CN1930655A - 金属卤素灯 - Google Patents
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Abstract
一种包括放电容器的金属卤素灯，该放电容器由外罩以一定间隙围绕并且具有陶瓷壁，该陶瓷壁封闭放电空间，该放电空间填充有填充物，所述填充物包括诸如氙气(Xe)的惰性气体和可电离盐，其中，在所述放电空间中放置有两个电极，所述两个电极的尖部具有一定的相互间距，以便在其间限定放电路径，其特征在于，所述可电离盐包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物，其中X是从包括稀土金属的组中选出的。
Description
本发明涉及一种灯，特别是包括放电容器的金属卤素灯，该放电容器由外罩以一定间隙围绕并且具有陶瓷壁，该陶瓷壁封闭放电空间，该放电空间填充有填充物，所述填充物包括诸如氙气(Xe)的惰性气体和可电离盐，其中，在所述放电空间中放置有两个电极，所述两个电极的尖部具有一定的相互间距，以便在其间限定放电路径。
在本说明书和权利要求书中，陶瓷壁应被理解为包括由金属氧化物(比如蓝宝石、致密烧结的多晶Al2O3)以及金属氮化物(AIN)制成的壁。根据现有技术，这些陶瓷适于形成半透明的放电容器壁。
这种灯是公知的。所述两个电极分别由伸入放电容器的电流导体支撑。所述电流导体由第一部分和第二部分构成，其中第一部分由抗卤素材料(比如Mo-Al2O3金属陶瓷)制成，第二部分由铌制成。选择铌是因为这种材料的热膨胀系数对应于放电容器的热膨胀系数，以便防止头灯的泄漏。
已知的灯具有下面的缺点。其放电容器的中心部分在两侧具有通过烧结连接到该放电容器的中心部分的较窄的端部或者延伸插头(即延长的端部)，所述较窄的端部或者延伸插头封闭所述电流导体。然而，由于所述插头远离放电路径，因此所述插头充当散热片，从而一部分灯填充物(即盐)可以在每个电流导体和延伸插头(的壁)之间的空隙中冷凝。所述冷凝可能导致头灯的颜色不稳定性。各种盐成分的分解通常会导致颜色不稳定性(例如，如果所述填充物包含NaCe碘化物，比Ce更多的Na将会蔓延到所述空隙中)。为了获得尽可能高的光功效，优选地，将诸如CeI3、PrI3、LuI3和/或NdI3的稀土金属碘化物添加到所述填充物中。然而，特别是在施加了较大摩尔份数的情况下，这些盐是腐蚀性的，并且将会导致对放电容器的陶瓷壁的侵蚀。此外，如果对所述陶瓷壁的侵蚀靠近放电路径，则将会导致对光的散射/吸收，从而对于光分布将带来各种不利的后果。最后，作为时间的函数的光输出应当尽可能地稳定。然而，如果所述盐与其他灯部件发生反应并且因此消失，则所述光输出将会下降，因此流明维持率也会下降。
从WO 99/53522和WO 99/53523可以获知流明维持率得到改善的金属卤素灯，这是由于在灯操作期间存在W卤素循环。所述W卤素循环本身的性质非常复杂，并且对于所述W卤素循环来说，Ca的存在是至关重要的，该W卤素循环使得从电极的热尖部蒸发的钨沉积回到电极的稍为冷却的部分上，而不是沉积在放电容器壁上。因此，所述W卤素循环防止放电容器壁变黑。然而，所述已知的灯的流明输出相对不高。
本发明的一个目的是消除上述缺点，特别是提出一种金属卤素灯，其中避免了所述延伸插头(的壁)的所述腐蚀以及所述颜色不稳定性。
为了实现该目的，根据本发明的在介绍部分中提到的灯的特征在于：所述可电离盐包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物，其中X是从包括稀土金属的组中选出的一种或多种元素。因此，X可以由单一元素形成，或者可以由两种或多种元素的混合物形成。优选地，X是从包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Nd的组中选出的。更为优选地，X是从包括Ce、Pr、Nd(即铈、镨、钕)的组中选出的。令人惊讶的是，大量研究已经表明，包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物的盐是非腐蚀性的，并且对于灯功率的大变化、因此对于最冷点温度(例如在上述空隙的位置处)的大变化仅仅略微敏感，并且这些盐相对较难发生离析(segregation)(即例如由于所述盐的腐蚀或转移而发生的在最冷点处的盐混合比率的变化)，从而使得所述灯对于由离析引起的颜色偏移相对较不敏感。为了完整性起见，应当注意到Na、Tl、Ca和I分别代表钠、铊、钙和碘。
在根据本发明的灯的一个优选实施例中，X是稀土金属的总量，其中X碘化物/(NaI+TlI+CaI2+X碘化物)的摩尔百分比高于0％并且最大到10％，特别是处于0.5到7％之间，更特别地是处于1到6％之间。实验表明，如果X的量太低，则所述电极达到很高的温度值，从而无法令人满意地操作。如果X的量高于所述最大值，则在灯操作期间无法在放电容器中维持W卤素循环。
优选地，X是稀土金属的总量，CaI2/(NaI+TlI+CaI2+X碘化物)的摩尔百分比处于10到95％之间。当所选择的CaI2的量不在所述范围内时，在灯操作期间无法在放电容器内正确地形成所述W卤素循环。
在根据本发明的灯的另一个实施例中，NaI、TlI、CaI2和X碘化物的量处于0.001到0.5g/cm3之间，特别是处于0.025到0.3g/cm3之间。放电容器的容积特别处于0.008到2.5cm3之间。
在根据本发明的灯的一个优选实施例中，所述填充物包括汞(Hg)。在一个替换实施例中，所述灯填充物是无汞的。
为了获得在其稳定标称操作期间发出色温Tc高于3500K的光的灯，根据本发明的灯的一个优选实施例的填充物还包括从Mn和Ir中选出的卤化物。实验表明，在添加了Mn和Ir的卤化物之后，可以主要沿着颜色三角的X轴来调节由所述灯发出的光在具有X、Y坐标的颜色三角中的色点。在所述填充物中的Tl卤化物的量的改变对于沿着Y轴的调节具有重要影响。在这里，稳定标称操作意味着所述灯操作在其被设计用于的功率和电压下。灯的所设计的功率被称为标称功率。
为了在灯的标称操作期间提供所需的条件以便维持适当的W卤素循环，放电灯壁的温度需要处于最低水平。根据实验，如果所述灯在稳定标称操作期间具有至少30W/cm2的壁负荷，则该要求优选地被满足。这里定义的壁负荷是在所述电极距离EA上测量的、灯功率与放电容器的内壁表面积的比值。
此外，由所述电极产生的热量优选地被用于在灯操作期间将放电容器的两个端部至少保持在所需温度水平。其中，一方面是对于适当的W卤素循环所必需的所需水平。另一方面是定义所述填充物成分的最冷点温度，所述填充物成分在稳定灯操作期间饱和。因此，根据本发明的一种优选的灯具有至少一个在放电容器内延伸一定长度的电极，从而在放电容器壁和电极尖部之间形成电极尖部到底部距离(t-b)，该尖部到底部距离(t-b)最多是4.5mm。特别对于其放电容器具有沿着放电路径的矩形横截面的根据本发明的灯来说，所述t-b优选地最多是3.5mm。优选地，作为一种设计具有通用燃烧位置的灯的非常有效的手段，每个电极都满足所述t-b要求。所述尖部到底部距离的进一步增大将导致灯的发光功效的急剧降低，并且通常还会导致由灯发出的光的最终演色性的下降，从而使得所述灯不适合于其特定应用。
由于X的存在(优选地是Sc、Y、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu或Nd的存在，更为优选地是Ce、Pr或Nd的存在)，所述电极尖部在稳定操作期间将恢复相对较低的值。因此，有利地减小了所述t-b，从而改善了热平衡控制，并且因此改善了电极附近的放电容器壁的温度。这样做还有利于在整体上使得放电容器小型化。
本发明还涉及一种将被用在根据本发明的车辆头灯中的金属卤素灯。
最后，本发明涉及一种用于制造根据本发明的灯的方法，其中，所述灯包括放电容器，该放电容器由外罩以一定间隙围绕并且具有陶瓷壁，该陶瓷壁封闭放电空间，该放电空间填充有填充物，所述填充物包括诸如氙气(Xe)的惰性气体和可电离盐，其中，在所述放电空间中放置有两个电极，所述两个电极的尖部具有一定的相互间距，以便在其间限定放电路径，其特征在于，所述可电离盐包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物，其中X是从包括稀土金属的组中选出的。
下面将参照附图详细描述本发明，其中：
图1以侧视图的形式示出根据本发明的灯的一个优选实施例；
图2详细示出图1的灯的放电容器；以及
图3示出经整形的放电容器的另一个优选实施例。
图1示出配备有放电容器3的金属卤素灯，该放电容器3具有封闭放电空间11的陶瓷壁，该放电空间11包含可电离填充物。在该放电空间中放置有两个钨电极4、5，其尖部4b、5b之间的相互距离是EA，以便限定其间的放电路径。该放电容器的内径Di至少超过该距离EA。每个电极4、5在该放电容器内延伸一定长度，从而在放电容器壁和电极尖部4b、5b之间形成尖部到底部距离(图2：t-b)。该放电容器在一侧通过陶瓷突出插头34、35闭合，所述陶瓷突出插头封闭到电极4、5的电流导通导体(图2：40、41、50、51)，所述电极4、5被以较窄的插入距离定位在该放电容器中，并且在远离放电空间的一端通过熔化陶瓷接头(图2：10)以气密方式连接到所述导体。该放电容器被外灯泡1围绕，该外灯泡在一端配备有灯帽2。当该灯操作时，放电在电极4、5之间延伸。电极4通过电流导体8连接到灯帽2的第一电接触形成部件。电极5通过电流导体9连接到灯帽2的第二电接触形成部件。在图2中详细示出(未按比例示出)的放电容器具有陶瓷壁，并且由内径为Di的圆柱形部分形成，该圆柱形部分在每一端由相应的陶瓷突出插头34、35限制，所述陶瓷突出插头通过烧结接头S以气密方式固定在该圆柱形部分中。所述陶瓷突出插头34、35分别狭窄地封闭具有尖部4b、5b的相关电极4、5的电流导通导体40、41、50、51。所述电流导通导体在远离放电空间的一侧通过熔化陶瓷接头10以气密方式连接到陶瓷突出插头34、35。电极尖部4b、5b的相互距离为EA。所述电流导通导体分别包括抗卤素部分41、51(例如具有Mo-Al2O3金属陶瓷的形式)以及通过熔化陶瓷接头10以气密方式固定到相应的端部插头34、35的部分40、50。该熔化陶瓷接头在Mo金属陶瓷40、41上延伸一段距离，例如大约1mm。除了用Mo-Al2O3金属陶瓷之外，还可能以替换方式形成部件41、51。例如从EP 0 587 238中可以获知其他可能的构造。一种特别适用的构造是抗卤素材料。部件40、50是由金属制成的，其膨胀系数与所述端部插头的膨胀系数非常良好地对应。例如，Nb是用于这种目的的非常适用的金属。部件40、50连接到电流导体8、9的方式并没有被详细示出。每个电极4、5包括配备有尖部4b、5b的电极棒4a、5a。
在图3(未按比例绘制)中示出根据本发明的灯的另一个优选实施例。其中用相同的附图标记表示与图1、2中所示的相对应的灯部件。放电容器3具有封闭放电空间11的经整形的壁2。在所示的例子中，该经整形的壁形成椭圆体。替换地，同样可以使用其他形状，比如扁球体。
在如附图所示的灯的一种实际的实现方式中，制造多个额定功率为30W的灯。这些灯被用作机动车辆的头灯。每个灯的放电容器3的可电离填充物包括100mg/cm3的碘化物，其中包括NaI、TlI、CaI2和CeI3。所述填充物还包括Xe，其填充压力在室温下是16巴。电极尖部4a、5a之间的距离EA是4mm，内径Di是1.3mm，因此得到比值EA/Di＝3.1。每个电极的尖部到底部距离t-b是1mm。放电容器3的壁厚是0.4mm。在额定功率下，所述灯在稳定操作时的壁负荷为184W/cm2。这里，壁负荷被定义为在所述电极距离EA上测量的、灯功率与放电容器的内壁表面积的比值。
已经制造并测试了根据本发明的多种灯实施例。在第一系列中，测试了具有圆柱形放电容器的灯，该放电容器的内径Di为4mm，其填充物除了汞和氙气之外还包括71.4mol％的NaI、2.4mol％的TlI、23.6mol％的CaI2和2.7mol％的CeI3。灯属性和测试结果如下所示。
表I
| 灯号 | 标称功率 | EA(mm) | t-b(mm) | 壁负荷(W/cm2) | 发光功效(1m/W) | 色温Tc(K) | 寿命(h) | 流明维持率(％) |
| 1 | 72 | 18 | 0.5 | 32 | 124 | 2900 | ||
| 2 | 72 | 18 | 0.5 | 32 | 121 | 2900 | 5000 | 91 |
| 3 | 100 | 18 | 0.5 | 44 | 121 | 2900 | 1000 | 99 |
| 4 | 72 | 14 | 1.0 | 41 | 112 | 3000 | 500 | 99.5 |
| 5 | 72 | 15 | 0.5 | 38 | 118 | 2800 | ||
| 6 | 72 | 17 | 1.0 | 34 | 113 | 2900 | ||
| 7 | 100 | 17 | 1.0 | 47 | 122 | 3100 | 3000 | 96 |
| 8 | 110 | 17 | 1.0 | 51 | 131 | 3000 | ||
| 9 | 152 | 23 | 1.0 | 53 | 129 | 3100 | 1000 | 98 |
在“发光功效”和“色温Tc”两列中的值涉及灯操作100小时后的结果。在最后一列中以％列出的流明维持率与“寿命”一列中列出的寿命相关。
从表I中示出的结果可以明显看出，本发明导致具有长而稳定的光输出的灯。在灯的寿命期间，所发出的光的颜色属性没有发生显著变化。
在表II中给出另一系列实施例的主要数据。
表II
| 灯号 | 标称功率(W) | 内径Di(mm) | t-b(mm) | 壁负荷(W/cm2) | 盐混合Na/Tl/Ca/Ce碘化物(mol％) | 100h时的发光功效(1m/W) | 100h时的色温Tc(K) | 寿命(h) | 维持率(％) |
| 10 | 100.6 | 6.85 | 1.0 | 67 | 71/2.5/23.5/3 | 99.1 | 2953 | 3000 | 96.3 |
| 11 | 71.8 | 5.6 | 0.5 | 58 | 71/2.5/23.5/3 | 101.6 | 3081 | 3000 | 104.4 |
| 12 | 71.6 | 6.85 | 1.0 | 48 | 68.7/2.8/27.6/1 | 99.9 | 3038 | 5000 | 97.3 |
| 13 | 71.5 | 6.85 | 1.0 | 47 | 74.1/2.2/22.2/3.3 | 101.2 | 3386 | 5000 | 93.4 |
对于第10-13号灯，电极距离EA是7mm。在表II中的灯的所列出的寿命期间，所述灯在所发出的光的颜色属性方面没有任何显著变化。
此外，已经制造并且测试了多种高瓦数灯。这些灯的标称功率为400W，并且配备有圆柱形放电容器。在表III中列出了这些灯的主要数据。
表III
| 灯号 | Di(mm) | EA(mm) | t-b(mm) | 壁负荷(W/cm2) | 盐混合碘化物(mol％) | 100h时的发光功效(1m/W) | 100h的色温Tc(K) | 寿命(h) | 维持率(％) |
| 14 | 12 | 15 | 3.0 | 71 | Na/Tl/Ca/Ce48/3/48/1 | 112 | 3000 | 5000 | 90 |
| 15 | 12 | 12 | 3.0 | 88 | Na/Tl/Ca/Ce4/3/92/1 | 101 | 4000 | 5000 | 85 |
| 16 | 10 | 28 | 2.0 | 45 | Na/Tl/Ca/Mn/Ce35/3/35/25/1 | 96 | 4100 | 500 | 99 |
| 17 | 10 | 28 | 2.0 | 45 | Na/Tl/Ca/Ce48/3/48/1 | 100 | 3800 | 1000 | 96 |
在第17号灯中，填充物附加地包括0.25mg的InI。放电容器的容积处于2.1mm3(第15号灯)到2.4mm3(其他灯)的范围内。在所列出的寿命期间，所有的灯都具有非常稳定的颜色属性。
下面列出特别用于一般照明的根据本发明的其他实施例的数据和结果。
标称功率(W) 60 140
放电容器容积(mm3) 163.6 573.6
放电容器内径Di(mm) 3.5 5.3
电极EA(mm) 15.4 23
电极尖部到底部距离t-b(mm) 0.8 1.5
汞含量(mg) 1 2.5
盐含量(mg) ≈7 ≈15
NaI(mol％) 74.1 79.8
TlI(mol％) 0.8 0.7
CaI2(mol％) 22.6 17.5
CeI3(mol％) 2.5 2.0
100h时的发光功效(lm/W) 114 122
1000h时的发光功效(lm/W) 112 122
100h时的色温TC(K) 2860 2840
1000h时的色温TC(K) 2910 2955
Claims (14)
1、一种包括放电容器的金属卤素灯，该放电容器由外罩以一定间隙围绕并且具有陶瓷壁，该陶瓷壁封闭放电空间，该放电空间填充有填充物，所述填充物包括诸如氙气(Xe)的惰性气体和可电离盐，其中，在所述放电空间中放置有两个电极，所述两个电极的尖部具有一定的相互间距，以便在其间限定放电路径，其特征在于，所述可电离盐包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物，其中X是从包括稀土金属的组中选出的一种或多种元素。
2、如权利要求1所述的灯，其中，X是从包括Sc、Y、La、Ce、Pr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Nd的组中选出的一种或多种元素。
3、如权利要求1或2所述的灯，其中，X是从包括Ce、Pr、Nd的组中选出的一种或多种元素。
4、如权利要求1、2或3所述的灯，其中，X碘化物/(NaI+TlI+CaI2+X碘化物)的摩尔百分比处于0到10％之间，特别是处于0.5到7％之间，更特别地是处于1到6％之间。
5、如权利要求1、2、3或4所述的灯，其中，CaI2/(NaI+TlI+CaI2+X碘化物)的摩尔百分比处于10到95％之间。
6、如前述权利要求1到5中的任意一条所述的灯，其中，NaI、TlI、CaI2和X碘化物的量处于0.001到0.5g/cm3之间，特别是处于0.025到0.3g/cm3之间。
7、如前述权利要求1到6中的任意一条所述的灯，其在稳定标称操作期间发出具有高于3500K的色温Tc的光，其中，所述放电空间的填充物还包括从Mn和In中选择的卤化物。
8、如前述权利要求1到7中的任意一条所述的灯，其中，所述填充物包括汞。
9、如前述权利要求1到8中的任意一条所述的灯，其中，所述灯在额定功率下的稳定操作期间具有至少30W/cm2的壁负荷。
10、如前述权利要求1到9中的任意一条所述的灯，其中，至少一个电极在所述放电容器内延伸一定的长度，从而在放电容器壁和电极尖部之间形成尖部到底部距离(t-b)，该尖部到底部距离(t-b)最多是4.5mm。
11、如前述权利要求1到10中的任意一条所述的灯，其中，所述放电容器具有沿着所述放电路径的矩形横截面，并且所述尖部到底部距离(t-b)最多是3.5mm。
12、如前述权利要求1到9中的任意一条所述的灯，其中，所述放电容器的填充物中没有Cs。
13、将被用在如前述权利要求1到6中的任意一条所述的车辆头灯中的金属卤素灯。
14、一种用于制造如前述权利要求1到6中的任意一条所述的车辆头灯的方法，其中，该车辆头灯配备有包括放电容器的金属卤素灯，该放电容器由外罩以一定间隙围绕并且具有陶瓷壁，该陶瓷壁封闭放电空间，该放电空间填充有填充物，所述填充物包括诸如氙气(Xe)的惰性气体和可电离盐，其中在所述放电空间中放置有两个电极，所述两个电极的尖部具有一定的相互间距，以便在其间限定放电路径，其特征在于，所述可电离盐包括NaI、TlI、CaI2和X碘化物，其中X是从包括稀土金属的组中选出的。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20090909 Termination date: 20160301 |