CN1248785A - 无电极高亮度放电灯 - Google Patents

Abstract

一种无电极高亮度放电灯,它包括透光的电弧管,用来容纳等离子体电弧放电,电弧管具有顶部、底部和侧壁,其中装有填充物。填充物至少包括一种金属卤化物和一种缓冲气体。电弧管管壁的内表面具有环绕侧壁中心区域的环形区域。电弧管管壁的内表面的大部分区域是平滑的,但在所述环形区域有稳定液体的粗糙表面。

Description

无电极高亮度放电灯

本发明涉及无电极高亮度放电灯，更详细地说，涉及在电弧管的那些受腐蚀最严重的区域设置过量液态金属卤化物薄膜来保护电弧管，稳定性是借助于机械上粗糙的表面或金属氧化物粉末层来实现的。

高压无电极感应驱动的气体放电灯提供高效率和优异的彩色再现的吸引人的结合。为了在经济上有竞争力，这样的灯必须在光输出没有严重退化的情况下工作数千小时。实现灯的长寿命的一个主要问题是电弧管的那些最接近激烈放电的区域的腐蚀。

具体地说，在对感应驱动的无电极气体放电灯进行寿命试验过程中已经观察到腐蚀。试验灯使用圆柱形圆角石英电弧管。电弧管的温度范围为850℃至1000℃。电弧管被定量注入惰性缓冲气体和金属卤化物，诸如碘化钠和碘化铈，形成一种填充物或“配量装入物”(dose)。工作的电弧管中金属卤化物的压力由过量金属卤化物液体储库的温度控制。这种储库形成在电弧管内表面的最冷部分。

已经观察到，长时间工作之后，在电弧管的内表面出现破坏区域。这种破坏区域呈环形区域状，位于圆柱形电弧管的圆周上。这也是强烈的电弧被感应的射频(RF)场压在管子表面的区域。

导致电弧管破坏的准确机理尚未完全查清。相信在强烈的离子轰击和来自电弧的辐射下，出现化学反应，导致电弧管的损坏。例如，碘化钠在电弧的作用下离解成正的钠离子和负的碘离子。正钠离子被电弧的电场驱动冲向管壁。即使这些离子中的小部分在到达管壁之前未与碘复合，钠也会在化学上腐蚀石英壁。电弧管填充物中其它的金属卤化物，诸如稀土碘化物会以类似的方法使电弧管损坏。其净效果是诸如钠等金属组分损失，导致光输出退化，而且诸如碘化物等游离卤素的积聚导致电弧的不稳定，甚至电弧熄灭。

在高压金属卤化物灯中钠的损失方面，有不少文献。John F.Waymouth在他论述放电灯(Electric Discharge Lamps(MIT Press，1971，pp 266-277))一书中评述了早期的工作。E.Fisher在1988年高温灯化学会议(Symposium in High Temperature Lamp Chemistry)上发表了“金属卤化物灯中游离碘化物的形成”一支。钠损失是钠穿过电弧管管壁扩散和在电弧管内的反应造成的。

在1991年7月16日授于Witting的美国专利No.5,032,757中描述了在高压无电极放电灯中利用保护性金属卤化物薄膜的方法。在该专利中，把电弧管最接近等离子体电弧放电的管壁部分维持在较电弧管其余部分为低的温度，使得金属卤化物的冷凝物在那里形成保护层。Witting的专利公开了一种具有围绕电弧管设置的激励线圈的无电极高亮度放电灯，它包括热装置，用以保证在灯工作过程中金属卤化物冷凝物在电弧管最接近等离子体电弧放电的部分形成保护薄膜。在一个短的圆柱形电弧管中，热装置包括位于其顶部和/或底部的热屏蔽。在一个实施例中，电弧管底部凹进，以保证冷凝物不收集在电弧管的底部。激励线圈可以位于足够接近电弧管的地方，以保证从电弧管侧壁把足够的热量移到散热器，使得在电弧管内表面上形成保护性金属卤化物薄膜。最好在电弧管和激励线圈之间设置玻璃外壳，该玻璃外壳还起从电弧管侧壁消除热量的作用。

在至少具有上述某些特征的灯的使用中发现一个实际问题。例如，在具有平滑内表面的新的电弧管上，液体填充物形成液滴，大得足以周期性地在重力作用下间歇地向电弧管较热的部分移动。填充物从那里蒸发，并在较冷的表面重新冷凝。这种周期性的运动往往把没有保护的电弧管表面暴露于附近电弧的剥蚀之下。这还会伴随发生电弧本身位置的非常不利的变化。换句话说，填充物位置的不稳定引起电弧的不稳定，这在商品光源上是不能接受的。因此，最好提供克服先有技术上述和其它缺点的这样一种灯。

本发明涉及一种无电极高亮度放电灯，它包括石英制透光的电弧管，用来容纳等离子体电弧放电，该电弧管具有一般球形外形的顶部和底部及侧壁，电弧管内装有配量装入物或填充物。填充物至少包括一种从包括碘化钠和碘化铈的金属卤化物类中选出的金属卤化物和一种从包括氙和氪的缓冲气体类中选择的缓冲气体。这样选择金属卤化物的数量，使得在灯的工作过程中存在液态金属卤化物冷凝物的储库。设置一个外壳，它具有：一般圆柱形的中心区域；一般半球形包围电弧管并在形状上与电弧管下部区域的曲率对应的下部区域；和带有一般圆形外形并具有让一根棒穿过的开孔的上端的上部区域。所述棒一般垂直地设置并在电弧管中心区域从电弧管向上延伸穿过所述开孔。电功率通过激励线圈加在灯上，该激励线圈环绕该灯，并连接到射频电源，带有与该电源耦合的散热器。电弧管具有外表面和内表面，内表面包括环绕侧壁中心区域的环形区域。电弧管管壁的内表面的大部分区域是平滑的，但在所述环形区域有稳定化的表面，用以增强其上的液态金属卤化物的牢固性。稳定化表面是采用稳定化处理方法来处理的，诸如盐酸化学侵蚀或喷砂或包括氧化硅、氧化铝、氧化铈。氧化钇和氧化钪等粉末金属材料烧结等。

结合附图阅读以下对本发明的详细描述，本发明的特征和优点将变得明显。附图中：

图1是按照本发明第一实施例构造的无电极高亮度放电(HID)灯的部分切除的侧视图；而

图2是图1所示电弧管部分的放大的截面图。

图1举例说明无电极高亮度放电灯10(HID)的一个示范性的实施例。灯的中心部件是透光的电弧管12。电弧管最好用诸如熔融石英等高温玻璃制造，但可以用其它光学透明的陶瓷材料，诸如多晶氧化铝制造。在最佳实施例中，电弧管的形状是一般球形，它环绕赤道比环绕两极大，使得它显得被从顶部向底部压缩。这样的形状有助于更近于等热操作，它减少热损失，从而提高工作效率。这样，电弧管12具有以14表示的顶部、以16表示的底部和以18表示的环形侧壁。

称作“配量注入物”(‘dose’)或“填充物”的填充材料被包含在电弧管12内，并被密封于其中。填充物包括至少一种金属卤化物，最好从包括碘化钠和碘化铈等一类金属卤化物中选出。填充物还包括缓冲气体。缓冲气体最好从包括氙和氪的一类缓冲气体中选出。这样选择金属卤化物的数量，使得在灯的工作和使用过程中存在液态金属卤化物冷凝物的储库。所述组合的填充材料按重量配比使用，以便产生表现出高效率和在白色温度下良好的彩色再现能力的可见光辐射。

电弧管12位于外壳20内。所述外壳做成具有一般圆柱形中心区域22和包围电弧管12的半球形下部区域24的形状。电弧管下部区域16的曲率一般与外壳的下部区域24对称。射频(RF)电源26向激励线圈28提供电流，后者在电弧管12内产生加热电流。外壳20还有一个一般圆形外形形以封闭该外壳的上端30。在上端30中形成开孔29，用以让固定在电弧管12顶部14的支持棒32穿过。另外，在侧壁靠近上端30的外壳上设置环形凹槽34。

支持棒32有中空圆柱形构形和其上段36从外壳20上端30上的开孔29穿出。棒32的下端38固定在电弧管12顶部中心区域并起把电弧管相对于外壳20保持适当取向的作用，以便在工作和使用过程中使效率达到最大。电弧管12和外壳20最好用同一材料，最好用石英制造。

通过围绕电弧管12设置的并连接到射频(RF)电源26的的激励线圈28施加电功率。在工作中，线圈28中的射频电流产生变化的磁场，后者在电弧管中产生电场，而该电场又是自身完全闭合的。电流作为这种振荡电场的结果流过电弧管内的填充物，在电弧管内产生环形的电弧放电。射频电源的适当工作频率在1兆赫至30兆赫范围内，示范性的工作频率为13.56兆赫。

为了使灯有效地工作，激励线圈28不仅必须对放电等离子体有令人满意的耦合，而且还必须有低的电阻和小的尺寸。实际的线圈结构在可行的范围内尽量避免线圈挡光，从而使光输出达到最大。举例来说，以具有4圈，而这些线圈在线圈中心线的每一侧都布置成大体上V形的截面的形式来说明线圈28。类似的具有6圈的线圈结构也是可以的。

一般，高亮度放电灯的激励线圈28耦合到以40指示的散热器，以便在灯工作过程中从激励线圈消除过量的热量，以限制线圈的损耗。就是说，线圈的电阻随着激励线圈温度升高而增大，结果线圈的损耗增大。冷却无电极高亮度放电灯用的适当的散热器40包括以传统方式耦合到射频电源20的装有散热歧片的散热器。

在图2的实施例中，制造具有由外表面44和内表面46限定的电弧管壁42的电弧管12。内表面包括围绕管壁的中心区域的环形区域48。电弧管的内表面46在其大部分区域都是平滑的。但是，在环绕侧壁的中心区域的环形区域48中，内表面形成有以50所表示的稳定化的或粗糙化表面。这种稳定化的表面用来在灯工作和使用过程中增强液态金属卤化物本身粘附在该表面上的固牢性。这种稳定化的表面可以用许多方法中任何一种制造。

在图2所示的实施例中，稳定化表面50或者通过化学侵蚀或者通过喷砂来形成。化学侵蚀最好通过用酸，最好盐酸在欲侵蚀的环形区域侵蚀来实现。在一个替代方案中，稳定化表面可以通过把金属粉末烧结在环形区域48上来形成。用于运种烧结的金属粉末材料可以选自包括氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钇和氧化钪的一类金属粉末材料。无论稳定化表面如何实现，它在电弧管邻近最高亮度的区域的内表面上的存在，将液态金属卤化物截留于其上，以便最大限度地减小灯工作和使用所引起的破坏作用。

从上述可以明白，本发明的特点是稳定液态金属卤化物薄膜的位置，以此保护无电极高压气体放电灯电弧管那些易受伤害的区域。稳定化是通过以机械方法使表面粗糙化或通过淀积金属氧化物粉末层来形成粗糙化表面而获得的。粗糙表面和液体之间的粘附力，加上液体内的内聚力，将克服重力，并将液体填充物保持在希望的位置。

这样，本发明的基本结构包括电弧管12，它安装在保护外壳20内并配量装入金属卤化物和惰性气体的填充物。借助于连接到射频电源26的外部激励线圈28在电弧管内激励放电。在灯工作和使用过程中只有小部分金属卤化物填充物蒸发。填充物的大部分仍旧作为液体层留在电弧管的内表面。正如美国专利No.5,032,757中所描述的，通过把电弧管一部分的温度维持得低于电弧管的其余部分，使这种液体层位于环绕电弧管的圆周，接近电弧放电的位置。通过使环绕圆周的内表面粗糙化，形成稳定化表面，把该液体层稳定在这一位置。

如上所述，按照本发明的电弧管圆周部分的稳定化处理可以利用多种方法中的任何一种或多种加以实现。它可以是表面的一般粗糙化，或涂敷金属氧化物粉末层，后者可以通过热处理烧结在该表面上。

通过表面粗糙化的稳定化处理可以如上所述通过对电弧管表面化学侵蚀来实现，或者亦如上所述，通过施加高速小硬颗粒流，例如通过喷砂来实现。不论在哪一种情况下，不平整的表面促进液体对电弧管表面的浸润，它阻止液体在重力下流动，而且它增大单位表面积填充物的数量，使之仍旧稳定，而不形成液滴并向下移动。

可以用各种各样众所周知的方法来实现借助于烧结粉末的稳定化处理。例如，用静电喷涂把粉末喷上去。也可以悬浮在适当的液体中，液体中可以包括粘结剂，促使粘结。然后，可以通过喷涂或者通过适当的旋转，把液体涂敷在电弧管希望的区域上，并让里面有一个小液池。然后可以把液体蒸发掉，把粘结剂烧掉。最后，若有必要，可以通过加热或烧结令粉末更牢固地粘附在管壁上。最后的结果是得到一种促使液体薄膜浸润的表面，它阻止液体流动，并能靠毛细管作用保有大量的液态填充物。

尽管这里已经显示和描述了本发明的最佳实施例，但是显然，这样的实施例只是示范性的。本专业的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出大量的变化、改变和替换。因此，本发明只准备由后附的权利要求书限制。

Claims (10)

1.一种无电极高亮度放电灯，它包括：

透光的电弧管，用来容纳等离子体电弧放电，所述电弧管具有顶部、底部和侧壁，其中装有填充物，后者至少包括一种金属卤化物和一种缓冲气体，所述电弧管具有内表面，所述内表面包括环绕所述侧壁中心区域的环形区域，所述电弧管管壁的内表面的大部分区域是平滑的，但在所述环形区域具有粗糙化的表面，以便形成用来阻止液态填充物表面流动的稳定化区域。

2.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述粗糙化表面是通过喷砂形成的。

3.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述粗糙化表面是通过酸侵蚀形成的。

4.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述环形区域包括烧结于其上的金属氧化物粉末，以便形成所述粗糙化表面。

5.权利要求4中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述金属氧化物粉末选自包括氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化钇和氧化钪的一类金属氧化物粉末。

6.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述填充物的所述金属卤化物选自包括碘化钠和碘化铈的一类金属卤化物。

7.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于：所述缓冲气体选自包括氙和氪的一类缓冲气体。

8.权利要求1中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于还包括：

外壳，它具有一般圆柱形的中心区域，所述外壳具有一般半球形的、包围所述电弧管并在形状上与所述电弧管下部区域的曲率对应的下部区域，所述外套具有带一般圆形外形并包含让电弧管支持棒从其中穿过的开孔的上端的上部区域。

9.权利要求8中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于还包括：

一般垂直地设置的并从电弧管中心区域向上延伸穿过所述开孔的棒。

10.权利要求9中所述的无电极高亮度放电灯，其特征在于还包括：

带有操作上耦合至电池的射频能源，并带有与所述能源耦合的散热器叶片的激励线圈。

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