CN100401458C - 被冷却的高压气体放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及被冷却的高压气体放电灯，它至少包括一个被冷却的灯泡(43)，该冷却灯泡气密封闭出一个充满气体的放电腔(431)，在气体放电时，至少在该放电腔(431)内存在着不均匀的温度分布，该放电灯还包括一个带有冷却剂的冷却装置(7)，该冷却装置产生定向的冷却剂流(9)，其中，所述冷却剂是冷却液并且所述冷却剂作用于该灯泡(43)，该灯可以以更高的功率工作，并且这样提供该冷却剂流(9)，即当该灯的功率消耗更高时，基本防止了灯泡(43)失去任何透明性及气体冷凝，该高压气体放电灯是一个用于投射目的的短弧灯。

Description

被冷却的高压气体放电灯

技术领域

本发明涉及被冷却的高压气体放电灯，它至少有一个被冷却的灯泡，该灯泡气密封闭出一个充满气体的放电腔，在气体放电时，至少在该放电腔内存在着不均匀的温度分布，该放电灯还包括一个带有冷却剂的冷却装置，该冷却装置产生定向的冷却剂流。

背景技术

因为其光学性能，高压气体放电灯(高亮度放电(HID)灯)且尤其是超高性能(UHP)灯被优选用于投射。

对这种应用来说，需要尽可能成点状的光源以使电极尖端之间形成的电弧长度不超过约0.5mm-2.5mm。还希望光强度尽可能高并且光线的光谱成分尽可能自然。

目前，可以用UHP灯最佳地获得这些性能。但是，在该灯的发展中必须必须同时满足两个基本要求：

一方面，在放电腔内表面上的最高温度必须不高到导致通常由石英玻璃制成的灯泡失去透明性。因此，这可能是成问题的，因为在电弧上方的区域因在灯的放电腔内的强对流被非常强烈地加热。

另一方面，在放电腔(电弧室)内表面上的最冷位置必须仍处于这样高的温度，即水银仍不沉淀在那里，而是总体上使适量水银保持蒸发状态。对于填充有饱和气体的灯来说，尤其要注意这一点。

这两个相互矛盾的要求导致了在最高温度与最低温度(通常是放电腔顶部与底部内表面处)之间的最大允许差值比较小。但是，由于内部对流的原因，在放电腔上方的区域主要被加热并且其导热性能只能通过相应地设计灯泡被有限地提高，因此，遵守这个最大差值比较困难，并且灯的功率提高很有限。原则上，可以通过空气冷却来提高相关的功率，在这里，由于空气的物理性能，只能从灯泡中散走有限的热量。

空冷型灯在光学技术中是众所周知的。例如，在DE 1903117中描述了一种形成聚光探照灯的空气冷却型短弧灯。该聚光探照灯有一个用于在反射镜焦点处起作用的灯的反射镜和一个具有光密度的高功率点状光源，在用喷嘴将空气吹入灯泡内的情况下冷却该聚光探照灯。所述教导详细指出了本领域技术人员的假定条件，即这类高性能短弧灯必须具有人工的空冷效果。

发明内容

本发明的目的是提供上述类型的高压气体放电灯且尤其是UHP灯或适用于投射的照明单元，其光谱性能至少保持在更宽的功率区内。

如此实现本发明的目的，即所述冷却剂是冷却液并且所述冷却剂作用于灯泡上，该灯能够以更高的功率工作并且如此提供该冷却剂流，即在灯的功率消耗更高时，基本防止了该灯泡失去透明性以及防止了气体冷凝。

该解决方案的主要优点不仅在于光线的光谱性能保持较高水平，而且该灯能够在较高的工作电压下工作，这意味着，在同样的灯电流的情况下，就能获得相应较高的灯功率。另一方面，如果灯功率保持相同，则只需要较小电流。结果，在对投射用途有意义的通常约为0.5mm-2.5mm的电极间距的情况下遇到严重磨损的电极具有长得多的使用寿命。

因为使用了冷却液如水或含水混合物，所以能够在单位时间内得到更高热传输值。冷却液的选择前提是不应使光的光谱性能有明显变化。冷却剂流的性能如与灯泡限定区域的接触方式主要影响到灯泡散发热量。

根据本发明，特别关注那些在灯工作时出现最高温度的灯泡区域。必须考虑例如成水平或垂直的灯的特殊安装位置，因为这主要影响了在放电腔内及因此在灯泡内的温度场的温度分布。本发明冷却系统的尺寸和设计的另一个准则就是在放电腔内的温度均匀分布。

根据本发明的解决方案的一个优点是，灯和冷却装置可以互相协调工作。这尤其涉及设定的灯功率，在灯泡没有明显失去透明的情况下，不用冷却就能将够与额定功率相比将其提高约2-10倍。此外，通过协调工作如利用一控制电路，就保证了在确定灯内电压下降时就这样减弱冷却，即防止水银冷凝。

本发明的一个特别有利的实施例是成短弧灯形式的且被用于投射的高压气体放电灯。

在可以或必须可变地调整灯的功率消耗的情况下，根据灯的功率消耗来按规定控制由冷却装置产生的冷却剂流是适用的。除此之外或作为可选方式，优选这样的冷却装置工作，即冷却剂在常见的闭合回中流动。

当该冷却剂流至少直接对准在放电腔上方的且因而定期处于最高温度下的灯泡区域时，所述冷却最有效。

在水平安装灯的情况下，更多的冷却剂或所有冷却剂最好指向在一电极装置的对置电极尖端的上方的区域。依靠一个例如所谓的外壳，更多的或所有的冷却剂流可以指向此区域，在这里，该冷却剂流在外壳的上部区域内的体积流速比在下部区域内的高。

当灯是垂直安装时，更多的或所有的冷却剂流最好指向在一电极装置的位于上电极尖端之上的区域。冷却剂流最好可以被导向上电极引线区域里导向流动。引导冷却剂流是特别适当的，因为在该灯泡区域内只发出很少量的光。因此，液体冷却对光的有关参数的影响不大。

此外，最好在该灯的位于该放电腔上方的各安装位置中的区域具有比在下方的区域更高的传热系数。这尤其可以通过以下方式实现，即在该放电腔的下方和/或上方的区域内设有能够在本发明的意义上影响在那里的传热系数的机构和/或该灯泡的尺寸被确定为能够在本发明的意义上影响那里的传热系数。这样的热力工程和绝缘工程中本身已知的机构例如在涂覆在灯泡外表面上的绝缘层或绝缘膜。这样，传热系数通常能够更有效地得到控制。在灯的主要光锥之外，尤其在电极引线点附近，也可以使用不透明的涂层。这样，可以相当有效地影响传热系数。

在放电腔下方的区域内，最好布置减小该灯泡的靠下区域的传热系数的机构，如涂覆在玻璃体的透明层或透明层。

在这个意义上，位于该放电腔上方的区域的壁厚朝向靠下的区域增大。因此，在水平安装灯泡时，在一电极装置的对置的电极尖端上方的区域的壁厚最好朝向靠下的区域增大。

利用根据技术方案4-6的实施例，能够进一步提高冷却效率，因此，可进以步提高灯功率并且至少保持其它性能如发光光谱或电弧电压。

根据技术方案7和8，本发明的另一个方面的目的是使在放电腔内的温度分布尽量变均匀，因此，可以使用与现有技术相比原则上没有变化的灯泡。

就此而言，在放电腔内的温度分布的均匀化最好通过使该灯绕在对置的所述电极尖端之间的假想轴线旋转来进行。

或者，在放电腔内的温度分布的均匀化可以通过使灯在所谓的声共振区域内工作来进行。在此，按照如US 5880561和US6225724所述的已知方式来利用声共振，以防止电弧向上弯曲并由此减小灯泡内的温差。

此外，通过具有至少一个如技术方案1-6之一所述的高压气体放电灯的发光单元来实现本发明的目的。

这样的发光单元尤其被用于需要400W以上直至7000W功率的投射目的。对于光强度很高的投射(如电子影院)来说，没有冷却的高压气体放电灯是不适用的，而具有空冷的高压气体放电灯也只是在一定程度上是适用的。

附图说明

参见下述实施例来说明描述本发明的这些及其它方面，其中：

图1以断面示意图表示高压气体放电灯(UHP灯)。

图2表示在没有冷却时出现在放电腔区域内的温度分布状况。

图3表示在利用本发明冷却时在电极电弧室区域内的温度分布状况。

具体实施方式

图1以横断面示意图表示根据本发明的UHP灯，该灯处于水平安装位置。UHP灯有一个反射灯罩1，外壳的开口最好被一个前挡玻璃2封闭。前挡玻璃2形成一个光射出面并用于在灯损坏时保护周围事物。前挡玻璃2也可以被构造成用于所产生的光的滤光玻璃。

一个电极装置4从与反射灯罩1的端部相对的开口起伸入外壳1内。电极装置4主要包括一个第一电极41和一个第二电极42，这两个电极位于一个灯泡43内，并且在电极的相反尖端之间，在灯泡43的一个放电腔431内引起电弧放电。电极41、42的另一端被分别被接在灯的电接点5、6上，电源设备8通过电接点5、6输入灯工作所需的馈电电压。

除电极装置4外，一个圆柱形外壳3也伸入反射灯罩1内。外壳3有一个入口31和一个出口32，通过它们，冷却剂在封闭的冷却回路中流动循环。冷却装置7包括用于传统冷却剂回路所需的所有部件，如至少一个冷却剂储存器、一个泵、出入口构件，必要时还包括一个冷却单元、温度测量装置和适当的连接管路。冷却装置7的上述电气部件和电子部件通常有至少一个电流源和控制装置，并且经常依靠数据系统而联网。入口31被接在一个循环泵上，以使泵可以在入口31与出口32之间产生液体流动。在流经外壳3的体积流量已定的情况下，通过入口31输入其温度适应于灯的当时工作状况的水。尤其是通过入口31的布置和外壳3的几何形状状况，使冷却剂流指向待冷却的灯泡43区域。出口32被布置在电接点6的附近，以便尤其使出口32位于灯的光锥之外。

本发明的灯通过用于普通电源电压的电源设备8来工作。电源设备8包括一个用于给灯供电的第一控制电路和一个用于使产生冷却剂流9的供应源工作的第二控制电路。也设有一个监控装置，它测量位于灯上的电压。或者，第二控制电路可以与该源组成一个独立的冷却单元，在这种情况下，监控装置最好有一个输出终端，它设置用于与该冷却单元连接，并且在输出终端上例如有一个关于灯电压和灯功率的大小的数字信号。

为了说明本发明的冷却系统的工作方式，首先参见图2来详细说明电极装置4的放电腔431区域。图2表示电极41、42的彼此相对的区域及其尖端411、421，这些尖端伸入灯泡43的放电腔431内并且当该灯处于工作状态时在这些尖端之间发出电弧432。

在这种状态下，放电腔431和灯泡43周围区域且尤其是壁区域以不同程度被加热。在灯的水平工作位置上，灯泡43上的最高温度T1出现在放电腔顶部的内表面，而在放电腔的对置底部内表面上的温度T2低于T1。由于穿过通常由石英玻璃构成的灯泡43壁的温度梯度，灯泡43顶部外表面的温度T3低于在该处的内表面上的温度T1，但同时也是灯泡43外表面的最高温度。最后，灯泡43底部外表面处的温度T4也低于底部内表面处的温度T2。图中由符号T1-T4表示所指位置。因此，得到以下关系：T2＜T1，T1＞T3且T2＞T4。

在灯投射和光输出优化中要考虑温度必须符合下列条件：

在灯泡43顶部内表面处的最高温度T1不应太高，以致存在任何石英玻璃失去透明现象的危险。另一方面，在灯泡43底部内表面处的最低温度T2必须高到足以不使水银沉积在那，而是保持蒸发状态。对这两个温度之间的温差T1-T2来说，它由按照热等离子体形式的热传递和对流来定。这意味着，该温差与放电腔43内的气体压力成比例，因此，它尤其对UHP灯来说是一个关键因素。

为了获得开头所述的本发明灯的性能和优点，力图获得尽可能高的气体压力(水银蒸气压力)。在下面的公式中，此压力为放电腔431内最冷位置的温度T的函数：

P_Hg[bar]＝2.5*105e^-8150K/T

因此，升高放电腔431内最冷位置的温度导致气体压力增大。为了使灯以适当增大的功率工作，根据本发明，冷却液作用于灯泡43上，该冷却剂的流动导致基本上避免了灯泡43内表面失去透明性和气体的任何冷凝。

通过这种冷却，根据图3箭头所示，冷却剂流9尤其指向放电腔431上方的区域。这导致温度分布变化。在灯泡43外表面上的最高温度T3被冷却降低到温度T13并同时在外表面上沿流动方向移动。在灯泡43内表面上的最高温度T1也被降低到温度T11并且沿流动方向移动。在灯泡43外表面上的最低温度T14位于冷却剂流9撞击灯泡43之处。在放电腔431内，在其下侧，温度T12与流动方向相反地移动，或者，当流动特别强时，可以发现作为最低温度的顶侧温度T122与流动方向相反地移动。

通过本发明的冷却，可以提高灯的功率，而不导致在灯泡43顶部内表面上的很关键的最高温度T1的任何提高。即使出现温度T11因无法预料的情况而升高并导致灯泡43局部失去透明，这也不会干扰可用的光锥，因为如图3所示，该光锥将位于由电极屏蔽的区域内。

在放电腔431内最冷点上的温度T2没有因灯功率的提高而降低，尽管存在额外冷却效果。因此，在大参数范围中不存在水银冷凝。在这种情况下，同时调整冷却剂流和灯功率是重要的，其中，冷却剂流一般根据灯功率来控制。如果在不提高功率的情况下只冷却灯(即使针对灯的上表面)，则水银会立即冷凝，尤其是对饱和填充有气体的的灯来说，因此，灯的性能会受到不希望的损害。

还证明了，为150瓦额定功率而定的UHP灯甚至可以工作在400瓦下，而放电腔431内的温度不会超过临界极限。总之已经发现，该灯的最高(增大)功率可以适当提高超过400瓦，而不会对灯的其它性能产生不利影响。一般而言，当采用冷却时，灯的输出功率可被增约2-10倍。电极尺寸最好被调整成适应于可能有的较大电流。

产生冷却剂流9的源可以是简单的无级可调循环泵，该泵的尺寸被定为能够获得所需的体积流量并因此在流道形状已知的情况下获得所需流速。

这种冷却的另一优点是，如果冷却在关灯后如持续约10秒-30秒，则气体(水银)快速冷凝，因而内部气体压力减小。在这种情况下，冷凝不发生在电极上，而是发生在灯泡43内壁上。这允许灯在关闭之后能用较低的起弧电压只需几秒钟即可点亮。

为了在灯泡43尺寸和放电腔431尺寸既定情况下获得尽可能高的输出功率和高的工作压力，需要尽可能强烈的冷却和因而大的冷却剂流9。但在这方面，在放电腔431内的水银冷凝带来了限制。事实已经证明，通过监测灯电压下降，可以检测不必位于放电腔431底侧的、在放电腔431最冷点上的冷凝的开始。这样一来，通过分析该监控装置所测到的灯电压并且将其反馈给第二控制电路，可以控制冷却剂流9，以使它尽可能强，但又不会强到对一个用第一控制电路调节的灯的光功率来说出现了不利地影响到灯性能的程度。相反，通过优化冷却，可以使灯的光功率达到最大，在此通过反馈出现了稳定的工作状态。

当灯以不同的光功率工作时，获得了根据本发明的灯与上述类型的电源设备8结合的进一步的优势。尤其是在灯变暗淡的场合下，通过如上所述地适当减弱冷却，可以在放电腔431内保持最佳的工作情况(气体压力)。结果，没有对灯的性能产生不利影响，尤其是即使是在减小光功率的情况下，也不会不利地影响到发光的色谱。这样一来，在本发明的UHP灯中的有效的亮度变暗范围扩大了，它在已知的UHP灯中只达到最大光功率的80％，这是因为，通过根据检测到的灯电压降低而适当减弱冷却，能够尽量防止水银冷凝。冷却的减弱实际上在液态冷却剂的物理性能且尤其是气液过渡相的物理性能方面受到限制。

Claims (9)

1.一种被冷却的高压气体放电灯，它包括一个被冷却的灯泡(43)，该灯泡气密封闭出一个充满气体的放电腔(431)，在气体放电时刻，至少在该放电腔(431)内存在不均匀的温度分布，该放电灯还包括一个带有冷却剂的冷却装置(7)，该冷却装置(7)产生定向的冷却剂流(9)，其特征在于，所述冷却剂是冷却液并且所述冷却剂作用于该灯泡(43)上，该灯能以更高的功率工作，并且如此提供该冷却剂流(9)，即当该灯的功率消耗更高时，基本防止了该灯泡(43)失去透明性和气体冷凝，该高压气体放电灯是一个用于投射目的的短弧灯。

2.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，该冷却剂流(9)通过该冷却装置(7)并根据该灯的功率消耗来控制。

3.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，该冷却剂流(9)在一个闭合回路中工作。

4.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，该冷却剂流(9)直接对准该灯泡(43)的一个位于该放电腔(431)上方的并有最高温度的区域。

5.如权利要求1所述的高压气体放电灯，其特征在于，在该灯的位于该放电腔(431)上方的各安装位置中的区域具有比在下方的区域更高的传热系数。

6.如权利要求5所述的高压气体放电灯，其特征在于，在该放电腔(431)下方和/或上方的区域内设有能够影响在那里的传热系数的机构和/或该灯泡(43)的尺寸被确定为能够影响在那里的传热系数。

7.如权利要求1-3之一所述的高压气体放电灯，其特征在于，在该放电腔(431)内的温度分布的均匀化通过使该灯绕在对置的所述电极尖端(411，421)之间的假想轴线旋转来进行。

8.如权利要求1-3之一所述的高压气体放电灯，其特征在于，在该放电腔(431)内的温度分布的均匀化通过使该灯在所谓的声共振区域内工作来进行。

9.一种用于照明和/或投射目的的照明单元，它具有至少一个如权利要求1-6之一所述的高压气体放电灯。

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