CN1265418C - 高压气体放电灯 - Google Patents

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Abstract

一种高压气体放电灯(1)包括灯管(2)，其具有在灯的操作过程中处于至少30W/cm2的壁负荷下的壁(3)，以及其中设置了一对电极(5a，5b)的放电空间(4)。放电空间(4)中具有填充物，其包括稀有气体以及锡和铟的卤化物(非氟化物)，这种填充物中加入了卤化碱金属，碱金属为钾、铷或铯，卤素为氯、溴或碘。根据本发明的高压气体放电灯(1)对石英玻璃壁(3)的腐蚀和结晶化具有提高的抵抗力，这是因为设置了可减弱电极棒(30)和灯管(2)的壁(3)之间的直接接触的屏蔽或间隔装置(8)。

Description

高压气体放电灯
本发明涉及一种高压气体放电灯，其包括：
石英玻璃灯管，其带有由壁以气密方式封闭的空间，所述壁包括相对地设置的密封件和内表面；
以相对的方式设置在所述空间内的一对电极，各电极包括尖端和电极棒，各电极与各个电流导通件相连，电流导通件穿过各密封件而延伸到外部；
在密封件之间延伸的壁的外表面，在稳定的灯操作期间，所述壁在其外表面处具有至少30W/cm2的壁负荷；
位于空间内且包括有稀有气体以及锡和铟的卤化物的填充物，所述填充物包括具有至少一个碱离子和至少一个卤根离子的碱卤化物，所述碱离子从由钾、铷和铯形成的组中选择，而所述卤根离子从由氯、溴和碘形成的组中选择。
在未公开的专利文献EP-9920377.5(PHN17.734)中介绍了这种高压气体放电灯。灯管由石英玻璃、即带有至少95％重量的SiO2的玻璃制成。在灯的壁外表面上具有相对较高、至少为30W/cm2的壁负荷的情况中，壁的主要部分具有高于1050K的温度。30W/cm2的壁负荷发生于具有较短放电电弧、例如电弧长度至多为10mm的灯中。为了从具有如此短的放电电弧的灯中得到实际上有效的光通量，在操作过程中在灯管的空间内通常应存在相对较高的压力，以便得到所需的灯电压。灯内的相对较高的压力导致了强烈的对流，因此在灯管壁中会局部地出现高温，通常为超过1325K的温度。在这么高的温度下灯管壁发生腐蚀和/或结晶化的危险会显著地增大。在所述灯中因对流带来的局部加热所引起的灯管壁的令人无法接受的快速腐蚀和/或结晶化可通过选择填充成分来减弱。然而，在从封闭空间延伸到壁中的电极棒与相邻于内表面的壁部分相接触的位置处仍然存在着较高的腐蚀危险。在已知的高压气体放电灯中，这通常会导致灯管发生爆炸的较高危险，因此灯的寿命相对较低。
在实验中已经发现，如果至少一个电极的电极棒在壁的内表面区域处设有间隔装置，使得在电极棒周围以及在电极棒和间隔装置之间形成毛细开口，那么就可以减小因腐蚀和/或结晶化所引起的所述灯的灯管爆炸的危险。在制造灯的密封件时，通过石英玻璃的暂时性局部软化而将电极棒和设置在其周围的间隔装置一起嵌入到灯管壁中。间隔装置阻碍了软化的石英玻璃与电极棒相接触。因此，软化的石英玻璃将不会粘附在电极棒上，而是粘附在间隔装置上。石英玻璃和金属电极棒的膨胀系数存在着差异，其系数分别为约5×10-7K-1和约40-50×10-7K-1。这种膨胀系数的差异导致了在冷却时的收缩存在差异，因此在石英玻璃和金属电极棒之间的形状变化中产生了差异。石英玻璃在冷却时变得刚硬，并且电极棒比石英玻璃收缩得更多，因此在间隔装置和电极棒之间形成了所述毛细开口。石英玻璃和间隔装置之间相对较好的粘合以及间隔装置相对较低的机械强度使得间隔装置可适应于石英玻璃的形状变化。适当的间隔装置例如为箔片或卷材，其由从钨、钼、钽、铼及其组合物所形成的组中选择的材料制成。在电极棒上设置例如为卷材形式的间隔装置可使灯管壁在电极棒从壁的密封件延伸到空间内的位置处附近具有相对较低的温度。电极棒到壁之间的热传导会导致灯管壁在灯的操作过程中被加热。毛细开口减弱了有效、然而可能有潜在危险的从电极棒到灯管壁的热传导。
在灯管壁的内部延伸了长度L的电极棒最好在整个长度L上设有间隔装置。毛细开口设置在电极棒周围且基本上在整个长度L上。这样，在灯的操作过程中可以进一步地减弱电极棒和壁之间的潜在的有害热传导，这是因为所述热传导发生在离灯管内表面更远的位置处。因此，可以使壁具有较低的温度。
在高压气体放电灯的一个实施例中，高压气体放电灯为直流(DC)灯，一个电极为阴极。在填充物中含有卤化钾、卤化铷或卤化铯的实验中令人惊奇地发现，这些卤化物充当了气相发射体。气相发射体降低了在灯的操作过程中用于提供电子的阴极所需的温度。在没有发射体的情况下，对4到8A的灯电流来说需要3000到3600K的电极温度。然而在设置有这种气相发射体的情况下，可在低约500K的电极温度下达到这种电流。所述卤化物充当气相发射体的事实尤其可为DC灯带来了能显著降低阴极腐蚀即所谓的回烧的优点。由于这种降低的腐蚀，因此在灯寿命中放电电弧在长度上只会相对较缓地增大，这样，放电电弧在较长的时间周期上具有相对高的稳定性。
特别是，壁与阴极的电极棒相邻，这就使得壁具有因DC灯内的石英玻璃的腐蚀或结晶化而产生强度降低的相对较高的危险。在灯的操作过程中，阴极附近的腐蚀是由相对较高的温度和相对较高的杂质浓度、即正离子如锂和钠而引起的。所述正离子因在灯的操作过程中所存在的电场而被阴极吸引。已经发现，用于防止电极棒和灯管壁之间发生直接接触的间隔装置在间隔装置设置于阴极的电极棒上的DC灯中尤为有效。因此，可以减弱阴极的电极棒附近的壁的过度加热。如果电极棒加长到阴极尖端与电极棒穿过壁的内表面的位置处的距离至少为Tb的程度，使得所述位置附近的外表面在稳定的灯操作期间具有相对较低的温度，那么可以实现对灯的进一步改善。这样可以进一步地减少灯的过早破坏。
通过用钨来制造电极尖端，同时用铼占至少25％重量且余量为钨的材料来制造电极棒，即所谓的混合电极，就可以实现对灯的进一步改善。已经发现，这样可以减缓灯管壁的腐蚀，因此可以增加灯具有较长寿命的机率。此效果尤其发生在将此方法应用于阴极的情况。
在高压气体放电灯的一个有利实施例中，碱离子为钾。在灯中使用卤化钾尤其可在实验中得到非常好的效果。填充物含有卤化钾的灯在1000小时的操作后几乎不会表现出存在石英玻璃发生腐蚀和结晶化的任何痕迹。这些灯的一个附加优点是能够非常好地抑制钼箔的化学侵蚀，钼箔是穿过灯管壁并与电极相连的导通结构的部件。
在高压气体放电灯的一个替代实施例中，高压气体放电灯包括反射器，灯管固定在其中。在根据本发明的灯用于投影应用中时，这对在投影屏幕上得到较大流明即屏幕流明来说十分重要。为此，灯管容纳在反射器中，以便对源于放电电弧的光进行反射和聚焦。为了得到较大量的屏幕流明，希望在操作过程中放电电弧较小。已经发现，根据本发明的外表面上的壁负荷超过30W/cm2且放电电弧长度小于3mm的高压气体放电灯十分适合于投影应用。放电电弧长度超过10mm的灯通常具有低于30W/cm2的壁负荷，在这种情况下对投影应用来说可从灯中得到的屏幕流明量太小。同时，希望放电电弧保持稳定，并位于或至少紧密邻近于反射器的焦点。当灯管固定在反射器上时，可用简单的方式来确保放电电弧处于反射器的焦点。这样，可以得到用于光的有效反射和光束聚集因而得到较大屏幕流明的非常有利的情况。最好，灯管的设置有阴极的一侧固定在反射器的颈部上。这就能更好地除去在阴极处产生的热量。已经发现，这样可以减缓灯管壁在阴极侧处的腐蚀，因此可以增加灯具有较长寿命的可能性。
应当注意的是，在专利EP-A2-0605248中已知了在带有石英玻璃灯管的高压气体放电灯中使用稀土元素卤化物。稀土元素卤化物可理解为原子数21，39和57到71的元素的卤化物。然而稀土元素卤化物较昂贵，并且容易与石英玻璃灯管发生反应。结果，填充物含有稀土元素卤化物的灯也具有石英玻璃灯管会发生快速腐蚀和结晶化的缺点。
下面将参考示意性附图来详细地讨论根据本发明的高压气体放电灯的一个实施例，在附图中：
图1是根据本发明的高压气体放电灯的一个实施例的剖视图；和
图2显示了根据本发明的高压气体放电灯的细节。
图1所示的高压气体放电灯1构建为DC灯，但它也可构建为交流(AC)灯，其包括带有壁3的石英玻璃灯管2，壁3具有两个相对设置的密封件46，47和在两个密封件46，47之间延伸的约10cm2的外表面15，灯还包括由壁3所封闭的空间4。在空间4内设有两个电极，即阳极5a和阴极5b。图中的电极5a，5b由钨圈8所包围。电极5a，5b分别通过导通件6，7和各个外部导线6b，7b与各外部触点14a，14b相连，导通件6，7包括以气密方式嵌入到壁3内的钼箔6a，7a。在空间4内设有填充物，其包括作为稀有气体的氩、作为缓冲气体的汞，以及溴化锡、溴化铟和溴化钾。灯管2设置在所示高压气体放电灯1的下凹椭圆形反射器9中。反射器9具有颈部20和设有反射层10的反射部分18。灯管2通过粘合剂13在灯管2的设有阴极5b的一侧16处固定在颈部20上。然而灯管2也可用其它的方式来固定，例如夹紧在其它形状如抛物线形的反射器中。反射器9是开口的，然而它也可以关上，例如带有盖子。反射器9具有焦点11。所示高压气体放电灯1尤其适用于投影灯，并具有400W的额定功率、2mm的较短电极间距D，以及在灯的操作过程中较高的压力，例如60巴。灯在外表面15处具有40W/cm2的较高壁负荷。由于较短的电极间距D和较高的压力，灯在操作过程中具有稳定的放电电弧12，此电弧减短了很多并主要位于反射器9的焦点11处或其附近。
图2显示了电极5b，其尖端34与电极棒30以长度L相连，在电极棒30在其穿过壁3的内表面36的区域处被充当间隔装置8的钼箔所包围。由于间隔装置8在整个长度L上围绕在电极棒30周围，因此在基本上整个长度L上在电极棒30和间隔装置8之间形成了环形的毛细开口50。电极5b的尖端34位于空间4内，其距内表面36上电极棒30穿过壁3的内表面36的位置处为8mm的距离Tb。结果，在稳定的灯操作过程中，壁3的外表面15在电极棒30与导通件7相连的区域处具有小于1050K的温度。电极5a，5b为所谓的混合电极，各电极棒30由含有26％重量的铼的钨合金制成，而各电极5a，5b的尖端34由钨制成(在表1中为W/Re混合物)。或者，电极5a，5b可由钼、钨、铼制成，或由钼、钨和/或铼所形成的部件组成。
                                            表1
实验号   添加剂   阴极材料   阴极间隔装置   灯的数量   200小时后的报废率   500小时后的报废率   1000小时后的报废率   1000小时后的报废率   1750小时后的报废率
 1(基准)23*4#   LiBrLiBr无无   WWW/26％ReW/26％Re   -钨圈钼箔钼箔   7845   86％0％0％0％   100％0％0％0％   未分析0％0％0％   未分析未分析0％0％   未分析未分析50％0％
*灯管在设有阳极的一侧固定在反射器颈部上
#灯管在设有阴极的一侧固定在反射器颈部上
表1显示了与如图1和/或2所述的根据本发明的400W的DC高压气体放电灯和基准灯的过早破坏相关的一些结果。为了增强腐蚀及其效果，实验1和2中的灯在其填充物中加入了溴化锂作为添加剂。实验号为1的灯为基准灯。基准灯设有传统的钨电极，在基准灯中未使用间隔装置。对于表1中所有的灯来说，壁3在其外表面15处具有约40W/cm2的壁负荷。比较实验1和实验2到4，结果表明，通过采用一项或多项根据本发明的方法，可以显著地降低灯发生过早破坏的危险。
在实验3和4中使用了缠绕有作为间隔装置的钼箔的阴极。实验3和4表明，如果灯管在设有阴极的一侧固定在反射器颈部上，那么发生过早破坏的危险比灯管在设有阳极的一侧固定在反射器颈部上的情况更小。

Claims (10)

1.一种高压气体放电灯(1)，包括：
石英玻璃灯管(2)，其带有由壁(3)以气密方式封闭的空间(4)，所述壁(3)包括相对地设置的密封件(46，47)和内表面(36)；
以相对的方式设置在所述空间(4)内的一对电极(5a，5b)，各所述电极(5a，5b)包括尖端(34)和电极棒(30)，各所述电极(5a，5b)与各个电流导通件(6，7)相连，所述电流导通件穿过各个所述密封件(46，47)而延伸到外部；
在所述密封件(46，47)之间延伸的所述壁(3)的外表面(15)，在稳定的灯操作期间，所述壁(3)在其外表面(15)处具有至少30W/cm2的壁负荷；
位于所述空间(4)内且包括有稀有气体以及锡和铟的卤化物的填充物，所述填充物包括具有至少一个碱离子和至少一个卤根离子的碱卤化物，所述碱离子从由钾、铷和铯形成的组中选择，而所述卤根离子从由氯、溴和碘形成的组中选择，
其特征在于，至少一个所述电极(5a，5b)的电极棒(30)在所述壁(3)的内表面(36)区域处设有间隔装置(8)，因此在所述电极棒(30)周围以及在所述电极棒(30)和间隔装置(8)之间形成了毛细开口(50)。
2.根据权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述电极棒(30)在所述灯管壁的内部延伸了长度L，所述电极棒(30)至少在整个长度L上设有所述间隔装置(8)。
3.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述电极棒(30)具有由充当了所述间隔装置(8)的箔或卷形成的外壳，所述外壳由从钨、钼、钽、铼及其组合物所形成的组中选出的材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述高压气体放电灯(1)为直流灯，其中所述电极(5a，5b)中的一个形成了阴极。
5.根据权利要求4所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述间隔装置(8)设置在所述阴极(5b)的电极棒(30)上。
6.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述电极(5a，5b)的尖端(34)由钨制成，而所述电极棒(30)由含有至少25％重量的铼且余量为钨的材料制成。
7.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述灯(1)的电极间距至多为10mm。
8.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述灯(1)的电极间距至多为3mm。
9.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述碱离子为钾。
10.根据权利要求1或2所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述高压气体放电灯(1)包括反射器(9)，其具有所述灯管(2)固定于其中的颈部。
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