专利名称：改善了热平衡特性的氙金属卤化物灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及改善了热平衡特性的氙金属卤化物灯，本发明特别涉及有特殊灯外壳形状而确保平衡的热分布能延长灯寿命和提高亮度的氙金属卤化物灯。
近来，发现氙金属卤化物灯已越来越多地用于照明领域，特别是越来越多地用于机动车照明或其它要求瞬时高亮度光源的领域。这种高亮度光源的一个实例已由属于Mathews等人的和由本发明申请的同一代理人代理的美国专利5239230披露，并在此引作参考。该专利中、所公开的高亮度光源有特殊的特性，如壁负载，灯外壳材料的抗拉强度。热传导稳定性，灯的工作电压和汞密度等，这些特性要相互平衡，以获得具有弧放电间隙的长度在4mm以下的高亮度，并在填充密度＞50mg/c4(＞50个大气)下工作。用这种高亮度光源的集中照明装置属于由Eeneral Eleetric Company′s LightingBusiness提供商品Light Engine(商品名)集中照明装置中。
对照明设计者而言，这种集中照明装置有很多优点。如光固定装置或光取出装置只需较小空间。即，安装、反射、折射或按要求图形输出光用的装置所占的空间较小。例如，用于机动车中的优点是光源可设置在远离车辆前端的位置，从而，使这种车辆的气动体形式有更大的自由度。已设计成功的高亮度光源可设置在一个位置中，而且，使输出光有效地传输到一个以上的远距离位置，要使这种高亮度光源的设计最佳，灯的设计者还面临许多其它的问题。例如，必须提供上述光源的合理构形，以获得比现有灯寿命更长的使用寿命，而与即具有高亮度又能立即发光所需的极高的充气工作电压无关。例如，已知由于上述光源工作的压力和温度下该光源的寿命超过2000-4000小时，应认为这种灯的寿命是它的2-3倍数量级。
寻找延长这种高亮度光源寿命的方式中，首先必须了解灯寿命损坏的机理。尽管上述的市售Light Engine光源中用实验测试，确定氙金属卤化物灯按垂直方向工作，并用直流电源供电，在灯的电弧室的产生强的时流小室，因此、在阴极(上)端而不是在阳极(下)端出现较高的温度。因此、限制了灯的寿命。而且确认，为使按垂直方向工作的高亮度光源的工作寿命延长到约6000小时，必须找到减小直流电源的阳极端与阴极端之间的温度梯度的方法。
限制灯中温度升高的已知方法是用散热装置。金属卤化物光源用的这种散热装置已由申请日为93年4月20的同为本发明代理人的美国专利5204578披露。该专利中公开了设置与电弧管室的外表面接触的金属条或圆柱形金属段，使其热量减小，并位于离开设置电极的电弧管的多个端部。尽管用能单独安装在灯头组件中的光源进行有效的工作，例如，必须尽可能照亮远处的集中光源用的散热装置是不实用的，因为设置于外部的金属件阻挡了大量的光。而且，若基本上减小直流工作的阳极与阴极部件之间的温度梯度的装置具有优越性，可以开发不阻挡光输出的垂直方向的高亮度集中光源。
还知道，有细长垂直电弧管的光源的热工作特性，所述细长垂直电弧管上端的常规热负载与电弧管半径和四分之一功率成正比。该关系已公开于D.M.Cap的文章“Grashof Nambers and Swirling Arcs”，AdvancedEngineering#9311970年9月2日出版。尽管提供了关于常规速率特性的指标，但是这些执负载没达到足以获得高亮度的程度、如由上述LightEgine发光装置提供的短电弧放电光源。就这种光源而言，必须考虑保持获得高亮度特性所需的设计特征。从上述的Light Engine光源的Mathew的专利发现，要获得希望的亮度，必须同时满足某些设计参数。例如，若要获得电弧间隙单位面积的亮度在50000流明/cm2以上，则汞密度必须在特别的范围之内，电弧间隙必须小于4mm，电弧管表面的壁负载必须小于25瓦/厘米2。对有能确保电弧管刚度的抗拉强度值的壁负载最好为20瓦/厘米2。为满足这些设计要求和其它要求，各种参数必须平衡，使参数最佳化而不引起灯不稳定或降低亮度输出。而且，设计出具有能改善光源的热工作特性，并使输出光不比其它方式损耗的量大的唯一的外壳结构的高亮度光源是有益的。
1986年6月10日de Vrijer出版的美国专利US94529披露了一种具有非椭圆形电弧室的光源实例，该专利公开了纵向电弧室，但没涉及与热负载特性有关的灯的寿命问题。提供细长电弧是为了获得水平定向的应用作单向光源的长电弧放电，而不是集中负载的远程照明用的高亮度光源。
与高压下的高亮度光源的工作有关的其它问题如电弧室的阳极端(顶端)和阳极端(底)之间存在明显的温度梯度，由于顶区有较高的工作温度，其中不存在金属卤化物；只有在底部的电弧放电中允许用金属卤化物。因此，如果能开发一种能提供热工作条件的高亮度光源，使其垂直设置的电弧室的内部顶表面上的温度与电弧室内的温度差不多，使大面积上存在金属卤化物汞弧，则是有益的。
本发明提供一种高亮度，短电弧间隙光源，它与其它在高压下工作的高亮度放电灯比，有极长的工作寿命，并能输出高亮度光。将灯管的内部尺寸构形成相关的形状，并能减小电弧室内表面的垂直温度梯度。
按本发明原理，提供高亮度光源，它包括具有在其中形成的电弧室和伸进电弧室的一对电极件的灯壳，电极之间的预选的间隙。供电装置连接到电极件，给光源供给电源，使电弧室内产生电弧放电，电弧放电与某些热工作特性有关。光源是按垂直定向工作，因此，电极之一，如直流工作的光源的阴极位于电弧室的顶部。将电弧室构成为使其内部直径足够小，以便用限制对流和使从顶部到底部的尺寸基本一致，来控制电弧室顶的过热。用这种构形和尺寸关系，能在电弧室的内部顶表面和底表面获得基本上等于工作温度的这种灯的热工作特性，而与填充气体的极高的工作压力无关。而且，用这种电弧室结构，本发明的光源工作，以致于当电弧室顶部的工作温度低于下部区的工作温度时，允许在电弧室内部顶表面有所述金属卤化物的附加壁有效区。内表面的最高工作温度与电弧间隙的温度相同，因此，石英表面明显地存在金属卤化物的部分中能用光源的聚光装置最大地聚集电弧发射的光。
下面将参见附图详细说明发明
图1是现有结构的高亮度光源的正剖视图；(美国专利5239230)，图上显示出这种现有光源的典型热工作特性。
图2是按本发明的高亮度光源的正剖视图，图上显示出该光源的典型热工作特性。
如图1所示，现有的高亮度光源10包括有两端的灯壳12，灯壳12用能在高温条件下工作的透光材料制造，典型材料是石英。灯壳12由中心，和其中构成电弧室16的球部14构成。第1和第2电极18和20伸入电弧室16，如图所示第1电极18小于第2电极20。这是用直流电源(未画出)供电的光源的典型状态。这种结构中，第1电极18是阴极，第2电极20是阳极，按垂直定向工作时，第1电极18在第2电极20之上。Light Engine集中光源装置中的光源工作时，光源10位于垂直方向，并位于聚集光输出并将这种光输出聚汇成能有效地照射远处用的反光装置(未画出)中。第1和第2申极件分别与灯的内引线组件连接、灯的内引线组件使电源(未画)与光源10连接。灯的内引线组件包括外引线丝24，内引线丝28和用钼薄箔构成的箔件26，使灯壳12在其端部密封工作。
按现有装置，为获得在短电弧间隙结构中的高亮度光源，灯壳12中构成的电弧室16是椭圆形。电弧室16中包含含汞、惰性气体和金属卤化物的填料22。电弧放电产生的热负载存在于灯壳12上，对流电流与这种电弧室的形状极其相关。如图1所示，取石英灯壳12外部的几点进行测试，这些测试点列于下表1中，点a1至a6作为参考点，从现有的光源10的20个样品取出平均值。
表1现有工作温度(℃)样号，外部测试值，内部典型值，内部理想值a1 858 899 ＜850a2 897 938 850-890a3 880 914 ＜900a4 860 894 ＜900a5 840 867850-890a6 838 865850-890标为外部测试值的温度是在石英灯壳12的外表面上测得的。标为内部典型值的温度是在石英外壳12的内表面的计算值，是从最后的元件模式计算得出的值。标为内部理想值的温度表示能显示出最佳光度特性和长寿命的石英外壳12的内表面的理想温度。已知，要使高亮度放电金属卤化物灯能最佳工作，金属卤化物汞弧应处于点a5和a6附近，温度约为850至890℃。规定点a5和a6的平均温度为冷斑点温度，这里为866℃。反之，为获得长寿命、内表面上的最高温度是超过规定极限900℃的938℃。最热点与冷点的温差是72℃。这是现有的不均匀温度，是大多数标准金属卤化物灯的典型值。改善后的光源30中、不均匀的温度基本上减少了，因而使灯的光度特性更好寿命更长。
关于图2所示光源30，与图1中相同的数字表示相同的零部件，新的数字表示光源30的新零部件。图2所示的经改善的光源30的寿命达到6000小时数量级，它包括用如石英的透光材料构成的有两部的灯壳32。灯壳32中构成有细长的电弧室34、第1和第2电极18、20伸入电弧室内，两个电极间隔开4mm以上。灯内引线组件的各内引线丝28的周围设置中心线圈36。通常，设置中心线圈36是为确保各个灯内引线组件周围有完善的密封性。各内引线组件的外端连到常规电源，如1991年9月10颁布给Allen等人转让给本发明的同一受让人美国专利5047695中所示电路为例的电路方框图中的直流镇流器装置40。
图2所示细长电弧室34包括室端区34a和中心细长区34b。电弧间隙36形成在基本上处于细长电弧室34的中心细长区34b中的第1和第2电极18、20的端部之间。
如图2所示，选择电弧室34的高度(图2中的II)与其直径(D)之间的预定关系，使其保持足够的空间，以允许在与电弧室34的侧壁不接触的第1与第2电极18与20之间电弧放电。光源30的优选实施例中，电弧室34的高度H约为8mm，其直径约为4mm。应了解，这种尺寸只是一种代表，而不是对本发明范围的限制。而且，本发明还要求，电弧室34的直径保持在基本均匀值，至少是电弧室34的高度的一半，而且这种均匀直径处于电弧室34的中心部分，并基本上环绕第1和第2电极件18，20的端部并上下延伸。本发明还要求石英壳壁要足够厚(优选实施例中为2.2mm)，因此，石英壳的外表面积足够大，能从石英管的热量传到周围环境中去，以避石英管过热。低功率的金属卤化物灯的标准设计原则是石英灯壳外表面每一平方厘米的灯工作功率不超过20至25瓦。
灯管直径D是限制灯工作期间电弧室34内充气热对流的关健数据，以减小石英灯壳顶部的对流热。传导到电弧室顶的对流功率与D.M.Cap写的上述文章中的Gr，R成正比，其中Gr为格拉索夫(Grashof)数，R是管腔直径的一半。美国专利5239230中建立了高亮度瞬发光金属卤化物灯的对流稳定性，控制灯参数，获得Gr/c＜1400mg2/cc(式中的c是光速)，本发明人公开了关于对流功率的更严格的设计规定，使沿电弧室的内表面产生垂直等温分布，参数与对流功率成正比时能获得更长的灯寿命，Gr·R/c＜＜100mg2/cm2，而且要求在极高的工作压力下也能达到该规定，使电弧间隙长的亮度达到50000流明/厘米2以上。
表2列出了各种形状的电弧室的低功率金属卤化物放电灯的特性对比，包括美国专利5239230(LE60灯)和本发明的高亮度长寿命灯。
表2灯功率流明间隙亮度 R充气密度电弧稳定性对流(瓦)(cm) 流明/间隙2(cm) (mg/cm2) Gr/C Gr.R/C(流明/cm2) (mg2/cm2) (mg2/cm2)MXR150 150 124001.505.511 0.548.62 11461MXR100 100 9000 1.5040000.48 10.91 13062MXR7070 5500 1.054.989 0.35 10.254315MXR3232 2500 0.587.431 0.29 27.43 18152D1 35 3200 0.4020,000 0.15 64 13620LE60 60 4200 0.2757.613 0.30 54 800 240本发明 60 4500 0.2761.728 0.20 54 23747发现，本发明的对流功率可与标准的低亮度MXR灯相比，因此，即使亮度超过标准金属卤化物灯的差不多10倍，也是有长的灯寿命。
按以上规定的空间关系，发现沿灯壳32外表面的相同位置测得的工作温度非常均匀，电弧室34的阴极区(第1电极18附近)的温度很低，消除了现有光源10中存在的热亮斑性能(见参考点a2)
表3-本发明的工作温度(℃)参考点外部测试值内部典型值内部理想值b1 763 823 ＜850b2 786 846 850-890b3 819 869 ＜900b4 829 879 ＜900b5 823 863 850-890b6 828 868 850-890从表3中测得的外部温度和电弧室的典型内部工作温度看出。本发明的热工作特性改善了的光源30比表1所示的现有技术值有几个重要的优点。例如，仍能满足卤化物沉淀区(见参考点b5)所需的约870至890℃的工作温度，但是，表1中参考点a2的热亮斑温度基本上减小到表3中参考点b4的879℃，因此，阳极端的热斑点与冷斑点温度之差只为14℃，因此，内表面基本上是等温的(等温度化小于30℃)，光源30的阴极端(顶端)实际上在低于中间区温度的温度下运行。由于这种热工作的改善，使灯壳12的顶部与底部之间的温度梯度与图所示现有光源10相比而大大下降，测试图2所示光源30证实，其寿命达到约6000小时。
优选实施例中，表3所示的本发明的灯设计也包括Parham等人的申请号为08/388542的美国专利申请(LD9995)的紫外线(UV)反射膜，并且用从电弧发射进金属卤化物沉淀区中的近紫外线功率消耗直接加热金属卤化物沉淀区。近紫外线功率优先直接进入金属卤化物沉淀区，进一步提高了灯的光度特性，同时也进一步有助于构成电弧室的等温状态。
尽管上面已描述了作为本发明优选实施例的实施例，但应了解，在不脱离本发明范围的情况下还会有各种改型，这些改型均属本发明要求保护的范围。
权利要求
1.有高亮度特性的低功率电弧放电光源，包括其中构成有电弧室的电弧管；置于所述电弧室内的并能保持放电状态的填充物，所述填充物含汞；伸入所述电弧室内并彼此由4mm以下的电弧间隙隔开的至少两个电极，当给所述光源供给能量时，至少在两个电极之间产生工作电压，产生电弧；所述电弧室的尺寸大小选择成，结合选取的填充物密度，使对流稳定值小于750mg2/cm3，以改善热均匀性，对流功率小于200mg2/cm2；所述电弧管的尺寸包括平衡的壁厚，使壁负载因素不大于电弧管表面积的25瓦/厘米2；和所述光源的电弧单元面积亮度超过40000流明/厘米2。
2.按权利要求1的低功率电弧放电光源，其特征是，电弧间隙单元面积的亮度值超过50000流明/厘米2。
3.按权利要求2的低功率电弧放电光源，其特征是，亮度值超过电弧间隙单元面积的60000流明/厘米2。
4.按权利要求3的低功率电弧放电光源，其特征是，对流稳定值小于300mg2/cm3，对流功率小于50mg2/cm3，电弧管表面积的壁负载因素约为20瓦/厘米2。
5.按权利要求1的低功率电弧放电光源，其特征是，对流稳定值小于300mg2/cm3。
6.按权利要求1的低功率电弧放电光源，其特征是，对流功率小于50mg2/cm2。
7.按权利要求1的低功率电弧放电光源，其特征是，电弧管表面积的壁负载因素约为20瓦/厘米2。
8.按权利要求4的低功率电弧放电光源，还包括淀积在所述电弧管外表面上的多层涂层，所述涂层包括至少两种有不同反射指数的材料，它们组合，吸收深UV射线，并反射近UV射线，涂层的作用是，将电弧发射的作为沿所述电弧管外部均匀辐射的深UV的辐射能吸收到所述多层涂层中，并将电弧发射的作为近UV辐射的辐射能反射回所述灯中，其中多层涂层的作用是反射回到电弧管中的近UV辐射基本上吸进金属卤化物沉淀区，由此，加热冷斑点，提高所述金属卤化物灯的金属卤化物剂量的蒸气压。
9.一种具有高亮度特性的电弧放电光源，包括其中形成有电弧室的电弧管；置于所述电弧室内并维持放电状态的填充料；伸入所述电弧室内并由4mm以下的电弧间隙隔开的至少两个电极，所述光源加有电能时，在所述至少两个电极间有预定的最小工作电压，使其产生电弧；所述填充料包括汞剂量，汞剂量是所述电弧室体积的函数，它由填充物的密度确定，所述工作电压的预定最小值由与所述填料密度和电弧间隙的函数关系确定；所述电弧室尺寸选择成，按有关的填充料密度，为改善热均匀性，对流稳定值小于750mg2/cm3，而且，所述电弧管具有的强度按与电弧管的壁厚和填料密度的函数关系确定；其中所述工作电压，首先按所述填料密度的函数强制性确定，所述对流稳定值，其次强制性确定为所述填料密度的函数，第三，所述电弧管强度值强制性确定为所述填料密度的函数，当从预定的汞密度值范围内取出任一填料密度值，同时满足上述三种强制函数关系中的至少两小时，所述光源能获的亮度趋过电弧间隙单元面积的50000流明/cm2。
10.按权利要求9的电弧放电光源，其特征是，电弧管由厚壁构成，电弧管还包括涂敷淀积在所述电弧管外表面上的多层涂层，涂层包括至少两种有不同反射指数的不同材料，两种材料组合，吸收深UV辐射，反射近UV辐射，涂层的作用是将由电弧发射的作为深UV的辐射能吸收进沿所述电弧管外部均匀涂敷的所述多层涂层中，并将电弧发射的近UV辐射能反射进所述灯管中，其中，用作将近UV辐射反射进电弧灯的多层涂层基本上吸入反射能，近UV辐射基本上吸收到金属卤化物槽，由此加热冷斑点，提高所述金属卤化物灯的金属卤化物的蒸气压。
11.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，所述多涂层包括至少两种氧化物的交替形成的多层，所用材料选自硅、钽，钛，铈、铌、铪和各种稀土元素。
12.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是构成电弧管的壁厚大于1.7mm，并含有金属卤化物，淀积在所述电弧管表面上的多层涂层吸收300nm以下的UV辐射并反射300nm至400nm之间的辐射。
13.按权利要求12的电弧放电光源，其特征是，所述电弧管的壁厚至少为2.2mm。
14.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，所述电弧间隙被选择为长度约为2.7mm。
15.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，所述电弧管用石英制成，具有按与所述电弧管壁厚的函数关系确定的有关的抗拉强度，所述强度值强制地确定，以允许安全系数在所述电弧放电光源的工作压力与所述电弧管的抗拉强度最大值之间的至少三倍。
16.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，平衡电弧管的尺寸值，包括壁厚，电弧室直径，电弧管中电极之间形成的电弧间隙，使同时满足所述的多种强制关系，平衡所述电弧管尺寸的方法是，提供最小的电弧间隙、最大壁厚，最小电弧室直径，其中计算出的所述对流稳定值小于按与填料密度和电弧室直径的函数关系确定的预定阈值。
17.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，平衡所述电弧管尺寸，同时获得最大电弧管表面积，以获得20瓦/厘米2的电弧管表面积的壁负载因子。
18.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，强制使工作电压至少是45伏，获得的电弧放电光源的有效比为75流明/瓦。
19.按权利要求10的电弧放电光源，其特征是，强制对流稳定值小于750mg2/cm3。
20.按权利要求10的电弧放电光源、其特征是，电弧间隙在2.0到3.5mm之间，壁厚大于1.8mm，工作电压在55与65V之间、室温下填充料包括4至8个大气压之间的氙。
全文摘要
高亮度放电光源,其热平衡特性得到改善,包括其中形成的电弧室的灯壳和伸入电弧室相对两端的一对电极,两电极之间彼此间隔距离不大于4mm。当通过一对电极而加上电能时置于电弧室内的填充料维持放电状态。光源垂直工作,电极之一位于电弧室顶部,另一电极位于电弧室底部。构成的电弧室的直径正好大于电极间的间隙,高度是直径的两倍。沿电弧室长度的直径基本均匀。均匀直径影响与放电状态相关的热工作性能,使电弧室从顶部到底部的热分布基本相等,使该光源的寿命延长到约6000小时。
文档编号H01J61/82GK1170231SQ9711329
公开日1998年1月14日 申请日期1997年5月14日 优先权日1996年5月14日
发明者G·R·艾伦, R·T·乔达诺, G·O·杰科布斯, K·S·金, T·P·德弗 申请人:通用电气公司