CN1455946A - 带有冷却组件的高压气体放电灯 - Google Patents

Abstract

一种带有冷却组件(7、71、83、82)的高压气体放电灯，其特征在于，该灯在一提高的功率级下工作，该灯的内部的冷点温度的升高产生气体压力的升高，同时冷却组件(7、71、83、82)的位置和尺寸确定成，使得在该提高的功率级下基本上防止了该灯泡(43)的脱玻现象和该填充气体的冷凝。一种照明装置，其包括高压气体放电灯以及用于操作该灯的电源单元(80)。其不仅大大提高了光的光谱性质，还由于高的气体压力在较高的工作电压下工作，使得对于给定灯电流获得了相应的较高的灯功率。另一方面，给定相同的灯功率，需要较弱的电流，以使电极具有更长的工作寿命。所有这些在灯的几何形状没有改变下实现。

Description

带有冷却组件的高压气体放电灯

本发明涉及一种带有冷却组件的高压气体放电灯和一种涉及包括这种灯的照明装置。

高压气体放电灯(HID灯[高强放电灯])以及特别是UHP(超高性能)灯由于其光学性质优选地使用在其中，以用于投射用途。

尽可能地如点形状的光源需要用于这些应用中，即电极末端之间的光电弧不应具有超过约0.5-2.5mm的长度值。此外，尽可能高的光强度是所需的，并伴随尽可能自然的光的光谱组成。

这些性质可通过UHP灯优化地实现。然而在这种灯的发展中，两个基本的要求必须同时满足。

一方面，放电空间的内表面处的最高温度不能太高，以至于使通常由石英玻璃制成的灯泡出现脱玻现象。这可能会出现问题，这是因为：由于放电空间内的强对流，灯在光电弧之上的区域中特别强地被加热。

另一方面，放电空间(或燃烧器空间)的内表面上的最冷点仍必须保持足够高的温度，以至于使汞不会在此处沉积，而是仍保持在蒸发状态中。在具有饱和气体填充物的灯中，这需要特别注意。

这两个相互冲突的要求具有的结果是：(通常放电空间的上、下内表面的)最高温度和最低温度之间可允许的最大差值相当小。满足对于该差值的最大值是相当困难的，并且对于灯的功率升高强加一较窄的限制，这是因为其主要是由内部对流而加热的放电空间之上的区域，并且其温度仅可通过灯泡的适当成形而降低到一受限的程度上。

最后，如果灯的光输出太暗，这些要求通常导致出现问题，这是因为其导致气体的冷却和冷凝，并且在多数情况中随之导致产生的光的光谱性质的劣化。

因此本发明的一目的是提供一种起始段提及的高压气体放电灯以及特别是提供一种适合用于投射目的的UHP灯，该灯的光谱性质在较宽的功率范围内明显地改善了。

另一目的是提供一种带有高压气体放电灯的照明单元以及电源单元，借助其，这种灯可在这种情况下工作，即，该灯的光谱性质在较宽的功率范围内明显地改善了。

根据权利要求1，借助于带有冷却组件的高压气体放电灯实现了首先提及的目的，其特征在于，该灯在一提高的功率级下工作，以使得通过该灯的内部(通常为冷点)的温度的升高产生气体压力的升高，同时冷却组件的位置和尺寸确定成，使得在所述提高的功率级下基本上防止该灯泡的脱玻现象和该填充气体的冷凝。

该解决方案的一重要优点在于，不仅大大提高了光的光谱性质，还由于高的气体压力使灯在较高的工作电压下工作，使得对于给定灯电流获得了相应的较高的灯功率。另一方面，给定灯功率，需要较小的电流。其结果为，在用于投射应用的电极间距约为0.5-2.5mm的情况下，电极正常地经受特别强的损耗，本发明的电极具有更长的工作寿命。所有这些在灯的几何形状没有改变下实现。

根据权利要求7，借助于包括本发明的高压气体放电灯以及用于操作该灯的电源单元的照明装置，实现了上述第二目的，其特征在于，电源单元包括用于向该灯提供电源的第一控制电路，通过该灯的内部(通常为冷点)的温度的升高产生气体压力的升高，所述第一控制电路包括一输出端，涉及该灯的电压的程度的信息信号施加到其上，并且该输出端布置成，使得以便连接到用于操作一源的第二控制电路上，该源基于该灯电压的程度产生所述冷却介质流，使得基本上防止该灯泡的脱玻现象和该填充气体的冷凝。

该解决方案的优点在于，灯和冷却组件按这样一种方式工作，即，它们相互协调。其特别涉及被调节的灯的输出功率和灯电压，这是因为后者取决于灯中的气体压力，使得相比于没有冷却的额定功率的灯，该灯的光输出功率可提高约1.5-3倍，且没有观察到灯泡的脱玻现象。

此处应当注意到，由JP-6-52836可知卤化物金属蒸气灯，该灯包括一空气通道，借助该通道空气流引导到发光管的外表面的上部。该空气流的目的是借助于使温度分布尽可能的均匀以延长灯的工作寿命。除了以下事实，即由此不能获得光的光谱性质的提高，还存在最冷点的温度特别对任何空气流敏感的问题，这是因为在原处(即灯泡的下侧处)的温度梯度比上侧处的温度梯度更窄。对于使得没有汞冷凝的空气流的可允许范围相应地非常窄，使得强加了对于冷却***的精确性的高要求和窄的容许范围，以遵守。另一方面，由于汞的冷凝，发射光的光谱和发热电压分别受损和降低。其还提出在反射器中的水平位置设置一玻璃板，从而防止灯的下侧的不希望的冷却。然而该措施不仅引入大量的费用，还不利地影响灯光学输出功率。

从属权利要求涉及本发明的另一有利的实施例。

权利要求2的实施例在灯功率可调节的情况下特别有利。

使用如权利要求3-6所述的实施例，该冷却的有效性进一步提高，从而使灯功率进一步提高或灯电流相应地降低，同时光的光谱性质进一步改善。

权利要求8所述的实施例涉及完整的照明装置，其带有用于灯和冷却组件的电源单元，该结合产生经济性优点。

权利要求9所述的实施例涉及基于灯的功率的冷却优化，从而根据权利要求10输出功率降低(变暗)而不损害光的光谱性质。权利要求11和12所述的实施例具有灯的快速接通和重新启动的特别的优点。

本发明的进一步的细节、特征和优点通过随后参照附图的优选实施例的描述将清晰地表现出来，附图为：

图1为UHP灯的示意性截面图；

图2示出了不带冷却的自身稳定的电极的燃烧器空间的区域中的温度分布；和

图3示出了带有本发明的冷却的电极的燃烧器空间的区域中的温度分布。

图1为本发明的UHP灯的示意性截面图，其带有反射器壳体1，该壳体的开口优选地由前盘2封闭。前盘2形成光发射表面并在灯破损的情况下起到保护环境的作用。其可构造为用于产生的光的滤光器盘。多个通气孔31、32沿反射器壳体1的周边布置在反射器壳体1的开口的区域中。

电极组件4从反射器壳体的远离开口的端部延伸入该壳体中。电极组件4大致包括第一电极41和第二电极42，其呈现在灯泡43中，并且在其相互面对的末端之间弧光放电在灯泡的燃烧器空间(burnerspace)(或放电空间)内被激发。电极41、42的各自的另一端部连接到灯的电连接部5、6上，灯工作所需的供给电压通过该电连接部。

带有出口喷嘴71的空气通道7与电极组件4相邻地延伸到反射器壳体1中。空气通道7连接空气压力源83，以使空气流可通过出口喷嘴71引导入燃烧器空间(burner space)431，该空气流通过通气孔31、32离开反射器壳体1。

该结构的特别的优点是空气通道7位于灯的锥形光束的外侧，使得没有明显的光损失出现。此外，空气通道7以简单的方式与电极组件4从后部一起引入反射器壳体1并进行安装。

可替代图1的是，空气通道7可经在燃烧器空间的区域之上的附加的开口引入反射器壳体1，并且空气流沿该方向对准该区域。

最后，还可以布置用于影响空气流进入反射器壳体1内部的元件，以便以这种方式强化空气流的效果。

依据本发明的灯优选地通过电源供给单元80来工作，其包括对于公用电源电压的输入端E。它包括用于向灯供电的第一控制电路81和用于操作产生出空气流的源83的第二控制电路82。此外，设置有一监控和控制装置84，借助于该装置测量施加给灯的该灯电压。或者，第二控制电路82可与源83组合在单独的冷却单元中，在该情况中监控和控制装置84优选地具有输出端，其设置用于连接到冷却单元，并且例如涉及灯电压的程度的数字信息信号施加到其上。

为了阐明本发明的冷却操作，参照图2，电极组件4的燃烧器空间(或放电空间)431的区域首先进行详细描述。图2示出了电极41、42的相互面对的区域和其末端411、421，其延伸入灯泡43的燃烧器空间431中，并且在其间光电弧在灯工作状态下形成。

在该状态下，灯泡43的燃烧器空间431和周围区域被不同程度地加热。在灯工作状态下，灯泡的最高温度T1出现在燃烧器空间431的上内侧，而燃烧器空间的相对的下内侧的温度T2比T1低。由于穿过通常由石英玻璃制成的燃烧器空间的壁的温度梯度，燃烧器空间的上外侧的温度T3低于在相同位置处的内侧上的温度T1，但是其仍是燃烧器空间的外侧上的最高温度。最后，在燃烧器空间的下外侧的温度T4低于下内侧的温度T2。上述位置在图中由T1-T4标记出。这样可获得以下关系：T2＜T1，T1＞T3，和T2＞T4。

考虑到灯的结构和光效能的优化，这些温度必须满足以下要求。

燃烧器空间的上内侧的最高温度T1不能达到存在使石英玻璃出现脱玻现象的危险的温度。另一方面，燃烧器空间的下内侧的最低温度T2必须足够高，以使汞不会在该处沉积，而且保持蒸气相。确定的是，对于T1和T2之间的差值由热等离子体中的对流和传热而确定。这意味着该差值与燃烧器空间内的气体压力成比例，并且因此特别在UHP灯的情况下该差值代表临界量。

为了实现上述依据本发明的灯的优点和特征，尽可能高的气体压力(汞蒸气压力)为针对的目标。根据以下等式该压力取决于灯内部的冷点的温度T：p_Hg[bar]＝2.5*10⁵*e^-815OK/T。因此如果例如200bar的压力可获得，150K的冷点温度是必须的。

这样，通过在灯内部的冷点温度的提高，可获得气体压力的提高。根据本发明，如果灯可在升高的功率级下工作，冷却组件构造成并尺寸确定成，以防止出现灯泡的脱玻现象且没有填充气体的冷凝。

特别是通过使用空气通道7和其出口喷嘴71的结构和组件，依据本发明的冷却满足了这些要求和边界条件。如图3中箭头所示的空气流72偏斜地对准燃烧器空间431之上的区域进行冷却。这导致温度分布的改变。燃烧器空间的外表面上的最高温度T3通过冷却减小到T13，并且同时在外表面上沿气流方向变换。燃烧器空间的内表面上的最高温度T1相应地减小到温度T11，并沿气流方向变换。燃烧器空间的外表面上的最低温度T14出现在空气流冲击灯泡43的位置处。在燃烧器空间431的内侧，在其下侧处，可发现温度T12逆气流方向而变换为最低温度，或者特别是在强气流的情况下，温度T122逆着朝向燃烧器的上侧的气流方向而变换。

对于一给定的且几何形状不变的灯，依据本发明的冷却组件可提高灯的功率，燃烧器空间的上内侧上的极高临界的最高温度T1并不随之升高。甚至在以下情况下，即温度T11升高并由于没有预见到的情况导致灯泡的局部脱玻现象时，这不会干扰有用的锥形光束，这是因为该脱玻现象可能存在与被电极遮挡的区域中，如图3所见。

由于灯的功率的升高，尽管进行额外的冷却，燃烧器空间中的冷点的温度T2不会下降。因而在宽的参数范围内没有汞的冷凝发生。冷却气流和灯功率的同时调节在这里是重要的，冷却气流通常取决于灯功率来进行控制。如果灯仅被冷却而功率没有升高(当该冷却对准上侧时)，汞将立刻冷凝，特别是灯充有饱和气体填充物时汞将立刻冷凝，这样使得灯的特性恶化到不希望的程度。

为了该目的，进行了对比实验，其中尺寸确定为额定功率100W的UHP灯在150W的升高的功率下工作超过4000小时。如果没有本发明的冷却，在数百小时后可观察到强烈的脱玻现象，然而带有本发明的冷却则没有任何脱玻现象被检测到。

进一步示出：尺寸确定为额定功率100W的UHP灯甚至在200W的升高功率下工作时，在燃烧器空间内的温度没有超过临界极限。对于尺寸确定为额定功率100W的UHP灯，在其带有本发明的冷却组件且在350W的功率下工作的情况下也可发现相同的结果。总的结果是该灯的最大(升高的)功率可升高到300W以上，且灯的其它性质不受不利的影响。一般地，如果使用冷却组件，该灯的输出功率可升高到其约1.5-3倍。此外有用的是对于可能的更高电流改变电极的尺寸。

进一步示出：比较微弱的每分钟约1-101的空气流量对于大致冷却效果已经足够。如果空气流越准确地对准并集中在燃烧器空间的上侧上，则对于获得冷却必要的所需的空气流量就越小。因此为了保持需要的尽可能小的空气流量，使用一直径沿朝向出口的方向变窄的喷嘴71变得有意义。发现1.6-4mm的内径在这方面特别有利。可替换的是使用不带喷嘴的直径为1-5mm的简单管。

产生空气流的源83可以是简单的风扇、径向风机或小泵，其尺寸确定成，以获得所需的压力或所需的流量。已发现在图1所示的空气通道7的出口处需要数量级为50Pa的空气压力，该通道终止于喷嘴71并具有约150mm的长度。如果考虑到进一步的损失，例如上游空气过滤器导致的损失，约100Pa的压力通常是足够的。

因为当本发明的冷却组件使用时灯泡可较小，为获得约30％的工作的光输出必需的接通持续时间大大地缩短。为了实现这种情况，冷却组件优选地不接通，直到灯功率超过一给定最小值的时刻。

该冷却组件的另一优点是：在灯关断之后该冷却保持例如约10-30秒，在该情况下，气体(汞)比较快地冷凝，并且因此内部气体压力比较快地降低。随后冷凝不会邻接电极发生，而是紧靠燃烧器空间431的内壁发生，即主要是在空气流作用于灯泡43的区域中。这样的结果是在灯关断的几秒之后，可以一比较地的起辉电压重新起辉。

给定灯泡43和燃烧器空间431的某一尺寸，尽可能强烈的冷却和随之的强空气流是为获得灯的尽可能高的输出功率和高的工作压力所必需的。然而，由于在燃烧器空间431内汞的冷凝，对于其设定了一限制。已发现：通过监控灯电压的下降，可观察到在燃烧器空间中的最冷点中的冷凝的开始，其不需要必需处于燃烧器空间的下侧。给定通过由第一控制电路81调节的灯的某一光输出，按这种方式，通过由监控和控制装置84到第二控制电路82获得的灯电压的测量和反馈，可控制空气流，以使该空气流的确尽可能地强，但不能太强，以至于发生有损于灯的特性的冷凝。相反地，由于该反馈，一稳定的工作状态自身调节，因此灯的光输出可最大化。

本发明的灯与上述电源单元80的组合的另一优点是产生具有不同的光输出的灯的工况。在燃烧器空间的内部的最佳工作状况(气体压力)可始终保持，特别是在灯变暗的情况下借助于适当的降低冷却而获得。这具有的结果为，灯的特性，特别是发射光的颜色光谱的方面没有受到损害，同样在光输出降低时也没有损害。本发明的UHP灯的有用的亮度降低的范围从已知的UHP灯不超过最大光输出的约80％变宽到40％或对于本发明的UHP灯甚至更低的范围内，这是因为通过基于经过灯的电压降适当地降低或关断冷却，汞的冷凝较高程度地被防止。

为了防止在灯泡机械损坏的情况下汞进入环境，监控和控制装置84还可构造成，当检测到该损坏中断灯电流，基于此产生空气流的源被切断，并且一适当的膜装置(未示出)在反射器壳体1的通气孔31、32的前面移动。

Claims (13)

1.一种带有冷却组件的高压气体放电灯，其特征在于，该灯在一提高的功率级下工作，以使得通过该灯的内部的温度的升高产生气体压力的升高，同时冷却组件(7、71、83、82)的位置和尺寸确定成，使得在所述提高的功率级下基本上防止该灯泡的脱玻现象和该填充气体的冷凝。

2.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述冷却组件(7、71、83、82)基于由该灯发出的功率来控制。

3.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述冷却组件(7、71、83、82)由一用于产生冷却介质流并将所述流引导至灯泡(43)的具有最高温度的区域的装置来形成。

4.如权利要求3所述的高压气体放电灯，其特征在于，所述冷却组件包括一空气通道(7)和一连接到其上以用于产生所述冷却介质流的空气压力源(83)，当该灯处于工作状态时，所述流被引导至一位于电极组件(4)的相互面对的电极末端(411、421)之上的区域。

5.如权利要求4所述的高压气体放电灯，其特征在于，该空气通道(7)终止于内径为0.5-5mm的喷嘴(71)。

6.如权利要求4所述的高压气体放电灯，其特征在于，该空气压力源(6)构造成，以使流量为每分钟1-201的空气流经所述空气通道(7)被引入。

7.一种照明装置，其包括如权利要求1-6中任一项所述的高压气体放电灯以及用于操作该灯的电源单元(80)，其特征在于，电源单元(80)包括用于向该灯提供电源的第一控制电路(81)，由该电源通过该灯的内部的温度的升高产生气体压力的升高，所述第一控制电路(80)包括一输出端，涉及该灯的电压的程度的信息信号施加到其上，并且该输出端布置成，使得以便连接到用于操作一源(83)的第二控制电路(82)上，该源基于该灯电压的程度产生所述冷却介质流，使得基本上防止该灯泡的脱玻现象和该填充气体的冷凝。

8.如权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述电源单元(80)包括用于操作所述源(83)的第二控制电路(82)，该源产生所述冷却介质流。

9.如权利要求7所述的照明装置，其特征在于，所述电源单元(80)包括一监控和控制装置(84)，借助于该装置，经过该灯的电压降被测量，并且借助于该装置，第二控制电路(82)基于所述电压中的升高或下降被控制，以使由源(83)产生的所述冷却介质流降低或升高到一程度使得基本上没有该灯内的填充气体的冷凝和该灯泡的脱玻现象发生。

10.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，该灯的光输出通过第一控制电路(81)可变暗，基于此对于中等的变暗程度可减小冷却介质流，对于高的变暗程度可关断冷却介质流。

11.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述监控和控制装置(84)控制所述第二控制电路(82)，以使冷却介质流在该灯接通后直到灯电压超过一给定最小值的时刻时才接通。

12.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述监控和控制装置(84)控制所述控制电路(82)，以使冷却介质流在该灯关断后保持一给定的时间段。

13.如权利要求9所述的照明装置，其特征在于，所述监控和控制装置(84)检测该灯电流，并且在该灯电流中断的情况下，该监控和控制装置控制所述第二控制电路(82)，以使冷却介质流被关断。

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