CN107430980B

CN107430980B - 高强度放电灯

Info

Publication number: CN107430980B
Application number: CN201680016953.4A
Authority: CN
Inventors: K.舍勒
Original assignee: Lumileds Holding BV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: JP2018508113A; JP6770970B2; EP3271935A1; CN107430980A; US20180061626A1; WO2016150730A1

Abstract

本发明涉及一种高强度放电灯（1），其包括包围放电室（3）中的填充物的放电容器（2）以及一对电极棒（4、5），该电极棒由不含钍的材料形成，并从相对两侧伸入放电室（3）中。放电室（3）中的电极棒（4、5）的直径ED满足公式（I）：

（I）其中W表示标称灯功率的值（单位为mW），并且Ed表示放电室（3）中的电极棒（4、5）的距离的值（单位为mm），并且其中标称灯功率W介于20W和50W之间。利用上述公式，不需要耗时的实验，可以容易地设计具有不同的标称功率和/或10电极距离的高强度放电灯，以便实现最佳性能。

Description

高强度放电灯

技术领域

本发明涉及一种高强度放电（HID）灯，其包括包围放电室中的填充物的放电容器以及一对电极棒，该电极棒由不含钍的材料形成，并从相对两侧伸入放电室中。这样的HID灯可以例如在汽车应用中，特别是在头灯中使用。

背景技术

高强度放电灯应当具有长的寿命以及在灯的寿命期间维持的高的光输出。灯的性能例如被电极的大小和距离、以及被填充物的组成物影响，填充物典型包括惰性气体和通常以在操作期间气化的颗粒的形式引入的盐填充料。盐填充料可以包括许多金属卤化物，这些金属卤化物根据它们的特定性质，特别针对它们对灯的色点的贡献而被选择。

基于不同的多功能要求，特别是在汽车灯的情况下，以灯功率和/或电极距离的改变规格来优化HID灯或设计新的灯非常困难、外延广泛（enormous extensive）并且还昂贵。电极直径是HID灯的关键尺寸。如果电极直径过大，则可能导致若干缺点，例如困难的缩紧（pinch）过程、零时缺陷或换向问题。如果电极直径过小，则灯的寿命可能由于强烈的电极回烧而达不到要求，并且可能发生电磁干扰（EMI），电磁干扰（特别是在汽车应用中）可能对周围的（例如车中的）电子系统产生负面影响。

EP 2 725 604 A1描述了一种金属卤化物灯，其包括包围放电室中的填充物的放电容器以及从相对两侧伸入放电室中的一对电极棒。填充物包括金属卤化物和稀有气体。电极和放电室两者都不含有任何钍，钍典型用作发射体材料以降低电极的功函数。为了避免灯的闪烁和电极的变形，启动功率W_L根据包含电极直径D的规则来调整大小（dimensioned）。启动功率值W_L通过把在灯的启动之后的时间段期间供应到灯的电功率加起来而获得。对于具有介于20W和30W之间的标称功率P的灯，选择启动功率以满足4300≤W_L/D≤7400。此规则主要意图避免在启动期间由于在电极中或在放电室中缺少发射体而导致的电极的过热和/或变形。该文件仅处理灯的启动阶段的问题，而没有处理稳定照明时间段的特性。

发明内容

本发明的一目的是提供一种特别用于汽车应用的高强度放电灯，其在相当长的寿命期间提供高强度的光输出，并且允许以简单省时方式针对其它标称灯功率和/或其它电极距离进行重新设计。

该目的利用根据权利要求1的高强度放电灯实现。此放电灯的有利的实施例是从属权利要求的主题，或者在本描述的后续部分中得到描述。

所提出的优选不含汞的HID灯包括包围放电室中的填充物的放电容器，以及从相对两侧伸入放电室中的一对电极棒。放电室中的无钍电极棒的直径ED满足下述公式：

在此等式中，W表示标称灯功率的值（单位为mW），并且Ed表示放电室中的电极棒的距离的值（单位为mm）。电极棒可以具有任何适当的截面，截面优选是圆形的，但是还可以具有其它形状。在非圆形截面的情况中，直径是指电极棒在垂直于该电极棒的纵向轴线的平面中的最大延伸。实践中约±10μm的制造电极棒的精度已经包含在上述公式中。

由于电极直径对于HID灯的光输出、寿命、维护、换向等，并且尤其对于汽车灯的EMI行为而言非常重要，HID灯的优化总是关注电极的直径。直到现在，对于具有与现有的灯不同的标称灯功率和/或电极距离的新的或改进的灯，必须利用个体实验及它们的分析（包括寿命）来开发最佳电极直径，这是非常耗时的，例如，对于对汽车行业中的寿命测试进行的一个实验而言大约要八个月。发明人意外地发现，使用上述公式，可以发现针对介于20W和50W之间的标称灯功率以及针对大范围的电极距离的最小电极直径，其满足HID灯的所有重要的普遍标准（包括EMI行为）。由于根据该公式的最小电极直径依赖于电极距离和标称灯功率，这些参数中的一个或两个的改变不需要外延和昂贵的新开发，最佳电极直径相反可以在短时间内计算出来。直到现在，并不知道标称灯功率和电极距离之间相对于电极直径的合理相关性。

在所提出的HID灯中，电极棒由不含钍的材料形成。像钍这样的发射体经常用于HID灯的电极中，以便降低电极的功函数，并且从而允许实现较低电极温度下的阴极电子发射。这避免了电极在灯的预备阶段（run-up）期间的极度加热。为此，块状电极材料通常用氧化钍（ThO₂）掺杂。然而，氧化钍中含有的氧在灯的化学性质上还具有缺点，这最终导致光输出在灯的寿命期间下降。因此，所提出的高强度放电灯的电极棒由不含钍的材料形成。在优选实施例中，电极棒由不含任何发射体或至少不含镧或钇的材料形成。这意味着电极在不包含任何氧化钍其它发射体（比如例如镧或钇）的情况下被制造。优选地，电极棒主要由钨制成。

为了降低电极的功函数，所提出的高强度放电灯优选在填充物中包括发射体，特别是钍、钍组成物或钍化合物。填充物典型包含卤化物组成物，其典型形式为在放电室在灯的操作期间被加热时蒸发的盐。在本实施例中，该填充物包含对应的发射体。优选地，填充物包含卤化物的盐，其包含至少8％的ThI₄，优选10％的ThI₄。钍化合物的这种比率有利地降低了电极棒的功函数，并且因此进一步改进了光输出且增大了灯的寿命。填充物可以例如包括NaI/ScI₃/ThI₄的混合物。填充物的组成物被适当地调整以控制流明输出的变化、色点的位置相对于黑体线的变化等。填充物可以另外地包含例如包括ZnI₂和/或InI的卤化物组成物，以便进一步影响灯的色点。另外可以包含其它化合物。对于技术人员而言显而易见的是，借助于化学式对金属卤化物的任何引用（例如ThI₄之于碘化钍）并不排除使用该金属和卤素的另一种金属盐。例如，在根据本发明的高强度放电灯中，卤化钍也可以是溴化钍、氯化钍或氟化钍中的任何。

高强度放电灯的电极伸入放电室的相对两端中。由于放电容器的材料（典型为石英玻璃）的扭曲折射属性，电极的实际距离不能从外部光学地确定，并且通常使用例如X射线技术来执行。因此，电极间距有时表示为光学间距。在本专利申请中，电极距离是指实际电极距离而不是光学距离。稳定电弧的维持在大程度上取决于电极的几何结构，特别是它们的直径，因为电极的厚度控制在操作期间达到的电极温度。这进而根据镇流器参数确定电极的换向行为和回烧。电极可以实现为从顶端到缩紧部的均匀直径的简单的棒形状，或者还可以实现为与缩紧部内的电极的部分相比在放电室内部具有不同的直径。本发明的上述公式涉及放电室内部的电极棒的（恒定）直径ED。由于过大的电极直径是不利的，因此所提出的HID灯的电极棒的直径ED优选地选择为在介于ED₀和ED₀+60μm之间（更优选地介于ED₀和ED₀+40μm之间）的范围中。利用介于2.0和4.0mm之间的电极棒的距离实现了非常好的结果。

所提出的高强度放电灯可以有利地用于汽车应用中，特别是代替现有技术的S和R型的D1至D9头灯。

附图说明

下面结合附图以示例的方式描述所提出的高强度放电灯。

图1示出根据本发明实施例的HID灯的截面。

具体实施方式

图1示出根据本发明实施例的无汞石英玻璃HID灯1的截面。灯1包括包围含有填充料气体的放电室3的石英玻璃放电容器2。此示例中示出的放电室3的内径介于2.0mm和2.8mm之间，并且外径介于5.3mm和6.3mm之间。这导致放电室3的容量介于15μl和30μl之间。两个电极棒4、5从灯1的相对两端伸入到放电室3中。在制造期间，放电容器2的石英玻璃在两侧围绕电极的杆缩紧，以密封放电室3中的填充料气体。电极棒4、5与到外部的导电引线41、51之间的电气连接由被包围在缩紧部或密封区域中的钼箔40、50建立。电极棒4、5因此延伸到缩紧部中一定距离。

电极棒4、5由钨制成，并被制造成基本上不含钍，且伸入放电室3中。电极棒4、5的顶端彼此隔开一定距离。根据灯的类型，该电极距离可以在介于2.0和4.0mm之间的范围之中，例如满足D3或D4规格。在本示例中，灯1的电极棒4、5以从基部到顶端的均匀厚度的简单棒的形式实现。根据下述公式，这些电极棒4、5的厚度或直径ED被选择为≥ED₀：

为了清楚起见，附图仅示出了与本发明相关的部件。未示出的是灯需要用于控制灯的电流或功率的基座和镇流器。由于对于本领域技术人员而言这些和其它的附加组件将是已知的，因此它们将不在这里以任何细节说明。当灯被导通时，镇流器的点火器跨过电极棒4、5迅速施加几千伏的点火电压以发起放电弧。放电室中的温度迅速升高，并且金属盐蒸发。当高发光强度的弧逐渐建立时，镇流器将功率向下调节到操作水平（标称功率），例如对于D4灯的35W。

在第一示例中，所提出的高强度放电灯针对35W的标称功率来设计，并且具有27μl的放电室体积以及3.7mm的电极距离（光学间隔：4.2mm）。电极棒的直径为320μm，其满足上述公式。在该示例中，灯的填充物中的总盐填充料的比率是300μg。填充物是具有或不具有InI或ZnI₂的NaI/ScI₃/ThI₄的组成物。根据所期望的效果，填充物还可以含有其它物质。

在第二示例中，具有25W的标称灯功率的高强度放电灯被提供以20μl的放电室体积以及3.5mm的电极距离。在这种情况下，选择电极棒的直径为290μm，其也满足上述公式。此示例中的总盐填充料为200μg。填充物是具有或不具有InI或ZnI₂的NaI/ScI₃/ThI₄的组成物。根据所期望的效果，填充物还可以含有其它物质。

在第三示例中，高强度放电灯具有27W的标称功率、21μl的放电室体积以及2.6mm的电极距离。电极棒的直径为300μm，其也满足上述公式。在这种情况下，总盐填充料为250μg。填充物是具有或不具有InI或ZnI₂的NaI/ScI₃/ThI₄的组成物。根据所期望的效果，填充物还可以含有其它物质。

所有上述示例都导致在灯的长寿命期间具有高强度输出，并且同时具有低的EMI，并且没有换向问题的高强度放电灯。对于这样的性能必要的电极直径可以利用根据本发明的上述公式被容易地计算出来，从而避免用于找到针对最佳性能的电极直径的任何耗时的实验和测试。

尽管本发明已经在附图和前面的描述中被详细地说明和描述，但是这样的说明和描述将被认为是说明性或示例性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。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，可以理解和达成对所公开实施例的其它变型。权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举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释为限制发明的范围。

附图标记列表

1：HID灯

2：放电容器

3：放电室

4：电极棒

5：电极棒

40：钼箔

41：导电引线

50：钼箔

51：导电引线

ED：电极棒的直径

Ed：放电室中的电极棒的距离

Claims

1.一种设计高强度放电灯的方法，所述高强度放电灯包括包围放电室（3）中的填充物的石英玻璃放电容器（2）以及由不含钍的材料形成、并且从相对两侧伸入所述放电室（3）中的、从顶端到缩紧部的均匀直径的简单棒形状的一对电极棒（4、5），所述方法包括下述步骤：

为所述放电室（3）选择介于2.0mm和2.8mm之间的内径和介于5.3mm和6.3mm之间的外径，

通过下述公式计算所述放电室（3）中的所述电极棒（4、5）的最小直径ED₀：

ED₀ =

µm - 10 µm，

W表示单位为mW的标称灯功率的值，并且Ed表示单位为mm的所述放电室（3）中的所述电极棒（4、5）的距离的值，

选择大于或等于经计算的最小直径ED₀的所述放电室（3）中的所述电极棒（4、5）直径ED：ED ≥ ED₀，并且

选择介于20W和50W之间的所述标称灯功率W。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述电极棒（4、5）由不含任何发射体的材料形成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，

其中所述电极棒（4、5）的直径ED在ED₀和ED₀+40μm之间被选择。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，

其中所述放电室（3）中的所述电极棒（4、5）的所述距离在2.0mm和4.0mm之间被选择。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，

其中所述填充物包括发射体。

6.根据权利要求5所述的方法，

其中所述填充物包括作为发射体的钍或钍组成物或化合物。

7.根据权利要求6所述的方法，

其中所述填充物包括包含至少8％的ThI₄的卤化物的盐。

8.根据权利要求7所述的方法，

其中所述填充物包括包含至少10％的ThI₄的卤化物的盐。

9.根据权利要求6所述的方法，

其中所述填充物包括NaI/ScI₃/ThI₄的组成物。