CN1438823A - 金属卤化物灯及其温度控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种金属卤化物灯，其放电灯(2)保持水银填充物和作为发光材料添加的至少一种金属卤化物，放电部位(3)的能量密度ExJ在70.0≤ExJ≤150.0(VA/mm3)的范围，其中E＝V/d，j＝I/S，设灯稳定发光状态下在成对电极之间施加V伏灯电压，每个电电极截面积为Smm2的端面、间距距离是dmm时，灯电流为I安培，由此可实现高光通量保持率和电弧放电部位的高亮度，灯的使用寿命长，可抑制电压变化率，避免色温变化，显著改善显示设备中光源的其它指标。

Description

金属卤化物灯及其温度控制系统
技术领域
本发明一般涉及低功率、高压放电灯，特别是涉及具有在水银气氛中保持金属卤化物填充物的放电密封外壳的金属卤化物灯，并涉及用于稳定该灯照明条件的温度控制系统，保持灯的高光通量保持率。
背景技术
通常，金属卤化物灯的制造是针对照明电路的设置，考虑了各种定量限制进行的，例如在保证足够的光能或光量的条件下对灯功耗的限制，特别是，当灯用做光学投影仪系统的光源时要求更多的限制，例如要求限制在一对放电电极之间的间隙距离或电弧长度。鉴于光学要求和为了保证电弧放电管的耐压特性而对水银填充量的限制上限，把由钨等类似材料制成的电极制成特定形状和尺寸，提高在电极之间产生的电弧放电部位的光强或亮度。
此外，近年来，对在内置于例如投影光学系统的光学显示主要部件，用做具有高亮度和高光通量保持率特性的光源的金属卤化物灯，进行开发的强烈要求日益增长。
特别是，在金属卤化物灯的制造中，对具有特定形状和尺寸的放电电极本身的外形进行优化尤为重要，因为其设计对灯的特性，例如光通量保持率、电弧放电部位的光强和灯电压变化率有极大影响。
然而，在传统的灯的制造方法中，在灯功率的限制、电极之间的间隙距离和水银填充上限的考虑之下，为电极提供适当设计使其具有最佳灯特性，例如高光通量保持率、电弧放电部位的高光强和小的灯电压变化率，对此尚未给出或建立指导原理。因此，制造最佳金属卤化物灯主要是依靠经验。
在这种金属卤化物灯中，存在如下缺点，石英玻璃的放电管壁在1100℃以上的高温容易与金属卤化物反应，如果密封在管内的金属卤化物的量通过与玻璃管壁的反应而减少，则光通量保持率不期望地降低，从而使灯的使用寿命性能变劣。
此外，存在以下问题，在灯的发光工作期间，由于电极蒸发散布而附着于放电管内面，而使放电管壁容易产生不期望的闪烁和发暗现象，而且，由于灯电压变化而易于导致色温变化。发黑现象的进展程度与电极外形设计密切相关。
此时，如果用放电管加热而过分抑制温度，则会导致电极之后的放电管壁的不期望的温度最低部分，这抑制了放电管内的金属卤化物的蒸发，结果发光效率变劣。
因此，考虑到灯功率的限制、电极之间的间隙距离和水银填充上限，适当设计放电电极使其具有最佳灯特性，即高光通量保持率、电弧放电部位的高光强和小的灯电压变化率，对此，建立标准指导原理的强烈需求日益增长。
因此，针对上述问题，本发明考虑到对在灯功率的限制、电极之间的间隙距离和水银填充上限，对制造金属卤化物灯时的特定相互关系进行了研究。总的来说，本发明人已经发现，灯的电场与电流密度之间的乘积，与光通量保持率和各电极尖端部位处的平均温度值具有相互关系，其中灯的电场和电流密度分别取决于相对设置的电极之间的间隙距离和电极的形状和尺寸。
基于本发明人的上述研究，开发了制造改进的金属卤化物灯的新方法，该灯具有最佳灯特性，即高光通量保持率和电弧放电部位的高亮度。
此外，本发明人研究并发现在电极的形状和尺寸与灯电压变化率之间的相互关系，并发现灯电场与放电管壁的最低温度之间的相互关系。
发明内容
因此，本发明的基本目的是提供改进的金属卤化物灯，它具有高光通量保持率和电弧放电部位的高亮度，抑制灯电压变化率。
本发明的另一目的是提供用于改进的金属卤化物灯的温度控制系统。
为了实现上述目的，第一发明的金属卤化物灯，具有放电管，保持水银填充物和在密封其中的惰性气体气氛中作为发光材料添加的至少一种金属卤化物，包括：隔开一个间隙距离的空间而相对设置的一对放电电极，该间隙距离限定放电管内成对放电电极之间产生电弧放电的部位，其中表示为乘积E×j的放电部位的能量密度在70.0≤E×j≤150.0(VA/mm3)，其中E＝V/d，j＝I/S，假设在灯稳定发光条件下在成对电极之间施加V伏灯电压、每个电极具有其截面积为Smm2的端面、和间隙距离是d毫米之时，I是单位为安培的灯电流。
在第二发明的金属卤化物灯中，每个电极的电极尖端部位的平均温度值(Tm)设定在2300～2700K。
在第三发明的金属卤化物灯中，每单位质量水银填充物的电场(Em)与电流密度(j)之间的关系由具有一定倾角的线性线段代表，电流密度(j)限制在由下式表示的范围内：
                 j＝30.5×Em+a其中“a”是范围在-14.0≤a≤-13.0的参数，Em＝V/d，j＝I/S。
第四发明的温度控制系统，用于调节金属卤化物灯放电管壁的温度，包括：温度控制单元，用于调节放电管壁温度；灯电压检测单元，用于检测加于金属卤化物灯的灯电压；和计算控制单元，接收来自灯电压检测单元的灯电压值的数据信号，判断灯工作点是否处于灯的最佳条件，把计算判断所得的控制信号传输至用于温度调节的温度控制单元。
按此设置，可以提供改进的金属卤化物灯，具有高光通量保持率、电弧放电部位的高亮度以及灯的长寿命，抑制灯电压变化率，避免色温变化，当在各种显示设备例如光学投影系统中用做光源时，显著改善其他指标。
此外，电极尖端部位的温度平均值的最佳范围可以由E×j(＝V/d×I/S)的固定值、间隙距离(d)和电极尖端部位的截面积(S)的固定值来限定。
在本发明的结构中，大范围的被密封的不同金属卤化物材料和不同的灯功率适于制造金属卤化物灯，因此可以显著改善制造中的设计自由度及其开发效率。
此外，在布置灯照明电路时，由于可以限制施加灯电压的安全范围，因此有助于方便灯的设计。
通过以下优选实施例并结合附图的说明，将可以了解本发明的这些及其他目的和特征。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的金属卤化物灯的平面示意图。
图2是根据本发明的乘积E×j与光通量保持率L.F.R.之间的关系曲线图。
图3是根据本发明的乘积E×j与电极尖端部位处的温度平均值之间的关系曲线图。
图4是根据本发明的照明时间与光通量保持率之间的关系曲线图。
图5是根据本发明的乘积E×j与单位电极间隙距离(L/d)的光通量之间的关系曲线图。
图6是根据本发明的乘积E×j与光通量保持率L.F.R.之间的关系、和乘积E×j与单位电极间隙距离(L/d)的光通量之间的关系曲线图。
图7是根据本发明的电极尖端部位处的温度平均值与光通量保持率之间的关系曲线图。
图8是根据本发明的乘积E×j与电极尖端部位处的温度平均值之间的关系曲线图。
图9是根据本发明第二实施例的金属卤化物灯所用电极结构的示意图。
图10是根据本发明的突出部位长度与电极尖端部位处的温度平均值之间的关系曲线图。
图11是根据本发明第二实施例的金属卤化物灯所用电极的改进例的示意图。
图12是第二实施例的金属卤化物灯所用电极的另一改进例的示意图。
图13是第二实施例的金属卤化物灯所用电极的又一改进结构的示意图。
图14是电流密度j与单位数量的填充水银的电场Em之间的关系曲线图。
图15是电流密度与灯电压变化率之间的关系曲线图。
图16是单位数量的填充水银的电场Em与放电管壁的温度Tw之间的关系曲线图。
图17是根据本发明第四实施例的金属卤化物灯调节系统结构的示意框图。
图18是图17所示金属卤化物灯的侧视图。
开始说明之前，应予注意，由于各实施例中金属卤化物灯的基本结构是相同的，所以附图中用相同的参考标号代表相同的部分。
实施例详细说明
第一实施例
以下结合图1～6说明本发明的第一实施例。
图1展示了金属卤化物灯的示意结构，包括用做放电密封外壳的例如由石英玻璃等类似材料制成的放电管2，具有球状灯泡内壁2a，用于保持水银填充物和作为发光材料添加的至少一种金属卤化物，以便获得被密封的惰性气氛中的色温。
放电管2中，例如由钨材料制成的一对相对设置的放电电极1和1’，之间相隔限定出电弧放电长度(d)的dmm的间隙距离。每个圆柱销钉状电极1和1’具有尖端面(1a、1a’)，其截面积是Smm2，成对电极1和1’与电极轴4和4’分别连成一体并由其向内突出。插入密封部件5和5’的电极轴4和4’，通过可靠地密封在密封部件5和5’内的金属箔部分6和6’，分别与外腔接线端7和7’连接。
此结构中，使用电弧放电发生电路的电源(如后面说明的图17所示)，在成对电极1和1’之间施加灯电压(V)，使电极之间流过灯电流(I)，由此在惰性气氛中以灯的稳定发光状态，在电极1和1’之间产生电弧放电3。
现在，组合金属卤化物灯的各种条件，在如下范围内改变间隙距离d和尖端截面积S：d＝1.8～13mm和S＝0.169～1.327mm2(即在φ＝0.5～1.3mm的范围内改变电极尖端部位截面处的圆形切面的直径φ)，在使用不同种类的金属卤化物灯和不同灯功率的同时，在相对于灯照明开始时刻t0经过100小时的时间间隔之后的时刻t100，利用光通量仪测量光通量保持率的变化。
图2展示了在曲线纵轴上的、在从灯照明开始时刻t0经过100小时的时间间隔之后的时刻t100测量的光通量保持率(％)与横轴上的、0小时时间间隔之后即照明开始时的灯电场(E)与电流密度(j)的乘积值(E×j)的关系，其中灯电场表示为：E＝V/d(V/mm)，电流密度表示为：j＝I/S(A/mm2)。
在100小时的时间间隔之后测量光通量保持率的原因，是光通量保持率变劣主要是由于放电灯玻璃灯泡的内壁2a变黑或发暗而引起吸收透射光。灯照明工作期间，电极材料蒸发并向周围散布，并附着在放电管2的内面2a上，从而引起放电灯泡壁2a的发黑现象。发黑现象的进展程度与电极外型设计密切相关。
图2中，通过按如下改变金属卤化物填充物的材料和灯功率水平，把实验的测量例分为三组I～III：
I符号○表示使用铟(In)-钬(Ho)的金属卤化物填充物，灯功率为200W的情况，
II符号◇表示使用铟(In)-铥(Tm)的金属卤化物填充物，灯功率为200W的情况，
III符号◆表示使用镝(Dy)-铊(Tl)-钠(Na)-钬(Ho)-铥(Tm)的金属卤化物填充物，灯功率为150W的市售产品的情况。
这些例子中，在上述范围内对成对电极之间的间隙距离和每个电极的尖端部位截面积S两者任意改变和组合，进行测量。
乘积E×j的单位是V·A/mm3，即W/mm/mm2，这意味着被电极端部(1、1’)的尖端面(1a、1a’)的单位面积所接受的电弧放电部位3的单位长度的能量密度。这里应该注意，此图中的线性实线是由图上区域的最小二乘方近似获得的回归线Rl1。
如图2测量结果所示，能量密度E×j越大，光通量保持率降低得越。
这是因为，能量密度E×j增大时，从电弧放电部位向每个放电电极的能量运动在电极的尖端部位的前面尤为增大，因此电极尖端部位的温度过分升高，导致电极材料蒸发，或者也可以考虑为具有某种高能密度微粒特性的光子、电子及类似离子碰撞在电极尖端部位，引起电极材料的散射，结果加剧了放电灯泡壁内面的发黑。因此，光通量保持率降低。
图3展示了使用图2所示相同的灯的例子，在照明开始时刻t0电极尖端部位的温度平均值与能量密度E×j的关系。由图3所示此测量结果，可以证实能量密度E×j越大，电极尖端部位的温度平均值增长越高。
在此实验中，利用日本特许公开(未审查)(Tokkaihei)8-152360(1996、6、11公开)所公开的双色辐射温度测量法，测量电极尖端部位的温度平均值。此方法是基于如下原理，待测目标发射的两种不同均匀波长的光谱辐射发光比例由与物体温度相关的函数代表。
在公开的此方法中，为了检测来自电极部分的纯热辐射，同时防止与来自电弧放电部位的其他辐射混合，利用具有0.01nm的高清析度的分光光度计，测量电极部分附近的光谱分布，获得具有来自电弧放电部位的极小辐射的两种不同均匀波长的窄频带。因此，利用两种不同波长测量来自电极部分的热辐射的发光，然后利用两种发光之间的比例获得该部分的温度，其中采用二维光接收单元例如CCD照相机，作为检测来自电极部分的热辐射发光的装置，以便获得电极尖端部位的温度平均值。
图4展示了金属卤化物灯A和B典型两种情形中，光通量保持率的变化与照明时间的增长的关系，其中由○符号表示的情形A是使用的灯在从照明开始时刻t0经过100小时的时间间隔之后具有80％的光通量保持率的例子，而由■符号表示的情形B是使用的灯在从照明开始时刻t0经过100小时的时间间隔之后具有85％的光通量保持率的例子。
即使在情形A，光通量保持率的半衰期约为5000小时的照明时间，而在情形B，光通量保持率的半衰期约为7000小时的照明时间。
这里应该注意，对于一对放电电极之间具有10mm以上的间隙距离的普通金属卤化物灯，5000小时的半衰期是平均值，对于具有接近3mm的小间隙距离的适于用做投影仪内置光源的金属卤化物灯的最高水平，5000小时的寿命是足够的了。
基于图4所示测量结果得知，当设定80％的标准值作为图2中100小时的时间间隔的必须光通量保持率，为了满足要求，能量密度E×j必须小于150VA/mm3。
在放电电极之间具有10mm以上的间隙距离的普通照明型金属卤化物灯中，由Matsushita Electric Industrial Co.制造的，例如图2中由符号◆表示的、具有10～80mm的间隙距离、70～1000W的灯使用功率的例子，此种灯的工作能量密度(E×j)在69～12VA/mm3的范围内，可以证实，如图2的左上部分的区域表示的、在灯开始照明之后100小时时间间隔，获得了期望的90％以上的光通量保持率。
然而，当使用成对电极之间具有10mm以上的大间隙距离的普通照明型金属卤化物灯时，由于小的灯电场而使得电弧放电部位的发光太小和不足，所以这种普通照明型金属卤化物灯不能用做与光学投影系统中配合的投影仪光源。
灯的光通量为L(lmd)，放电电极之间的间隙距离为d(mm)时，每单位电弧长度的发光值L/d(lm/mm)与电弧放电部位的发光相关并与其接近。
图5展示了在纵轴表示的每单位电弧长度的发光值L/d与在横轴表示的乘积E×j之间的关系。
采用电极之间具有10～80mm的间隙距离、以70～1000W的灯使用功率和69～12(VA/mm3)的能量密度E×j工作的上述类型的金属卤化物灯时，值L/d在420～1060(lm/mm)的范围内，由图5的右下部分标绘的符号◆表示。在图5所示的此关系中，当值E×j降低时，值L/d也降低，如其回归线Rl2所示。
当金属卤化物灯用做对具有40英寸型总尺寸的光学投影仪的屏幕进行照明的光源时，要求灯具有至少4000lm/mm的L/d值，以便获得足够的屏幕亮度。按此布置，如图5所示，值E×j必须大于70(VA/mm3)，以便满足所需条件。
这里应该注意，图5中，符号○和◇散布在回归线Rl2上下的原因如下。
亦即，位于回归线上部向右升高的陡峭斜坡的特征，由灯样品组的区域形成，这些样品具有相同的电极尖端部位的截面积S和不同的成对放电电极之间的间隙距离d，而位于回归线下部向右升高的平缓斜坡的特征，由灯样品组的区域形成，这些样品具有相同的间隙距离d和不同的电极尖端部位的截面积S。这意味着，间隙距离d的变化对值L/d的影响大于对截面积S的影响。但是，在任何情形中，总是要求值E×j必须大于70(VA/mm3)，以便获得至少4000lm/mm的足够值L/d。
基于图2和5所示实验结果，为了满足在100小时的时间间隔后具有至少80％的光通量保持率的第一要求，同时满足具有至少4000lm/mm的发光值的第二要求，对于灯的有效乘积值E×j应在70.0≤E×j≤150.0(VA/mm3)的范围内，有效范围如图6所示。
本发明人证实，如图6所示的灯照明工作的70.0≤E×j≤150.0(VA/mm3)的有效范围，未被传统的金属卤化物灯的E×j值所覆盖。这意味着在已有技术中未指教或建议任何满足上述要求的金属卤化物灯，即在100小时的时间间隔后具有至少80％的光通量保持率以及具有至少4000lm/mm的发光值。
按此设置，可以制造用做具有高亮度和高光通量保持率特性的光源的金属卤化物灯，适于用做内置于例如光学投影系统的光学显示器的主要部件。
第二实施例
以下结合图7～12说明本发明的第二实施例。
如第一实施例所述，当如图2和6所示能量密度E×j降低时，可以保持高的光通量保持率，同时抑制其变劣，因此，与光通量保持率相关的灯的半衰期特性得以改善，如图4所示。
但是，在使用具有3mm以下即在1.5mm～3mm范围内的小间隙距离的金属卤化物灯时，这适于内置于光学投影仪等中，从灯的外型设计来看，由于以下原因，通过降低E×j值难以保持高光通量保持率。
亦即，在这种具有如此小的间隙距离的灯中，值E×j(＝V/d×I/S)由灯功率(＝V×I)、电极之间的间隙距离d和电极尖端部位的截面积S这几个参数限定，其中从灯照明电路的设置来看，为提供足够的光能或光量灯功率受到限制，从光学要求来看，为提高电弧放电部位的发光或亮度，电极对之间的用于电弧长度的间隙距离d也要受到限制。因此，灯的制造中只有截面积的参数S可供利用。为了降低值E×j，可以通过增大参数S来实现。
然而，从电弧放电部位的直径尺寸和灯的设计中的光学结构之间的相关性来看，对参数S也有上限限制。亦即，存在如下的总原则，当电极尖端部位的截面积S增大时，放电电极之间产生的电弧放电部位的直径尺寸也要增大。
特别是，在灯用做内置于聚光投影系统的光源的情形，当增大电弧放电部位直径时，电弧放电部位的亮度降低，导致由光学投影系统得到的光量减少。
因此，可能存在如下情形，参数S应被限制得小，以具有上限，以便抑制电弧放电部位的直径。
为了改善在E×j固定值时的光通量保持率，同时固定电极尖端截面积的参数S，本发明人已经研究了通过调节电源来控制电极尖端部位的温度的方法。
更具体地，图7展示了纵轴表示的经过100小时时间间隔的光通量保持率与横轴表示的电极尖端部位的温度平均值Tm之间的关系，所用灯样品与图2和3相同。
根据图7的测量结果证实，为了实现大于80％的高光通量保持率，温度平均值Tm应低于3000K。
特别是，为了实现如图4的优选实施例所述的85％以上的高光通量保持率，温度平均值应在图7所限定的2300～2700K的范围内。于是，如图4中符号■表示的情形B所示，通过实现85％以上的高光通量保持率，在灯照明时间上可以获得约7000小时的光通量保持率的半衰期。
亦即，如图3所示，这里描绘了电极尖端部位的温度平均值相对于E×j固定值的分散差，尽管E×j值与图2所示相同，但此温度平均值的差仍导致光通量保持率的差。
图8展示了通过组合图6和7的条件获得的相对于值E×j的最佳值的电极尖端部位的温度平均值Tm的优选范围。在金属卤化物灯的制造中，通过限定如下最佳范围，即温度平均值在2300～2700K的范围内和乘积值E×j在70.0≤E×j≤150.0(VA/mm3)的有效范围，可以实现大于85％的高光通量保持率，同时实现与光通量保持率相关的灯照明时间的7000小时的半衰期特性。
图9展示了为了以E×j(＝V/d×I/S)固定值、即以固定值的灯功率(W)、间隙距离(d)和电极尖端部位的截面积S，实现高光通量保持率，对电极尖端部位的温度平均值Tm的最佳范围进行限定的方法实例。
图9中，柱状放电电极1从插入密封部件5的电极轴4整体地伸入放电管2，在末端1a与基底部位1b之间形成直径增大或直径减小的部分，使其具有不同于伸入的电极轴1的其他部位的截面积SA的变化截面积SB。
如图9所示，在伸入的柱状电极轴1的中间向前部位形成直径增大部分，例如设置焊接在伸入的电极轴1上的由相同钨材料卷绕制成的电极卷绕部件26。
图9中，在伸入的电极轴1的端面1a与电极卷绕部件26的顶端1c之间的尖端部位21的长度为hmm，以下称为“尖端长度”。本发明人已经研究出尖端长度h与电极尖端部位21的温度平均值Tm之间相关，发现改变尖端长度h可以控制温度平均值。
图10展示了纵轴的温度平均值Tm与横轴的尖端长度h之间的关系，该情形是有效能量密度处于100≤E×j≤120VA/mm3的优选范围，同时固定灯功率(V×I)、间隙距离d和电极尖端部位的截面积S各值。
如图10所示，可以证实温度平均值Tm随着尖端长度h的减小而减小。按此设置，通过调节尖端长度h即通过调节伸入的电极轴1上的电极卷绕部件26的设置位置，可使温度平均值Tm最佳化，由此可以用E×j的固定值实现高光通量保持率，防止光通量保持率变劣。
通过对伸入的电极轴1进行加工或切割，如图11和12所示，来代替设置卷绕部件，整体地形成直径增大或直径减小部位。
图12展示了电极尖端部位31的改进例，具有与电弧放电部位3的支撑部分对应的曲面31a。曲面31a具有实际表面积S1和垂直于电弧放电轴37的垂直截面积S2。在此情形，作为放电支撑部位的最小面积的垂直截面积S2，被考虑作为电极尖端部位的截面积S，用此最小面积S可使乘积值E×j变成最大，这是与图2的光通量保持率相关的最低条件。实际表面积S1大于垂直截面积S2，当S1作为截面积S时，光通量保持率提高得以改进。
第三实施例
以下结合图14～16说明本发明的第二实施例。
第三实施例的金属卤化物灯的结构，除了以下特征之外类似于图1的实施例的结构。
亦即，第三实施例中，密封于放电管2内的水银填充物的质量m固定为m＝42mg，这在以下条件下作为优化电流密度j(＝I/S)范围的因素，即以放电管尺寸的恒定构形、亦即间隙距离具有固定值d＝3mm，使用恒定的灯功率，同时改变使用密封于放电管内的相同金属卤化物材料的伸入的电极轴1的直径φ(即改变截面积S)。
按此设置，进行实验测量，以便考察从照明开始时刻t0经过100小时时间间隔后的灯特性的变化，其条件是采用初始灯电压V＝70V的恒定灯功率P＝200W，使用具有三种不同的电极尖端部位直径φ＝0.65mm、0.8mm和1.2mm的三组灯样品A～C，其中各组灯的样品数是三，假定100小时时间间隔后放电管内的水银填充物的质量不变。
图14展示了纵轴表示的水银填充物的每单位质量的灯电场Em与横轴表示的电流密度j之间的关系，其中Em＝V/d/m，j＝I/S。
图14中，符号○的区域代表灯开始照明时刻的测量结果，其回归线由虚线Rl3表示，而符号■的区域代表100小时的时间间隔后的测量结果，其回归线由实线Rl4表示。
在代表灯开始时刻的测量的回归虚线Rl3之上，具有φ＝0.65mm的电极直径的A组样品的区域位于j接近等于8.3A/mm2的位置，具有φ＝0.8mm的电极直径的B组样品的区域位于j接近等于5A/mm2的位置，和具有φ＝1.2mm的电极直径的C组样品的区域位于j接近等于2.5A/mm2的位置。
此曲线中，回归虚线Rl3是稍微倾斜的近似水平。这是因为在照明开始时刻灯电压值及灯电流值在所有样品中仅有小的变化几乎相等，只有电流密度j(＝I/S)根据电极尖端轴的不同直径变化。
亦即，此实施例中，在固定放电管构形尺寸、间隙距离和水银填充物的质量这几个参数时，灯电压通常由水银填充物的不饱和蒸汽压限定，因此灯电压值几乎相等。在采用P＝200W的相同电功率的条件下，因此所有样品中在灯开始照明时刻的灯电流相等，这些特征对于灯结构设计只是起始条件。
当考察距灯开始时刻t0的时间间隔t100的区域的变化时，回归实线Rl4向右上升，并由如下近似公式代表：
                  j＝30.5×Em-13.4……(1)
基于图14所示测量结果，可以证实如下：
1在100小时的时间间隔后灯电压V和灯电流I按以下方式变化，测量区域位于曲线之上，其中每单位质量水银填充物的电场Em与电流密度j之间的关系由具有一定倾斜的线性线段代表。
2当从时刻t0的回归虚线Rl3上的区域到时刻t100的回归实线Rl4上的区域的几何距离较大时，灯电压和灯电流的变化率较大。
通常，当以改进的灯特性来改善灯构形时，最为重要的是抑制距照明开始时刻100小时的时间间隔后灯电压的变化。
从图14的曲线看，抑制100小时时间间隔后的灯电压的变化的有效范围，由回归虚线Rl3和回归实线Rl4之间的交叉部位表示，其中Em和j的变化最小，于是此位置的电流密度j接近等于3.6A/mm2。
图15展示了纵轴的100小时的时间间隔后灯电压的变化率(％)与横轴的照明开始时刻的电流密度j之间的关系，其中使用大量灯样品，具有与图14所用参数相同的参数，而改变每个伸入的电极轴的直径φ，这里实线Rl5是此区域的回归线。
此曲线中，灯电压无变化率(即0％)的位置处于电流密度j＝3.5A/mm2的点，这与图14所得结果值基本吻合。此时，当灯电压的变化率为0％时，电极尖端部位的直径φ是1.02mm。
图15中，考虑到各灯特性之间的差异，灯电压的变化率和电流密度之间的有效范围倾斜线段部分表示，相对于实线Rl5具有±2％的分散差异。因此，通过截取用灯电压变化率的0％水平覆盖的部位，在图15中限定出由时刻t0的电流密度的箭头R表示的有效范围，电流密度的有效范围R与图14所示相同。
这样，在上述有效电流密度的范围内平行地移动公式(1)代表的线性线段Rl4，获得图14中的倾斜线性线段，由此获得由下式表示的范围：
                   j＝30.5×Em+a  ……(2)其中“a”在-14.0≤a≤-13.0的范围。
计算各灯样品的性能离散差时，可以证实公式(2)表示的可允许范围在灯构形的设计中是有效的。这里应该注意，公式(2)中的参数“a”满足上述范围时，伸入的电极轴的直径φ在0.98～1.12mm的范围内。
当在图14的回归实线上获得有效范围时，把电流密度j和每单位质量的水银填充物的电场Em调节得位于实线之上，从而抑制灯电压的变化。由此Em和j的有效范围的最佳组合，即使灯的制造开始点的时刻t0的参数条件位于图14的回归虚线Rl3之上或之下，也能有效地抑制灯电压的变化率。
采用与图14的测量中所用的相同放电管，以下说明灯构形的另一实例。
此灯的实例中，在作为施加于放电灯泡壁的负载的P＝200W的相同灯功率的条件下，把成对电极之间的间隙距离d固定为d＝1.8mm，其中密封于放电管内的水银填充物的质量是62mg，以便保证放电管的耐压特性。
在这些条件下，利用由公式E∝m7/12表示的Elenbaas经验定律，其中E是灯电场，m是不饱和密封的水银填充物的质量，该公式记载于Elenbaas的文献“高压水银蒸汽放电”，由NORTH-HOLLAND PUBLISHING COMPANY于1951年出版，利用下式计算灯电压：
                     V/1.8/627/12＝70/3/427/12
由此获得V＝52.7。这样，通过下式获得每单位质量水银填充物的电场Em
                        Em＝V/d/m＝0.472把Em置换进公式(2)，获得j＝1.018。
这意味着Em＝0.472和j＝1.018的最佳组合取自图14的回归实线Rl4之上，用于灯照明。
由于在200W的灯功率P的应用条件下获得灯电压V＝52.7V，所以获得灯电流I＝200/52.7＝3.795A。于是，满足电流密度j＝1.018的伸入的电极轴的直径φ计算为φ＝2.17mm。
第四实施例
以下结合图14～18说明本发明的第四实施例。
尽管在第三实施例中说明了在各灯构形上参数Em和j的最佳组合的实例，还可能存在通过第三实施例的方法也难以实现最佳条件的情形，即伸出的电极轴的直径φ的计算值过大以致于不能用于灯。
亦即，从以下两个原因来看电极轴的直径最大值受到限制，1保证放电管达到耐压特性；2在光学要求的考虑之下的电弧放电部位的厚度或直径。
对于第一观点1，在图1所示通常的金属卤化物灯中，由于例如由石英玻璃或类似材料制成的放电管2的灯泡壁2a，是通过在插入其中的伸出的电极轴1和1’的两个基部位1b和1b’熔融来密封的，因此电极轴直径过大时，易于围绕放电灯泡壁的基部位引起不期望的间隙，导致放电管的耐压强度变劣。这意味着，电极轴直径过大时，可能出现以下不期望的情况，即使在作为负载施加于包括相同质量密封于其中的水银填充物的灯泡壁的电源的相同条件下，放电管也不能维持工作。
对于第二观点2，如第二实施例所述，存在以下一般原则，电弧放电部位的直径尺寸随电极尖端部位的直径(即截面积S)的增大而增大。
特别是，当灯用做内置于聚光投影系统的光源时，电弧放电部位直径增大时，电弧放电部位的亮度降低，结果导致从光学投影系统获取的光量减少。
因此，可能存在以下情况，电极轴的直径应限制在最大限度之下，以便抑制电弧放电部位的直径。
再次参看图14，尽管Em和j的可能组合是实线Rl4的范围内的区域，在使用的电极轴直径小于最佳条件情形，这表明在该曲线图的实线Rl4右侧向右位移的条件之下灯照明工作是有效的。
在此条件下，为了把灯工作点移向用于最佳条件的实线Rl4上，通过提高电场Em强度可以实现。由于灯功率是恒定的，于是电流密度j随电场Em的增大而降低，以致实际的灯工作点向左上移动，使其位于实线范围。
为了在固定值的灯功率、其中密封具有固定质量的水银填充物的放电管的固定形状和尺寸的条件下，改变电场Em，在放电灯泡壁的温度(Tw)与单位质量水银填充物的电场Em之间可能存在实用的相关性。
图16的曲线展示了纵轴的放电灯泡壁的温度Tw与横轴的单位质量水银填充物的电场Em之间的相关性，按以下程序进行放电灯泡壁温度的测量。
使用与图14的测量所用的灯相同的灯，在放电管下部的正下方设置窄喷嘴(未示出)，在灯工作时处于水平布置状态的条件下向其测量点吹冷空气。通过改变冷却用的吹风量，在使用恒定的灯电压的条件下，测量多个吹风部位的灯泡壁温度以及相应的灯电压。
根据图16所示测量结果证实，单位质量水银填充物的电场Em从0.39升至0.53V/mm/mg，而灯泡壁温度Tw从430升至530℃，如回归实线Rl6所示。此时，在从530升至670℃的温度范围内电场Em变化较小。
这是因为被解释为，在430～530℃的温度范围内，利用吹于其上的冷却空气的作用，由测量点的温度决定灯电压，亦即，温度测量点具有限定放电管内蒸汽压的温度最低点。而在从530～670℃的温度范围内，由于吹向测量点的冷却空气减少，温度最低点从测量点移向其他位置，因此测量点的温度变化对灯电压的变化无影响。
为了在固定值的灯功率和具有固定质量的水银填充物的放电管的固定形状和尺寸的条件下，增大电场Em，通过提高放电灯泡壁的最低点温度可以实现。
图17和18展示了用于金属卤化物灯的温度控制系统，包括加热器单元，对放电管的灯泡壁加热，增大电场Em，从而把灯的照明工作点移至图14所示实线Rl4上。按此设置，由于灯功率恒定，电流密度j随电场Em的增大而降低，以致实际的灯工作点向左上移动，使其位于图14所示实线之上。
图17和18所示灯系统中，金属卤化物灯通过穿过一对垂直壁42c和42c’而封闭在双管结构部分42内。双管结构部分42具有例如石英玻璃制成的圆筒状双层内外壁42a和42b，在双层结构壁42a和42b之间，于其两侧部位通过卷绕含有一对插入的加热线41和41’，在双层结构的中间部位有一无加热线的空间。这是因为，如果在双层结构壁的中间部位设置加热线，会妨碍来自放电管内产生的电弧放电部位的光发射的输出透射。
垂直壁42c和42c’由放电管的密封部件5和5’紧密封闭，用于保持由加热器获得的高温。
特别是，由于许多情形中最低点通常是位于电极基部1b(1b’)，因此每根加热线按如下方式布置，从垂直壁部位42c(42c’)到对应于电极基部1b(1b’)的中间部位，其卷绕密度向内增大，有效地加热放电灯泡壁。
此灯系统中，设置温度控制单元45，用于向加热线提供流于其中的用于加热的电流。通过设置与输出端7和7’连接的灯电压检测器43，检测加于金属卤化物灯的灯电压，把表示检测值的灯电压检测器43的输出信号输入至计算控制单元44。放电管2输出端7和7’还经过稳定器46连接至电源47，用于向放电管2提供灯电源。
计算控制单元44中，预先输入灯功率P、间隙距离d、密封的水银填充物的质量和电极尖端部位的截面积S(即直径φ)的固定值数据，用于计算图16所示曲线的数据，当从灯电压检测器43施加灯电压值的数据信号时，根据图16所示曲线的数据，由计算控制单元44判断灯工作点是否位于图14所示回归实线Rl4上。计算判断的所得控制信号从计算控制单元44输出，并施加在温度控制单元45，控制加热电流的提供。
当在计算控制单元44中判断灯工作点位于实线Rl4上或者在加热线中无须流动电流的类似条件时，则不从温度控制单元45向加热线提供加热电流。
同时，当判断灯工作点从实线Rl4位移或者在加热线中需要流动电流的类似条件下，则向加热线提供加热电流，从而有效地加热放电管的整个部分。按此布置，即使温度最低点位于放电灯泡上的其他位置，也可以根据图16所示曲线提高单位质量水银填充物的灯电场Em，从而调节用于最佳灯照明工作的Em和j的组合条件。
通过监视灯电压并把温度最低点保持在距灯开始时刻的预定水平，即可抑制灯电压的变化率。
在优选实施例中，在双管结构部位42可以设置涂敷于外壁42b的内圆周面的边侧部分上的红外线反射膜，与每根加热线的位置对应。按此设置，在双管结构部分42内可以有效地进行升温控制。
这里应该注意，尽管此实施例采用圆筒状的双管结构，但并不限于这种结构，也可采用其他结构，例如弧型、椭圆型或者球型。
就本发明的效果而言，可以提供改进的金属卤化物灯，具有高光通量保持率和电弧放电部位的高亮度、以及长的灯使用寿命，抑制灯电压变化率，避免色温变化，在各种显示设备例如光学投影系统中用做光源时，这些可以显著改善其他指标。
本发明的结构中，宽范围的待密封的不同金属卤化物材料和不同灯功率能适用于制造金属卤化物灯，因此其开发中的设计制造的自由度和效率得以明显改善。
此外，在设置灯照明电路时，由于可以限制施加灯电压的安全范围，于是有利于灯的设计。
尽管结合附图利用实施例全面说明了本发明，但应该注意各种变化和改进对于本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，除非这种变化和改进脱离了权利要求书所限定的本发明的范围，否则均应作为这里包括的构成。

Claims (13)

1.一种金属卤化物灯，具有放电管(2)，保持水银填充物和在密封其中的惰性气体气氛中作为发光材料添加的至少一种金属卤化物，包括：
隔开一个间隙距离的空间而相对设置的一对放电电极(1、1’)，该间隙距离限定放电管(2)内的成对放电电极(1、1’)之间产生的电弧放电部位(3)，
其中，每单位质量水银填充物的电场(Em)与电流密度(j)之间的关系由具有一定倾角的线性线段代表，电流密度(j)限制在由下式表示的范围内：j＝30.5×Em+a，其中，“a”是在-14.0≤a≤-13.0的范围内的参数，而且Em＝V/d/m，j＝I/S，假设在灯稳定发光的状态下在成对电极之间施加V伏灯电压、每个电极具有其截面积为Smm2的端面(1a，1a’)、和间隙距离是d毫米之时，I是单位为安培的灯电流，并且“m”是水银填充物的质量。
2.根据权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，单位质量的水银填充物的电场(Em)与电流密度(j)之间的关系由具有证实倾斜度的线性线段表示，电流密度(j)限制在下式表示的范围内：
                   j＝30.5×Em+a其中“a”是在-14.0≤a≤-13.0的范围内的参数，而且Em＝V/d/m，j＝I/S。
3.根据权利要求2所述的金属卤化物灯，其特征在于，密封在放电管(2)内的水银填充物的质量(m)是固定值，在以下条件下作为优化电流密度j(＝I/S)范围的因素，即以放电管尺寸的恒定构形、亦即具有固定值的间隙距离(d)，使用恒定的灯功率，同时改变使用密封于放电管内的相同金属卤化物材料的伸入的电极轴(1)的直径(φ)。
4.根据权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征在于，在固定值m＝42、d＝3mm条件下，伸入的电极(1)的直径(φ)在0.98～1.12mm的范围内。
5.根据权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征在于，满足放电灯泡壁(2a)的温度(Tw)与单位质量水银填充物的电场(Em)之间的特定关系，从而在具有密封于其中的水银填充物的固定质量(m)的放电管的固定形状和尺寸的条件下，根据使用固定值的灯功率的温度(Tw)改变电场(Em)。
6.根据权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征在于，在放电灯泡壁(2a)的温度(Tw)与单位质量水银填充物的电场(Em)之间的关系中，通过提高放电灯泡壁的温度最低点来增大电场(Em)。
7.一种温度控制系统，用于调节权利要求13所述的金属卤化物灯放电灯泡壁(2a)的温度，包括：
温度控制单元(45)，用于调节放电灯泡壁温度(Tw)；
灯电压检测单元(43)，用于检测加于金属卤化物灯的灯电压；和
计算控制单元(44)，接收来自灯电压检测单元(43)的灯电压值的数据信号，判断灯工作点是否处于灯的最佳条件，把计算判断所得的控制信号传输至用于温度调节的温度控制单元(45)。
8.根据权利要求7所述的温度控制系统，其特征在于，所述计算控制单元(44)预先存储了灯功率(P)、间隙距离(d)、密封的水银填充物质量(m)和电极尖端部位的截面积(S)的固定值数据，从而根据存储数据计算放电灯泡壁的温度(Tw)与单位质量水银填充物的电场(Em)之间的关系。
9.根据权利要求7所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度控制单元(45)由用于加热放电灯泡壁的加热单元组成。
10.根据权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，所述金属卤化物灯通过穿过一对垂直壁(42c、42c’)而封闭在双管结构部分(42)内，所述双管结构部分(42)具有圆筒状双层内外壁(42a、42b)，在双层结构壁(42a、42b)之间，于其两侧部位通过卷绕含有一对插入的加热线(41、41’)，在双层结构的中间部位有一无加热线的空间。
11.根据权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，每根加热线按如下方式布置，从垂直壁部位(42c、42c’)到对应于电极基部(1b、1b’)的中间部位，其卷绕密度向内增大，有效地加热放电灯泡壁。
12.根据权利要求10所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度控制单元(45)通过控制施加于加热线的并流过其中用于加热的电流，调节放电灯泡壁的温度(Tw)。
13.根据权利要求10所述的温度控制系统，其特征在于，所述双管结构部位(42)设置涂敷于外壁(42b)的内圆周面的两边侧部分上的红外线反射膜，与每根加热线的位置对应。
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