卤素白炽灯的制作方法

专利名称：卤素白炽灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及卤素白炽灯，尤其是用于一般照明，但也用于照像以及投影目的或者其它应用。特别是可应用于低功率低电压灯方面，但也可用于高、中电压灯。
此种类型的灯例如已由德国公开专利DE-OS2231520公开了。其冷充气压强通常约为5～15个标准大气压的惰性气体，主要是稀有气体(氩、氪、氙)，也许可能具有少量的(5～10％)氮。此外还掺杂一种或几种痕量的卤化物，其分压仅为几个毫巴。
特别是对于普通照明目的，这类灯若能达到相当高的寿命(一般照明2000小时，照像及投影200小时及更长)则具有重要的意义。为达此目的，通常的出发点是发光体钨材料的蒸发速度必须通过尽可能高的充气压强(钨丝卤素灯约2000～8000乇，根据H.Lohmann电工技术，1986年，33～36页，特别是第35页)而受到限制。同时作为填充料存在的卤化物，借助于在灯管中呈现的对流，保持着从发光体蒸发出来的钨微粒的循环过程。(S.M.Correra，Int.J.Heat mass Transfer 30，第663页，1987年)。但是对流也是以显著的热损耗为条件的，约为灯功率10％的数量级。
通常迄今为止维持这样的运行条件是被认为不可放弃的，以使灯能够在长寿命(至少2000小时)情况下同时达到高的光效率(达25流明/瓦)。
个别地由于特殊的原因，虽然开发了具有低冷充气压强的专用灯(见欧洲专利EP-A295592)，然而假定尽管是低冷充气压但仍发生了推动卤素循环的对流。
在白炽灯的理论探讨方面，朗格缪尔层的概念起着重要的作用，其例如在柏林施普林格出版社出版的OSRAM有限公司(TWAOG)技术科学论文集1967年，第9卷，第125-136页中有详细的论述。对此被认为在圆筒形发光体上，存在着一个与其邻接的静止不动的气体层，正好就是朗格缪尔层，其被理解为均匀的且具有不变的直径。在其中仅仅只通过导热进行散热，而在该层的外部，热损耗是通过自由对流来确定的。卤素白炽灯的朗格缪尔层厚度为几毫米的数量级(参照德国公开专利说明书DE-OS2231520)。它取决于充气压强。
管状顶灯展示了特殊的情况，即两面挤压拉长的白炽灯，具有轴向设置的发光体。这里，在工作时当从水平位置(尤其是从垂直点燃位置)偏离时会出现严重的困扰，其与灯泡内在填充气体和卤素添加物之间的分离有关。在美国专利US-PS3435272，以及照明工程期刊的一篇文章中Illnm.Engin.4月号，1971年196～204页描述了当充气压强为0.5～15巴时，扩散和对流的相互作用，对此热制约的分离效应承担责任。该效应通过在灯泡中引入一个包围发光体的玻璃管而受到抑制。
本发明根据权利要求1的前序部分描述了一个提供卤素白炽灯的完全崭新的途径，使得灯在具有高寿命情况下，可以同时实现相对高的光效率。
该新的技术原理是以权利要求1特征部分的特征为根据的。特别是其有益的结构可以在从属权利要求中了解到。
当前占优势的技术原理以充气压强及寿命之间的线性关系为出发点，其导致高的充气压强，典型的为5～15标准大气压，以便实现寿命约2000小时，新的规定促使对具有工作充气压强小于2.5标准大气压的低压强灯也要进行研究。由此，迄今未注意而被忽略的事实受到了人们的重视，在理论上有可能创造一种新灯，其由填充气体所造成的功率损耗，通过热传递仅仅随着充气压强而微弱地增加。因为这种损耗仅仅是通过在气体中的热传导(扩散)所引起的。通常迄今为止，在卤素白炽灯制造业中被认为是不可放弃的高压强，它是同保证卤素循环的对流有关联的，但是造成了由于填充气体引起的功率损耗，它也随着充气压强而显著地增加，因为该损耗主要地归因于对流的有效的热传递机制。转变点位于纯扩散状态和出现附加对流且占压倒比重的状态之间，该转变点取决于具体的灯结构。但是它通常居于冷充气压强为0.1～5.0巴的范围内，特别是位于约0.5和3巴之间，在低电压灯情况，特别是在1.7巴以下。
属于当时的灯的朗格缪尔层的层厚为此种无对流情况的出现提供了依据。应当这样地优选灯的尺寸，即在发光体外径和灯泡内壁之间的距离不得超过朗格缪尔层的厚度，该发光体可以是单螺旋状灯丝或者是双螺旋状灯丝。但是它所涉及的是一种具有简化假设的数学模型，其不能提供普遍有效的准确值，但是只部分地提供精略的依据。
开发本发明的第二个重要观点令人吃惊地表明当卤素白炽灯的充气压强位于无对流的范围内时，卤素循环还能足够好地起作用，以避免变黑。
此外，与占优势的主张完全相反，其显示为卤素循环过程在通常的高压强条件下对灯的寿命具有负面影响(卤素疵点)。现在这种影响已经被防止了，因为由于缺少对流，卤素循环过程较少起侵蚀作用，因为有害的传输过程只有更多通过扩散才能够终结，扩散与对流支持的传递过程相比是显著地减慢了有害的输送过程。
第三个重要之点在于众所周知灯的寿命强烈地取决于发光体钨材料的蒸发速度。此速度随着增大的充气压强而减小。因此，一个长的寿命便需要力求尽可能高的压强，即相应较低的蒸发速度。事实证明蒸发速度作为压强的函数，在低压强情况下比在高压强情况下相对更急剧地下降。因此同时考虑无对流性和蒸发规律性(在乘法逻辑运算的意义上，数学上称作“卷积”)，可允许寻求一种在相对低的充气压强情况下的工作状态，在该压强下存在着有关相对高光效率的适宜条件，(大于5流明/瓦尤其是也在很小功率情况下，例如10瓦或者更小)在同时相当长的寿命(大于500小时)情况下。
完全出乎意料地进一步表明在一定的边界条件下，即灯用细丝作为发光体材料，甚至于可以达到如此光效率和寿命的值，其在高压强情况下，对于灯是等值的。灯丝优选直径最大为200微米，尤其优选小于100微米。灯丝直径采用小于50微米可以达到突出的改善。此种情况的原因是在小直径情况下，代替蒸发机制的是另一种决定灯丝寿命的失效机制，亦即钨沿着灯丝的迁移。在很小灯丝直径情况下，灯丝的粒状结构非常显著可见，因为沿灯丝直径来看，仅还存在一至两个晶粒。钨的迁移使晶粒界面通过晶粒之间的收缩显露出来。该过程被称作“晶界腐蚀”。这种失效机制与充气压强无关，其实是它和灯丝表面温度更紧密相关(典型温度是2300～3200K)。在此介绍的工作条件下，这种失效机制令人惊异地被大大降低了。由变化了的失效情况得出的决定性结论在于相应变化的失效特性曲线。通常，一定数量灯的失效情况得出一个修正的高斯分布，亦即公知的威布尔分布。它是以中间值(一组灯失效达63.2％的时间间隔)及确定的分散宽度(离散)为特征的。迄今在中间值典型为7000小时的情况下，分散宽度典型为5000小时。
分散宽度和中间值相比较是很大的。但与此相反，按照本发明灯的情况可以观察到一种完全不同的失效情况。尽管威伯尔分布的中间值明显较低(典型值为4000小时)，但平均寿命的分散宽度如此急剧地缩减，以致于3％值(达到最初3％的灯失效时的寿命)位于仍然一样的良好值，或者甚至于可以比现有技术的灯更好。这意味着在全部灯的3％失效和63.2％失效之间的时间间隔显著地减小了相当于威伯尔分布有明显大的斜率。所以虽然是一个较差的平均寿命，但现在能够达到一个大约等值的或甚至于更好的有效可利用的寿命(定义为一组灯到达起初3％失效时的时间间隔，以下称作额定寿命)。
本发明的另一特殊优点是在按照本发明的工作条件下可以避免灯丝表面的晶粒界面。其出现说明这样一种现象，灯丝材料的各个晶粒在灯工作时，按照其本来的体心立方体的晶格结构开始生长。由此，灯丝表面变得不平整，其次其丝的辐射表面扩大，该过程通常导致剩余光通量的降低，其通常是在75％的额定寿命之后来测量。现在按照本发明的灯揭示一种令人惊异的现象，即其剩余光通量明显地大于对比的灯。甚至于能够呈现光通量比起始值增长。其原因推测是沿着灯丝表面的钨迁移，它对表面轮廓具有平整光滑的补偿作用。
按照本发明的卤素白炽灯通常具有耐高温的石英玻璃或硬玻璃灯泡。包含在灯泡内的发光体是圆筒形或者至少近似圆筒形(例如稍微弯曲的圆筒)造型(一般是单螺旋线或者双螺旋线灯丝)，这样发光体的长轴就确定了。发光体不仅可以平行于而且也可垂直于玻壳端头进行设置，该端头通常是通过挤压密封进行封闭的。玻壳形状可以是圆筒形的，但也可以采取其它形状。典型的内部尺寸(在圆筒形情况下，例如是内径)介于3和15毫米之间，但较大的数值也是可以的。光电数据举例为10至大于20流明/瓦(最小值5流明/瓦)，寿命为2000小时。
本发明在低功率的低电压灯方面尤其显示出优点。玻壳的充气体积在低电压灯情况下，是在0.05～1立方厘米的数量级，在高电压灯情况下达15立方厘米。作为填充气体优选稀有气体，也许还添加氮。典型的冷充气压强在低电压灯情况为0.5至1.7巴，在高压强灯情况达5巴。例如卤代烃适合作为卤素化合物。
发光体尺寸本身同样地对工作状态起到影响。例如包封发光体的圆筒应当这样有益地构成，以使其长度至少相当于直径大小，尤其可以大于直径的1.5倍以上，优选的则是大于直径的2倍以上。
同样发光体的型芯因数和斜度因数有影响于对流状态。斜度因数的起始点是小于2.0的值。但是在个别情况下必须以经验方式求得具体数值。
按照本发明灯的色温介于约2400～3400K的范围内。普遍有效的是本发明的应用不仅在单侧而且在双侧密封的灯方面都是有益的。密封一般是通过挤压进行的，但也可以通过熔融。在低电压灯(达60伏)方面，本发明灯的使用范围是不受限制的。在高电压和中电压灯(大于60V的工作电压)方面，本发明不受限制的仅允许使用在管形灯方面。
但是在单侧挤压的灯方面，应当注意避免馈电引线之间的飞弧。可以达到无对流状态的最大冷充气压强，在高电压灯方面明显地高于低电压灯，通常介于1和5巴之间。这范围取决于这种灯一般有较大尺寸。在高电压灯的情况下，只有在确定的缺点能被克服情况下，则已提到的“无对流”工作方式才是有利的。通常事实表明无对流运行的灯显示出明显较小的依赖于点燃位置(例如这一点对管形灯来说是有用的)。背景是在无对流的灯情况下发现玻壳温度分布均匀性得到改善(典型的是分散宽度的改善为50％)，以及通常发光体温度和玻壳温度有降低的倾向。这两种效应均导致寿命的改善。
由此得出结论，这种灯在反射器或者光源方面使用起来都是特别有利的。这点不仅适合于高电压，也适用于低电压的灯型。有代表性的是在灯的挤压部分所测得的温度负荷，比“高压强”灯减少10％。
此外，通过对该灯进行适宜地几何尺寸设计，在无对流充气压强范围控制下，代替功率损耗(以对数座标画出)的简单线性关系，有可能造成一个低压强时具有线性关系的区域，及一个在较高压强时功率损失几乎与压强范围无关的区域(即平台段)。该平台段性能也尤其适合于高电压灯在相对低压强情况下，达到本发明的工作状态。因为平台段特性允许选择，不是唯一最佳紧靠在转变点以下的工作点；而是调整压强到平台段以内的一个明显低的值或者调整到平台段的开始。通常，高电压灯的飞弧危险会受到由惰性气体及少量添加氮(约达10％)的填充气体混合物的抑制。
本发明的另一优点是减少气体用量(特别是在使用贵重的氙方面具有重要意义)和提高防爆安全性。
最后，是有关灯丝负荷的评述。高压强灯(亦即含有对流的灯)不仅具有明显较高的灯丝温度，而且具有比相应的具有相同照明技术数据的低压强灯(即无对流运行的灯)更小的辐射面积。
卤素低压强灯跟卤素高压强灯完全不一样，显示出与普通白炽灯相似的失效特性。在“低压强”下总是被理解为这种确保无对流的压强是相对于具有对流的较高压强(“高压强”)而言的，它涉及一定的灯型。当一种灯型的冷充气压强为2巴时仍可能属于“低压强”范围，而另一种灯型的冷充气压强为0.8巴时却被视为属于“高压强”范围。一种有关的可信赖的结论即对每种灯型可通过测量作为充气压强函数的功率损耗以及通过确定其转变点作出的。
本发明参照下列附图借助于各实施例进行详细说明

图1表示具有轴向配置发光体的卤素白炽灯；图2表示具有横向配置发光体的卤素白炽灯；图3表示填充气体功率损耗作为冷充气压强的函数；图4表示钨蒸发损失率(图a)及功率损耗(图b)作为冷充气压强的函数；图5表示两个威伯尔分布(失效分布曲线作为寿命的函数)；图6及7表示失效特性曲线(威伯尔分布的斜率)作为寿命的函数；图8到图10表示各种工作参数的测量值；图11表示根据本发明和根据现有技术的螺旋线灯丝照片；图12表示点燃位置一览表；图13表示一种低压反光灯剖视图；图14表示根据图13灯的气体损耗因数测量曲线；图15表示一种高压反光灯剖视图；图16表示根据图15灯的气体损耗因数测量曲线；图17至图19各种管状顶灯的气体损耗因数测量曲线。
在图1中所示的是一种卤素白炽灯，其额定电压为6伏，功率为10瓦，由一个一侧挤压的玻壳1构成，玻壳呈圆筒形，外径约为7.0毫米(早先为8.2毫米)，壁厚约为0.8毫米(早先为1.2毫米)。玻壳通过挤压变形部位2密封，并且在位于挤压变形部位对面的端头具有抽气尖端。玻壳是由石英玻璃制造的。填充物由1000毫巴氙(或氪)及一种添加物为1800ppm碘乙烷(C2H5I)组成，(在另一个实施例中卤素添加物由400ppm的二溴甲烷组成)灯的体积为0.15(早先为0.22)cm3。在玻壳内配置圆筒形发光体6，其尺寸为直径0.9毫米，长为2.4毫米轴向设置。它被支承固定在两根馈电引线3上，该引线与箔叶片4在挤压变形部分中相连接。箔4又和外管脚5相连接。
发光体由直径为104μm的钨丝制成，其有效全长为32mm，这样其整个表面积约为10.0mm2。馈电引线3直接由螺旋线构成。发光体按照螺距因数为1.8绕成，线圈螺距为188μm，共12圈。按照灯芯因数为7.0灯芯直径约为730μm。当色温度为2500K，光通量为110流明及光效率为10.5流明/瓦时，灯寿命超过5000小时。
第二个实施例是一个12伏/5瓦的卤素白炽灯，如图2所示，圆筒形玻壳1用硬玻璃制成，其外径约为9mm，壁厚为1.15mm，含有作为填充物的氙，具有冷填充压强约为1000毫巴，以及卤素添加物为3000ppm的CH2ClI。灯体积为0.32cm3。在玻壳内设置一个大致垂直于灯轴的单螺旋卷绕的发光体6′，其原来的圆筒外形被弯成近似于一个环段。并由两根单独的销钉状馈电引线3′支承固定着。除这些之外该灯其余部分的结构近似于第一个实施例。
发光体由直径为41μm的钨丝制成，钨丝有效总长为48mm。灯丝线圈表面积约为5.7mm2。发光体原本由单螺旋卷绕的圆筒形体构成，其尺寸为长3.9mm，直径为0.32mm。它包括54圈，螺距为75μm，螺距因数为1.8。按照灯芯因数5.7灯芯直径约为240μm。当色温度为2625K，及光效率为12流明/瓦，光通量为63流明时的寿命为3100小时。
第三实施例是一个12伏/10瓦的灯。其主要方面与第二实施例相符合，因此同样用图2表示。和第二实施例的区别在于采用了65μm直径的钨丝，其原本的圆筒体卷绕成尺寸为长4.2mm和直径0.58mm全长为58mm，这样钨丝表面积约为11.8mm2。根据螺距为115μm时的螺距因数是1.75。根据灯芯直径为450μm，则灯芯因数为6.9。卷绕圈数为36。当色温度为2700K，光通量为140流时及光效率为14流明/瓦时，灯寿命约为3100小时。在表3中列出了与当前公众熟知的高充气压型的比较。
第四实施例是一种12伏/20瓦的卤素白炽灯，其主要方面同第一实施例相符合。填充压强为1000毫巴的氙或氪，并带有3000ppm的碘乙烷。
发光体绕成22圈，根据螺距因数1.65，其螺距为167μm，根据灯芯因数为7.2，其灯芯直径为737μm，色温度为2700K；光通量为320流明，光效率为15.4流明/瓦。这种灯的平均灯泡温度当采用8mm直径的玻壳时由360℃降到310℃，这样，如果采用7mm直径的玻壳时平均灯泡温度为335℃是可能的。
下列的表1示出上述四种实施例的工作参数的比较，比较所用数据涉及的灯不具有按照本发明的特性，即，特别是无对流的特性。
表1
表2
如果当额定寿命总是2000小时，给出了平均寿命的杂散(离散)性和当75％额定寿命时的剩余光能量。结果表明所有的无对流工作的灯型都具有寿命迅速减少的分散宽度。该减少的分散宽度是减少到绝对必要最小值的卤素循环过程的一种直接结果。不少给感人印象深刻的事实是剩余光通量在超过额定寿命的75％时。实际上保持几乎不变，其原因是出于克服了晶粒间界效应的缘故。
在另一表2中描述的是与表1相同的灯型，根据本发明，光通量(流明)是怎样受到影响的。表中第一栏表示灯型，第二栏表示当采用带有对流的高压强(根据现有技术约为8巴氪或者13.3巴氙)时的光通量。第三栏表示光通量减少，正如根据现有技术当降低填充压强到约1巴时必须期待的那样。第四栏表示在保持相同额定寿命情况下相对于第三栏的光通量增益，这是基于旨在采用了按照本发明的手段(通过玻壳的和发光体的最优化，以及通过填充气体参数，使灯在无对流运行中最优化)。
事实表明，由于填充压强降低到20％和33％之间(第三栏)，可以预料到高压强类型(第二栏)光通量的下降。通过本发明这种损耗大部分可被防止，部分地甚至于完全地被补偿(第四栏)。以此对每个普通专业人员所熟知的“充气压强-寿命-光通量”关系在积极意义上的突破还是首次，其中尤其是按照本发明的灯，其明显减少的离散性起着重要的作用。
表3表示损耗因数β的示意图，也是通过作为充气压强(P)函数的散热功率损耗ΔL的示意图。其中假设一个不变的灯丝温度Tw及一个常数的光通量，并用真空下的灯功率L0规范化。压强(毫巴)作为横坐标并以对数表示方式给出。按照本发明的灯表示所有这些基本模型，在此，视灯型而定，转变点可以位于冷充气压强的另一值，(在低压强时通过扩散从纯热传导区域I，例如在小于约1巴时，转变到区域II，在该区域内对流热传导占优势)。该转变点对于低电压灯而言典型地在0.1和2巴之间变动；但是当高电压灯时(也有个别的低电压灯)也可以遇到较高值(例如5巴)。按照本发明优选的运行范围是在紧靠转变点下面的区域。
在图3中这一点用箭头表示。此外，卤素白炽灯的其它压强区域(5～10巴)通过阴影线部分表示。该图引人注意的是在区域I内的基本状态几乎与填充的气体无关，而在区域II内，以对流为条件的损耗却与填充的气体压强紧密相关。填充的气体越重，则损耗越小-与公知的针对区域II的理论相一致。作为举例给出了惰性气体氩、氪和氙的情况。
按照本发明的灯，常常优选尽可能重的填充气体，尤其是氪或者氙，因为在其它方面相同的条件下它会更好地阻止钨材料的蒸发。
在这方面，本发明还具有另外一个优点由于低的充气压强，当填充气体(氙)时，可以带来显著的费用节约。将损耗限制在纯热传导现象上也是令人可以理解的，为什么发光体的改善效果特别突出，该发光体用细而长的丝制成，因而具有较大螺旋线表面积。因为螺旋线表面积越大，则由此而引起的热损耗越大。
在图4a中为更进一步地清楚地阐明上述结果，计算了模型灯每单位时间的钨损耗(Δm/Δt)与充气压强的函数关系。当在低充气压强时，在低于约1至2巴情况下，该损耗特别显著。当超过以上压强时，则仅有微小的降低。这种情况表明选择相当低的充气压强约1巴是有道理的，因为当高压强时与当很小压强时的情况相比，可能的改善是细小的。
图4b是对该模型灯在图3中所示的关系作进一步阐明，但是没有规范化到真空下所达到的功率，而是作为功率损耗的绝对值。
图4a和图4b的概述清楚地说明完全可以考虑到这种可能性，在数学折合的意义上，在相当低的压强时(例如在1巴时)也达到长寿命；换言之，是通过在无对流压强区域的上限工作。在转变点处不仅功率损耗对压强的依赖关系突然发生变化，而且钨材料损耗对压强的依赖关系也突然发生变化。
为了清楚地说明不同离散性的重要性，图5示出，例如具有相同额定寿命TN为2000小时(定义为在一组灯中首先3％失效的时间)的两种威布尔分布。第一种分布(见图5a)是在现有技术意义上的，显示了一个宽的离散(曲线1)，其中平均寿命TM大约为9000小时。第二种分布(图5b)是按照本发明的技术(曲线2)，公开了一种显著较短的平均寿命TM为5100小时，但是由于窄的离散，足以达到相同的额定寿命TN2000小时。
这种事实的一种形象量度是威布尔分布左侧上升边缘的斜率(用细虚线表示)。按照本发明的斜率(S2)比在先公知灯的斜率(S1)要陡得多。在图6和图7中给出了灯型12伏/5瓦以及12伏/10瓦的斜率值的比较。
公知的高压强填充的12伏/5瓦灯(图6，曲线S1)达到3％的失效率时约为1900小时，对此，平均寿命TM1(根据63.2％失效率)仅差一点才达到10000小时。此时测得光效率为12.0流明/瓦。本发明的构形范围通过两种灯型进行描述。在第一种灯型中(曲线S2)是通过按照本发明的低压强填充来实现的，其是通过改变灯丝数据来达到光效率的最佳化，甚至于在几乎相同额定寿命(1700小时)时达到了较高的光效率(12.4流明/瓦)。同时，平均寿命TM2约为2500小时。
在第二种灯型(曲线S3)的低压强灯中，经寿命的最佳化(平均寿命TM3为6500小时)，其光效率略低一些(10.9流明/瓦)，但是额定寿命为4000小时，超过一倍多的大小。
在图7中描述一种12V/10w灯的类似关系。迄今的高压强灯型具有额定寿命1900小时(曲线S1)及平均寿命TM1为5500小时达到光效率14.1流明/瓦。相比之下，按照本发明的此种灯型S2当效率为13流明/瓦时，达到明显较高的额定寿命2500小时，其平均寿命TM2为为3400小时(寿命最佳化灯型)。
为此，不仅表明从现在起能够提供具有较低的冷充气压强1巴数量级的卤素白炽灯，几乎不损失光效率并能达到如同具有显著过压(约8至13巴)灯相同的额定寿命，而且在若干方面存在着最佳化的潜力。
面对着不希望的少量光效率的损失，作为决定性的优点在于消除了准备承担的风险并且节约了材料和填充气体。
其它的实施例是具有相对高功率(20W，35W，50W)的低电压灯(12伏)，其光效率达15.2流明/瓦，17流明/瓦，18流明/瓦。冷充气压强约为800毫巴。根据迄今有效的原理，经纯计算预期得到的值应该是13.5流明/瓦(当20瓦时)，14.6流明/瓦(当35瓦时)，及15.2流明/瓦(当50瓦时)。
优选的工作点位于紧靠转变点下方(见图3)，举例说明的是上述12伏/10瓦的灯。在这里，转变点相当准确地位于1巴冷充气压强，相应工作压强约为3巴(见图8)。已在临界范围内研究了由于热传导带来的光通量降低(图9)。结果表明当冷充气压强从0.5～1巴时光通量近似保持不变，因为热量损失很小(见图3，区域I)，且仅有微小的增加。当进一步增加到冷充气压强2巴时(相应的工作压强约为6巴)，光通量明显地下降，这一点和在对流区域内强烈增长的热传导是相一致的(见图3区域II)。
另一方面，图10示出对起始品质因数(％SCE)进行的研究，其中，SCE值表示一个稳流灯的光效率，其被规范在1000小时寿命时进行对比的光效率。当灯彼此间对比时，起始品质因数(％SCE)越高，则光效率(当固定寿命时)的优点越大，或者寿命(当固定光效率时)的优点越大。事实表明当氙冷充气压强从0.5增加到1巴时，能够达到使起始品质因数明显提高。与此相反，在对流区域(当2.0巴冷充气压强时)内不再(在其它情况下没有值的一提的)可能提高起始品质因数，其解释可以在转变点以下的寿命和充气压强之间的显著依赖关系中看到，而在转变点以上，理论上较大的寿命由于其大的离散宽度，基于上述讨论过的损耗机制，在实践中又遭到抵消。
尤其给人留下深刻印象的是根据本发明抑制了晶界腐蚀。当使用1巴的氙充气及无对流运行的12伏/5瓦灯，经过1800小时工作时间后，实际上没有出现损伤(见图11a)时，带有对流的比照灯(13巴氙)的灯丝经过相同工作时间后已经被严重地损坏(见图11b)。
特殊的优点还表现在按照本发明的灯与反射器相连接，或者基于降低温度负荷的光源。
图12表示测量玻壳的摄氏温度℃(MP表示测量点)的结果，被测量的是12V/10W灯，对照是在现有技术(第2行)和根据本发明的灯(第3行)之间进行的。点燃位置是按照第1行所示。结果表明显著地改善了等温特性，因为其分散宽度在不同的点燃位置显著地降低(按照本发明为55℃，而现有技术为120℃)。此外，绝对的温度负荷也降低了。最大值从315℃降至240℃，最小值毕竟下降也有10℃。
一种这样的反光灯采用公知的冷光反射器21，如图13所示。冷光反射器21由一个椭圆形玻璃罩23和一个模压成形的反射器颈27构成。在玻璃罩23的内表面淀积一层公知的干涉滤光膜24，它在整个可见光光谱范围内具有高反射率，而对红外光是透明的。作为光源使用的是一个12V/10W的卤素白炽灯22，其挤压成型部位29在反射器颈27处借助封泥28来固定。冷光反射器21的光出口具有直径约48毫米。因为灯的低充气压强见上述，所以可放弃在出口处复盖一块玻璃片。这种反光灯具有双螺旋线灯丝，如果该灯在无对流状态下工作，则在挤压成形部位的温度由350℃(早先的高压强灯型)降低到320℃。
表3为12V/5W及12V/10W灯的主要对比数据的一览表，各有一高压强和低压强灯型，但光效率均相同。特别值得注意的是发光体不同的灯丝辐射表面积和不同的灯丝直径。本发明灯的灯丝温度(K)较公知灯低70K。与此相对应，色温也明显的较低，其对寿命起着积极的作用。此外，由于灯丝粗了约10％，因此机械强度获得显著改善。
表3
<p>本发明不仅在低电压区域，而且在高电压区域都具有重要意义。而且后一种在这里，其基本优点更清楚地显现出来。原因在于在高电压区域(或者中电压区域)所使用的发光体灯丝较细，并且其全长显著的较长。因此，如上所讨论的晶界腐蚀现象起着重要作用。
例如前面介绍的12V/50W卤素白炽灯具有发光体的直径约为120微米，其全长为30毫米。与其相对比，一种类似的为高电压设计的灯(230V)，具有相同功率50W，具有双螺旋线灯丝的发光体，其灯丝直径约为20微米，全长约为1米。因为如此长的长度，所以灯丝被变成W形或V形，安装在直径为14毫米的单侧挤压的玻壳内。
图14示出对包括相应修改了灯丝直径而结构相同的230V/25W卤素白炽灯型，在垂直点燃位置时的气体损耗因数β(见图3)进行测量的结果。事实再次表明与充气压强之间由低电压范围已知的基本依赖关系。在灯的无对流和具有对流的工作状态之间的转变点是明显可识别的。这里该转变点以出人意料的方式明显地位于较高处，在大约5巴工作压强时，对应的冷充气压强约为1.9巴。
按照本发明灯的一个特别重要的性能在图15和图16中是可以看清楚的，尤其在高电压灯型中清楚地表现出来。这里涉及到一种230V/50W的反光灯31，类似于刚刚讨论过的25W灯，其越过两根长的馈电引线在压制玻璃反射器33的顶部固接起来。例如该反射器直径为63mm(PAR20)或者95mm(PAR30)。反射器具有灯颈34，其在螺口灯头35处固定。用卤素及惰性气体填充的内玻璃壳32具有弯成W形的发光体37，通过5根支架线38被支撑起来，支架线在缩窄的灯头部位支撑起来。发光体的线段39是大致和轴向平行对准的；其和反射器轴倾斜最大为10°。反射器窗口被一个透镜36所覆盖。
如果该灯按照本发明运作，它也以改善的等温特性标志出来。根据图16再次证实整个损耗因数β基本上按照本发明的方式取决于工作压强(或冷充气压强)。转变点大约位于4巴处。从无对流到有对流运作，在较高压强时才出现转变的趋势，通常和较大的玻壳尺寸有关。但是图16还因为另一特征而具有特殊的意义。亦即表明在气体损耗因数和用对数座标表示的工作压强之间的线性关系，在无对流区域(见图3)展示一种或多或少切合的近似。取决于灯的个别参数-优选的是以中等电压及高电压工作的灯-呈现了与其偏离的曲线。在低工作压强时(低于400毫巴)线性关系占优势，然后接着陡峭的升高到约800毫巴。在那里到达曲线的平顶段；在这段内，气体损耗因数几乎与充气压强无关，其后当过渡到对流运行时(大约在4巴时)气体损耗因数随压强非常灵敏地直线上升。
此种现象的原因尚未完全搞清楚。但是也许有可能它和玻壳尺寸与发光体尺寸的比例及在填充气体内存在的自由路程长度有关。
令人吃惊的表明本发明也可应用于顶棚灯，那就是说双侧挤压成型的管状卤素白炽灯。典型的功率等级为25和1000W之间。尤其令人惊异的是这种拉长延伸灯的性能较少和点燃位置有关。特别是当采用由玻壳材料构成玻璃隔板的玻壳，用以支承发光体(见例如美国专利US-PS5146134)，该隔板将充气容积分为若干单个宽松分界的区域，这样灯的运行状况实际上与点燃位置无关。
图17表示一种带有玻璃隔板的120V/40W顶棚灯，在水平的(圆形测试点)及在垂直的(方形测试点)点燃位置情况下，其气体损耗因数实际上是等同的。与压强的关系再次显示出从单侧挤压成形灯已知的曲线。其转变点位于大约8巴的工作压强。相应的高电压灯型(230V/40W)，它与中电压灯型的区别在于使用了另外的发光体尺寸，显示出类似的特性(见图18)。其转变点略低些，即约在5巴工作压强处。也研究了与填充气体(N2，Ar，Kr，Xe)的关系。实验表明与预期相同重的惰性气体(Kr，Xe)具有较低的气体损耗因数。在无对流区域内，该损耗因数对所采用气体种类的依赖性较小。
最后，图19表示一种230V/150W灯的工作状况。圆筒形石英玻壳，全长约为110毫米(包括挤压部分)，灯管直径约为12毫米，包括一个轴向双卷灯丝约60毫米长。具体的灯丝尺寸取决于所要求的最优化方案，例如是根据寿命呢还是根据光效率。这里的转变点相当高，位于当工作压强约为15巴，相当于约5巴的冷充气压强。这里尤其清楚地表明了如前所述的曲线平顶段以至于在2和15巴之间，气体损耗因数实际上和充气压强无关总保持在约1.05的值。这种灯的基本结构已经在美国专利US-PS5146134和欧洲专利EP-PS0143917中举例说明。就此涉及到它的详细内容。
低电压灯泡的典型内径在3-12毫米数量级，而中电压及高电压灯则在6和15毫米之间。
本发明灯的制造是按照公知方法进行的，但是在此，惰性气体的冷充气压强是被调整在无对流压强范围的上限附近(对低电压灯而言，惰性气体通常是一种稀有气体或者是一种稀有气体的混合物，对高电压灯而言，尤其是单侧挤压成型灯，少量地添加氮是有利的)。在低电压灯情况下此“工作点”选择在紧靠着转变点以下(见图3)。在高电压灯情况下此工作点时常位于特性曲线的平顶段，例如根据图19从转变点延伸到充气压强的较小值。
权利要求
1.带有灯泡的卤素白炽灯，其内包括发光体及填充气体，在此发光体借助两根馈电引线和外部馈电线相连接，其特征在于，三个特征组即玻壳尺寸，发光体尺寸和填充气体性质相互作用以便避免在灯泡内出现值得重视的范围内的对流。
2.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，灯壳由硬玻璃或者石英玻璃构成。
3.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，发光体至少形成近似圆筒形，同时定义一个长轴，并且在发光体的最大横向尺寸和玻壳内壁之间的距离应小于等于朗格缪尔层，其可被归入发光体。
4.根据权利要求3的卤素白炽灯，其特征在于，玻壳构成圆筒形，且在低电压灯情况其内径为3和12毫米之间，而在高或中电压灯情况，内径为6和15毫米之间。
5.根据权利要求3或4的卤素白炽灯，其特征在于，玻壳的填充体积在低电压灯情况为0.05和1立方厘米之间，而在高电压灯情况达15立方厘米。
6.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，填充气体是惰性气体，带有少量含卤素物质的掺杂物，在此，充气压强是如此选择的，以致于其位于第一压强范围上限的附近，在该范围内由填充气体所引起的热功率损耗，在给定的灯结构情况下仅随压强微弱变化；在此，该压强范围位于第二压强范围以下，在此第二压强范围内，热功率损耗在相同灯结构情况下随压强急剧变化，尤其是在第一压强范围内变化量的两倍以上。
7.根据权利要求6的卤素白炽灯，其特征在于，冷充气压强介于0.1至5巴的数量级。
8.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，发光体由螺旋灯丝构成，其直径小于200微米，优选的是小于100微米。
9.根据权利要求8的卤素白炽灯，其特征在于，发光体绕成单螺旋或者双螺旋线的。
10.根据权利要求9的卤素白炽灯，其特征在于，发光体至少近似地构成一个圆筒，其长度大于其直径的1.5倍，尤其大于2倍以上。
11.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，发光体轴向或横向地设置在圆筒形玻壳内。
12.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，灯的色温大约为2400-3400K。
13.根据权利要求1的卤素白炽灯，其特征在于，光效率大于5流明/瓦。
14.根据上述权利要求中任一项的卤素白炽灯，其特征在于，该灯是一单侧挤压的低电压灯。
15.根据权利要求1至13中任一项的卤素白炽灯，其特征在于，该灯是一种中电压或高电压灯。
16.根据权利要求15的卤素白炽灯，其特征在于，该灯是单侧或双侧挤压的。
17.卤素白炽灯的制造方法，其特征在于充气压强是这样选择的，使其位于第一压强范围上限的附近，在该范围内由填充气体所引起的热功率损耗，在给定的灯结构情况下仅随压强微弱变化；在此，该压强范围位于第二压强范围以下，在其内热功率损耗在相同灯结构情况下随压强急剧变化，尤其是在第一压强范围内变化量的两倍以上。
全文摘要
一种卤素白炽灯，在无对流条件下工作。它在寿命约为2000小时情况下可以达到光效率约为15-20流明/瓦，重要的参数是玻壳尺寸，发光体尺寸及填充气体性能。
文档编号H01K5/00GK1138388SQ9419459
公开日1996年12月18日 申请日期1994年12月22日 优先权日1993年12月22日
发明者P·多比阿德, R·敏德尔, K·沃格尔 申请人:电灯专利信托有限公司