CN1538495A

CN1538495A - 高压放电灯

Info

Publication number: CN1538495A
Application number: CNA2004100329034A
Authority: CN
Inventors: 准; 甲斐诚; ־; 打保笃志
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2004-10-20
Also published as: US20040227445A1; US7164226B2

Abstract

一种高压放电灯，包括：具有发光部、在该发光部内相互面对地配置的一对电极、从所述发光部的两端沿连接所述电极的轴线的方向延伸的一对侧管部的发光管；以至少限制与所述轴线正交方向的位移的方式支撑所述发光管的支撑结构；一对热应力产生构件，基端侧分别由所述支撑结构支撑，而前端侧连接在所述发光管的侧管部上，利用从点灯状态向灭灯状态的切换时的温度变化产生热应力，并该热应力作为相对于以所述轴线沿水平方向延伸的姿势配置的所述发光管的所述侧管部沿竖直向下的方向并且相对于发光管朝外的力而发生作用。这种高压放电灯，在数十个大气压左右的高工作压力且水平点灯的条件下，可缓解发光管中产生的热应力，而防止高压放电灯的破损。

Description

高压放电灯

技术领域

本发明涉及一种高压放电灯，特别涉及适用于高顶棚、店铺、街道灯的照明的高压放电灯。

背景技术

以前，高顶棚、店铺、街道等处所使用的高压放电灯具有由石英玻璃或陶瓷材料制作的发光管、外管及在外管内支撑发光管的由导电材料制作的接线架(wire frame)(例如参照美国专利第6,326,721号)。此种高压放电灯的发光管由于在点亮后会达到非常高的温度，因此，缓解在发光管中产生的热应力对于防止发光管破损是非常重要的一点。在美国专利第6,326,721号中，公布有将由点灯后产生的发光管的热膨胀造成的应力向设于接线架的一端的线圈排出的结构。

另外，同样，以防止发光管破损为目的，还有为了缓解点灯后在发光管表面产生的拉伸应力，预先在发光管材料中保留压缩应力的技术(例如，参照特开平2-301957号公报及特开昭60-225159号公报)。这些技术利用预先保留的压缩应力来抵消点灯后产生的拉伸应力，其结果是，可以防止灯的破损。

近来，高压放电灯中所需要的点灯条件发生了变化。大致上来说，有两个条件。其一是，在追求这些高压放电灯，特别是金属卤化物灯的进一步的高效率化的过程中，为了提高发光效率，有必要将发光管内的工作压力从以往的几个大气压(5～9大气压左右)增加到十几个大气压(10～15大气压左右)。为了增加工作压力，可以考虑几种方法。例如，一般的方法是，将发光管形状小型化，增加管壁负荷，使发光管温度上升到以往以上的温度，促进密封金属的蒸发。另一个是灯的点亮姿势。以往比较多地使用垂直点灯，但是从照明器具的设计性的观点考虑，特别为了实现空间节约化，水平点灯的使用也在逐渐增多。

但是，所述以往的技术都是在几个大气压的工作压力下并且在垂直点灯的条件下，缓解点灯后发光管中产生的热应力。对于在十几个大气压左右的高工作压力并且水平点灯的条件下，解决发光管中产生的热应力的对策还未提供。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压放电灯，缓解高压放电灯的发光管中产生的热应力。特别是，在数十个大气压左右的高工作压力并且水平点灯的条件下，缓解发光管中产生的热应力，并由此防止高压放电灯的破损。

本发明的第1形式提供具有如下部分的高压放电灯：

发光管，具有发光部、在该发光部内以相互面对的方式配置的一对电极、从所述发光部的两端沿连接所述电极的轴线的方向延伸的一对侧管部；支撑结构，至少以限制与所述轴线正交方向的位移的方式支撑所述发光管；一对热应力产生构件，其各自的基端侧由所述支撑结构支撑，而前端侧连接在所述发光管的侧管部上，通过从点灯状态切换到灭灯状态时的温度变化而产生热应力，该热应力作为相对于以所述轴线沿水平方向延伸的姿势配置的所述发光管的所述侧管部朝向垂直向下的方向，并且相对于发光管朝向外部的力而发生作用。

在十几个大气压左右的高工作压力并且水平点灯的条件下，由于从点灯状态切换到灭灯状态时的温度变化，在发光部的竖直方向上部产生最大的热应力。该热应力的指向为拉伸方向。由于热应力产生构件所产生的热应力作为相对于发光管的侧管部朝竖直向下的方向、并且相对于发光管朝外的力而发生作用，因此，在最大的拉伸应力发生作用的发光管的竖直方向上部，作用压缩应力。所以，通过设置热应力产生构件，就可以缓解从点灯状态切换到灭灯状态时在发光管中发生作用的热应力，防止发光管的裂纹或破损，从而可以实现高压放电灯的长寿命化。

具体来说，高压放电灯具有分别连接所述侧管部和所述热应力产生构件的前端侧的一对连接构件。

更具体来说，所述连接构件具有包围所述侧管部的外周面的环状部、从该环状部沿着远离所述侧管部方向延伸并且固定所述热应力产生构件的前端侧的固定部。也可以通过将环状部铆接在侧管部上，将连接构件固定在侧管部上。此时，也可以在所述侧管部的外周面上形成嵌入所述环状部的槽。

当所述电极沿所述轴线方向经由所述侧管部向发光管的外部突出，所述支撑结构支撑所述电极，并且具有与点灯电路电连接的接线架时，也可以将一对热应力产生构件的基端固定在从接线架向侧管部延伸的一对支撑轴上。

热应力产生构件由双金属或具有所需的线膨胀系数的单一的金属材料制成。

本发明虽然适用于发光管由陶瓷材料制成的情况，但是发光管也可以由石英灯其他材料制成。

在密封入发光部内的发光物质的点灯时的压力，即工作压力在10MPa以上的情况下，本发明可以合适地使用。

高压放电灯还可以具有包围发光管的外管。

本发明的第2形式提供具有如下部分的高压放电灯，即：

具有发光部的发光管、主热应力产生构件，且该构件由于从点灯状态切换到灭灯状态时的温度变化而产生热应力，该热应力会产生向所述发光部的上部的压缩应力。

附图说明

图1是表示点灯后的发光管的温度分布的概略图。

图2是表示刚灭灯后的发光管的应力分布的概略图。

图3是示意性地表示本发明的实施方式的高压放电灯的图。

图4是表示连接构件的图3的局部放大图。

图5是用于说明双金属的结构及功能的局部放大图。

图6是用于概念性地说明发光管的支撑的图。

图7A是表示连接构件的其他例子的局部放大立体图。

图7B是图7A的VII-VII线的剖视图。

图8A是表示连接构件的又一个例子的局部放大立体图。

图8B是图8A的VIII-VIII线的剖视图。

具体实施方式

本发明的目的及特征可以利用参照附图的优选实施方式的说明来阐明。

本发明人发现，当在高工作压力和水平点灯的条件下使用高压放电灯时，在从点灯状态切换到灭灯状态后不久，发光管很容易产生裂纹等破损，进而，如下详细所述那样，对引起该破损的热应力进行了分析。本发明是基于利用分析所得的新的见解而得到的。由于灯起动时，即从灭灯状态切换到点灯状态时的压力及温度上升紧随密封金属的蒸发，因此十分缓慢。但是，在高工作压力及水平点灯的条件下，在灭灯之后不久，或者说从点灯状态切换到灭灯状态时，会产生急速的温度下降。

图1表示作为高压放电灯的一种的金属卤化物灯的发光管1的稳定点亮中的温度分布。发光管1由以氧化铝(Al₂O₃)为主原料的陶瓷材料制成。在发光部1a的内部，密封有含有水银和卤化金属的密封金属及作为缓冲气体的稀有气体。工作压力为10～15Pa。另外，发光管1设置成连接配置于其内部的一对电极2A、2B的假想直线或者轴线L沿近似水平方向延伸的点灯姿势(水平点灯)。发光管1虽然会在沿水平方向延伸的轴线L的方向热膨胀，但是其被按照限制与轴线L正交的方向(包括竖直方向)的位移的方式支撑着。

在图1中，位于以等温线T分隔的各区域内的点的密度越高，则该区域显示越高的温度。由于将提供的电能的一部分作为热能消耗，发光部1a的内部被加热到接近1100℃的高温。另外，由于点灯姿势为水平状态，所以发光管1的上部和下部会产生接近100℃的温差。具体来说，以点t1表示的发光管1的内壁面上部的温度约为1070℃，与此相对，发光部1a的内壁面下部的温度约为930℃。发光部1a内的温差是作为由填充到发光部1a内的大量的密封金属导致的高温高压状态下的对流现象的结果而产生的。所以，发光部1a内的点灯时的压力越高，则温差越大。

图2表示在此种高温高压状态下点亮的发光部1a中，利用有限元法对灭灯时产生的各部分应力进行了模拟后的计算结果。具体来说，图2表示图1所示的温度分布沿着模拟实际的灭灯后不久的温度下降推移的实测值的条件而变化，并返回到室温状态的发光管1的各部分产生的热应力的分布。在图2中，以等应力线P所分隔的各区域内所附加的点的密度越高，则表示热应力越大。从图2可以清楚地看到，发光管1的各部分中产生最强的拉伸应力的部分为内壁面上部。在内壁面最上部的点p1拉伸应力最大(111MPa)，随着向下部的移动，拉伸应力的值逐渐减少。例如，内壁面中央部的点p2的拉伸应力为30MPa。另外，在内壁的下部侧产生压缩应力。例如，在内壁面最下部的点p3产生-40MPa的压缩应力。如图2中箭头M1、M2所示，拉伸应力产生于侧管部1b、1c方向(轴线L的方向)。这与实际的灯强度实验中发光管破损部位是对应的。

如上所示，当在高工作压力和水平点灯的条件下使用高压放电灯时，在从点灯状态切换到灭灯状态时，在发光管的上部会产生拉伸方向的很大的热应力，该热应力引起发光管的破损。

下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明。图3表示作为本发明的实施方式的高压放电灯的金属卤化物灯。发光管1具有细长的中空管状的发光部1a、从发光部1a的两端延伸出来的一对侧管部1b、1c、使前端露出发光部1a的内部的一对电极2A、2B。侧管部1b、1c沿着连接电极2A、2B的假想直线或者说轴线L延伸。在本实施方式中，发光部1a及侧管部1b、1c由以氧化铝(Al₂O₃)为主原料的陶瓷材料构成。电极2A、2B的基端贯穿侧管部1b、1c的细管部1d后向发光管1的外部导出。按照包围发光管1的方式设有外管21。

下面对电连接结构进行说明，图中右侧的电极2A的基端与支撑构件3连接，左侧的电极2B的基端与可变形构件4连接。另外，支撑构件3与接线架5连接，可变形构件4与接线架6连接。接线架5、6经过灯头7与未图示的外部点灯电路连接。

在发光部1a的内部密封有作为发光材料的水银、卤化金属等密封金属及作为缓冲气体的稀有气体等。点灯的发光部1a内的压力、即工作压力为10～15MPa。另外，点灯姿势为水平状态。具体来说，该金属卤化物灯采取连接一对电极2A、2B的轴线L近似沿水平方向的点灯姿势。

下面对发光管1的支撑结构进行说明。一侧的接线架5从灯头7穿过发光管1的下侧沿水平方向延伸，其前端被固定在外管21的凹坑部21a。另一侧的接线架6从灯头7沿水平方向延伸，其前端位于发光管1的侧管部1c附近。另外，接线架6的前端位于比发光管1更靠上方的位置。右侧的电极2A的基端侧被接线架5机械地支撑，左侧的电极2B的基端侧被接线架6机械地支撑。

一般来说，稳定点亮时与冷却时相比，发光管1因热膨胀而膨胀。该发光管1的热膨胀在水平方向(轴线L的方向)最大。为了缓解该点灯后因热膨胀而在发光管1中产生的热应力，对发光管1进行支撑。首先，与图中左侧的电极2B的基端侧对应，设有分别沿竖直方向延伸的可变形构件4及支撑构件8。可变形构件4是由像由导电材料制成的绞线那样的具有导电性并且可以比较自由地变形的材料制成。可变形构件4的上端以连接点21焊接于接线架6上，下端以连接点22焊接在电极2B的基端侧。支撑构件8的上端以连接点17焊接在接线架6上，在下端具有环状部8a。电极2B的基端侧穿过环状部8a，但是没有相对于环状部8a进行固定。另一方面，对应图中右侧的电极2A的基端侧，设有沿竖直方向延伸的支撑构件3。支撑构件3的下端侧以连接点20焊接于接线架5上。电极2A的基端侧以连接点10焊接于支撑构件3上。由于左侧的电极2B穿过环状部8a，并且可变形构件4可以变形，因此，电极2B可以在轴线L的方向发生位移。但是，与电极2B的水平方向正交的方向(包括竖直方向)的位移被环状部8a限制。另一方面，由于右侧的电极2A被固定在支撑构件3上，因此轴线L方向及与之正交方向的位移被限制。所以，虽然发光管1可以沿轴线L在水平方向膨胀，因该膨胀而产生的应力被缓解，但是在与水平方向正交方向的位移被限制。

如果将发光管1看作梁，则如图6所示，右侧的端部为固定于支撑构件3上的固定端，左侧的端部为由环状部8a仅对与轴线正交的方向的位移进行限制的旋转端。

下面将参照图3到图5对用于缓解所述的灭灯时发光管1中产生的热应力的结构进行说明。

各自沿竖直方向向上延伸的支撑轴11、12连接在接线架5上。支撑轴11被配置于图中右侧的侧管部1b的下侧，下端以连接点20焊接在接线架5上，上端与侧管部1b以一定间隔而面对。另一方面，支撑轴12被配置于图中左侧的侧管部1c的下侧，下端以连接点19焊接在接线架5上，上端与侧管部1c以一定间隔而面对。

在侧管部1b、1c上，分别安装有固定件或者说连接构件13、14。参照图4，连接构件14是通过将把手状的金属板成形而制成，具有卷绕安装在侧管部1c的外周面上的环状部14a、从该环状部14a向下方延伸的固定部14b。环状部14a被相对于侧管部1c倾斜卷绕，环状部14a在侧管部1c的上部的接触位置14c比环状部14a在侧管部1c的下部的接触位置14d位于更靠近内侧，即靠近发光部1a侧的位置上。环状部14a被安装在侧管部1c上，使之不容易偏离，接触位置14d、14c不会发生移动。连接构件13的材质、形状及在侧管部1b上的安装姿势与连接构件14相同。

支撑构件11、12与连接构件13、14由作为热应力产生构件的双金属15、16连接。参照图5，双金属16的基端侧被焊接在支撑轴12上，前端侧被焊接在连接构件14的固定部14b上。双金属16是将由热膨胀率高的合金材料制成的板材(高热膨胀板材31)和由热膨胀率低的合金材料制成的板材(低热膨胀板材32)贴合在一起的材料，具有热变形效果。即，当温度上升时，由于高热膨胀板材31比低热膨胀板材32产生更大的变形，因此向低热膨胀构件32侧弯曲。本实施方式中，按照低热膨胀板材32比高热膨胀构件31位于更靠竖直方向上方的位置，即以位于发光管1侧的方式来配置双金属16。另外，按照因稳定点亮时的发光管1发出的放射热使得如图5中实线A所示那样，向低热膨胀构件32侧弯曲的方式，选择高热膨胀板材31和低热膨胀构件32的材质、形状及尺寸，并且相对于支撑轴12和连接构件14固定。连接支撑轴11和连接构件13的双金属15的结构及安装姿势也与双金属16相同。

由于本实施方式的金属卤化物灯点灯工作压力为高压(10～15MPa)，并且点灯姿势为水平状态，因此如参照图1及图2所说明的那样，从点灯状态切换到灭灯状态时，在发光管1a的上部产生拉伸方向的大的热应力。该热应力如图6中虚线概略性地表示那样，作为使发光部1a沿竖直方向向上突出而变形为弓状的变形力，对发光管1产生作用。

另一方面，由于金属卤化物灯灭灯之后不久，从发光管1发出的放射热急剧减少，温度下降，因此双金属15、16的高热膨胀板材32开始迅速地收缩。再次参照图5，假设双金属16未被焊接在连接构件14上，则由于温度降低，双金属16迅速地变形成如虚线B所示的直线形状。但是，由于实际上双金属16的两端被焊接在支撑轴12和连接构件14上，位移受到限制，因此双金属16基本上不会从实线A所示的形状发生变化，从而产生热应力。该双金属16产生的热应力经过连接构件14，作为以箭头Y表示的力对发光管1的侧管部1c产生作用。当同时参照图3时，由于所述的灭灯不久后的温度降低，在双金属15中也产生热应力，该热应力经过连接构件13，作为以箭头X表示的力对发光管1的侧管部1b产生作用。由这些双金属15、16产生的热应力而作用于侧管部1b、1c上的力X、Y的朝向为斜下方，具体来说，相对于侧管部1b、1c沿竖直方向向下，并且相对于侧管部1b、1c向外(远离发光部1a的方向)。所以，如图6中单点划线概略性所示，这些力X、Y作为使发光部1a沿竖直方向向下突出而变形为弓状的变形力，对发光管1产生作用，从而在发光管1的内表面的上部产生压缩应力。换言之，力X、Y使发光管1中产生与从点灯状态切换到灭灯状态时因发光管1中产生的热应力而导致的发光管1的变形(图6的虚线)相反朝向的变形。所以，利用经由连接构件13、14从双金属15、16作用于发光管1的力X、Y，就可以有效地缓解发光管1灭灯后不久在发光部1a的内壁面上产生的拉伸方向的热应力，特别是有效地缓解发光部1a的内壁面最上部(参照图2的位置t1)的热应力。

图7A、7B表示连接构件的其他例子。连接构件13的环状部13a被铆接在侧管部1b上，并使环状部13a的全部内面与连接构件13的外周面紧密接触。另外，将固定部13b的下端折叠，并将折叠的部分焊接在双金属15的上表面上。通过将环状部13a铆接在侧管部1b上，使连接构件13牢固地固定在侧管部1b上，因此灭灯时双金属15中产生的热应力就会经由连接构件13可靠地传导至发光管1。也可以对另一侧的连接构件14(参照图3)采用相同的结构。

图8A、8B表示连接构件另外的又一种例子。在侧管部1b的外周面上形成环状的槽1d，在该槽1d中嵌入连接构件13的环状部13a。环状部13a铆接在侧管部1b上。通过将环状部13a嵌入槽1d中，就可以更可靠地防止环状部13a相对于侧管部1b在轴线L方向的位置的偏移，因此就可以更可靠地将双金属15的热应力传导至发光管1。也可以对另一侧的连接构件14(参照图3)采用相同的结构。

发光部1a内的压力越高，利用所述构成的对发光部1a的竖直方向上部的拉伸应力的缓解作用就越有效。特别是，当发光部1a的点亮时的内压在10MPa(约10个大气压)以上时，十分有效。作为在点灯时使发光部1a达到10MPa以上的密封物，只需将PrI₃、CsI、NaI的混合物密封进发光部1a内即可。

为了充分发挥利用所述构成的对发光部1a的拉伸应力的缓解效果，在设计上的考虑中有几点应当注意的地方。第一是接线架5、6、支撑构件3、8及支撑轴11、12的强度。为了使双金属15、16产生的热应力作为缓解发光部1a的拉伸方向的热应力的力X、Y有效地发挥作用，有必要使其周边的接线架5、6、支撑构件3、8及支撑轴11、12采用不容易变形的材料、形状及尺寸。当使用不锈钢作为导电性的金属材料时，直径最好在0.5mm以上。同样，为了使用于支撑的构件组不容易振动，不用说对连接点10、17～20也有必要进行牢固的焊接。

第二是双金属15、16的冷却速度。构成发光管1的氧化铝或石英与构成支撑轴11、12、双金属15、16等的金属材料相比，比热高，热传导率低。所以，对于将发光管1从点灯状态切换到灭灯状态时的冷却速度，双金属15、16比发光管1要快得多。但是，作为更加保险的方法，也可以在支撑轴11、12上设置散热片那样的增加表面积的结构，促进支撑轴11、12的放热，由此来加速灭灯后不久的双金属13、14的冷却速度。

另外，所述实施方式虽然设有双金属安装专用的支撑轴11、12，但是当灯内不能获得足够的空间时，也可以用发光管1的支撑构件3、8来支撑双金属15、16。

另外，在所述实施方式中，虽然采用双金属作为根据温度变化来产生热应力的热应力产生构件，但是，也可以根据发光管的形状、需要对发光管施加的压缩应力的大小或方向，用所需的膨胀系数的单一的金属材料来构成热应力产生构件。即，热应力产生构件只要是对应发光部1a的温度变化而产生热应力，该热应力作为缓解发光部1a中产生的热应力的方向的力发挥作用的构件即可。

另外，虽然在所述实施方式中使用陶瓷材料作为发光管1的材料，但是不用说本发明也可以适用于使用石英玻璃等一般的其他的发光管1的材料的情况。但是，由于一般来说，当在发光管1中使用膨胀系数大的陶瓷时，发生裂纹等破损的可能性比较高，因此本发明适用于发光管1的材料为陶瓷的情况。

虽然参照附图对本发明进行了完整地说明，但是对于普通技术人员来说，可以进行多种改动及变形。所以必须说明，只要不脱离本发明的意图及范围，这样的改动及变形都包含于本发明中。

Claims

1.一种高压放电灯，其特征是，包括：

发光管，具有发光部、在该发光部内相互对向地配置的一对电极、从所述发光部的两端沿连接所述电极的轴线的方向延伸的一对侧管部；

支撑结构，以至少限制向与所述轴线正交方向的位移的方式支撑所述发光管；

一对热应力产生构件，基端侧分别由所述支撑结构支撑，而前端侧分别连接在所述发光管的侧管部上，利用从点灯状态向灭灯状态的切换时的温度变化产生热应力，并该热应力作为相对于以所述轴线沿水平方向延伸的姿势配置的所述发光管的所述侧管部沿竖直向下的方向、并且相对于发光管朝外的力而发生作用。

2.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：还具有分别连接所述侧管部和所述热应力产生构件的前端侧的一对连接构件。

3.根据权利要求2所述的高压放电灯，其特征是：所述连接构件具有：包围所述侧管部的外周面的环状部、从该环状部沿远离所述侧管部方向延伸并且固定所述热应力产生构件的前端侧的固定部。

4.根据权利要求3所述的高压放电灯，其特征是：通过将环状部铆接在侧管部上，而将所述连接构件固定在侧管部上。

5.根据权利要求4所述的高压放电灯，其特征是：在所述侧管部的外周面上形成嵌入所述环状部的槽。

6.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：所述电极沿所述轴线方向经由所述侧管部向发光管的外部突出，

所述支撑结构支撑所述电极，并且具有与点灯电路电连接的接线架，

所述一对热应力产生构件的基端被固定在从所述接线架向所述侧管部延伸的一对支撑轴上。

7.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：所述热应力产生构件由双金属制成。

8.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：所述发光管由陶瓷材料制成。

9.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：在所述发光部内封入发光物质，并且点灯时的所述发光物质的压力在10MPa以上。

10.根据权利要求1所述的高压放电灯，其特征是：还可以具有包围所述发光管的外管。

11.一种高压放电灯，其特征是：包括具有发光部的发光管、和热应力产生构件，

该热应力产生构件，通过从点灯状态切换到灭灯状态时的温度变化产生热应力，而该热应力会在所述发光部的上部产生压缩应力。