CN1613131A - 放电灯 - Google Patents

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Abstract

一种放电灯(10)，其具有由透明材料的壁包围的封闭放电容器(20)。具有两个电极(30)，该电极部分地嵌入到壁中，并且该电极突伸到放电容器的内部中。至少一个电极，但优选的是两个电极(30)均是细长形状的并且由头部(50)和杆部(40)构成，头部和杆部由不同直径和/或不同材料区分开。对于头部而言钨是优选的，对于杆部而言钨－铼合金是优选的。杆部(40)由壁材料通常为石英来封装，而头部仅通过第一短部分(50a)与该壁接触，而其第二长部分(50b)突伸到放电容器的内部中。已经发现，对于头部(50)的有利直径是350－450微米，对于杆部(40)的有利直径是150－400微米。使用本发明的电极结构可实现长的灯寿命，特别是在优选用于机动车应用场合的具有非常高的热负荷的放电灯情况下。此外，本发明还具有放电容器(20)结晶较少、电极(30)强烧蚀较少、和启动特性改善的优点。

Description

放电灯
本发明涉及一种放电灯。
借助气体放电产生光的气体放电灯长期以来是公知的。
EP-A-0570068披露了一种高压气体放电灯，其中灼热器由灯头支承。灼热器包括以气密方式封闭的且带有两个电极的放电容器。该放电容器具有在相应端部形成颈部区域的壁。电连接到外触点上的电极布置在相应的颈部区域中，以便突伸到放电容器的内部。放电容器的内部填充有包括汞、稀有气体、和金属卤化物的可离子化的填充物，该金属卤化物例如为碘化钠和氙。
WO-A-92/12530披露了一种低功率的放电灯，即低于40瓦的放电灯。该灯包括由石英玻璃形成的放电容器，两个电极突伸到放电容器的内部。该电极均具有大致柱形的头部区域，其完全处于放电容器的内部并且与放电容器壁不接触。小直径的杆部区域并入该电极的该头部区域，该杆部区域在壁的颈部区域中嵌入到壁的材料中。电极的头部和杆部由钨制成，头部的直径在280-355微米之间，并且杆部的直径较小，在这种情况下即为76微米。头部和杆部焊接在一起。应当注意，大直径的头部使得在放电中产生的热量令人满意地进行分布，以便使得电极不被烧蚀。过渡到小直径的杆部确保了从头部传递的热量的降低。
WO-A-98/37571披露了一种高压金属卤化物灯。该灯包括由透光材料制成的封闭的放电容器，其在两个相面对的端部处并入颈部区域。细长的电极布置在颈部区域中，每一电极由钨制的头部和钨-铼合金制成的杆部构成，其中铼的重量百分比至少为25％。从钨制的头部过渡到钨-铼合金制成的杆部设置在操作温度为1900-2300K的位置处。应当注意，重量百分比至少为25％的铼对于防止电极在钨部分由于与卤素气体填充物反应而被除去之后出现断裂而言是必要的。在此指出，可建立其本身的循环过程，在该过程中钨从电极上蒸发并且通过卤化物再次输送回到电极上。在此描述的钨制的头部的结构防止了过量的蒸发。
在所披露的电极中，头部和杆部焊接在一起。头部可具有围绕其的钨金属丝绕组。头部的直径也是0.8毫米，并且杆部的直径是0.8毫米。杆部在其后端嵌入到壁材料中，其中该杆部电连接到设置用于密封的钼箔上。
在带有常规结构和形状的电极的已知放电灯中发现，制品寿命明显降低，特别是在高热负荷的情况下。
因此，本发明的一目的在于提供一种在大的热负荷的情况下长寿命的放电灯。
该目的借助于如权利要求1所述的放电灯来实现。从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
依据本发明，电极由头部和杆部构成。它们具有不同的材料。或者或另外，头部和杆部还可具有不同的直径。杆部没有自由表面暴露于放电容器的内部。杆部在其整个长度上封装在形成壁的材料中，该材料例如为石英。头部可通过第一部分与壁接触，但是第二长部分突伸到放电容器中。
以下参照一个电极通过结合示例来描述本发明。明显的是，通过存在两个电极，这两个电极具有相同的结构是优选的。
本发明基于针对优化在高热负荷下的放电灯的有用寿命的考虑。这种热负荷例如出现在使用无汞填充物的情况下，或出现在使用高功率小尺寸的灯的情况下，例如60瓦的放电灯用于汽车。此外该考虑还涉及尽可能地减小在灯使用寿命中的光通量下降(流明保持)以及所谓的灯的启动特性。在此有利的是，尽可能快地达到高光通量。
对于电极头部的要求与对于电极杆部的要求不同。电极杆部嵌入放电容器的壁中。用于壁的最常用的是石英玻璃。已经发现，该制品的寿命尤其取决于壁材料[与杆部]之间的粘附性。
影响制品寿命的另一因素是电极的烧蚀。这在电极头部中出现。因此，对于电极头部设定的要求是尽可能地耐受烧蚀。
电极头部包括嵌入壁的材料中的第一短部分。依据本发明，突伸到放电容器中的第二部分比该第一部分长。在此优选的是，第一部分占头部总长度的25％以内。因为只有头部的一短部分嵌入壁，因此避免了过多的热量传递到壁材料以及由此引起的非常高的热负荷。然而，另一方面，头部的嵌入将导致在机械稳定性方面的明显改善。这在机动车领域中考虑到机械负荷的情况下是非常有利的。此外，头部的一部分嵌入到壁中实现了从电极到壁材料的热过渡的改善，这提供了良好的即快速的启动特性。
第一部分的长度，即头部嵌入到壁中的长度，总是在上述的要求之间折衷。对于该区域的长度的下限由在启动特性和机械稳定性方面的所需结果来设定。上限由在连续工作过程中对于壁材料的热负荷来给定。实际的限制取决于特定应用场合中的多个因素。对于在机动车领域中使用的灯的实验表明了，达到0.7毫米的数值对于第一部分的长度是有用的。优选的是，嵌入长度大于为0.05-0.5毫米。然而，在要求或参数明显不同的具体应用中，则当然需要选择不同的尺寸。
电极优选为具有大致圆形的截面。电极的杆部和头部在其直径不同的情况下可由相同的材料制成。电极可以通过例如磨削或蚀刻制成单体的，即由不同直径形成的部分。
对于电极的杆部和头部之间的连接而言，如果电极的杆部和头部是由不同材料制成的，则焊接连接是优选的。已经发现，如果头部的直径大致等于杆部的直径，则对于该连接的强度是有利的。优选的是，直径的彼此差别不应超过30％。提出了350-450微米的直径用于头部，150-400微米的直径用于杆部。杆部的直径优选为250-400微米。然而，还可使用另外的直径以便符合特殊的要求。
电极的杆部和头部优选为由不同的材料制成。头部由重量百分比至少为90％的钨构成。优选的是，纯的钨用作用于该头部的材料。该材料由于具有高熔点因此对于耐受电极的烧蚀具有良好的稳定性。
如果在电极的嵌入壁中的部分与石英玻璃之间具有非常好的粘附性，则由于热膨胀系数不同因此可能出现由热量导致的应力消除裂纹，该裂纹称为“珍珠裂纹”。这种特性对于制品寿命是特别有利的，这是因为其阻碍传播到外部的径向玻璃裂纹的形成。在具有粘附到石英玻璃上的良好粘附性的钨-铼合金的情况下，存在与珍珠裂纹相似的效果。
在另一实施例中提出了，重量百分比60-85％的杆部由钨构成，并且其余是铼。在此披露的合金应当理解为，所指出的这些成分对于确定相应的性质而言是处于支配地位的。以小浓度存在的(例如小于1％的)其它元素在此没有分别地描述。优选的是，钨-铼合金具有重量百分比74％的钨和重量百分比26％的铼。由钨-铼合金制成的电极的导热性比钨制的头部的导热性低。因此，250-400微米优选为甚至300-400微米的杆部的直径对于在灯接通过程中足够快速地加热石英而言是有用的，尽管其导热性低。在给定这些直径时，可实现从电极末端可获得足够的热量，以便头部在连续工作过程中释放热量。
对于已知的灯常用的是，使用加有氧化钍的钨例如VMT10，其中氧化钍的重量百分比为1％。在另一实施例中提出，电极材料是不含钍的。在实验中已经发现，氧化钍对于起弧特性具有可疑的强列影响，这种影响没有假想的强。此外还提出，气体填充物不含钍。省去钍使得该灯的对环境的特性更好。然而，最重要的是，已经发现氧化钍作为用于放电容器的壁材料的结晶核。钍的省去显著地降低了在灯使用寿命中的发光量的下降，即改善了流明保持。
电极的几何形状可根据各个应用而明显不同。在本发明的另一实施例中，优选的是，头部的长度是电极总长度的15-50％。在典型的应用中，特别是在汽车应用中，头部的长度优选为1-3毫米，并且杆部的长度大约为3-7毫米。
以下参照附图详细描述本发明，在附图中：
图1是放电灯的第一实施例的侧视图；
图2是图1所示的放电灯的灼热器的侧视图；
图3是电极的截面图，该电极部分地嵌入到图1所示的放电灯的灼热器中；
图4示出了对于各种电极的电极间隔与灯寿命之间关系的图表；
图5示出了放电灯的第二实施例的灼热器；
图5a示出了图5所示的灼热器的放电容器的放大图；以及
图5b是沿图5a中的线A-B截取的截面图。
图1是设计用于机动车灯的放电灯10的视图，其中灼热器(burner)14支承在灯头12中。
灼热器14如图2所示。细长玻璃主体18布置在外泡体16内，并且在其中央部分中形成封闭的放电容器20，其在纵向截面中是椭圆形的并且具有侧向颈部区域22。该主体18的颈部区域由初始形成为玻璃管的主体局部夹制在一起而形成的。这些区域由此称为“夹制部”。电极30突伸到放电容器的内部中，并且使用其后部嵌入到主体18的相应颈部区域22中。电极30连接到钼制的条24上，该条也嵌入到主体18的内部中，并且该条又电连接到外触点26上。钼箔24在颈部区域22中形成密封区域，以便确保放电容器20的内部与周围环境尽可能地密封隔离。
放电容器20的内部包含在室温时处于压力下的由稀有气体例如氙和金属卤化物例如碘化钪和/或碘化钠形成的可离子化的填充物。
如本领域的普通技术人员已知的，起弧电极施加到电极30上将在放电容器20内产生气体放电。
图3示出了一个电极30，其中以放大比例示出了其嵌入到主体18中。在此仅对于一个电极示出了电极嵌入的形状和特征。然而，在相对端处的电极具有相同的形状并且以大致相同的方式嵌入到主体18中，因此放电容器20是大致对称的。
如图3所示，电极30包括杆部40和头部50。杆部40和头部50是柱形的。在该示例中，杆部40具有300微米的直径，而头部50具有350微米的直径。
杆部40由重量百分比为74％的钨和重量百分比为26％的铼的钨-铼合金构成。头部50由纯的不掺杂质的钨(WZG)制成。
杆部40和头部50在接触位置焊接在一起。使用三个激光焊接点布置在该周向上。
杆部40完全地封装在主体18的颈部区域22中。杆部由石英材料包围。其后部并入钼制的条24中，如图3所示。杆部在其整个周向表面之上与主体18的玻璃材料接触。杆部40不与放电容器20的内部接触。
电极30的头部50仅小部分地与主体18的玻璃材料接触。在图3中，与电极30的杆部相连的且在其周向上与放电容器20的壁接触的后部由第一部分50a表示，该第一部分50a沿假想的边界(如图3所示的虚线)与第二前部分50b分开。部分50b比部分50a长，也就是说电极的头部仅小部分地嵌入到主体18中。
在图3中，杆部40的轴向长度由Ls表示，头部50的第一部分50a的长度由La表示，头部50的第二部分50b的长度由Lb表示。在所示的示例中，杆部40的长度Ls是4毫米，头部的长度是2毫米，其中嵌入的第一部分50a的长度大约为0.2毫米。
电极30的发光表面面积由以下来计算
π*头部直径*Lb
在所示的示例中，该发光表面面积大约为2mm2。
实验表明，杆部40由于杆部材料因此具有附着在周围的石英玻璃上良好粘附性，因此大致避免了由于径向断裂导致的灯损坏。
在所示的示例中，该灯完全不使用钍来制成。电极材料和在放电容器内部的填充物均不包括氧化钍。
各种变型可用于以上描述的实施例。以下的推荐是基于热负荷高的放电灯而作出的，特别是对于机动车应用场合。这些推荐方案涉及电极材料和电极几何形状，特别是电极的头部和杆部的直径和长度。
电极材料
对于电极头部应使用熔点尽可能高的材料，以便尽可能地限制电极的烧蚀。已经发现钨对于这一点是特别有利的。然而，应当注意，钨具有相对较好的导热性，这意味着电极头部的仅一小部分应嵌入到壁材料中，以便避免过多的热传递和由此引起的非常高的热负荷。
对于电极的杆部的材料选择的确定参数是电极和周围壁材料(通常是石英)之间的粘附性以及导热性。以下的表给出了在相应的电极材料和周围石英壁之间获得的粘附性的比较。
电极材料 对石英玻璃的粘附性
加有氧化钍的钨(VMT10，1％的ThO2重量百分比)不掺杂质的钨(WZG)钨-铼合金(74％/26％重量百分比)铼 非常好的粘附性良好的粘附性良好的粘附性差的粘附性
对于周围的石英玻璃具有良好粘附性的材料对于实现长寿命的灯是优选的。对于嵌入石英玻璃中的VMT10的“珍珠破裂”效应以及对于嵌入石英玻璃中的钨-铼合金的相似效应抵抗玻璃裂纹的形成，该玻璃裂纹传播到外部并且由此导致灯损坏。
在已知灯中电极材料通常包括钍，直到现在降低灯的冷起弧电压的需要。这还导致电极温度的降低。然而，已经发现，在电极材料中没有氧化钍，即在本发明所提出的材料中没有氧化钍对于起弧电压具有相对较小的影响。
不仅在电极材料中没有氧化钍，而且如果可能的话在所有灯材料中即在填充物中也没有氧化钍，这对于在灯寿命过程的流明保持是有利的。氧化钍作为结晶核，其结果为放电容器的石英材料随着灯的使用而越来越多地结晶，这导致更差的流明保持。已经发现，例如，使用没有氧化钍的灯可实现在高电流数值下工作(大约0.7A增大到3.5A的连续工作)在1000小时后的大约97％的流明保持，而带有包括氧化钍的电极材料的对照灯不超过初始光通量的大约70％。
电极尺寸
已经发现，对于由不同材料的头部和杆部构造成的电极，其中头部和杆部通过焊接连接而互连，随着头部和杆部的直径越来越相等，焊接连接的强度按比例地提高。因此优选的是，这两个电极部分的直径尽可能地相同。
优选的是，杆部的电极直径应当在150-400微米之间。因此可使得在灯接通(启动)过程中石英封壳的快速加热，另外如果使用了(如上所述的)导热性低的材料的话，情况也如此。
提出了用于电极的头部的350-450微米的数值，这取决于电流、启动电流和工作电流。电极头部的直径被认为与自由头部长度(Lb)组合，这是因为电极的发光表面面积由该组合来限定。已经发现，在放电容器内发光表面面积的增大导致更多的功率从电极辐射到放电容器中。这有助于在放电容器的颈部区域上降低热负荷。
对于灯寿命、启动特性、和流明保持的影响
在带有不同电极的灯寿命的研究中已经发现，依据以上推荐的电极结构在灯寿命方面获得到明显的优点。通过使用本发明提供的电极结构，在灯使用寿命过程中的发光效果下降还更低，即流明保持更好。
进行实验，以便将各种不同的两部分由不同材料制成的电极与卷绕电极(即，杆电极的末端由卷绕线圈来封闭)进行比较。对于头部部分嵌入的两部分电极而言，在平均灯寿命和流明保持方面均可发现明显的优点。
两部分的电极还展示出在灯使命寿命过程中电极的烧损明显下降。这如图4所示。对于不同的的电极结构，在灯启动15小时后电极间隔作为时间的函数描绘在图表中。以下的电极结构在图4中进行比较，其中两部分的电极均具有在大约0.2毫米的长度上嵌入到石英材料中的头部。
  A 两部分的电极电极间隔3.0mm头部：WZG  0.4mm×2.3mm杆部：W/Re 0.4mm×4.7mm
  B 两部分的电极电极间隔3.0mm头部：WZG  0.4mm×2.3mm杆部：W/Re 0.4mm×4.0mm
  C 两部分的电极电极间隔3.0mm头部：WZG 0.4mm×2.3mm杆部：WZG 15mm×4.7mm
  D 带有线圈的杆电极电极间隔3.0mmWMT10 0.25mm×7mm由卷绕的WZG 0.08mm×2.3mm包围
在相同电极的实验中获得到定量的比较结果，但是此刻设计用于机动车的灯具有3.8毫米的电极间隔。
对于两部分的电极，启动特性也是良好的。通过增大电极的表面面积，即增大头部直径，还可进一步改善该启动特性。另一因素是头部部分嵌入到放电容器壁中，这导致壁材料快速加热并且由此提供了改善的启动特性。
图5、图5a、图5b示出了灯的第二实施例，其中放电容器具有不同的形状。在第二实施例中，放电容器20在其中央部分是柱形的并且在其端部是窄锥形的。
本发明可概括成，提供了这样一种放电灯，其具有由透明材料的壁包围的封闭放电容器。具有两个电极，该电极部分地嵌入到壁中，并且该电极突伸到放电容器的内部中。至少一个电极，但优选的是两个电极均是细长形状的并且由头部和杆部构成，头部和杆部由不同直径和/或不同材料区分开。对于头部而言钨是优选的，对于杆部而言钨-铼合金是优选的。杆部由壁材料通常为石英来封装，而头部仅通过第一短部分与该壁接触，而其第二长部分突伸到放电容器的内部中。已经发现，对于头部的有利直径是350-450微米，对于杆部的有利直径是150-400微米。使用本发明的电极结构可实现长的灯寿命，特别是在优选用于机动车应用场合的具有非常高的热负荷的放电灯情况下。此外，本发明还具有放电容器结晶较少、电极强烧蚀较少、和启动特性改善的形式的优点。

Claims (12)

1.一种放电灯，其包括：
由透明材料的壁包围的封闭的放电容器(20)；和
两个电极(30)，该电极部分地嵌入到该壁中并且突伸到该放电容器(20)的内部中，
其中，至少一个电极(30)是细长形状的并且具有头部(50)和杆部(40)，该头部和该杆部由不同材料制成和/或具有不同直径；
该电极的杆部(40)在其整个长度之上由形成该壁的材料封装；以及
该头部(50)包括第一部分(50a)和其余的第二部分(50b)，该第一部分由形成该壁的材料封装，该第二部分突伸到该放电容器(20)的内部中；
该第二部分(50b)比该第一部分(50a)长。
2.如权利要求1所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的第一部分(50a)的长度(La)占该头部(50)的总长度的25％以内。
3.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的第一部分(50a)的长度(La)小于0.7毫米。
4.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)和该杆部(40)具有大致相同的直径。
5.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的直径为350-450微米。
6.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该杆部(40)的直径为150-400微米。
7.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该杆部(40)的材料包括重量百分比至少为60-85％的钨，其余由铼形成。
8.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的材料包括重量百分比至少为90％的钨。
9.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
电极材料以及优选的气体填充物的材料是不含钍的。
10.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的长度占该电极(30)的总长度的15-50％。
11.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该头部(50)的长度为1-3毫米。
12.如上述权利要求中任一项所述的放电灯，其特征在于，
该杆部(40)的长度为3-7毫米。
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