虚线圆609的共同烧结区域中的附加表面积和过度陶瓷体积以及放电室603的准椭圆内几何结构的相关将次要不对称性，在放电室603的准锥形分支-插塞“公”侧602的室壁部分比成形的分支-插塞-中心体“母”侧610要略微更冷地进行操作(在“中性”操作条件下时，例如在水平操作中并且没有包围放电管的外灯泡)。因此，本文所述特定轴向不对称几何结构的HID CMH放电室603的轴向温度分布也变成适度轴向不对称。

图7示出按照一些实施例、包括嵌入轴向不对称放电室702的35瓦特CMH放电管700的详细构造几何结构。应当理解，图7所示并且以下所述的特定构造几何结构仅为了便于说明，而不是按照任何方式来限制本文所述新方面的范围。

按照本文所述的实施例，图7所示的CMH放电室702形成为具有轴向不对称温度分布。放电管本身能够制造成包含分支，或者可以是无分支设计，或者是两者的组合。通过室本身的轴向不对称设计几何结构来创建放电室的轴向热不对称性，并且不考虑可通过放电管的分支部分所引起的任何附加热效应，因为分支部分均假设为具有基本上相同的几何结构。轴向热不对称性能够是合乎需要的，因为具有这类特性的CMH放电室能够用作一些情况下的热补偿工具，例如在一些环境情况下和/或在一些定向情况下。例如，参照图6A，与“公”第一组合分支-插塞件602相邻的放电室603的一部分呈现少许有损热特性，使得那个区域中的温度小于与“母”组合分支-插塞-中心体件610相邻的温度，这在某些操作条件下会是合乎需要的。

例如能够通过创建基本上“等温”内部室几何结构，并且通过创建“非等温”外部室几何结构，来实现CMH放电室中的固有轴向不对称温度分布。在本文所述的一些实施例中，如上所述，嵌入轴向不对称放电室的陶瓷放电管由其室的轴向中心线外部所接合的两段或部件来制成(其中共同烧结接头区域更靠近室的一端，更接近“公”分支部分)，该构造保持接头的高可靠性。在一些实施例中，使用基于常规干扰拟合的陶瓷共同烧结技术。放电室的基本上锥形“公”陶瓷部件具有比第二“母”形状部件(其具有较大直径和较长长度)更小的直径和更短的长度。在一些实施例中，“公”部件仅构成端部，而“母”部件包括中心部分和形成放电室的相对端部。在共同烧结之后，放电室的内部表面几何结构具有准椭圆以及轴向和旋转对称(“等温”)形状。但是，在“公”部件端的外部表面积和陶瓷体积比“母”部件要大，这归因于共同烧结所需的特征(以上所述的圆盘和圆柱壁架部分)，其引起在烧结接头的双壁配置。因此，在“中性”操作条件下的操作期间(例如在水平操作中并且没有包围放电管的外灯泡)，“公”部件端变成比“母”部件端稍微更冷，以及放电室变成热轴向不对称(轴向“非等温”)。能够通过例如操纵电极尖端的位置可选地沿轴向偏移放电室中的弧隙，来调整或修改这个轴向热不对称性。

因此，再次参照图7所示的35瓦特CMH弧管700，放电室702通过具有大约0.4 mm至大约2.0 mm的范围中的陶瓷壁厚度的弧管来限定。在一些实施例中，发光中心主体部分704具有一般恒定壁厚度，并且分支部分706和708也可具有一般恒定壁厚度或者可逐渐变细。母组合分支-插塞-中心体件710包括可在大约三十五度(35°)至大约五十五度(55°)的范围中的锥半角α1，以及包括外曲率半径R31和内曲率半径R310，并且具有壁厚度T1。类似地，公组合分支-插塞-中心体件712具有可在大约三十五度(35°)至大约五十五度(55°)的范围中的锥半角α2、内曲率半径R320、最小壁厚度T2以及具有锥半角β2(其可在大约三十五度(35°)至大约五十五度(55°)的范围中)的锥形外表面。

在如图7所示的实施例中，放电室702的最大直径D2为大约6.2 mm。尺寸L31和L32分别表示母组合分支-插塞-中心体件和公组合分支-插塞-中心体件的长度，以及尺寸α1表示母组合分支-插塞-中心体件的锥半角，并且尺寸α2表示公组合分支-插塞中心体件的锥半角。尺寸R41和R42分别表示母组合分支-插塞-中心体件和公组合分支-插塞-中心体件的曲率半径，以及尺寸L1表示第一主体-分支过渡部分与第二主体-分支过渡部分之间的距离。针对图7所示并且以上所述的尺寸下列关系成立：0.5 < R31/D2 < 1.1和0.5 < R320/D2 < 1.1和0.8 < R320/R31 < 1.2和T1/2 < L31，L32 < D2/2和0.04 < R41/D2 < 0.5和0.1 < R42/D2 < 0.5和1.3 < L1/D2 < 2 并且 35° <α1，α2，β2 < 55°。

即使HID或CMH灯的大多数标记为“通用燃烧”类型，CMH灯的基本定向在一些倾斜角极限之内也基本上“垂直基座向上”(VBU)。因此，常规轴向对称双端HID放电室的上端部常常通过热废气的自然对流而变成过热，而其下端部的温度保持在其最佳设计值之后。另外，HID灯构造的大多数属于单端类型，其中具有仅位于灯的一端的单个基座。单端灯构造的这个几何不对称性通过从基座反射回的热量引起常规轴向对称放电管的两个相对端部及其嵌入轴向对称放电室的不同程度的反加热，这再次导致两个室端部之间的最终热不对称性。另外，由于一些特殊外灯泡几何结构，存在放电管及其嵌入放电室的热环境固有地极为不对称的HID灯构造，再次导致几何轴向对称放电室的不对称温度分布。这类灯构造的示例是具有小反射器锥角的反射器灯(PAR20、PAR30、MR16)或者具有反射大量热的内置挡光屏蔽的灯(例如AR111类型灯)。另外，几何紧密抛物线或椭圆形照明器材构造能够对放电室温度分布具有同样影响。在这类条件下，本文所述的热轴向不对称HID放电室会是有利的，因为其固有轴向热不对称性能够用来补偿来自例如热不对称定向、灯构造和/或器材环境的不合需要的热差，并且最终使灯成为热优化“通用燃烧”类型灯。

图8示出图6B的二段形状HID CMH放电管主体600(其包括嵌入轴向不对称放电室)的轴向热不对称性的热成像和计算机建模方面800。具体来说，图8的热成像校准计算机建模结果800包括沿水平和垂直燃烧定向的70瓦特二段CMH放电管构造的稳态和冷却热和应力分析。相比之下，图9示出常规三段形状HID CMH放电管(与图5B的放电管主体500的放电室相似，其具有在两个端部带有相同“公”部件几何结构的轴向对称放电室)的热成像校准计算机建模结果900。图9的计算机建模结果900包括沿水平和垂直燃烧定向的70瓦特三段形状和轴向对称放电管构造的稳态和冷却热和应力分析。这两种放电管构造的PCA和电极温度均处于材料极限之内，并且应力完全低于设计的PCA强度。因此，图9所示的热成像校准计算机建模数据能够用作图8所示数据的参考。

参照图8和图9，图8所示的水平温度分布802指示轴向不对称放电室构造的固有轴向热不对称性，而图9的水平温度分布902指示如预计的轴向对称放电室构造的轴向热对称性。但是，垂直定向温度分布数据804示出因按照本发明的二段形状和轴向不对称CMH放电室引起的补偿效应。相比之下，垂直定向温度分布数据904示出固有轴向对称三段形状CMH放电室的上端部的对流驱动过热效应。

因此，应当理解，具有本文所述二段形状和轴向不对称CMH放电室构造的固有轴向不对称温度分布的HID灯能够用来补偿在常规轴向对称放电室中所观察的因操作定向效应或者因产生于热不对称外灯泡或照明器材构造的轴向不对称温度环境引起的不可避免的热不对称性。

图10示出按照本公开、嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管1000的实施例。包括准锥形端插塞部分和具有用于电极的分支孔1003的分支部分(其在一个单件中注模)的“公”第一组合分支-插塞部件1002烧结到包括准椭圆形状端插塞部分和具有分支孔1005的分支部分(其也在一个单件中注模)的“母”第二分支-插塞-中心体部件1004。通过烧结，形成了轴向不对称放电室1006，并且因而CMH放电管1000具有嵌入轴向不对称放电室，其中具有轴向不对称温度分布特性。

图11示出具有G12基座单端构造的“成品”HID CMH灯1100，其包括与图10的CMH放电管1000相似的放电管1102。外灯泡1104封装放电管1102，并且连接到G12灯头1106和接触插销1108。还包含在外灯泡1104中的是框架导线1110、吸气剂1112和金属箔启动辅助1114。

图12A示出包括沿垂直定向的轴向室对称性的常规三段“盒形”放电管1202的HIDCMH灯1200(例如，供用作吸顶灯)，而图12B示出按照上述实施例、包括沿垂直定向嵌入轴向不对称放电室的二段形状放电管1212的HID CMH灯1210。参照图12A，灯1200包括镜面1204，其在灯进行操作时将光以及还有热反射回放电室。当处于垂直定向(如所示)时，镜面1204的反加热的效应在更靠近镜面1204的“颈”部并且具有比镜面的最大直径要小许多的直径的放电室的顶部更强。另外，灯1200的垂直操作还因放电室中的废气的浮力驱动向上对流而引起放电室的顶部的附加发热。因此，在放电室的顶部附近的操作期间的放电管1202的常规轴向对称放电室的温度将大于室的底部附近的温度，这不利地影响灯性能和可靠性。相比之下，针对图12B，轴向不对称放电室的“公”部分1214(这时位于放电管1212的中心部分的顶端)的操作期间的温度应当固有地比“母”部分1216(这时位于放电室的底端)更冷(因按照本文所述实施例的放电室构造的几何结构的内置轴向不对称温度特性)。显然，按照本文所述新方面的定向和灯构造特性以及内置轴向热不对称性在这个示例中沿相反方向驱动放电室的热不对称性和最终轴向温度分布。因此，按照本公开所制作的放电室的内置轴向热不对称性的特性特征能够用来补偿定向和灯构造驱动热效应。实际上，在一些实施例中，放电室的内置轴向热不对称性的特性特征甚至可完全抵消对灯性能的有害影响，以便使轴向不对称放电管的总温度分布在这些情况下是对称的。

图13A至图13D示出用于通过将特定轴向不对称性引入放电室几何结构中来创建适度轴向不对称温度分布的备选选项和/或实现。具体来说，图13A示出CMH放电管构造1300，其呈现轴向不对称内轮廓1302和轴向对称外轮廓1304的放电室，但是其中轴向偏移内部几何结构在放电室的相对端创建壁厚度差，由此创建室的轴向不对称温度分布。

图13B示出CMH放电管构造1310，其呈现轴向对称外部轮廓1312的放电室，但是其包含轴向不对称内部几何结构1314，因而创建变化厚度的壁和放电室的轴向不对称温度分布。

图13C示出轴向不对称放电室几何结构的CMH放电管构造1320，其是上述二段形状和轴向不对称CMH放电室构造的实施例，但是这个实现包括比相对电极尖端1324更进一步延伸到放电室1326中的电极尖端1322，以降低因沿轴向的弧隙的偏移引起的放电室的内置轴向热不对称性。因此，图13C示出一种用于按照本文所述实施例来微调特定CMH放电室的轴向热不对称性以解决例如环境和/或定向问题的方法。

图13D示出CMH放电管构造1330，其呈现轴向对称内部轮廓1332和轴向对称外部轮廓1334的放电室，但是包括附连到放电室1330的一端的外部表面的冷却肋片1336、1338，因而创建室的轴向不对称温度分布。

应当理解，图13A-13D示出几何形状和/或部件可能性的一些示例，并且考虑其他形状和/或部件。另外，一些实现可利用或组合图13A-13D所示的一个或多个特征，例如，CMH灯的实施例可包括图13B所示的轴向对称外部轮廓1312和轴向不对称内部几何结构1314连同图13D所示的肋片1336、1338。相应地，所提出HID放电室的轴向不对称温度分布能够用来补偿在常规轴向对称放电室中可观察的因操作定向影响或者因通过热、极不对称外灯泡或照明器材构造的轴向不对称温度环境引起的不可避免的热不对称性。

具有如上所述放电室几何结构的CMH灯的标称功率范围能够根据应用而改变。例如，用于零售照明应用的CMH灯可具有大约二十瓦特(20 W)至大约一百五十瓦特(150 W)的标称操作功率范围，而供户外/工矿照明中使用的CMH灯可具有大约35 W至大约800 W的标称操作功率范围，以及供运动照明中使用的CMH灯可具有大约1 kW至大约2 kW的标称操作功率范围。因此，这类灯的壁厚度特性也将改变。

本文所述CMH放电室构造的技术优点包括提供极不对称灯构造的改进通用燃烧特性。从最大可取得性能角度来看，这因在放电室的相对端的欠热的同时避免放电室的一个端部的过热而引起改进可靠性。另外，本文所述的方法产生优化灯构造。本文所述的嵌入轴向不对称放电室的二段形状HID CMH放电管实施例保持可靠陶瓷接头构造，同时使用廉价陶瓷成形技术以竞争产品成本产生根据需要所表现的竞争产品。

应当理解，以上描述和/或附图不是要暗示本文所参照的任何过程的步骤的固定顺序或序列；而是任何过程可按照可实行的任何顺序来执行，包括但不限于示为连续的步骤的同时执行。

虽然结合具体示范实施例描述了本发明，但是应当理解，能够对所公开实施例进行本领域的技术人员清楚知道的各种变更、置换和改变，而没有背离如所附权利要求书所提出的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种弧管，包括：

陶瓷壁主体，所述陶瓷壁主体限定其中的放电室以用于包封具有壁厚度T的金属卤化物剂量，所述陶瓷壁主体包括：

第一弯曲部分和相对的第二弯曲部分，其中尺寸R3表示所述第一弯曲部分和所述第二弯曲部分的曲率半径；

所述第一弯曲部分之后的第一锥形部分和所述第二弯曲部分之后的第二锥形部分，其中尺寸L3表示所述第一和第二锥形部分的长度，并且其中尺寸α表示所述第一锥形部分和所述第二锥形部分的锥半角；以及

具有所述第一锥形部分之后的第一主体-分支界面的第一主体-分支过渡部分以及具有所述第二锥形部分之后的第二主体-分支界面的第二主体-分支过渡部分，其中尺寸R4表示所述第一主体-分支过渡部分和所述第二主体-分支过渡部分的曲率半径，并且其中尺寸L1表示所述第一主体-分支过渡部分与所述第二主体-分支过渡部分之间的距离；以及

其中所述陶瓷壁主体具有表示所述放电室的最大直径的尺寸D2，并且下列关系成立：0.5＜R3/D2＜1.1并且T/2＜L3＜D2/2并且1.3＜L1/D2＜2并且40°＜α＜55°。

2.如权利要求1所述的弧管，还包括位于所述第一弯曲部分与所述第二弯曲部分之间的中心圆柱部分。

3.如权利要求2所述的弧管，其中，所述中心圆柱部分具有大约L0的长度，关系L0/D2＜0.5对其成立。

4.如权利要求1所述的弧管，其中，下列关系成立：0.04＜R4/D2＜0.5。

5.如权利要求1所述的弧管，其中，所述弧管具有大约20瓦特(20W)至大约2千瓦特(kW)的至少一个之间的标称输出功率范围。

6.如权利要求1所述的弧管，其中，限定所述放电室的所述陶瓷壁主体具有基本上均匀的厚度。

7.如权利要求1所述的弧管，其中，所述陶瓷壁主体的壁厚度T在大约0.4毫米至大约4.0毫米的范围中。

8.如权利要求1所述的弧管，还包括：

包括陶瓷壁的第一延长分支，所述第一延长分支在所述第一主体-分支界面耦合到所述第一主体-分支过渡部分；以及

包括陶瓷壁的第二延长分支，所述第二延长分支在所述第二主体-分支界面耦合到所述第二主体-分支过渡部分。

9.如权利要求8所述的弧管，其中，在操作期间，当所述弧管主体沿垂直定向进行操作时，所述放电室的轴向温度从所述放电室的最大半径的中心点朝所述第一主体-分支过渡部分和所述第二主体-分支过渡部分其中之一单调递减。

10.如权利要求8所述的弧管，其中，在所述第一主体-分支过渡部分和所述第二主体-分支过渡部分的所述陶瓷壁的厚度大于在所述第一延长分支和所述第二延长分支的外端所形成的所述陶瓷壁的厚度。

11.如权利要求8所述的弧管，其中，所述第一延长分支和所述第二延长分支的外几何结构是基本上锥形。

12.如权利要求11所述的弧管，其中，所述第一延长分支和所述第二延长分支的所述锥半角在0°以上2°以下。

13.一种放电灯，包括：

弧管，所述弧管包括陶瓷壁主体，所述陶瓷壁主体限定其中的放电室以用于包封金属卤化物剂量，所述陶瓷壁主体具有壁厚度T并且包括：

具有所述第一锥形部分之后的第一主体-分支界面的第一主体-分支过渡部分以及具有所述第二锥形部分之后的第二主体-分支界面的第二主体-分支过渡部分，其中尺寸R4表示所述第一主体-分支过渡部分和所述第二主体-分支过渡部分的曲率半径，并且其中尺寸L1表示所述第一主体-分支过渡部分与所述第二主体-分支过渡部分之间的距离；

其中所述陶瓷壁主体具有表示所述放电室的最大直径的尺寸D2，并且下列关系成立：0.5＜R3/D2＜1.1和T/2＜L3＜D2/2和1.3＜L1/D2＜2和40°＜α＜55°；

第一电极，具有定位在所述第一主体分支过渡部分附近的所述放电室内部的第一电极尖端；以及

第二电极，具有定位在所述第二主体分支过渡部分附近的所述放电室内部的第二电极尖端，使得所述第二电极尖端定位成离所述第一电极尖端预定距离并且与其相对。

14.如权利要求13所述的灯，其中，所述第一电极尖端和所述第二电极尖端由钨材料和钨合金材料的至少一个来组成。

15.如权利要求13所述的灯，其中，下列关系成立：0.04＜R4/D2＜0.5。