CN1885484A - 快速升温的陶瓷金属卤化物灯 - Google Patents

Abstract

一种陶瓷金属卤化物灯，其中陶瓷放电容器由氧化镝形成。此灯的升温时间小于具有多晶氧化铝制成的陶瓷放电容器的类似构造和操作的灯的升温时间的约50％，优选为小于升温时间的约三分之一。

Description

快速升温的陶瓷金属卤化物灯

技术领域

本发明涉及一种快速升温的陶瓷金属卤化物灯。

背景技术

金属卤化物放电灯已经因为其高功效和高色彩再现属性而受到欢迎，这些属性是由它们的稀土化学成分产生的合成发射光谱引起的。尤为理想的是陶瓷金属卤化物灯，它们提供了优于传统石英电弧管类型的改进的色彩再现、色温和功效。这是因为陶瓷材料可以在比石英更高的温度下工作并且较不易与各种金属卤化物化学成分发生反应。优选的陶瓷材料是多晶氧化铝(多晶矾土或PCA)。

已经提出了各种形状用于陶瓷放电容器，包括从完全圆筒形到大致球形(膨胀泡体形状)。这些类型的电弧放电容器的示例分别在欧洲专利申请No.0 587 238 A1和美国专利No.5,936,351中给出。具有半球形端部的膨胀泡体形状是优选的，因为其产生更均匀的温度分布，从而使得金属卤化物填充材料对放电容器的腐蚀减小。

将陶瓷金属卤化物灯引入更广阔市场(例如家居应用)的一个限制是使灯升温并达到其具有全部光输出的稳态工作状况或稳态工作电压所花费的时间。对于典型的陶瓷金属卤化物灯，根据传递功率的量和灯的热容量，此升温时间可能花费数十至数百秒。更大的灯具有更大的质量，并且因此需要更长的时间来吸收足够能量以将它们的温度升高到金属卤化物盐被充分气化以产生期望光输出的程度。除了限制陶瓷金属卤化物灯的应用外，慢升温还可导致钨电极的溅射从而引起灯黑化并降低光输出。

已经提出来减小升温时间段的一种方法是在最初阶段对灯过度供能直到灯完全工作。例如，通常在35W工作的汽车灯以通常方式点亮并由于需要立刻照亮道路因而在约90W下工作数秒。但是，此方法需要不同的镇流器以用于灯的工作并且仅在安装新卡具时才实用。此外，过大瓦数存在由热冲击引起陶瓷放电容器的破裂和***故障的风险。

美国专利No 6,294,871描述了使用从氧化铕、氧化钛和氧化铈中选择的UV(紫外线)吸收添加剂对陶瓷体掺杂质，主要是对于多晶氧化铝电弧管进行掺杂质，以提供UV衰减。掺杂优选地在低于约5000ppm的水平下实施以保持半透明。还描述了包括镧、镝、钕在内的其它稀土金属氧化物也可以提供UV衰减。归功于掺杂物的另一个效果是允许电弧管在更高温度下运行。但是，该专利未包括任何与电弧管的升温时间的效果有关的信息。

因此，有利的是提供能够一种在已有卡具中或者在期望快速升温的其它应用场合中使用的快速升温的陶瓷金属卤化物灯。

发明内容

我们已经发现，通过用多晶氧化镝(镝氧化物，即Dy₂O₃)制成放电容器，可以明显地缩短陶瓷金属卤化物灯的升温时间，至少缩短约50％。更短升温时间的原因被认为是在275-475nm范围中多晶氧化镝具有强吸收频带与具有低于PCA(多晶氧化铝)的热容性相结合的结果。这些强吸收频带在没有掺杂质的PCA中是不具备，并且这些强吸收频带吸收由放电发射出的UV和蓝光辐射，这些辐射随后被转换为热量从而导致放电容器和金属卤化物填充物成分的更快速升温。较低的热容性意味着只需要较少的热量来提高放电容器温度。

在包含汞的传统金属卤化物灯中，在升温阶段中从放电发射出的辐射通常是在254nm、365nm和436nm处具有强光谱线的Hg原子发射。实际上，在升温期间的低功率阶段中产生蓝光和UV辐射，在现有技术中其离开PCA放电容器。在本发明中，可获取此辐射并将其转换成用于放电容器的陶瓷主体的热量。从实质上说，在不对镇流器过度供电的情况下就在升温阶段增大了可用于加热放电容器的功率量。

具有多晶氧化镝放电容器的金属卤化物灯的升温时间低于具有PCA(多晶氧化铝)放电容器的类似构造和操作的灯的升温时间的约50％，优选为低于其升温时间的约三分之一。例如，在正常即无过大瓦数条件下工作时，与具有Al₂O₃放电容器的同样的灯的大于50秒升温时间相比，具有Dy₂O₃放电容器的70瓦陶瓷金属卤化物灯具有小于约20秒的升温时间。因为仅通过改变陶瓷材料就实现了快速升温，所以根据本发明的金属卤化物灯可以在现有卡具中工作而无需改变电镇流器。在本文所使用的术语“陶瓷金属卤化物灯”还包括具有基本上仅包含金属汞作为填充物的陶瓷放电容器的灯。

附图说明

图1是根据本发明的陶瓷金属卤化物放电容器的剖视图。

图2是陶瓷金属卤化物灯的视图。

图3是根据本发明的在工作的陶瓷金属卤化物灯的电特性曲线图。

图4是对于根据本发明的陶瓷金属卤化物灯与具有传统PCA放电容器的类似构造和操作的金属卤化物灯相比较的V_imax随时间变化的曲线图。

图5是抛光的多晶氧化镝盘的直进透光度的曲线图。

具体实施方式

为了更好理解本发明以及其其它和进一步的目的、优点及能力，结合所述附图参照以下公开及所附权利要求。

现在参照图1，示出了根据本发明的金属卤化物灯的放电容器的剖视图。放电容器1为具有半球形端部腔17的膨胀泡体形状。膨胀泡体形状的容器具有包围放电室12的中空轴对称主体6。放电容器的主体由多晶氧化镝构造成。

两个相对的毛细管2沿着中心轴从主体6向外延伸。此实施例中的毛细管已经与陶瓷主体模制成一体。放电室12可以包括缓冲气体和金属卤化物填充物8，缓冲气体例如是30torr至20bar的Ar、Ne、Kr、Xe或其混合气，金属卤化物填充物8例如是汞加上金属卤化物盐混合物，如NaI、CaI₂、DyI₃、HoI₃、TmI₃和TlI。灯填充物不限于这些特定的盐。也可以使用其它稀土、碱和碱金属的盐，例如PrI₃、LiI或者BaI₂。这些金属卤化物填充物也可以没有汞，在此情况下金属卤化物盐混合物也可以包含其它容易挥发的成分，例如InI和ZnI₂。填充物8也可以基本上仅为足量的汞以产生约200bar的工作压力。

电极组件14利用熔结材料9密封到毛细管2。电极组件14的放电末端3突伸到放电室12中并且相反端部5延伸超出毛细管的远端11以向放电容器供应电能。可以通过多种类型的电子镇流器来提供电能，其包括导柱或护套的镇流器类型(未示出)、50或60Hz的传统磁镇流器、或者以适当频率以便使得灯工作在不出现非期望的共鸣的频率区域中的电子镇流器，例如90Hz的方波。

在优选的结构中，电极组件由铌馈电件、钨电极和钼线圈构成，该钼线圈缠绕在焊接于钨电极和铌馈电件之间的钼或Mo-Al₂O₃金属陶瓷棒上。钨线圈或者形成电弧附接点的其它适合装置可以固定到钨电极的末端3。熔结材料9在电极组件14和毛细管12之间建立气密密封。在金属卤化物灯中，通常期望使熔结材料穿过毛细管中的穿透性最小化以防止与腐蚀性金属卤化物填充物的不利反应。

图2是陶瓷金属卤化物灯的视图。放电容器1在一端处连接到装接至框架35的导线31上，并且在另一端处连接到装接至安装柱43的导线36上。电能通过螺口灯头40供应到灯。螺口灯头40的带螺纹部分61通过导线51电连接到框架35上，导线51连接到第二安装柱44。螺口灯头40的灯头触点65通过绝缘体60与带螺纹部分61电绝缘。导线32提供灯头触点65和安装柱43之间的电连接。导线51和32穿过玻璃杆47并被密封在其内。导线39形式的起动辅助件螺旋缠绕在放电容器1的下毛细管周围并且连接到框架35。这在毛细管中产生小的电容性放电以被用作电子源来代替UV发射起动辅助件。

玻璃外罩30环绕放电容器及其相关部件，并且被密封到杆47上以提供气密环境。典型地，外罩被抽真空，尽管在某些情况下其可以包含高达400torr的氮气。吸气条55被用来减小罩中环境的污染物。

示例

参照图3，示出了陶瓷金属卤化物灯的电压、功率和电流波形。在此情况下，根据本发明放电容器由氧化镝构造成。电压波形的特征在于在每个1/2周期的开始处有触发峰值(ignition peak)，其后是相对平的区域，在此平的区域期间功率和电流波形达到其最大值。在本文中，当电流处于其最大值时的正电压被定义为V_imax并且可以用于监控灯的升温特性。

图4是从电弧放电的最初触发开始测量到的作为时间函数的V_imax的曲线图。此曲线图示出了两个灯的电压上升特性：具有多晶氧化镝放电容器的70W金属卤化物灯和具有多晶氧化铝放电容器的标准70W金属卤化物灯。除了放电容器材料外，这些灯相似地构造并工作。特别地，这些灯以60Hz基于线性电抗器工作。在稳态工作期间阻抗被调节成以便向每个灯输送70W。每个灯使用相同的触发器和安装结构。在每种情况下，钨电极的尺寸保持相同，电极间距保持为7.4mm，并且灯填充物为5.7mg Hg和7.6mg金属卤化物盐混合物，此金属卤化物盐混合物按重量百分比包括54.5％NaI、6.6％DyI₃、6.7％HoI₃、6.3％TmI₃、11.4％TlI和14.5％CaI₂。灯还包含300mbar的Ar。

该Dy₂O₃放电容器稍微小于标准的70W PCA放电容器，但是尺寸差别并不被认为与观察到的Dy₂O₃容器的快速升温相关。这是因为在所有尺寸和瓦数的具有PCA放电容器的金属卤化物灯中都存在较慢升温。表1中给出了容器的尺寸。

表1

	Dy2O3容器	PCA容器
			毛细管内径，mm	0.70	0.80
毛细管外径，mm	1.96	2.65
			主体外径，mm	8.0	9.7
壁厚，mm	0.52	0.80-0.90
			整体长度，mm	36	38

当V_imax中不再有显著变化时灯“升温”到它们的稳态工作状况。参照图4中的曲线，两种情况下的V_imax的随时间变化率向着一个数值渐进地减小，该数值在本文中被定义为稳态工作电压V_SS。更具体而言，通过将t＞100秒的曲线结束部分与第一阶指数曲线y＝y0+A1 exp(-t/t1)相拟合可以获得这两个灯的稳态工作电压，其中y0表示在t的很大值处y的渐进值，A1是幅值并且t1是衰减常数。对于具有Dy₂O₃放电容器的灯，y0、A1和t1的值分别是80.6、92.5和19.5。对于具有Al₂O₃放电容器的标准灯，y0、A1和t1的值分别是75.1、-44.0和44.5。因为y0也表示V_SS的值，对于具有Dy₂O₃放电容器的灯V_SS的值是80.6而对于具有Al₂O₃放电容器的标准灯V_SS的值是75.1。

利用所确定的V_SS值可以直接比较这些灯的升温性能。如本文所定义，灯的升温时间是最初电弧触发之后V_imax达到稳态工作电压V_SS的90％所用的时间。在图4中对两种灯都绘制出了此阈值点。对于具有Dy₂O₃放电容器的灯，此点在最初电弧触发之后约18秒处产生。另一方面，对于具有Al₂O₃放电容器的标准灯，此点在迟得多的时间点约53秒处产生。因此，具有Dy₂O₃放电容器的灯的升温时间仅为标准灯的升温时间的约1/3。

如果人们认为与PCA相比时Dy₂O₃具有更低的热扩散性(在500℃下约低5倍)和更低的热传导性(约低7倍)，则不会预计有此效果。如果陶瓷中的热传导是热传送的唯一机理，则将预计出Dy₂O₃容器的冷端部加热更慢从而导致更慢的升温。所以，如上所述，辐射吸收特性肯定在Dy₂O₃容器中所观察到的快速升温中起重要作用。在图5中可以看到Dy₂O₃的吸收属性，图5示出了抛光的多晶氧化镝盘的直进透光度。通过从200至475nm的低透光度值表明了多晶氧化镝对于UV和蓝光的强吸收。

进一步的考虑是Dy₂O₃的较低热容。就体积热容而言，PCA实际上比Dy₂O₃高1.5倍。因此，仅在热容性的基础上，将消耗较少的热量来升高给定体积的Dy₂O₃容器的温度。这也被视为对Dy₂O₃容器的快速升温的重要贡献。

虽然以及示出并描述了当前被视为本发明优选实施例的那些内容，但对本领域技术人员显而易见的是在不背离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下此处可以进行各种变化和改进。

Claims (9)

1.一种陶瓷金属卤化物灯，其包括：由氧化镝构造成的陶瓷放电容器，所述灯的升温时间小于具有由多晶氧化铝制成的陶瓷放电容器的类似构造和操作的灯的升温时间的约50％。

2.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述灯的升温时间小于具有由多晶氧化铝制成的陶瓷放电容器的类似构造和操作的灯的升温时间的约三分之一。

3.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述放电容器是膨胀泡体形状。

4.根据权利要求1所述的灯，其特征在于，所述灯不在过大瓦数条件下工作。

5.一种陶瓷金属卤化物灯，其包括：

适于连接到电源上的灯头；

装接到所述灯头上的外罩；

安装在所述外套内的放电容器，所述放电容器具有包围放电室并由氧化镝构造成的中空陶瓷主体，毛细管从所述主体向外延伸并装接到所述主体上，每个毛细管具有穿过其的电极组件；

每个电极组件具有突伸到所述放电室中的放电末端和从其各自毛细管的远端延伸出的相反端部，所述相反端部电连接到所述灯头上；每个电极组件利用熔结材料被密封到其各自的毛细管；

所述放电室包含金属卤化物填充物材料和缓冲气体；且

所述陶瓷金属卤化物灯的升温时间小于具有由多晶氧化铝形成的陶瓷主体的类似构造和操作的灯的升温时间的约50％。

6.根据权利要求5所述的灯，其特征在于，所述灯的升温时间小于具有由多晶氧化铝形成的陶瓷放电容器的类似构造和操作的灯的升温时间的约三分之一。

7.根据权利要求5所述的灯，其特征在于，所述放电容器是膨胀泡体形状。

8.根据权利要求5所述的灯，其特征在于，所述灯不在过大瓦数条件下工作。

9.一种陶瓷金属卤化物灯，包括：

适于连接到电源上的灯头；

装接到所述灯头上的外罩；

安装在所述外套内的放电容器，所述放电容器具有包围放电室并由氧化镝构造成的中空陶瓷主体，毛细管从所述主体向外延伸并装接到所述主体上，每个毛细管具有穿过其的电极组件；

每个电极组件具有突伸到所述放电室中的放电末端和从其各自毛细管的远端延伸出的相反端部，所述相反端部电连接到所述灯头上；每个电极组件利用熔结材料被密封到其各自的毛细管；

所述放电室包含金属卤化物填充物材料和缓冲气体；且

所述灯被设计为在70瓦下工作并具有小于约20秒的升温时间。

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