带有成型放电腔的高功效金属卤化物灯.pdf

一种在选择的照明装置中使用的金属卤化物灯，其包括：具有所选形状的可透光壁的放电腔，该形状限定了所选容积的放电区域，其中包括一对端部区域壁部分，成对的电极中的相应一个电极穿过该端部区域壁部分被支承，以便使得其内端部定位在该放电区域中，以使它们彼此分隔开一分开长度。这些壁具有作为在端壁部分之间的侧面的部分，以便分开长度与有效工作内径的比率大于2。端壁部分与该电极的内端部分隔开大于一毫米。该放电腔可由多晶氧化铝构造成。

1.  一种金属卤化物灯，其包括：
放电腔；
一对设置在该放电腔中并彼此分隔开一预定分开长度的电极；以及
封装在该放电腔中的可离子化的物质；
其中，该预定分开长度大于该放电腔在该预定分开长度上的内径的两倍，
该放电腔的相对端部之间的侧面的长度比该内径更长，
该放电腔的所述相对端部的内表面在该预定分开长度上与该放电腔的内表面平滑地连接，
沿该放电腔的所述每一相对端部的该内表面的曲率半径等于或小于该内径，以及
该放电腔的所述每一相对端部的该内表面与该成对的电极的相应一个电极的端部分开大于一个毫米。

2.  如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该放电腔由包含多晶氧化铝的壁形成。

3.  如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该预定分开长度比该内径的比率等于或小于5。

4.  如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该预定分开长度比该内径的比率大于5。

5.  如权利要求3所述的金属卤化物灯，其特征在于，该可离子化的物质包括CeI₃和NaI。

6.  如权利要求4所述的金属卤化物灯，其特征在于，该可离子化的物质包括PrI₃和NaI。

7.  如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该放电腔的所述每一相对端部的该内表面是半球状的。

带有成型放电腔的高功效金属卤化
技术领域
本发明涉及一种高强放电灯，尤其涉及一种具有高功效的高强金属卤化物灯。
背景技术
由于对于包括室内照明和室外照明的照明系统的节能的要求日益提高，因此开发出用于常规照明应用场合的具有高功效的灯。例如，金属卤化物灯越来越广泛地应用于室内照明和室外照明。这种灯是公知的，并且其包括透光的放电腔，该放电腔围绕一对封装的间隔开的电极进行密封，并且该放电腔通常包含适当的活性材料，例如惰性启动气体和一种或多种按特定摩尔比例的可离子化的金属或金属卤化物或这两者均包含。它们是功率相对较低的灯，其在标准的交流电灯插座上以常规的120伏特的有效值电势通过磁性或电子镇流器电路来工作，该镇流器电路提供启动电压并且在随后的工作过程中提供限流作用。
这些灯通常具有陶瓷材料的放电腔，该放电腔通常包含一定量的金属卤化物，例如CeI₃，NaI，(PrI₃和NaI)以及TiI，并且还包含汞，以便在电极和惰性启动气体之间提供足够的电压降或电压负荷。这种灯在250瓦、显色指数(CRI)大于60、且相关色温(CCT)为3000-6000K的情况下可具有高达105LPW的功效。
当然，为了借助更高效的灯以便在照明中进一步节约电能，因此需要提供具有更高功效的高强金属卤化物灯。灯功效受放电腔的形状的影响。如果在放电腔中电极之间分开的距离与放电腔的直径的比率太小的话，例如小于2，则电弧与放电腔壁之间的Na的相对丰度将导致由于例如Na的吸收谱线靠近可见光的峰值而引起的由Na产生的光辐射被大量吸收。另一方面，如果在放电腔中电极之间分开的距离与放电腔的直径的比率太大的话，例如大于5，则难以在该放电腔中起弧，这是因为电极之间的相对较大的击穿距离而引起的。此外，这种灯的性能较差，当该灯垂直定向时，在工作过程中展示出严重的颜色分离，这是因为该灯的内含物的成分的不同浮性导致该内含物本身显著程度地沿电弧长度彼此分离。
另一形状方面的考虑因素是，在放电腔内表面中避免出现不连续，这种不连续例如为在放电腔端部与放电腔中央部分相遇位置附近的拐角部分，或者在相似厚度之间出现的重叠连接壁，如果出现这种不连续，则其将导致在灯工作的过程中在放电腔等离子区中出现“冷点”，其降低了放电腔中的蒸气压力，由此减小了穿过其中的辐射通量。此外，放电腔端部必须如此成型，即，使得其壁与电极之间具有足够的间隙，以便该端部的温度没有达到高到损坏这些壁的结构完整性的温度。因此，对于放电腔所希望的是，发射出良好颜色的光辐射，同时由现今使用的镇流器电流来操作。
发明内容
本发明提供了一种在选择的照明装置中使用的金属卤化物灯，其包括：具有所选形状的可透光壁的放电腔，该形状限定了所选容积的放电区域，其中包括一对端部区域壁部分，成对的电极中的相应一个电极穿过该端部区域壁部分被支承，以便使得其内端部定位在该放电区域中，以使它们彼此分隔开一分开长度。这些壁具有作为在端壁部分之间的侧面地部分，该端壁部分具有在这些每一端壁部分的相应的有效连接内径以及在分开长度上沿大致垂直于该分开长度的方向的有效工作内径，以便分开长度与有效工作内径的比率大于2。在端壁部分之间的壁侧面长度大于该有效工作内径。该端壁部分具有这样的内表面，包含电极中心的平面与其相交部分是平滑的，其中沿其的曲率半径等于或小于该相应的有效连接内径的一半，并且它们与该电极的内端部分隔开大于一毫米。该放电腔可由多晶氧化铝构造成。
放电腔具有设置在放电区域内的可离子化的物质，例如金属卤化物。这些金属卤化物包括CeI₃、PrI₃、和NaI。
依据本发明，该放电腔的相对端部的内表面在该预定分开长度上与该放电腔的内表面平滑地连接。因此，大致没有拐角部、突出部等出现在连接部分中，由此可防止在该连接部分附近的温度下降。因此可防止冷点的出现。其结果为，可提高灯功效。
依据本发明，该放电腔的所述每一相对端部的该内表面与该成对的电极的相应一个电极的端部分开大于一个毫米，由此可防止损坏该放电腔。
依据本发明的一个方面，提供了一种金属卤化物灯，其包括：放电腔；一对设置在该放电腔中并彼此分隔开一预定分开长度的电极；以及封装在该放电腔中的可离子化的物质。该预定分开长度大于该放电腔在该预定分开长度上的内径的两倍。该放电腔的相对端部之间的侧面的长度比该内径更长。该放电腔的所述相对端部的内表面在该预定分开长度上与该放电腔的内表面平滑地连接。沿该放电腔的所述每一相对端部的该内表面的曲率半径等于或小于该内径。该放电腔的所述每一相对端部的该内表面与该成对的电极的相应一个电极的端部分开大于一个毫米。
在本发明的一个实施例中，该放电腔由包含多晶氧化铝的壁形成。
在本发明的一个实施例中，该预定分开长度比该内径的比率等于或小于5。
在本发明的一个实施例中，该预定分开长度比该内径的比率大于5。
在本发明的一个实施例中，该可离子化的物质包括CeI₃和NaI。
在本发明的一个实施例中，该可离子化的物质包括PrI₃和NaI。
在本发明的一个实施例中，该放电腔的所述每一相对端部的该内表面是半球状的。
通过参照附图并结合以下的详细描述可更好地理解本发明的这些和其它的优点和方面。
附图说明
图1是本发明的金属卤化物灯的侧视截面图，该灯具有位于其中的成型陶瓷放电腔；
图2示出了图1所示的放电腔的截面放大图；
图3示出了灯功效(LPW)与放电腔形状之间的关系的柱状图表；
图4示出了灯功效(LPW)与放电腔电极分开长度比用于本发明的典型灯的有效直径的比率的关系的图表；以及
图5示出了图1所示的灯的替代放电腔的侧视截面图。
具体实施方式
参照图1，在局部截面图中所示的金属卤化物灯10具有灯泡状的硼硅酸玻璃封壳11，在该视图中该封壳被局部截取，该封壳装配到常规的Edison(爱迪生)式金属灯头12中。由镍或软金属制成的引入电极金属丝14和15均从在灯头12中的两个电绝缘的电极金属部分中的相应一个部分延伸穿过并经过位于灯头12的位置处的硼硅酸玻璃外延部分16，并且沿封壳11长度方向的主轴线延伸到该封壳内。接入电的金属丝14和15初始在其任一侧上延伸，并且沿平行于封壳长度轴线的方向延伸经过外延部分16到达其位于更进入封壳11内的部分中。每一接入金属丝14和15的其余的某一部分在封壳11的内部相对于离开该初始方向成锐角地弯折，弯折的接入金属丝14越过该方向后终止，在此之前其进一步延伸以便形成或多或少地与封壳的长度轴线相交。
然而，接入金属丝15具有在其中经过外延部分16的第一弯折部分，该外延部分引导该部分离开封壳长度轴线，该金属丝15再次弯折，以便形成其大致平行于该轴线的紧接部分，并且再次以直角弯折，以便形成其随后的部分，该部分在封壳11的与其装配在灯头12中的相对的另一端部附近大致垂直于该轴线延伸或者程度不同地与该轴线相交。金属丝15的平行于封壳长度轴线的部分支承常规的吸气剂19以便截获气态杂质。在金属丝15中的另外的两个直角弯折部分使得该金属丝的短的剩余端部在其最终部分之下或与最终部分平行，开始所述的该最终部分与封壳长度轴线相交，该短的端部最终锚定在封壳11的与灯头12相隔开的该远端处位于硼硅酸玻璃凹座16’。
金属卤化物灯10包括陶瓷放电腔20。该陶瓷放电腔20围绕作为具有陶瓷壁例如基本上为多晶氧化铝壁的壳结构而成型，该壁对于可见光是透明的，该陶瓷放电腔20的一个可能的构形如图1所示，并且在图2详细地示出。放电腔20具有一对小内径和外径的陶瓷平切柱形壳部分或管21a和21b，每一壳部分或管在其内部端处向外外延(flare)以便进入一对圆形的壳结构端部22a和22b中的相应一个端部中，(一对壳结构端部是陶瓷放电腔20的相对端)，该壳结构端部平滑地与中央主体部分腔的壳结构25连接，在其间(即该连接部分的壁的厚度与其周围部分的壁的厚度大致相同)可使得相应的程度不同的半球形状的壳设置在放电腔20的相对端部处，但除了靠近管21a和21b的位置之外。壳结构端部22a和22b的内表面平滑地与中央主体部分腔的壳结构25连接，(即在连接部分的内表面中以及在其附近的内表面中基本上没有拐角部分和突出部)。因此，在不同部件的组装中不存在重叠壁结构的情况下，形成了围绕被封装的内部空间的单件整体式腔结构。中央主体部分腔结构25在相对于管21a和21b的直径的腔端部之间具有较大直径的平切柱形壳部分25。这种结构通过压制氧化铝粉末并烧结该获得到的粉末压制块而形成。或者，该结构25、端部22a和22b、以及管21a和21b可按照相同的方式分别地形成并且随后在其端表面处通过烧结而连接到一起，以便进一步地避免出现重叠壁结构。
在用于放电腔20的中央主体部分腔结构25的正平切的柱形壳结构的示例中，该平切的柱形壳的旋转的内表面半径用R表示。在这些示例中，壳结构20具有不同的封闭壁中央部分25的象征，平均内半径也用R表示。对于均具有半球状壳形状的端部22a和22b而言，半球状内表面的半径R_h在柱形壳结构的第一示例中等于对于中央主体部分腔结构而言的R，并且在另一封闭壁形状的第二示例中等于R±ΔR，其中ΔR等于在中央主体部分腔结构25的端部处出现的或多或少地偏离平均半径的偏差量。也就是说，在其平面中的半圆的曲率半径等于在第一示例中的R并等于在第二示例中的R±ΔR，(即陶瓷放电腔20的相对端部22a和22b中的每一端部的内表面是半球状的)，其中该平面是由包括该结构25的内表面对称纵向轴线的任何平面与任一端部22a和22b的内半球形表面相交而形成的。应当注意，在本发明的实施例中，沿每一端部22a和22b的内表面的曲率半径等于或小于内径(有效内径)2R的一半。
在放电腔20中的封闭空间的总长度在管21a和21b与相应的一个端部22a和22b的连接部之间延伸，并且该总长度由Lc表示。中央主体部分腔结构25的长度在该连接部与每一端部22a和22b之间延伸，并且由Lccp表示，(即在放电腔20的相对端部之间的侧面的长度)。Lccp比内径2R更长。
铌制的放电腔电极互连金属丝26a和26b均通过焊接到相应的延伸离开相应的一个管21a和21b的贯穿金属丝上从而轴向地装接。因此金属丝26a和26b通过分别焊接到在第一示例中的在其与封壳长度轴线相交的端部处的接入金属丝14上并且焊接到在第二示例中的在其首次经过放电腔20远端的端部处的接入金属丝15上从而延伸出并进行装接，该端部是初始与封壳长度轴线相交的部分。这种结构使得放电腔20定位在接入金属丝14、15的这些部分之间并在其间被支承，以便其长尺寸轴线大致与封壳长度轴线重合，并且可进一步通过接入金属丝14、15将电力提供到放电腔20。
图2示出了图1所示的放电腔20的放大截面图，其示出了包含在其限定壁内的放电区域，该限定壁是由中央主体部分腔结构25、壳结构端部22a和22b、以及从端部22a和22b延伸的管2 a和21b提供的。玻璃料27a将氧化铝-钼的贯穿金属丝29a固定到管21a的内表面上(并与穿过其中的金属丝29a一起气密地密封该互连金属丝开口)。因此，金属丝29a可耐受所产生的化学侵蚀并且具有与管21a和玻璃料27a的热膨胀特性相似匹配的热膨胀特性，该化学侵蚀是在工作中在放电腔20的主容积中形成的等离子区而产生的，并且该金属丝29a通过如上所述的焊接连接到互连金属丝26a的一个端部上。贯穿金属丝29a的另一端部通过焊接从而连接到钨制的主电极杆31a的一个端部上。
此外，钨制的电极线圈32a通过焊接从而集成到并安装到第一主电极杆31a的另一端的末端部分上，以便电极33a由主电极杆31a和电极线圈32a构造成。一对电极33a和33b设置在放电腔20内，并且彼此分隔开预定的分开长度(即电极之间的距离)Le。电极33a由钨制成，以便具有良好的电子的热离子发射特性，同时可较好地耐受金属卤化物等离子区的化学侵蚀。贯穿金属丝29a用于在预定位置处在包含在放电腔20的主容积内的区域中设置电极33a。互连金属丝26a的典型直径是1.2毫米，并且电极杆31a的典型直径是0.6毫米。分开长度Le大于在分开长度Le上的陶瓷放电腔20的内径2R(或内径2R±2ΔR)的两倍。
类似地，在图2中，玻璃料玻璃料27b将氧化铝-钼的贯穿金属丝29b固定到管21b的内表面上(并与穿过其中的金属丝29b一起气密地密封该互连金属丝开口)。因此，金属丝29b可耐受所产生的化学侵蚀并且具有与管21b和玻璃料27b的热膨胀特性相似匹配的热膨胀特性，该化学侵蚀是在工作中在放电腔20的主容积中形成的等离子区而产生的，并且该金属丝29b通过如上所述的焊接连接到互连金属丝26b的一个端部上。贯穿金属丝29b的另一端部通过焊接从而连接到钨制的主电极杆31b的一个端部上。钨制的电极线圈32b通过焊接从而集成到并安装到第一主电极杆31b的另一端的末端部分上，以便电极33b由主电极杆31b和电极线圈32b构造成。贯穿金属丝29b用于在预定位置处在包含在放电腔20的主容积内的区域中设置电极33b。互连金属丝26b的典型直径是1.2毫米，并且电极杆31b的典型直径是0.6毫米。电极33a和33b之间的距离用Le表示，并且包含结构25的内表面的对称纵向轴线的任何平面穿过这些电极的纵向中心。
在其内表面中具有不连续部分的放电腔20构形通常在这种不连续部分附近具有与沿平滑壁的位置处相比更多的结构壁材料量，这种不连续例如为由在其端部附近或端部中的出现的拐角部形成。因此，形成为圆形盘与中央主体部分腔结构25连接形式的端部围绕该盘连接的外周形成为直角拐角部，其中平的盘与结构25连接，并且围绕这些盘的内开口与管21a和21b连接。拐角部在这些相同位置处尽管是钝角的拐角部，但是对于端部可使用平切的锥形拐角部以代替盘，以便提供锥形的端部，每一该端部在中央主体部分腔结构25与相应的一个管21a和21b之间延伸。在这种拐角部附近的附加壁结构材料导致在这种区域中热损失增加，这使得在其附近部分中的温度下降，由此导致在这种位置附近的一个或多个“冷点”。放电腔20与形成为整体式单件结构的管21a和21b的平滑壁、端部结构22a和22b、以及中央主体部分腔结构25一起避免了这种(“冷点”的)产生。当然，如果该结构由独立的中央主体部分和独立的端部以及管部分通过一部分在另一部分内组装而形成，则重叠的壁结构形成在部件连接处，这在重叠壁结构的位置处明显地增加了壁材料并增加了相应的“冷点”。
这种冷点对于这种放电腔的工作是有害的。这是因为包含在放电腔内的成分的蒸气压力直接取决于冷点温度，由于“冷点”引起的蒸气压力的下降使得在放电腔内参与电弧放电的金属卤化盐以及由此可用于发出辐射的金属卤化盐的量减少了。因此，通过降低在放电腔冷点位置的热损失率从而消除这种冷点或至少有效地提高放电腔冷点的温度，以便通过仅使用具有平滑形状的不重叠的壁结构的放电腔避免了壁结构材料的较大的局部容积密度的部分，这样增加了灯功效。
此外，每一圆形的端部结构22a和22b必须在其中容纳电极或者由此以这样一种方式使得在工作中在电极内产生的热不损坏这些端部结构。避免这种损坏需要该圆形壳结构端部22a和22b低于1250℃。因为电极33a和33b通常在大约2300-2500℃的温度下工作，其端部进一步进入放电腔20的该封闭空间中，所以该端部结构壁温度要求必须使得将电极33a和33b的内端至少保持为离开相应一个圆形壳结构端部22a和22b的壁某一最小距离，即使是在通常定位在其中的情况下。这种分开距离小于1毫米可导致壁温度超出允许范围，这使得放电腔20壳结构壁破裂。因此，必须保持大约为1毫米或更大的实际最小分开距离，这又使得对于端部22a和22b的半球半径Rh＞1mm有限制，其提供放电腔20和灯10的可接受的长寿命。在实施例中，陶瓷放电腔20的相对端部22a和22b中的每一个端部的内表面与该对电极33a和33b中的相应一个电极的端部分开大于1毫米。所希望的是，陶瓷放电腔20的相对端部22a和22b中的每一个端部的内表面与该对电极33a和33b中的相应一个电极的端部分开大于1毫米并不大于3Rh(在该示例中为6毫米或更小)。
图3示出了使用平滑圆形的半球形端部壳结构与使用锥形或平盘放电腔端部的比较，其中示出了使用平滑圆形的半球形端部壳结构所实现的灯功效的改善。该图表中所示的放电腔均使用了电极分开距离Le与中央主体部分放电腔结构内表面直径2R相比的所选择的相同比率，该所选择的比率的范围为4.5-4.8。相应的数据在以下的表中提供。