具有高效能的低功率放电灯的制作方法

专利名称：具有高效能的低功率放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及放电灯。更特别地，本发明涉及具有放电容器(vessel) 和围绕放电容器设置的外灯泡(bulb)的高强度放电灯。
背景技术：
放电灯，特别是HID (高强度放电)灯用于大范围的其中需要能量 效率和高的光强的应用中。尤其是在汽车领域，HID灯用作车辆头灯。
放电灯包括在放电容器中以一定距离设置的两个电极。两个电极之 间产生弧光放电。放电容器内的不同类型填充物是已知的，其区分汞蒸 汽灯、金属卣化物灯和其他类型的灯。
用于车辆头灯中的商业上可获得的灯具有围绕放电容器与其相距
一定距离设置的外灯泡。已知类型的这种灯被设计用于35W的标称功率 并且实现了80-901m/W的高效能。在起动这种灯之后，需要例如2.7-3.2A 的启动(run-up)电流并且使用75-80W的启动功率。因此，包括灯、镇 流器和点火器(igniter)的完整HID系统必须能够以这些值工作。
尤其是对于汽车领域，希望的是拥有具有较低的标称功率(例如处 于20-30W的范围内)以及对于整个HID系统的要求相应较低的放电灯。 然而，如果已知的灯设计仅仅在较低的功率下使用，那么灯的效能将急 剧降低。
US-A-2005/0248278示出了 一个具有30W功率的车头照明放电灯的 实例。该灯具有包括电极的陶瓷放电容器，该陶乾放电容器由外灯泡包 围。电极尖端之间的距离为5mm。放电容器具有内径为1.2mm的圆柱形 状。放电容器的壁厚为0.4mm。放电容器包含填充物，其不含汞并且包 含NaPrl和Znl2以及Xe，填充压力为16巴(bar)。外灯泡由石英玻璃制成 并且设置在与放电容器相距0.5mm的距离处。外灯泡填充有N2，室温下 填充压力为1.5巴。
本发明的目的是提供具有高的灯效能的相对低功率的HID灯。 这个目的是由依照权利要求l的高强度放电灯实现的。从属权利要 求涉及本发明的优选实施例。

发明内容
发明人已经认识到为了维持高的效能，灯的热设计需要适于较低 的功率。"最冷点"温度需要维持在高的水平下以便实现良好的灯效能。 然而，需要限制"热点，，上的热负荷以便实现良好的耐用性。这促使发 明人提出具有相对较小的放电容器的灯，其导致降低的热辐射，同时仍 然维持放电容器的足够厚的壁以便不仅经受高的内部压力，而且特别地 允许从热的上侧("热点")到较冷的下侧的热传导。
依照本发明，考虑到灯的热设计而提供了特定的几何结构。放电容 器维持1.4-2mm的充分的壁厚以及优选地还有2-2.7mm的相对较小的内 径。
外灯泡围绕放电容器而设置。外灯泡是密封的并且具有热导率为X 的气体填充物。外灯泡填充物的热导率人在800。C下取值。
外灯泡的几何结构(这里特别是指放电容器与外灯泡之间的距离
气体填充物的热导率X和距离(12被选择成获得希望的热转移(transition) 系数X/d2,该热转移系数被计算为热导率X除以距离d2。依照本发明，该 系数低于150W/(m210。为了测量的目的，这里在电极之间的中心位置处
截取的灯截面中测量距离d2。
因此，外灯泡在灯的热设计中起着重要的作用。在一方面热辐射受 到放电容器的有限尺寸的限制的同时，灯的径向方向上的热传导进一步 受到外灯泡的几何结构和填充物的限制。如下面将要针对优选的实施例 所解释的，放电容器与外灯泡之间在二者均处于其恒定工作温度下时的
每时间单位传输的热量大致与所定义的热转移系数成比例。因此，通过 将热转移系数选择成低于150W/(n^K)，限制冷却，以便维持足够高的最 冷点温度以及因而维持高的效能。为了实现希望的足够高的最冷点温 度，热转移系数优选地等于或小于130W/(n^K),最优选地甚至低于 <100W/(m2K)。热转移系数进一步优选地为至少10W/(m210,进一步优 选地为至少15W/(m2K)。
依照本发明的灯特别适用于20-30W的标称功率。放电容器的填充物 优选地不含汞并且可以包含一种或多种金属卣化物和稀有气体。优选 地，放电容器的填充物包含以下化合物中的一种或多种Nal, Scl3， Znl2。本发明的优选实施例涉及外灯泡。外灯泡优选地由石英玻璃制成并 且可以为任何几何结构，例如圆柱形、 一般椭圆形或者其他形状。优选
地，外灯泡具有至多10mm的外径。外灯泡是密封的并且具有气体填充 物，其压力为10毫巴-1巴，优选地低于l巴，最优选地为50毫巴-300毫巴。 气体填充物基本上可以包括(即包括50%的，优选地90%的)以下气体 中的一种或多种Xe, Ar， N2， 02。外灯泡与放电容器之间的距离d2 优选地为0.1-1.4mm,最优选地为0.3-0.8mm。本领域技术人员应当理解 的是，填充气体、压力和距离d2可以仅仅依赖于彼此进行选择，以便实 现希望的热转移系数。
本发明的其他优选实施例涉及放电容器。优选地，放电容器由石英 玻璃制成。电极之间的距离优选地为2.5-5.5mm。最优选地，光学距离 (即考虑到充当透镜的放电容器壁的放大作用，从外部观察的距离)为 4.2土0.6mm。放电容器具有一定的形状，使得在电极之间的中心位置处 截取的截面中，放电容器的壁至少基本上是圆形。
在一个优选的实施例中，当在纵截面中观察时，放电容器具有至少 基本上为椭圆形的外部形状，并且可以具有椭圆或圆柱形内部形状。在 这种情况下，壁厚Wi优选地处于1.55-1.85mm的范围内。
依照一个可替换的实施例，当在纵截面中观察时，放电容器具有椭 圆或圆柱形内部形状以及凹的外部形状，即从电极之间的中心位置开 始，放电容器的外径朝两侧增大。在这种情况下，壁厚w,优选地处于 1.4-2mm的范围内。


根据以下对于优选实施例的描述，本发明的上迷和其他目的、特征 和优点将变得清楚明白，其中
图1示出了依照本发明第 一 实施例的灯的侧视图； 图2示出了图l所示的灯的中心部分的放大视图； 图2a示出了沿着图2中的直线A截取的截面图； 图3示出了依照本发明第二实施例的灯的侧视图； 图4示出了依照本发明第三实施例的灯的侧视图； 图5示出了图4所示的灯的中心部分的放大视图； 图5a示出了沿着图5中的直线A截取的截面图；图6示出了依照本发明第四实施例的灯的側视图； 图7示出了表示对于不同填充物和距离d2的热转移系数人/d2的曲线 图；以及
图8示出了表示对于依照本发明的灯的随时间(启动)的流明输出 测量值的曲线图。
具体实施例方式
所示出的所有实施例预期用作符合ECE R99和ECE R98的用于车 辆头灯的车灯。特别地，这并非意在排除非汽车用途的灯或者依照其他 规范的灯。由于这样的汽车HID灯本身是已知的，因而以下对于优选实 施例的描述将主要着眼于本发明的特定特征。
图1示出了放电灯的第一实施例IO的侧视图。该灯包括具有两个 电接触14的插座12,所述电接触从内部连接到燃烧器(burner) 16。
燃烧器16由包围放电容器20的石英玻璃外灯泡18构成。放电容 器20也由石英玻璃制成并且限定具有突出的电极24的内部放电空间 22。放电容器的玻璃材料还在灯10的纵向方向上延伸以便密封与电极 24的电连接，所述电连接包括平坦的钼薄片26。
外灯泡18围绕放电容器20以一定距离设置，从而限定外灯泡空间 28。该外灯泡空间28是密封的。
如图2中更详细地示出的，放电容器20具有围绕放电空间22设置 的外壁30。放电空间22为椭圆形状。同样地，壁30的外形为椭圆形。
放电容器20由电极距离d、放电容器20的内径山、放电容器的壁 厚w!、放电容器20与外灯泡18之间的距离cb以及外灯泡18的壁厚 W2表征。这里，值山、wi、 d2、 W2是在放电容器20的中心垂直平面内 测量的，如图2a所示。
像对于放电灯的常规操作一样，灯10是通过引燃电极24之间的弧 光放电来操作的。光的产生受到放电空间22中包含的填充物的影响， 该放电空间不含汞并且包括金属囟化物以及稀有气体。
在下面的实例中，放电空间22的填充物包括大约17巴的冷氙气压 以及作为金属卣化物的36 wt% (重量百分含量)的Nal、 24 wtQ/o的Scl3 以及40 wt。/。的Znl2。
在下文中，将讨论灯的不同实施例，每个实施例预期用于不同的(稳态)工作功率水平下。这些实施例的工作功率处于25-30W的区间内。 对于每个实施例，选择关于灯的热特性的特定设计以便实现高的灯效
台i^
Fit*,
关于所示的放电灯10的热行为，应当记住的是，车灯预期在水平 方向工作。于是，电极24之间的弧光放电将导致放电容器20在弧光之 上的壁30处的热点。同样地，包围放电空间22的壁30的相对部分将 保持在相对较低的温度下(最冷点)。
为了实现良好的效能以及如后面将变得清楚明白的，也实现有利的 启动行为，依照热考虑因素来选择灯10的几何设计。所述"最冷点，， 温度应当保持为高，以便实现高的效能。壁30的厚度应当足够小以便 允许以有限的启动电流实现快速的启动，但是不应当太小以便仍然实现 来自所述"热点"的良好的热传导，从而降低热负荷。内径d!不应当太 小以便降低"热点"处的过大的热负荷。
为了降低从放电容器20到外部的热传输，并且为了维持良好效能 所需的高温，因而优选的是使用外灯泡18而不是显著地减小壁30的厚 度Wl。与简单地缩小放电容器20(减小的内径、减小的壁厚、减小的 外径)形成对照的是，这已经被证明也足以维持良好的灯寿命。
为了限制来自外部的冷却，外灯泡18是密封的并且填充了具有降 低的热导率的填充气体。在这里，氩和氙是特别优选的，但是也可以使 用02或N2。外灯泡填充物在降低的压力(在20°C灯的冷却状态下测量) 下被提供。如下面将要进一步解释的，适当填充气体的选择必须结合几 何布置来进行，以便实现借助于适当的热转移系数X/d2的从放电容器20 到外灯泡18的希望的热传导。
在下面的表格中，示出了针对图1 - 2 a中所示的灯的对于不同的外灯 泡填充物的灯效能测量结果，所述灯具有内径d产2.2mm、 1.65mm的壁 厚w,(因而5.5mm的放电容器外径)以及25W的稳态工作功率 外灯泡填充物 效能s类型 最冷点温度(外部)
空气U巴) 67hn/W 810°C
Ar(100毫巴) 791m/W 840°C
XeUOO毫巴) 861m/W 卯0。C
因此，显然可见到外部的降低的热传导如何导致更高的最冷点温度 以及更高的灯效能。
8到外部的热传导可以粗略地由热转移系数X/d2表征，该热转移系数 被计算为外灯泡填充物的热导率X除以放电容器20与外灯泡18之间的 距离d2。
由于放电容器20与外灯泡18之间的距离相对较小，因而这两者之 间的热传导基本上是扩散的并且因而将被计算为々=-义gra"，其中々为 热通量密度，即放电容器与外灯泡之间每时间传输的热量。X为热导率， gm^为温度梯度，其在这里可以粗略地计算为放电容器与外灯泡之间
的温度差除以距离gracA9
71 —71
义
因此，冷却与4"成比例
图7示出了针对不同的外灯泡填充物的热转移系数X/d2与距离d2 的依赖关系。显然可见氩以及特别是氙(这里在200毫巴的降低的压力
下提供)如何具有比空气低得多的热导率，并且热转移系数入/d2如何进
一步随着距离d2的增大而减小。据发现，热转移系数随气体成分的不同 而差异更强烈，并且如果压力处于从大约IO毫巴到大约1巴的范围内， 则随压力的变化而差异更小。
以下具有25-30W的额定功率的灯的实例纟皮提出 实例1: 25W灯
椭圆形内部和外部形状 =4.2爪111光学距离 =2.2mm =j.65mm =5.5mm =0.6mm =Xe
100毫巴(？i = 0.014W/(m*K), 800oC下) =23.3W/(m2K) ( 800。C下) =lmm
放电容器 电极距离d 内径d,
壁厚 外径
外灯泡距离d2 外灯泡填充物
热转移系数Vd2 外灯泡壁厚w2 实例2: 30W灯
放电容器 电极距离d 内径di 壁厚
椭圆形内部和外部形状 =4.211 11光学距离 =2.3mm =1.75mm
9夕卜径 =5.8mm
外灯泡距离d2 =0.45mm
外灯泡填充物 =Xe
100毫巴U = 0.014W/(m*K)， 800。C下)
热转移系数Vd2=3UW/(m2K) ( 800°C下)
外灯泡壁厚w2 =lmm 图3示出了本发明的第二实施例。依照该第二实施例的灯110包括 具有不同的内部形状的放电容器120。灯的其余部分与依照第一实施例 的灯10对应。相同的元件将用相同的附图标记表示并且不进一步进行 详细的描述。
与依照第一实施例的放电容器20相同，灯110的放电容器120具 有外部椭圆形状。然而，内部放电空间22是圆柱形。但是，内部放电 空间22的长度和直径与上面的第一实施例中一样。应当指出的是，这 里使用的术语"圆柱形"指的是放电空间22的中心最大部分，并且如 图所示不排除圆锥形端部。
包围放电空间22的壁130因而具有变化的厚度，该厚度在与电极 24之间的中心相应的位置处最大，并且朝两侧减小。
在下文中，将参照图3-4a描述本发明的第三实施例。依照第二实施 例的灯110再次大部分与依照上面的笫一和第二实施例的灯10对应。 相同的元件将用相同的附图标记表示并且不进一步进行详细的描迷。
灯210与灯10的不同之处在于放电容器120的凹的外部形状。内 部放电空间22像在第一实施例中一样大致保持椭圆形。然而，包围放 电空间22的壁230具有变化的壁厚，使得其外部形状是凹的。
同样地，几何参数d!、 W!、 d2、 W2是在放电容器220的中心平面内
测量的。
图6示出了本发明的第四实施例，其大部分与依照图4-5a的第三实 施例对应。同样地，相同的元件用相同的附图标记表示并且将不进一步 进行详细的描述。
依照本发明的第四实施例，灯310具有放电容器320，该放电容器 具有凹的外部形状，但是内部放电空间22为圆柱形状。
在第三和第四实施例中，包围放电空间22的壁230、 330的厚度发 生变化，使得它在与电极2 4之间的中心相应的位置处最小并且朝两侧增大。这引起透镜效应，使得电极距离d从外部看起来比实际的小。因 此，为了实现4.2mm的希望的光学电极距离d,真实的电极距离在第三 和第四实施例中可以是例如4.8mm。这样增大真实的电极距离d但是维 持光学距离的可能性给灯的设计者以进一步的自由度。由于工作电压随 着电极距离的增大而增大，因而有可能获得更高的电压。
这可以用来提供几何上与ECER99 (光学距离4.2mm)兼容但是一 一作为无汞灯——满足D2灯的电气要求(电压超过68V)的灯。
另一方面，对于第一和第二实施例(椭圆形外形)，也可能提供更 灯。、 、、、，、、、 p 、'
以下依照第三实施例的处于25-30W的范围内的灯的实例被提出 实例3: 25W灯
凹的外部形状、椭圆形内部形状 =4.2111111光学距离 =2.2mm =1.5mm =5.2mm =0.75mm =Ar
100毫巴U = 0.045W/(m*K)， 800。C下) =60W/(m2K) ( 800°C下) =lmm
放电容器 电极距离d 内径di 壁厚Wi 外径
外灯泡距离d2 外灯泡填充物
热转移系数X/d2 外灯泡壁厚w2 实例4: 28W灯
放电容器 电极距离d 内径山 壁厚 外径
外灯泡距离d2 外灯泡填充物
热转移系数Vd2
凹的外部形状、椭圆形内部形状
=4.21!101光学距离
=2.2mm
=1.7mm
=5.6mm
=0.55mm
=50% Ar/50% Xe
100毫巴(人=0.025W/(m*K), 80O°C下) =45.5W/(m2K) ( 800。C下)外灯泡壁厚W2 =lmm 实例5: 30W灯
放电容器 凹的外部形状、椭圆形内部形状
电极距离d =4.2爪111光学距离
内径di =2.2mm
壁厚wi =1.9mm
外径 =6.0mm
外灯泡距离d2 -0.35mm
外灯泡填充物 =50% Ar/50% Xe
100毫巴(人=0.025W/(m*K), 800。C下)
热转移系数Vd2=71.4W/(m2K) ( 800°C下)
外灯泡壁厚w2 =lmm 在上面的实例中，仅仅使用了椭圆形内部形状的放电容器。然而， 相同的测量结果可以用于圆柱形内部形状。
图8示出了启动测试的测量结果，其中将依照上面的实例1的25W 灯与参考灯(35W灯)进行了比较。测量了从引燃灯开始的随着时间的 流明输出并且示于图8中。如对于起动灯所已知的，在第一阶段，将电 流限于最大值，并且在第二阶段，控制功率。
如图8所示，参考灯在4秒之后达到总流明输出的50%。但是这分 别需要3.2A的最大启动电流和大约75W的最大功率。依照实例1的25W 灯首先在第一阶段以1.1A的电流限制驱动。这里，结果(在4秒之后 不足30%)并不令人满意。但是，利用1.5A的启动电流限制(最大功 率大约50W)，依照实例1的灯表现出与参考灯非常相似的行为，而启 动电流不足一半并且最大启动功率降低大约30%。
据发现，其余的实例也表现出令人满意的行为，其中启动电流远低 于参考灯所需的电流。这归因于较小的放电容器通过弧光放电而快速地 加热这一事实。
寿命测试表明，依照上面的实施例的灯的头1500个工作小时内的 寿命性能与参考灯(35W灯)相当。
因此，已经证明上面的实施例提供了具有良好的寿命、良好的效能 以及良好的启动行为的灯，其全部与参考灯相当，但是工作于更低的所 需启动电流和更〗氐的稳态功率下。
12在所述附图和前面的描述中图示和描述了本发明。这样的图示和描
迷应当被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明并不限于 所公开的实施例。
在权利要求中，措词"包括/包含"并没有排除其他的元件，并且不 定冠词"一"并没有排除复数。相互不同的从属权利要求中叙迷了某些 技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权 利要求中的任何附图标记都不应当被视为对范围的限制。
权利要求
1.高强度放电灯，包括-以一定距离(d)设置在放电容器(20，120)内的两个电极(24)，所述放电容器限定了用于产生弧光放电的放电空间(22)，-其中所述放电空间(22)具有填充物，该填充物包含至少金属卤化物和稀有气体，-其中所述放电容器至少在所述电极(24)之间的中心位置具有基本上为圆形截面的壁(30，130)，所述壁具有内径(d1)和壁厚(w1)，-所述灯还包括围绕所述放电容器(20，120)设置的外灯泡(18)，所述外灯泡设置在相距所述放电容器(20，120)的在所述中心位置测量的一定距离(d2)处，其中所述外灯泡(18)是密封的并且具有气体填充物，该气体填充物在800℃下具有热导率(λ)，-其中所述壁厚(w1)处于1.4-2mm的范围内，-并且其中被计算为所述热导率(λ)除以所述外灯泡(18)与所述放电容器(20，120)的所述距离(d2)的热转移系数(λ/d2)低于150W/(m2K)。
2. 依照权利要求1的灯，-其中所述内径(山)处于2-2.7mm的范围内。
3. 依照权利要求1或2的灯，-所述灯具有20-30W的标称功率。
4. 依照上面的权利要求中任何一项的灯，其中-所迷外灯泡(18)的所述气体填充物基本上包含以下气体中的一 种或多种Xe, Ar， N2, 02。
5. 依照上面的权利要求中任何一项的灯，其中-所述外灯泡(18)的所述气体填充物具有IO毫巴-I巴的压力。
6. 依照上面的权利要求中任何一项的灯，其中-所述外灯泡(18)与所述放电容器(20)的所述距离(d2)为 0.1画1.4mm。
7. 依照上面的权利要求中任何一项的灯，其中-所迷放电空间(22)的纵截面具有椭圆或圆柱形状，-并且包围所述放电空间(22)的所述壁(30， 130)具有外部椭圆形状。
8. 依照权利要求7的灯，其中-所述壁厚(wi)处于1.55-1.85mm的范围内。
9. 依照上面的权利要求l-6中任何一项的灯，其中-所述放电空间(22)的纵截面具有椭圆或圆柱形状，并且-包围所述放电空间(22)的所述壁(230， 330 )具有外部凹的形状。
10. 依照上面的权利要求中任何一项的灯，其中-所述放电容器(20, 120)的所述填充物基本上不含汞并且包含稀 有气体和金属卣化物。
全文摘要
为了实现适于在例如20-30W的降低的标称功率下工作的放电灯，提出了具有以一定距离设置在放电容器(20，120)中以便产生弧光放电的两个电极(24)的灯。放电容器(20，120)具有基本上不含汞的填充物并且包含金属卤化物和稀有气体。所述灯(10，110)还包括围绕放电容器以一定距离(d₂)设置的外灯泡(18)。外灯泡(18)是密封的，并且具有热导率(λ)的气体填充物。放电容器的内径(d₁)优选地处于2-2.7mm的范围内。壁厚(w₁)处于1.4-2mm的范围内。热转移系数(λ/d₂)被计算为800℃下外灯泡填充物的热导率(λ)除以距离(d₂)。所谓的热转移系数低于150W/(m²K)。
文档编号H01J61/33GK101636816SQ200880008170
公开日2010年1月27日 申请日期2008年3月7日 优先权日2007年3月12日
发明者M·哈克, M·斯特罗瑟 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司