CN101657877A - 无汞高亮度气体放电灯 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种额定功率在25W至40W范围且具体而言额定功率为35W的无汞高亮度气体放电灯(1)，该放电灯(1)包含含有填充气体的石英玻璃放电室(2)，且包含布置在该放电室(2)的相对端并延伸到该放电室(2)内的一对电极(3，4)，对于该灯(1)而言，该放电室(2)的容量大于或等于17μl且小于或等于25μl；该放电室(2)的内径至少为2.3mm且至多为2.5mm；该放电室(2)的外径至少为5.95mm且至多为6.15mm；该放电室(2)的厚度至少为3.45mm且至多为3.85mm。该灯(1)的放电室(2)中的填充气体包括卤化物成份，该卤化物成份包含碘化钠NaI和碘化钪ScI3，其中该卤化物成份中碘化钠的比例至少为62wt％且至多为76wt％，该卤化物成份中碘化钪的比例至少为22wt％且至多为32wt％。此外，在非工作状态，该填充气体包含至少13巴压强下的氙气，使得当该灯(1)以至少39V且至多51V的初始工作电压工作时获得3550K至3850K范围内的色温。
Description
技术领域
本发明描述一种无汞高亮度放电灯。
背景技术
在高亮度放电灯中，两个电极之间建立的电弧产生很亮的光。这种灯通常简称为“HID”灯。在现有技术的HID灯中，放电室包含主要包含氙的填充气体，以及通常是碘化钠和碘化钪的卤化物与在灯工作期间蒸发的一种或多种其他金属盐的组合。因为填充气体主要包含氙，这些灯也可称为氙灯。当用在汽车前照灯应用中时，HID灯具有优于其他类型灯的诸多优点。例如，金属卤化物氙灯的光输出大于可比较的钨-卤素灯。而且，HID灯具有比白炽灯明显更长的寿命，且不会变暗。这些和其他优点使得HID灯尤其适用于汽车前照灯应用。
氙灯光输出的特征在于独特的白色或者甚至是蓝色色调。而且，不像白炽灯的光输出，氙灯提供光谱功率分布不连续的光输出。使用D2或D4(无汞)HID灯的现有技术汽车前照灯提供了色温大于4000K的趋向于白色的光输出。汽车HID灯的色点或色温对于安全性而言是至关重要的。首先，机动车辆的HID前照灯必须为机动车辆司机充分照明路面，其次，其他司机不应从该机动车辆的前照灯遭受潜在的危险眩光。现有技术HID灯的强烈白光可能是一个问题。由于这一原因，诸如日本的一些国家规定汽车HID灯的许可色温为一较低水平，即，不如现有技术D2和D4型灯提供的白色白，使得这些灯的市场受到明显限制。
除了色温之外，这些灯的其他特征，例如，工作电压、灯驱动器特性、尺寸等，在不同的国家由适当的规范规定，例如在欧洲由ECE-R99规定，其中“ECE”表示“欧洲经济委员会”。
同样，对于骑摩托车者的安全性而言，希望摩托车前照灯具有不同于汽车前照灯的色温。色温比汽车前照灯低的HID灯可提高交通中骑摩托车者的安全，因为更加泛黄的光(摩托车前照灯)可以容易与白光(汽车前照灯)区分开。而且，与本发明相关的色温(约3700K)明显不同于色温分布在3000K至3200K之间的标准无涂层卤素灯。人眼可以区分100K的色温差。再者，与标准涂层和无涂层卤素灯相比，由于HID灯明显较高的流明输出(两倍或三倍高)、其光束范围和其长寿命，摩托车的安全方面可以通过使用HID灯加强。由于很多国家中引入了汽车DRL(白天行驶灯)，这些争论变得更加重要。
HID灯的色点由很多因素决定。不仅仅是填充气体的组成扮演重要角色。放电室的尺寸以及电极的大小和位置也对色温具有影响，因为它们影响最冷点温度，且因此影响盐物质的分压(partial pressure)。
一些现有技术的HID灯包含小部分的有毒重金属汞。除了明显的环境考虑之外，这种灯中汞的使用对于制造商和消费者都变成重大问题，因为含汞成分的处置在世界范围变得越来越受到限制，导致附加成本。
DE 10114680A1披露了一种用于42V工作电压的无汞HID灯，该灯具有包含碘化钠和碘化钪的填充气体，但是具有4300K的色温。EP 0883160B1描述了一种无汞HID灯，色温约为3700K，但是具有70V以上的工作电压，因此它不适于用作D4灯，这是因为根据ECE-R99规范，在工作15小时之后，D4灯的工作电压必须在42V+/-9V的范围内。使用EP 0883160B1描述的灯将使得必须更换整个灯驱动器电子电路。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种无汞高亮度氙放电灯，其满足用于D4汽车前照灯的标准，且在维持灯效率的同时具有较低的色温。
为此，本发明描述了一种额定功率在25W至40W范围且具体而言额定功率为35W的无汞气体放电灯，其包含石英玻璃放电室，该放电室封入填充气体且包含布置在放电室相对端并延伸到放电室内的一对电极，对于该灯而言，放电室的容量大于或等于17μl(微升)且小于或等于25μl；放电室的内径至少为2.3mm且至多为2.5mm；放电室的外径至少为5.95mm且至多为6.15mm，放电室的厚度至少为3.45mm且至多为3.85mm。本发明灯的放电室内的填充气体包括卤化物成份，该卤化物成份包含碘化钠NaI和碘化钪ScI3，其中卤化物成份中碘化钠的比例至少为62wt％且至多为76wt％，卤化物成份中碘化钪的比例至少为22wt％且至多为32wt％。在本发明的无汞气体放电灯中，在非工作状态，填充气体包含至少13巴压强下的氙气，使得当灯以至少39V且至多51V的初始工作电压工作时获得3550K至3850K范围的色温。根据ECE规范，诸如色温、工作电压、流明输出等的相关初始灯参数应用于工作了15小时的灯。这是因为这些参数在这种灯工作的最初15小时之后获得，该时间视为“老化”时间。
氙填充气体的相对高的冷压在获得期望低色温方面扮演决定性角色，但是所有上述条件-灯尺寸、填充气体组成等-必须都满足，以获得给定范围内的色温。在研制本发明灯的过程中实施的很多实验令人惊奇地显示，使用上述填充气体冷压、卤化物成份和灯泡尺寸，在满足上述4D规范的期望电压范围内可以可靠地实现所期望的色温。
本发明灯的一个明显优点为，它可以代替现有技术的前照灯，在诸如日本这样要求汽车前照灯具有较低色温的国家中可作为汽车前照灯，或者在其他国家作为摩托车前照灯，如上所述，使得基于前照灯颜色容易地将摩托车与其他汽车区分开。再者，本发明的灯可以代替现有技术的D4前照灯使用，而不用更换任何现有的电子电路或装置。另一明显优点为，本发明的灯是无汞的，使得该灯明显优于具有类似光通量特性但是包含汞的其他灯。
从属权利要求和后续描述具体披露了本发明的优选实施例和特征。
如上所述，灯在工作期间获得的色点取决于很多不同因素。大范围的实验已经显示，卤化物成份的组分的相对比例也是决定性的。例如，卤化物成份可以仅由比例为70∶30的碘化钠NaI和碘化钪ScI3组成，即，卤化物成份重量的70％由碘化钠组成，而重量的其余30％由碘化钪组成。然而，另一金属卤化物的少量添加对于色点具有正面影响。因此，在本发明的优选实施例中，卤化物成份包括选自碘化锌ZnI2、碘化铊TlI、碘化钍ThI2的一种或多种卤化物添加剂，且卤化物添加剂在卤化物成份中的比例至多为15％。例如，在本发明灯的一个实施例中，卤化物成份可以包括比例为64∶27∶2∶7的碘化钠NaI、碘化钪ScI3、碘化钍ThI2和碘化锌ZnI2。
如本领域技术人员所知，因为钨具有极高的熔点，现有技术灯的电极一般由钨制成。和纯钨电极相比，包含钍的钨电极(称为涂钍钨电极)在低于其熔化温度的温度工作，使得电极在工作期间不易变形。然而，像汞一样，钍造成健康和环境风险。钍是低级别的放射性材料，在处理中要求预防以避免吸入或摄入，且它的使用从环境视角来讲也是不希望的。因此，在本发明的优选实施例中，HID灯的电极是无钍的钨电极，即，不包含钍添加剂的钨电极。为了使用这种电极获得稳定电弧，与本发明灯相关的实验已经显示，电极的尺寸可以扮演重要角色。稳定电弧的维持很大程度上依赖于电极的几何尺寸，尤其是其直径，因为电极的厚度支配工作期间所能达到的电极温度，这进而决定了与镇流器参数相关的整流性能和电极烧损。灯的箍缩区域内的电极直径因此优选地至少为280μm且至多为320μm，且电极末梢处的直径优选地至少为280μm且至多为360μm。本发明的电极可以实现为从末梢到箍缩具有均一直径的简单杆状，或者可以实现为在末梢比在箍缩宽。这些尺寸在点亮灯之前应用于电极的初始尺寸。
本发明的其他目的和特征将从下文结合附图考虑的详细描述变得显见。然而，应当理解，附图仅用于说明目的且并不作为本发明界限的限定。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的无汞HID气体放电灯的截面图；
图2示出使用多个本发明灯的实施例的实验结果的表格；
图3示出色温图。
附图中，相似的标号始终表示相似的对象。附图中的对象没有必要按比例绘制。
具体实施方式
在图1中，示出了本发明实施例的石英玻璃气体放电灯1的截面图。大致上，灯1包含含有填充气体的放电室2。两个电极3、4从灯1的相对端伸入到放电室2内。在制作期间，石英玻璃在两侧环绕电极3、4箍缩以密封放电室2。与实现约3700K的期望色温相关的放电室2尺寸是其容量(或者体积)及其内径Di。另外相关的是环绕放电室2的石英玻璃的厚度，由外径Do表示。内径和外径Di、Do在放电容器的最宽点测量。如上所述，放电室2的容量或体积处于17μl至25μl之间。内径Di至少为2.3mm且至多为2.5mm，而外径Do至少为5.95mm且至多为6.15mm。包围放电室2的玻璃的实际厚度，即，外径Do和内径Di之差的一半至少为1.724mm且至多为1.925mm，同样是在放电容器最宽点测量。灯1的尺寸被选择为使得这些标准被满足，即，放电室2的长度被选择为使得对于特定内径Di获得期望体积，且制作过程被控制为使得包围放电室2的石英玻璃的厚度满足所选的内径Di和外径Do。
电极3、4是伸入放电室2且根据R99规范彼此光学分离4.2mm的大致上无钍的钨杆。本发明灯的电极可以实现为从基部到末梢具有均一厚度的简单杆。然而，电极的厚度同样可以在电极的不同阶段显著变化，例如使得电极在末梢较厚且在基部较窄。在示图描述的实施例中，电极3、4示为在其末梢稍厚，此处外径高达360μm，且电极3、4在箍缩区域的直径可以高达320μm(这些直径值是点亮灯之前的初始值)。
为清晰起见，示图仅示出了与本发明相关的部分。灯用于控制电极两端电压所需的镇流器未示出。当灯1开启时，镇流器的点火器在电极3、4两端以几千伏特快速搏动点火电压以起动放电电弧。电弧的热量蒸发填充气体中的金属盐。一旦高发光强度的电弧被建立，镇流器调节功率和电流，使得电极3、4两端的电压相应地降低到工作水平，在此示例中，降低到39V至51V之间的水平。
因为在HID灯1内电弧产生潜在损害性的紫外光，石英放电室可以用硬玻璃罩或者护壳包裹以吸收该辐射。透过的光然后使用前照灯构造中诸如反射器和准直器的HID专用光学元件来收集和分布，用于确保尽可能多的光输出付诸使用。因为这些和其他附加组件为本领域技术人员已知，因此不对它们做更详细地解释。
在图2中，表格示出了针对根据本发明构造和填充的多个灯实验获得的测量结果。第一列“Exp.#”表示实验号。每个实验号对应于为该实验制作的特定灯。“成份”列给出灯中使用的卤化物成份。“流明”值、“X”和“Y”值以及“色温”值根据ECE老化周期在老化15小时之后观察。对于每个实验，放电室内的氙填充压大约为14巴冷压。对于除实验3之外的每个实验，卤化物成份的重量为300μg。在实验3中，卤化物成份的重量为150μg。
表格中列出的“X”和“Y”值给出了颜色空间的坐标对。这种颜色空间在图3中示为“吉他拨片”图，该示图是本领域技术人员已知的标准色度图。这种类型的示图通常以彩色呈现，使得右角对应于红色基色，左下角对应于蓝色基色，且左上角对应于绿色基色。颜色彼此混合，给出了朝向颜色空间的中央的白色区域。从右到左以曲线延伸的粗黑线已知为普朗克轨迹，给出通过逐步增高的温度而被加热的黑体辐射体的颜色。
灯的色温可以通过绘制使用本领域技术人员已知的测量技术获得的X和Y坐标从色度图读取。为清晰起见，在该示图中仅示出了对应于实验2、实验3和实验4的三个色温点。
从颜色空间图和表格可以看出，每个灯具有低于4000K的色温。实验3和4的灯给出了最接近3700K目标色温的色温，其色温偏差分别为-9K和+28K。次接近的色温通过实验2和5的灯实现，其分别从3700K偏离+34K和+44K。实验1和6的灯都具有更接近3600K的色温。
观察到的色温差异通过NaI/ScI3比例、卤化物添加剂的比例以及总卤化物成份的实际重量的差异来解释。例如，对于实验1，卤化物成份的总重量为300μg，而实验3使用150μg的总重量。在两种情况下，NaI/ScI3的比例相同。卤化物成份重量的差异导致这两个实验的光通量的差异和观察到的色温值的差异。
从结果表格可以看出，由每个灯提供的3700K区域中的色温是十分令人满意的。具体而言，实验4的灯提供了期望色温和接近2800流明的非常令人满意的光输出，使得该灯尤其适于汽车应用。实验1的灯也提供了令人满意的色温和比实验4稍低的接近2690流明的光输出。对于其他灯，实验3和实验6都给出令人满意的色温但具有约2600流明的较低光输出。
尽管本发明已经以优选实施例及其变型例的形式予以披露，应当理解在不偏离本发明范围的情况下，可以对其做出许多附加修改和变形。为清晰起见，还应当理解，贯穿本申请，“一”或“一个”的使用不排除多个，且“包含”不排除其他步骤或元件。
Claims (3)
1.一种额定功率在25W至40W范围且具体而言额定功率为35W的无汞高亮度气体放电灯(1)，该放电灯(1)包含含有填充气体的石英玻璃放电室(2)，且包含布置在该放电室(2)的相对端并延伸到该放电室(2)内的一对电极(3，4)，对于该灯(1)而言，
该放电室(2)的容量大于或等于17μl且小于或等于25μl；
该放电室(2)的内径至少为2.3mm且至多为2.5mm；
该放电室(2)的外径至少为5.95mm且至多为6.15mm；
该放电室(2)的厚度至少为1.725mm且至多为1.925mm；
该灯(1)的放电室(2)内的填充气体包括卤化物成份，该卤化物成份包含碘化钠NaI和碘化钪ScI3，其中该卤化物成份中碘化钠的比例至少为62wt％且至多为76wt％，该卤化物成份中碘化钪的比例至少为22wt％且至多为32wt％；
在非工作状态，该填充气体包含至少13巴压强下的氙气，
使得当该灯(1)以至少39V且至多51V的初始工作电压工作时，获得3550K至3850K范围内的色温。
2.根据权利要求1所述的灯(1)，其中该卤化物成份包含选自碘化锌ZnI2、碘化铊TlI、碘化钍ThI2的一种或多种卤化物添加剂，且该卤化物添加剂在该卤化物成份中的比例至多为15％。
3.根据权利要求1或2所述的灯(1)，其中该灯(1)的电极(3，4)是无钍的钨电极(3，4)，对于钨电极(3，4)
该灯(1)的箍缩区域内该电极(3，4)的直径至少为280μm且至多为320μm；
并且该电极(3，4)的末梢处的直径至少为280μm且至多为360μm。
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Open date: 20100224 |