专利名称：用于金属卤素灯的石英电弧管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及用在金属卤素放电灯中的电弧管。更详细地，本发明涉及用于金属卤素灯的圆柱形石英电弧管。
背景技术：
低瓦数的金属卤素灯(35-150瓦)在通常的照明设备中是代替白炽灯的可能选择，并且由于它们呈现出较高的功效和较长的寿命而应用于工业上的指示器中。但是与白炽灯相比，低瓦数的金属卤素灯通常显示了劣质的彩色再现和易变的(灯与灯之间)颜色一致性。因此，正在探索一些可选择的解决色差的设计方法，而没有损失高的功效和长的寿命。
在工业用的金属卤素灯中，所述电弧管由一节石英管制成。所述石英管的每一端在一对对置的夹爪之间被挤压变形，以便当所述石英处于热软化状态时在电极部件周围形成气密密封。由于这种挤压密封工艺，所述端部变得有些变形，并且在所述电弧管的圆柱形主体和所述压平的挤压密封区域之间弯成圆形。这些端部凹口的曲线形状可以随着原始石英管的直径和壁厚，操作期间的热集中度，以及在挤压期间封装惰性气体的压力而改变。
金属卤素灯的光测性能参数取决于封装卤化金属盐的局部压力。它们的蒸气压力主要由这个区域中的电弧管的壁温度所控制，在所述区域中卤化金属蒸气冷凝。这个区域由于重力和内部气体对流而通常位于所述电弧管的最低部分。这种所谓“冷区域”的温度应该足够高以对散发的卤化金属类提供足够的蒸发作用。但是所述温度不能太高，否则所述电弧管的寿命将由于同所述壁发生化学反应或所述石英的脱玻现象而受到损害。因此对于大约6000多小时的使用寿命来说，几乎恒定的壁温度分布(对于石英来说，不超过大约900℃)是所希望的。所述900℃的壁温度对于蒸发许多卤化金属盐是足够高的，对于实现所述电弧管的使用寿命是足够低的。对于使用石英电弧管的灯来说，灯的寿命一般地在900℃以上每增加50℃减少两倍。
实现比较恒定的壁温度分布的公知方法之一是把一种热保护涂层，如氧化锆施加到所述电弧管的端部凹口的外表面上。最普通的金属卤素灯在所述电弧管的一端或两端使用这种热保护涂层。所述涂层除了是一部分额外费用以外，其本身还由于涂层高度、粘合特性以及其趋向变色方面的灯与灯的内在变化而成为在这种灯的光测性能中具有易变性的一个重要来源。
获得几乎均匀的壁温度分布的一个比较有效但费用较高的方法是在椭圆形或梨形主体内形成放电槽，所述椭圆形或梨形主体适用于竖直工作形式的灯或水平工作形式的拱形管。但是，这种方法通常不适用于所述灯的所有工作形式(即相对于重力任意取向的灯)，并且需要费时间的玻璃制造工序，直筒形主体的电弧管不需要该玻璃制造工序。
高电弧负载(W/cm)和壁负载(W/cm2)对改进的低瓦数金属卤素灯的性能是关键的。一般地，对于35W到150W的以石英为主体的普通类型电弧管来说，平均带电壁负载不超过20W/cm2(或电弧负载不超过100W/cm)，目的是为了获得多于大约6000小时的工作寿命。这些在经验上所确定的范围起因于这种情况，即在高负载时，所述电弧管壁上的温度对于石英来说太高，以致于不能够达到所希望的寿命。为了维持在这些负载范围之内，灯的设计者们调整所述放电室的尺寸和形状，具体地，调整所述电极插入长度，灯的腔体长度，以及在椭圆或椭球形电弧管中的管的直径。在金属卤素灯中，温度分布和范围的辅助调整是通过改变所述电弧管填充物的化学组成来实行的。
具有过低壁负载(10-13W/cm2)的圆柱形石英电弧管在金属卤素灯发展的早期(1960′s)，由于其不能够在低瓦数的灯中提供足够的功效而被否决。几乎对称的纵向外表面温度分布通过陶瓷电弧管来实现，所述陶瓷电弧管具有一个正圆柱体形状，如美国申请No.5,424,609和5,751,111。但陶瓷电弧管的工作温度一般高于975℃，这远远超过了石英电弧管的界限900℃。
发明内容
本发明的一个目的是消除现有技术的缺点。
本发明的另一目的是提供一个用于金属卤素灯的石英电弧管，所述石英电弧管可以在高的平均壁负载下工作，而没有超出所述放电室的最大表面温度900℃。
本发明的再另一目的是提供一个用于金属卤素灯的石英电弧管，所述石英电弧管在稳态热条件下工作时，具有几乎对称的纵向表面温度分布。
本发明的再另一目的是提供一种制造金属卤素灯中的石英电弧管的方法，所述石英电弧管具有这些所希望的性能。
根据本发明的一个目的，提供了一个用于金属卤素灯的石英电弧管，所述石英电弧管包括一个石英主体，所述石英主体包围具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极，所述放电室在稳态热条件下工作时，具有几乎对称的纵向表面温度分布，其中所述分布的最大和最小温度之间的差值小于大约30℃，并且所述分布的最大温度小于大约900℃。
根据本发明的另一目的，提供了一个用于金属卤素灯的石英电弧管，所述石英电弧管包括一个石英主体，所述石英主体包围具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极，所述对置的电极放置在所述放电室的每一端，并且与所述室的轴线同轴，所述对置的电极之间的间距限定了电弧长度，所述放电室的内径用厘米表示大约等于[(1+P/50)1/2-1]，其中P是用瓦特表示的输入功率，并且其中所述电弧长度与所述内径的比大约为1。
根据本发明的再另一目的，提供了一种制造金属卤素灯中的石英电弧管的方法，所述石英电弧管具有一个石英主体，所述石英主体包围具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极，所述对置的电极放置在所述放电室的每一端，并且与所述室的轴线同轴，所述对置的电极之间的间距限定了电弧长度，所述放电室具有一个使每个相应电极进入所述放电室的穿透位置，在所述放电室内，所述穿透位置和所述相应电极端部之间的距离为电极插入长度，所述电弧管在稳态热条件下工作时具有纵向表面温度分布，所述方法包括下列步骤a)选择电弧长度和所述放电室的内径，其中所述内径用厘米表示大于[(1+P/50)1/2-1]，其中P是用瓦特表示的输入功率，并且其中所述电弧长度与所述内径的比大约为1；b)形成所述电弧管；
c)在预定的平均壁负载下运行所述电弧管以获得稳态热条件；d)测量所述放电室的纵向表面温度分布以获得最大温度和最小温度；e)重复步骤b)到d)，随着每一个反复，逐渐减小所述放电室的内径，直到所述纵向表面温度分布的最大温度位于所述放电室的端部中间；以及f)重复步骤b)到d)，随着每一个反复，逐渐改变所述电极插入长度，直到所述分布的最小温度和最大温度之间的差值减至最小值，并且没有使最大温度超出大约900℃。
图1是冷点和热点温度的图解表示，所述冷点和热点温度是工作中的本发明石英电弧管的壁负载的函数；图2是本发明石英电弧管的示意图；图3是工作中的本发明石英电弧管的表面温度分布图；以及图4是工作中的现有技术石英电弧管的表面温度分布图。
具体实施例方式
为了较好地理解本发明，连同其它的和进一步的目的，优点和性能，参考下面的公开和所得到的与上面描述的附图相关联的从属权利要求。
对于用在金属卤素灯，尤其低瓦数的金属卤素灯中的石英电弧管，我们已发现，一个具有特定几何形状和直径的圆柱形放电室产生意想不到的热性能和光测性能，这使得金属卤素灯在大约25到大约40W/cm2的高平均壁负载下良好地运作，而没有超出所述放电室的最大允许壁温度大约900℃。更详细地，本发明的所述石英电弧管的所述放电室基本上是正圆柱体形状。当达到工作时的稳态热条件以后，本发明的所述石英电弧管呈现一个基本对称和几乎等温的沿着所述放电室轴线所示的方向为纵向的表面温度分布，而没有超出最大允许温度大约900℃。正如在此所限定的，所述纵向表面温度分布限定为当所述电弧管已经达到工作时的稳态热条件以后，沿着所述圆柱形放电室的柱体部分的轴线。优选地，所述分布的最大和最小温度之间的差值小于大约30℃，并且更优选地小于大约20℃。另外，所述工作中的电弧管呈现出高功效，良好的彩色再现(优选地，彩色再现指数大于大约80)，和适用于所有工作形式的改进的色度控制。根据本发明的所述圆柱形电弧管的另一优点是不需要端部涂层，所述端部涂层通常用来降低现有技术电弧管的端部凹口处的热损耗。这种生产和经济优势是所述温度梯度沿着所述放电室外表面以几何级数降低的直接结果。
所述圆柱形石英电弧管的主要设计是所述放电室的柱体部分的直径规格。所述直径必须选择得足够小，以使得从所述等离子气体电弧到所述室的壁之间通过气体对流进行的热传递与通常设计的石英电弧管的热传递相比显著地降低了。这种条件的满足可以通过测量竖直地工作中的圆柱形石英电弧管外壁表面上的稳态温度分布而得以确定。当所述直径太大时，由于从所述等离子气体电弧到所述壁之间所对流的大量热传递，所述圆柱形室的外壁最大温度将位于圆柱形柱体部分的上端附近。因此，所述放电室的纵向表面温度分布将不呈现中心(镜面)对称。这种不对称的热特性表明，在所述圆柱形放电室内，从所述电弧到所述壁之间的热传递是通过气体对流支配的。当所述圆柱形放电室的直径减小时，所述最大壁室温度的位置移向所述柱体部分的中部区域，这表明了一种从气体对流支配的热传递到热传导支配的热传递的转变。这是在所述电弧管内所对流的热气的速度随之降低的结果。当这种情况发生时，所述放电室的纵向表面温度分布将呈现高度的中心对称。
在这里描述的所述电弧管被设计得适用于所有工作形式，即所述工作形式不考虑所述电弧管相对于重力的方向。在这里所提供的所述电弧管实施例以竖直的方向工作。一般地，在以非竖直的方向工作的电弧管中，所述等离子气体电弧由于所述等离子气体电弧内的温度梯度所引起的弹性力而趋于向上弯曲。但众所周知地，声音调节的输入功率波形可以用来在以非竖直的方向工作的电弧管中取得展平的电弧，例如，在参考文献所包括的美国申请No.6,124,683中所描述的。因此认为，如果利用声音调节技术去保持一个平直的电弧，本发明的优点就可以在以非竖直的方向工作的电弧管中得以实现。
图1显示了对于一组根据本发明所设计的圆柱形石英电弧管，作为平均带电壁负载(瓦/cm2)函数的热点和冷点温度。正如所期望的，所述冷点温度(Tmin)随着所增加的壁负载而迅速增加，这导致了改进的功效，较好的彩色再现和通常较低的颜色温度。出人意外地，所述热点温度(Tmax)以明显减少的比率增加，因此显示了“柔和的饱和”特性。所述圆柱形放电室的柱体部分的最高表面温度在很高的壁负载40W/cm2时仅为890℃。所述冷点和热点温度随着增加的平均壁负载而变化的两种效果的结合对改进的热性能和光测性能负有直接的责任。这种变化没有出现在现有技术的石英电弧管中，因为它们的柱体直径太大。
在所述例中，所述圆柱形室柱体上的最冷点和最热点之间的温度差值近似为大约20℃，这使得所述电弧管表面几乎是等温的。在热平衡时，温度为T0的等温表面比平均温度为T0的非等温表面(相同的区域和相同的发光材料性能)发射较小的功率。因此，具有一个几乎等温的表面温度的电弧管比一个具有不太均匀的表面温度分布的电弧管工作起来更有效(热损耗被减少或被降至最小)。
参考图2，在一个优选实施例中，所述石英电弧管2具有放电室5，所述放电室5包括卤化金属填充物10。放电室5在所述石英包层所形成的普通滚筒的有效范围内基本上是正圆柱体形状。所述放电室具有内径为D的柱体部分3。电极7放置在放电室5的每一端，并且与放电室5的轴线14同轴。所述对置电极7的端部之间的间距限定为电弧长度A。所述电极7进一步地放置在端部凹口15处，所述端部凹口15形成在所述放电室的每一端。所述端部凹口15由于在滚筒成形工序中形成的基本圆柱体形状而呈现出旋转对称。所述端部凹口15在所述放电室的端部类似于呈现圆形对称的径向压缩的瓶颈。穿透位置6(所述电极进入所述端部凹口的位置)和所述电极尖端之间的距离定义为电极插入长度L。电极7焊接到钼箔片9上，所述钼箔片9依次焊接到引线11上。所述引线11连接到外部电源(未示出)，所述外部电源提供电能以点燃和维持电极7之间的电弧放电。所述钼箔片9通过位于电弧管2每一端的压缩密封17而被牢牢地密封在所述石英中。
如果对于已知的输入功率为P(用瓦特)的灯，假设平均壁负载为30W/cm2，并且电弧长度A与所述圆柱形放电室柱体部分的内径D之间的纵横比等于大约1(A/D□1)，则所述放电室的内径D(用cm)，作为第一级近似，取决于公式D≌(1+P/50)1/2-1为了优化所述直径，最好首先使电弧管内径比上面引用的公式所规定的直径稍大。当所述直径减小时，包括最大温度(热点)的所述区域(在所述圆柱形主体的外表面上)逐渐移向位于所述放电室两端中间的位置。
进一步地减小所述直径不影响所述热区域的位置，但使它的最高温度上升。一般地，在这种情况下具有最优化的直径，即几乎达到对称的纵向表面温度分布，并且同时满足其最大温度不超过大约900℃的条件。
确定所述电弧管直径之后，对所述设计进行一些调节以使性能进一步地优化。尤其地，可以调节所述电极插入长度和所述端部凹口的形状，以使得所述柱体部分表面上的冷点温度尽可能的高，而不超过所述热区域(在所述柱状部分表面上几乎位于所述两个端部凹口中间)的最大温度。这种要求的满足可以通过测量竖直工作中的电弧管壁表面上的稳态纵向温度分布而得以确定。当增加所述插入长度时，所述冷点温度(一般地在所述圆柱形放电室柱体部分的每一端)降低。最佳插入长度是这样一种长度，即，使所述圆柱形柱体(对于已知的端部凹口形状)的任一端部的冷点温度最大，而不超过所述热区域的最大温度，并且同时保持所述圆柱形放电室的纵向表面温度分布的中心对称。
图3显示了根据本发明设计的、竖直工作的圆柱形石英电弧管的表面温度分布。虚线表示的圆柱形电弧管重叠在所述温度分布的上面，以显示所述分布和所述电弧管之间的近似的空间关系。所述分布包括了电弧管的超出所述放电室柱体部分的区域。所述温度分布借助于一个AGEMA热视900红外线成像系统在5.0微米波长下利用特写放大镜进行测量，以增加清晰度和透明度。
所述放电室柱体部分表面的最大和最小温度之间的差值为大约20℃。所述电弧管任一端的温度峰值出现在所述穿透位置。在所述穿透位置，所述电极进入所述端部凹口。这些穿透位置在所述圆柱形放电室柱体部分的外部，并且由于它们超出非常小的一段区域而没有显著地影响电弧管的性能，其中在所述区域没有驻留金属盐。沿着所述圆柱形放电室柱体部分的轴线确定的纵向表面温度分布显示了高度的中心对称。这与图4中示出的现有技术石英电弧管的类似的温度分布进行比较，所述现有技术石英电弧管具有一个普通的压缩密封的圆柱形主体，所述圆柱形主体包括相同的填充物并且在100瓦下工作。所述现有技术电弧管没有本发明的滚筒状电弧管那样呈现旋转对称。
一组圆柱形石英电弧管的光测性能特性(在100小时下)与普通石英电弧管(压缩密封，圆柱形主体)的光测性能特性在下面表1中给予比较。虽然所述发光功效类似，但对于本发明的滚筒状圆柱体设计来说，相关颜色温度(CCT)的范围明显地减少，所述彩色再现指数(CRI)显著地提高。用于这些电弧管中的所述卤化金属盐的化学组成是Krasko等的美国专利No.5,694,002中所描述的五组分形式。
虽然其已经显示和描述了本发明优选实施例中所考虑的目前的方案，但显然，对于本领域普通技术人员来说，可以在其中作各种各样的改变和修改，而没有脱离后附权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于金属卤素灯的石英电弧管，包括一个石英主体，所述石英主体包围一个具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极；所述放电室当工作在稳态热条件时具有几乎对称的纵向表面温度分布，其中所述分布的最大和最小温度之间的差值小于大约30℃，并且所述分布的最大温度小于大约900℃。
2.权利要求1的所述电弧管，其中所述分布的最大和最小温度之间的差值小于大约20℃。
3.权利要求1的所述电弧管，其中所述电弧管以竖直的取向工作。
4.权利要求1的所述电弧管，其中所述电弧管通过使用声音调节电源而以非竖直的方向工作。
5.权利要求1的所述电弧管，其中所述电弧管在大约25到大约40W/cm2的平均壁负载下工作。
6.权利要求1的所述电弧管，其中工作中的所述电弧管呈现出大于大约80的CRI。
7.一种用于金属卤素灯的石英电弧管，包括一个石英主体，所述石英主体包围一个具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极，所述对置的电极放置在所述放电室的每一端，并且与所述室的轴线同轴，所述对置的电极之间的间距限定了电弧长度；所述放电室的内径用厘米表示大约等于[(1+P/50)1/2-1]，其中P是用瓦特表示的输入功率；并且其中所述电弧长度与所述内径的比大约为1。
8.一种制造金属卤素灯中的石英电弧管的方法，所述石英电弧管具有一个石英主体，所述石英主体包围一个具有卤化金属填充物的放电室，所述放电室基本上是正圆柱体形状并且包括对置的电极，所述对置的电极放置在所述放电室的每一端，并且与所述室的轴线同轴，所述对置的电极之间的间距限定了电弧长度，所述放电室具有一个使每个相应电极进入所述放电室的穿透位置，在所述放电室内，所述穿透位置和所述相应电极端部之间的距离限定为电极插入长度，所述电弧管当在稳态热条件下工作时具有纵向表面温度分布，所述方法包括下列步骤a)选择电弧长度和所述放电室的内径，其中所述内径用厘米表示大于[(1+P/50)1/2-1]，其中P是用瓦特表示的输入功率，并且其中所述电弧长度与所述内径的比大约为1；b)形成所述电弧管；c)在预定的平均壁负载下运行所述电弧管以获得稳态热条件；d) 测量所述放电室的纵向表面温度分布以获得最大温度和最小温度；e)重复步骤b)到d)，随着每一个反复，逐渐减小所述放电室的内径，直到所述纵向表面温度分布的最大温度位于所述放电室的端部中间；以及f)重复步骤b)到d)，随着每一个反复，逐渐改变所述电极插入长度，直到所述分布的最小温度和最大温度之间的差值减至最小值，并且没有使最大温度超出大约900℃。
9.权利要求8的所述方法，其中所述电弧管在大约25到大约40W/cm2的平均壁负载下工作。
10.权利要求8的所述方法，其中所述分布的最大和最小温度之间的差值小于大约20℃。
全文摘要
描述了一种用于金属卤素灯的石英电弧管及其制造方法。所述石英电弧管是圆柱体设计，这种圆柱体设计在工作时有助于几乎对称的纵向表面温度分布。所述分布具有最大温度大约900℃，这使其在高平均壁负载下具有较长的工作寿命。
文档编号H01J61/33GK1409360SQ0214344
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月26日 优先权日2001年9月26日
发明者M·加尔维兹, Z·克拉斯科, G·扎斯拉夫斯基, W·D·克尼斯伯格, J·V·利马 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司