專利名稱：高壓放電燈、高壓放電燈照明設備和汽車前燈裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及基本不包含汞的高壓放電燈、利用該高壓放電燈的高壓放電燈照明設備和利用該高壓放電燈的汽車前燈裝置。
背景技術：
由于金屬鹵化物燈相對高的效率和良好的顯色性，具有包括一對相對電極并包括惰性氣體、發(fā)光金屬鹵化物和汞的電弧管的高壓放電燈，即金屬鹵化物燈，被廣泛使用。此外，這種高壓放電燈已經(jīng)開始廣泛用作汽車前燈。包括用作汽車前燈的那些高壓放電燈，目前實際應用的高壓放電燈基本上使用汞(下文中方便地稱為含汞燈)。在公開號為2-7347的日本專利中，描述了一種用作汽車前燈的高壓放電燈的代表性說明書，它規(guī)定要密封大約2-15mg的汞。此外，在公開號為59-111244的日本專利中，描述了一種適于用作汽車前燈的包含規(guī)定的預定量汞的放電燈，即高壓放電燈。根據(jù)該說明書，當這種高壓放電燈在水平位置工作時，放電弧收縮成至少基本上成直線，該高壓放電燈是高效的。
但是，現(xiàn)在環(huán)境問題越來越嚴重，而且在照明行業(yè)中，減少甚至除去燈中的汞被認為是非常重要的，因為汞給環(huán)境增加了相當大的負擔。
為了解決這個問題，已經(jīng)提出了若干種除去高壓放電燈中汞的方法。例如，發(fā)明人做出了在日本專利2982198及公開號為6-84496和11-238488的日本專利中描述的發(fā)明。第一種發(fā)明是一種在其中封入鈧Sc或稀土金屬鹵化物及惰性氣體并利用脈沖電流可控開啟與關閉的裝置。第二種發(fā)明是一種包含由金屬鹵化物和惰性氣體組成的放電介質(zhì)的裝置，因此在寬輸入范圍內(nèi)有較小變化的顏色特性，從而能夠用于調(diào)暗照明。第三種發(fā)明是一種通過除作為主發(fā)光材料的第一種金屬鹵化物以外還包含具有高汽壓且很難發(fā)光的第二種金屬鹵化物從而在電特性方面有所改進的裝置。
此外，在公開號為11-307048的日本專利中，描述了一種通過除鈧Sc和鈉Na鹵化物以外還包含釔Y和銦In鹵化物作為第三種金屬鹵化物來避免由于電極擴散造成變黑的高壓放電燈，其中釔Y和銦In鹵化物在工作中具有1×10-5大氣壓的氣壓，而且其金屬本身在5-10eV電離。根據(jù)本文所公開發(fā)明的高壓放電燈描述為具有汽車前燈所需的任何光通量和色度范圍。
但是，當不包含汞的高壓放電燈(下文中方便地稱為“無汞燈”)用作汽車前燈的光源時，存在燈剛開啟后光量不足的問題。為了解決這個問題，使剛開啟后所施加的燈電流比穩(wěn)態(tài)時的燈電流高若干倍，從而增加光量并將高壓放電燈突然快速地帶入穩(wěn)態(tài)。
但是，在這種情況下，會引起另一個放電閃爍的問題。下面將描述放電閃爍的一些原因。
1、如果高壓放電燈以上述方式開啟，則電極會在剛開啟后達到最高溫度。因此，電極必須設計成能夠耐得住即使開/關操作以相對較高頻率發(fā)生時的溫度。因此，穩(wěn)態(tài)下燈電流是相對低的，從而電極溫度會變得低于最佳溫度。由于穩(wěn)態(tài)時電極溫度低，因此電極發(fā)射較少的熱電子，這就很容易發(fā)生放電閃爍。
如果無汞燈用作汽車前燈，則剛開啟后高于額定燈電流的燈電流，如3A的燈電流，必須連續(xù)流動幾秒，如6秒。因此，電極必須設計成在穩(wěn)態(tài)時有更低的溫度，從而放電閃爍變得更加明顯。在含汞燈的情況下，高于額定燈電流的燈電流的施加時間大約是1秒。
2、在無汞燈中，由于沒有汞，電弧保持很細，但由于發(fā)射頻譜的自吸收，又會導致電弧變粗。因此，很容易發(fā)生放電閃爍。
3、如果無汞燈包含具有相對高汽壓和不太有助于發(fā)光的鹵化物，其中該鹵化物代替汞作為提供燈電壓的介質(zhì)，則高汽壓使電弧收縮，從而容易發(fā)生放電閃爍。
4、如果無汞燈包含大約在10大氣壓的氙來提供與包含汞和在5-6大氣壓的氙的高壓放電燈相當?shù)臒籼匦?，則更高的氙壓使電弧收縮，從而容易發(fā)生放電閃爍。
5、無汞燈不產(chǎn)生HgI等物質(zhì)，從而很容易出現(xiàn)自由鹵素。但是，鹵化物氣體高度吸收電子，從而容易引起放電熄滅。因此，隨著鹵化物氣體濃度的增加，電弧變得越來越不穩(wěn)定。
如從上述原因可以理解的，與含汞燈相比，無汞燈非常容易遭受放電閃爍。此外，對含汞高壓放電燈無不利影響的電極溫度在無汞燈中會引起放電閃爍。
放電閃爍可能導致亮度閃爍，或者在極端情況下，會導致電弧熄滅。
由于對上述問題的研究，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過適當?shù)卮_定穩(wěn)態(tài)電極溫度和自由鹵素濃度，無汞燈的電弧可以變得穩(wěn)定?；谶@個發(fā)現(xiàn)，發(fā)明人做出了本發(fā)明。
此外，發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)通過以一種將穩(wěn)態(tài)電極溫度保持在非常窄預定范圍內(nèi)的方式來控制電極溫度，無汞燈中的放電閃爍可以有效地降低。
本發(fā)明的一個目的是提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中出于對環(huán)境的考慮該燈基本不包含汞，而且產(chǎn)生減少的放電閃爍，還提供利用該燈的高壓放電燈照明設備和利用該燈的汽車前燈裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中通過保持穩(wěn)態(tài)電極溫度和關燈時產(chǎn)生自由碘的量之間的一種預定關系來減少放電閃爍，還提供利用該燈的高壓放電燈照明設備和利用該燈的汽車前燈裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中穩(wěn)態(tài)電極溫度保持在預定窄范圍內(nèi)，從而減少放電閃爍并延長電極壽命，還提供利用該燈的高壓放電燈照明設備和利用該燈的汽車前燈裝置。
發(fā)明概述根據(jù)權利要求1所述實施方案的高壓放電燈，其特征在于該高壓放電燈包括放電容器，具有防火、半透明而且其中有放電空間的密封容器，以及在密封容器中放電空間的相對端密封提供的一對彼此面對距離為5mm或更小的電極；及放電介質(zhì)，密封在密封容器中，基本不包含汞，而包含在三個大氣壓或更高氣壓的氙氣以及包括鈉Na、鈧Sc和稀土金屬碘化物的發(fā)光金屬鹵化物中的至少兩種，該高壓放電燈穩(wěn)態(tài)下保持50W或更低的燈功率，穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)和燈在開啟100小時后關閉時產(chǎn)生的自由碘的量A(mol/cc)滿足公式(1)。
T2/A＞1011(1)除非另有規(guī)定，本實施方案和后述實施方案中所使用的術語有如下的定義和技術含義。
<放電容器>
放電容器包括密封容器和一對電極。
(密封容器)密封容器是防火和半透明的。詞“防火”的意思是密封容器能充分耐得住放電燈的正常工作溫度。因此，密封容器可以由任何材料制成，只要該材料防火并使得放電產(chǎn)生的期望波長范圍內(nèi)的可見光能夠發(fā)射到外面。例如，密封容器可以由陶瓷，如石英玻璃、半透明氧化鋁和釔鋁石榴石或其單晶體，制成。當需要時，密封容器的內(nèi)表面可以涂上一層具有抗鹵素性或抗鹵性化物的透明薄膜，或者可以改變。
密封容器具有在其內(nèi)部形成的放電空間。該放電空間優(yōu)選地具有細長形狀而且，例如，可以具有圓柱形狀。當燈在水平位置開啟時，這種形狀使電弧向上彎，從而更接近放電容器內(nèi)表面上部，因此在放電容器的上部溫度升高更快。
此外，密封容器圍繞放電空間的部分可以有相對高的厚度。即，密封容器圍繞電極之間距離中部的部分可以比其端部分厚。這增強了放電容器的熱傳輸，從而挨著放電容器放電空間下面和側面部分內(nèi)表面的放電介質(zhì)的溫度迅速升高。因此，實現(xiàn)了光通量的快速增加。
(一對電極)
該對電極密封在密封容器中放電空間的相對端，彼此面對距離為5mm或更小。必須確定在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)和后述產(chǎn)生自由碘的量A(mol/cc)滿足一種預定關系。
電極溫度T(℃)用高溫計來測量。在對不同點的其它測量結果中，采用最小值作為電極溫度。例如，在打算用于水平照明的高壓放電燈情況下，在燈處于水平位置時開啟的狀態(tài)下，在水平方向上測量的電極溫度。此外，在從尖端到底端距離為0.3mm的點測量電極溫度的原因如下。即，根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈產(chǎn)生高亮度電弧，因此由于電弧光的干擾，很難精確測量電極尖端的電極溫度。另一方面，在從電極尖端到底端距離為0.3mm的點，可以很容易地精確測量到電極溫度。
通過適當有選擇地修改多個設計因素，包括電極直徑、電極伸入放電空間部分的長度和燈電壓，中的一個，電極溫度可以改變。特別地，如果電極直徑增加，則電極溫度下降。如果減小電極伸入放電空間部分的長度，則電極溫度下降。如果在燈功率保持恒定的情況下增加燈電壓，則燈電流減小，導致電極溫度下降。因此，通過適當設置上述設計因素，可以將電極溫度控制在期望的值。
此外，可以配置電極用于交流電或直流電。如果燈以交流電工作，則該對電極有相同的結構。當高壓放電燈用作汽車前燈時，燈非常頻繁地開和關，而且在開始照明時要向燈施加高于穩(wěn)態(tài)電流的電流。因此，為了滿足這種條件，電極直徑可以整體均勻增大。但是，當需要時，可以只在接近其尖端的電極部分形成大直徑部分。如果燈以直流電工作，則通常正極的溫度會迅速升高。因此，如果在接近其尖端的正極部分形成大直徑部分，則可以增加熱輻射面積，從而正極可準備好用于頻繁的開/關操作。另一方面，負極可能不具有大直徑部分。
<放電介質(zhì)>
根據(jù)本發(fā)明，如上所述，放電介質(zhì)包括發(fā)光金屬的鹵化物和氙而且基本不包含汞。
(鹵化物)
鹵化物是包括鈉Na、鈧Sc和稀土金屬碘化物中至少兩種的發(fā)光金屬鹵化物。上述鈉Na、鈧Sc和稀土金屬是高效發(fā)光材料，在本發(fā)明中充當主發(fā)光金屬。優(yōu)選地，所使用的鹵化物是鈉Na鹵化物及鈧Sc和稀土金屬鹵化物中的至少一種。但是，當需要時，可以另外封入另一種發(fā)光金屬的鹵化物。例如，如果另外封入了銦In鹵化物，則由于它向原始光添加了藍光成分，因此有助于顏色調(diào)整。
現(xiàn)在描述構成鹵化物的鹵素。即，就反應性而言，碘最合適。至少上述主發(fā)光金屬是以碘化物形式密封在密封容器中的。但是，當需要時，不同成分的鹵素，如碘化物和溴化物，可以一起使用。燈開啟100小時后關閉時在密封容器內(nèi)容積中每單位容積(cc)產(chǎn)生的自由碘的量A(mol)與后述電極溫度T(℃)相對于彼此之間必須滿足公式(1)。產(chǎn)生自由碘的量可以通過調(diào)節(jié)密封的放電介質(zhì)的量、修改加工放電容器組分或形狀的方法或在密封容器中密封鹵素吸氣劑來控制。
產(chǎn)生自由碘的量A(mol/cc)以下述方式識別。即，遵循在題為“Methodof Early Determination of Life of Electrodeless Metal Halide Lamp”的論文中所述對產(chǎn)生自由碘的量的測量過程進行識別，其中該論文由發(fā)明人1997年在Illuminating Engineering Institute of Japan的physical-properties-and-applications workshop發(fā)表。概括地說，該過程如下。
1、將要測量的燈在電爐中加熱到使放電容器中的自由碘完全蒸發(fā)。
2、使鹵素燈發(fā)射的光透過放電容器，發(fā)射光的發(fā)射頻譜利用瞬時分光計來測量。
3、用參考頻譜除發(fā)射頻譜以提供吸收頻譜，吸收系數(shù)從吸收深度得到。
4、碘的量是基于測量吸收系數(shù)利用校準曲線來識別的，該校準曲線是基于吸收系數(shù)和碘的量之間的關系預先確定的。
(氙)氙氣充當啟動氣體和緩沖氣體，還用來在剛啟動后占優(yōu)勢地發(fā)射光。密封氙氣的壓強是3大氣壓或更高，優(yōu)選地是5大氣壓或更高，最優(yōu)選地落在8至16大氣壓范圍內(nèi)。這使得可以實現(xiàn)高壓放電燈的高的燈電壓。從而，可以利用相同的燈電流提供更高燈功率，因此可以改善光通量的上升特性。特別是在汽車前燈、液晶探照燈等應用中，對燈的任何使用來說都有利的光通量良好的上升特性尤為重要。
(汞)本發(fā)明中詞“基本不包含汞”的意思是完全不密封汞或存在的汞含量小于密封容器內(nèi)容積的2mg/cc，優(yōu)選地是密封容器內(nèi)容積的1mg/cc或更少。但是，從環(huán)境角度看，期望不要密封汞。如果象現(xiàn)有技術那樣，放電燈的電特性是由汞蒸汽維持的，則在短電弧類型高壓放電燈的情況下，必須在密封容器中封入密封容器內(nèi)容積20至40mg/cc，甚至有可能50mg/cc的量的汞。與此相比，本發(fā)明中所使用汞的量顯著減少了。
<燈功率>
在本發(fā)明中，燈功率是提供給高壓放電燈的功率。根據(jù)本發(fā)明，穩(wěn)態(tài)下該功率是50W或更低。這意味著高壓放電燈是很小的。
<電極溫度和產(chǎn)生自由碘的量的關系>
如果穩(wěn)態(tài)下電極溫度T(℃)和燈在開啟100小時后關閉時產(chǎn)生的自由碘的量A(mol/cc)滿足公式(1)，則能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定電弧。另一方面，當T2/A的值為1011或更小時，電極溫度相對低，而電弧開始變得不穩(wěn)定，就容易發(fā)生電弧熄滅或亮度閃爍。因此，不允許T2/A的值小于或等于1011。在這種情況下，能夠通過升高電極溫度T(℃)、降低產(chǎn)生自由碘的量A(mol/cc)或適當采取這兩種措施來滿足公式(1)。
T2/A＞1011(1)<本發(fā)明的操作>
如果燈基本不包含汞，則電弧是不穩(wěn)定的，容易發(fā)生電弧熄滅或亮度閃爍。但是，根據(jù)權利要求1中描述的實施方案，如可以從上面描述清楚看到的，通過確定電極溫度T(℃)和產(chǎn)生自由碘的量之間的關系使之滿足公式(1)，可以使電弧穩(wěn)定并有效地減少放電閃爍。從而，能夠顯著地減少亮度閃爍和電弧熄滅。
本發(fā)明尤其適用于小型高壓放電燈，在開始照明時要向該小型高壓放電燈施加是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率，或者在開始照明時要向小型高壓放電燈施加比額定燈電流高的燈電流，即2A或更高的燈電流。
根據(jù)權利要求2所述實施方案的高壓放電燈的特征在于該高壓放電燈包括放電容器，具有防火、半透明而且其中有放電空間的密封容器，以及在密封容器中放電空間的相對端密封提供的一對彼此面對距離為5mm或更小的電極；及放電介質(zhì)，密封在密封容器中，基本不包含汞，該高壓放電燈穩(wěn)態(tài)下保持50W或更低的燈功率，開始照明時要輸入是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率，穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(2)。
1700≤T≤1900(2)根據(jù)該實施方案，規(guī)定了一種高壓放電燈，其中穩(wěn)態(tài)下電極溫度維持在由公式(2)定義的范圍內(nèi)，從而減少了放電閃爍并延長了電極壽命?？刂齐姌O溫度落在預定范圍內(nèi)的手段并不限于特定的一種。例如，如參考權利要求1的實施方案所描述的，期望的電極溫度可以通過適當?shù)卮_定包括電極直徑、電極伸入放電空間部分的長度和燈電壓在內(nèi)的設計因素中的至少一種來獲得。
在本發(fā)明中，高壓放電燈可以是除金屬鹵化物燈以外的另一種布置，只要在開始照明時向該高壓放電燈施加是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率。因此，密封的放電介質(zhì)不限于發(fā)光金屬的鹵化物和氙。此外，惰性氣體可以是氙、氬、氪等。密封惰性氣體的壓強優(yōu)選地是3大氣壓或更高。
本發(fā)明尤其適于用作汽車前燈的金屬鹵化物燈，其中封入發(fā)光金屬，優(yōu)選的是Na、Sc和稀土金屬中至少兩種的鹵化物，優(yōu)選的是碘化物，及具有相對高氣壓的金屬，優(yōu)選的是Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的一種或多種鹵化物，優(yōu)選的是碘化物，與三個大氣壓或更高的優(yōu)選地五個大氣壓或更高的或更優(yōu)選地八至十六大氣壓的氙。權利要求1所描述的布置使得更有效地長時間減少放電閃爍并允許提供長壽命的高壓放電燈。
現(xiàn)在描述電極溫度。如果電極溫度低于1700℃，則放電不穩(wěn)定，會發(fā)生放電閃爍。另一方面，如果電極溫度高于1900℃，則電極的壽命縮短，從而高壓放電燈的壽命縮短。但是，根據(jù)本發(fā)明，由于電極溫度落在由公式(2)定義的范圍內(nèi)，因此減少了放電閃爍，高壓放電燈也可以有實際上足夠的壽命。
根據(jù)權利要求3所述實施方案的高壓放電燈是根據(jù)權利要求2實施方案的高壓放電燈，其特征還在于穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(3)。
1730≤T≤1850(3)根據(jù)該實施方案，規(guī)定了一種高壓放電燈，其中控制電極溫度落在比權利要求2限定的更窄的范圍內(nèi)，從而進一步減少放電閃爍并進一步延長電極壽命。
根據(jù)權利要求4所述實施方案的高壓放電燈是權利要求1至3任何一項中所述的高壓放電燈，其特征還在于放電介質(zhì)包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的鹵化物中的一種或多種，該一種或多種鹵化物充當提供燈電壓的介質(zhì)。
根據(jù)該實施方案，規(guī)定了代替汞用來提供燈電壓的介質(zhì)。這些介質(zhì)的共同特征在于它們有相對高的汽壓并發(fā)射相對少的可見光。因此，通過有選擇地封入適當數(shù)量的這些介質(zhì)，可以維持落在期望范圍內(nèi)，如20至70W，的燈電壓。因此，可以相對低的燈電流輸入需要的燈功率。
根據(jù)權利要求5所述實施方案的高壓放電燈照明設備的特征在于該高壓放電燈照明設備包括根據(jù)權利要求1至4任何一項的高壓放電燈；照明電路，其中高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)的最大輸出功率是穩(wěn)態(tài)燈功率的2.5至4倍的。
根據(jù)該實施方案，由于高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)照明電路的最大輸出功率，即輸入到高壓放電燈的最大燈功率，是開啟燈的穩(wěn)態(tài)燈功率的2.5至4倍，因此，可以實現(xiàn)汽車前燈所需的光通量的快速增加。
假定密封氙的壓強落在3至15大氣壓范圍內(nèi)并由X(大氣壓)表示，而高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)的最大輸入功率由AA(W)表示，那么如果AA的值被確定滿足下面的公式(4)，則燈開啟后4秒內(nèi)光通量的增加可以變得更加快速，在燈前表面上一代表性點可獲得8000cd的光強，這對汽車前燈是需要的。
AA＞-2.5X+102.5(4)只有當放電介質(zhì)具有低汽壓時，密封氙的壓強和最大燈功率之間才能保持上述線性關系。這是因為，在這種情況下，燈開啟后4秒內(nèi)氙的光發(fā)射是占優(yōu)勢的。由于氙的發(fā)光量依賴于密封氙的壓強和那時候的功率，因此，針對太低的氙壓強，可以增加輸入功率。另一方面，針對太高的氙壓強，可以減少輸入燈功率。高壓放電燈照明設備可以以交流電或直流電工作。此外，它可以配置成在一段預定時間后從交流電工作和直流電工作中的一種切換到另一種。
此外，照明電路可以設計成具有200V或更低的空載輸出電壓。通常，本發(fā)明所使用的高壓放電燈的燈電壓低于含汞高壓放電燈的燈電壓，因此，照明電路的空載輸出電壓可以是200V或更低。這使得可以減小照明電路的尺寸。這里，在含汞高壓放電燈的情況下，需要大約400V的空載輸出電壓。
此外，當期望時，點火器可以添加到根據(jù)本發(fā)明的高壓放電燈照明設備。
根據(jù)權利要求6所述實施方案的汽車前燈裝置的特征在于該汽車前燈裝置包括汽車前燈裝置主單元；安裝在汽車前燈裝置主單元中的、根據(jù)權利要求1至4任何一項的高壓放電燈，其放電容器的軸線與汽車前燈裝置主單元的光軸成一條直線；照明電路，其中高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)的最大輸出功率是穩(wěn)態(tài)燈功率的2至4倍。
由于該實施方案的汽車前燈裝置具有權利要求1至4任何一項所述的高壓放電燈作為光源，因此它提供了光通量的快速增長而且是安全的。此外，由于該高壓放電燈不包含給環(huán)境增加相當大負擔的汞，因此從環(huán)境角度看該汽車前燈裝置是高度優(yōu)選的。這里，“汽車前燈裝置主單元”是指除高壓放電燈和照明電路以外的整個汽車前燈裝置。


圖1是實現(xiàn)權利要求1所述實施方案的第一種模式的高壓放電燈的前視圖；圖2是顯示當T2/A的值變化時是否發(fā)生放電閃爍的圖；圖3是顯示在保持電極溫度為1900℃的情況下，當產(chǎn)生自由碘的量變化時T2/A的值如何變化的圖；圖4是顯示在保持產(chǎn)生自由碘的量為3.5×10-5(mol/cc)的情況下，當電極溫度變化時T2/A的值如何變化的圖；圖5是在實現(xiàn)權利要求2和3所述實施方案的第一種模式中，穩(wěn)態(tài)下電極溫度和放電閃爍發(fā)生率之間及穩(wěn)態(tài)下電極溫度和相對電極壽命之間的關系；圖6是根據(jù)實現(xiàn)權利要求1至3中所述實施方案的第二種模式的高壓放電燈的前視圖；圖7是根據(jù)權利要求5所述實施方案的高壓放電燈照明設備的電路圖；及圖8是根據(jù)權利要求6所述實施方案的汽車前燈裝置的立體圖。
具體實施例方式
<實現(xiàn)權利要求1所述實施方案的第一種模式>
參考圖1描述根據(jù)第一種模式的高壓放電燈。在圖1中，高壓放電燈HPDL包括放電容器(1)、密封金屬箔(2)、外部引線(3)和放電介質(zhì)。
放電容器(1)包括密封容器(1a)和一對電極(1b)、(1b)。密封容器(1a)形成中空的紡錘形并有一對在兩端與其一體完整構成的細長密封部分(1a1)。密封容器(1a)內(nèi)部有一細長且基本呈圓柱形的放電空間(1c)。電極(1b)保持在預定位置，其底部嵌入密封部分(1a1)。每個電極(1b)的底端焊接到密封部分(1a1)中密封金屬箔(2)的一端。
密封金屬箔(2)密封在密封容器(1a)的密封部分(1a1)中，密封金屬箔(2)的另一端連接到外部引線(3)。
放電介質(zhì)包括發(fā)光金屬和氙的鹵化物并密封在密封容器(1a)中。所使用的鹵化物可歸類劃分成第一組鹵化物和第二組鹵化物。第一組鹵化物包括發(fā)光金屬鹵化物，特別地，鈉Na、鈧Sc和稀土金屬中至少兩種的碘化物。第二組鹵化物主要是提供燈電壓并包括具有相對高汽壓和發(fā)射較少可見光的金屬鹵化物。氙密封在3大氣壓或更高。
(實例1)放電容器(1)密封容器(1a)由石英玻璃制成，具有6mm的外徑和2.7mm的內(nèi)徑。
電極(1b)由鎢制成，其尖端直徑為0.4mm，其伸入放電容器部分的長度是2.3mm。
放電介質(zhì)所使用的鹵化物是ScI3、NaI和ZnI2，其關系是ScI3-NaI-ZnI2＝0.2mg。
氙是6大氣壓。
所使用的鹵素吸氣劑是0.01mg的Sc或Sb。
穩(wěn)態(tài)燈功率是35W。
在從尖端距離為0.3mm的點的電極溫度為1900℃。
開啟100小時中產(chǎn)生的自由碘的量A是0.5×10-6(mol/cc)。
T2/A的值是7.22×1012。
現(xiàn)在，參考圖2至圖4，描述電極溫度T(℃)、產(chǎn)生自由碘的量A(mol/cc)及放電閃爍發(fā)生情況之間的關系。
圖2示出在圖1所示實施方案中當T2/A的值變化時是否會發(fā)生放電閃爍。在該圖中，水平軸表示T2/A的值，垂直軸表示是否會發(fā)生放電閃爍。垂直軸上的值1表示存在放電閃爍，而垂直軸上的值0表示不存在放電閃爍。
如從該圖中可以看到的，當T2/A的值高于1011時，不會發(fā)生放電閃爍。
圖3示出在保持電極溫度為1900℃的情況下，當產(chǎn)生自由碘的量變化時T2/A的值如何變化。在該圖中，水平軸表示當保持電極溫度為1900℃時產(chǎn)生自由碘的量(mol/cc)，而垂直軸表示T2/A的值。
如從該圖中可以看到的，即使電極溫度為1900℃，但是當產(chǎn)生自由碘的量小于或等于3.5×10-5(mol/cc)時，T2/A的值還是大于1011。這表示，即使電極溫度為1900℃，還是可以通過控制T2/A的值為預定值來抑制放電閃爍。
圖4示出在保持產(chǎn)生自由碘的量為3.5×10-5(mol/cc)的情況下，當電極溫度變化時T2/A的值如何變化。在該圖中，水平軸表示當產(chǎn)生自由碘的量為3.5×10-5(mol/cc)時的電極溫度T(K)，而垂直軸表示T2/A的值。
如從該圖中可以看到的，當產(chǎn)生自由碘的量為3.5×10-5(mol/cc)時，除非電極溫度大于或等于1900℃，否則不能充分抑制放電閃爍。
<實現(xiàn)權利要求2和3中所述實施方案的第一種模式>
該第一種模式中的高壓放電燈表面上與圖1所示的相似。但是，根據(jù)權利要求2所述的實施方案，電極溫度保持在1700至1900℃之間，而根據(jù)權利要求3所述的實施方案，電極溫度保持在1730至1850℃之間。
(實例2)放電容器(1)密封容器(1a)由石英玻璃制成，具有0.025cc的內(nèi)容積，放電空間的最大內(nèi)徑為2.4mm。
電極(1b)由鎢制成，其直徑為0.40mm，伸入部分的長度是1.6mm，電極之間的距離是4.2mm。
放電介質(zhì)所使用的鹵化物是ScI3、NaI和ZnI2，其關系是ScI3-NaI-ZnI2＝0.3mg。
氙是10大氣壓。
剛開啟后的燈功率是85W，而穩(wěn)態(tài)燈功率是35W。
剛開啟后的燈電流是2.8A，而穩(wěn)態(tài)燈電流是0.8A。
在從尖端距離為0.3mm的點的電極溫度為1800℃。
現(xiàn)在參考圖5，描述在實現(xiàn)權利要求2和3中所述實施方案的第一種模式中，穩(wěn)態(tài)下電極溫度和放電閃爍發(fā)生率之間及穩(wěn)態(tài)下電極溫度和相對電極壽命之間的關系。在圖5中，水平軸表示電極溫度T(K)，而垂直軸表示放電閃爍的發(fā)生率(％)和相對電極壽命(％)。這里，“相對電極壽命”是假定最長電極壽命數(shù)據(jù)為100％的一個相對值。在該圖中，曲線a是放電閃爍發(fā)生率圖，而曲線b是相對電極壽命線圖。這些圖是基于對原型高壓放電燈進行開啟實驗獲得的測量數(shù)據(jù)繪制的，該原型高壓放電燈遵循與實例2相似的規(guī)格并列出了各種電極溫度。
如從圖5可以看到的，在較低的電極溫度會發(fā)生比較多的放電閃爍。但是，一旦電極溫度升高到高于大約1650℃，放電閃爍發(fā)生率會突然減小，而當電極溫度大于或等于1700℃時，該發(fā)生率會減小到50％或更低。此外，當電極溫度大于或等于1730℃時，放電閃爍發(fā)生率減小到30％或更低。此外，當電極溫度大于或等于1850℃時，放電閃爍發(fā)生率減小到0％。
另一方面，一旦電極溫度降到低于1700℃，電極壽命開始縮短。此外，當電極溫度升高到高于大約1800℃時，電極壽命還會縮短，而且當電極溫度升高到高于1900℃時，電極壽命會縮短到低于50％。
如圖5所示，在權利要求2所述的實施方案中，由于電極溫度大于或等于1700℃并小于或等于1900℃，因此，放電閃爍發(fā)生率小于或等于50％，而相對電極壽命大于或等于50％。另一方面，在權利要求3所述的實施方案中，由于規(guī)定電極溫度落在更優(yōu)選的范圍內(nèi)，即1730至1850℃，因此，放電閃爍發(fā)生率小于或等于30％，而相對電極壽命大于或等于90％。
<實現(xiàn)權利要求1至4中所述實施方案的第二種模式>
現(xiàn)在參考圖6描述根據(jù)該第二種模式的高壓放電燈。根據(jù)這種模式的高壓放電燈與圖1所示的高壓放電燈相似，還配置成安裝在汽車前燈裝置中。特別地，高壓放電燈(HPDL’)包括發(fā)光管(LT)、外封套(OT)、燈座(B)和絕緣管(IT)。
發(fā)光管(LT)同圖1所示高壓放電燈(HPDL)的配置一樣。給與圖1相同的部分指定相同的標號，同時省略對它們的描述。
外封套(OT)可以阻止紫外線。在外封套中放置發(fā)光管(LT)并在兩端都固定到密封部分(1a1)。但是，它并沒有密封，而是與外界空氣相通。
燈座(B)既用作支撐發(fā)光管(LT)和外封套(OT)，又用作與發(fā)光管(LT)的電極對(1b)、(1b)電互連。即，發(fā)光管(LT)的一個密封部分(1a1)固定到燈座罩(B)，而從另一密封部分拉出的外部引線(3)平行延伸到外封套(OT)，然后引入燈座(B)并連接到一個端子(未示出)。
絕緣管(IT)覆蓋外部引線(3)。
<權利要求5所述的實施方案>
參考圖7描述根據(jù)該實施方案的高壓放電燈。在該圖中，高壓放電燈照明設備包括照明電路(OC)和高壓放電燈(HPDL)。
照明電路(OC)包括直流電源(11)、斬波器(12)、控制裝置(13)、燈電流檢測裝置(14)、燈電壓檢測裝置(15)、點火器(16)和全橋式逆變器(17)。
直流電源(11)向后述斬波器(12)提供直流功率，其可以是電池或整流直流電源。在汽車應用中，一般使用電池?？蛇x地，也可以是對交流電進行整流后的整流直流電源。在任何情況下，當需要時，可以利用并聯(lián)的電解電容器(11a)進行濾波。
斬波器(12)是將直流電源(11)施加的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需值直流電壓的DC/CD轉(zhuǎn)換電路，并確定通過后述全橋式逆變器(17)施加到高壓放電燈(HPDL)的輸出電壓值。如果直流電源的電壓低于所需輸出電壓，則使用升壓斬波器。另一方面，如果直流電源的電壓高于所需輸出電壓，則使用降壓斬波器。
控制裝置(13)加入了一個具有編程時瞬間控制模式的微型計算機并控制斬波器(12)。例如，控制裝置(13)以這樣一種方式控制斬波器(12)高壓放電燈剛開啟后，是額定燈電流3倍或更高的燈電流從斬波器(12)流經(jīng)全橋式逆變器(17)，隨著時間的推移，燈電流逐漸降低到額定燈電流。此外，控制裝置(13)接收后述關于燈電流和燈電壓的檢測信號的反饋，從而產(chǎn)生一個恒定的功率控制信號來對斬波器(12)執(zhí)行恒定功率拉制。
燈電流檢測裝置(14)經(jīng)過全橋式逆變器(17)與燈串聯(lián)接入，檢測對應于燈電流的電流，以便向控制裝置(13)提供控制輸入。
類似地，燈電壓檢測裝置(15)經(jīng)過全橋式逆變器(17)與燈并聯(lián)接入，檢測對應于燈電壓的電壓，以便向控制裝置(13)提供控制輸入。
點火器(16)置于全橋式逆變器(17)和高壓放電燈(HPDL)之間，配置成當燈開啟時向高壓放電燈(HPDL)施加大約20kV的啟動脈沖電壓。
全橋式逆變器(17)包括由四個MOSFET(Q1)、(Q2)、(Q3)和(Q4)組成的橋電路(17a)，在橋電路(17a)中MOSFET(Q1)和(Q3)及MOSFET(Q2)和(Q4)之間交替開關的柵極驅(qū)動電路(17b)，及極性反相電路(17c)。全橋式逆變器(17)通過開關將來自斬波器(12)的直流電壓轉(zhuǎn)換成方波低頻交流電壓，并將產(chǎn)生的電壓施加到高壓放電燈(HPDL)以便以低頻交流電開啟燈。
如果高壓放電燈(HPDL)是由照明電路(OC)利用方波低頻交流電以這種方式開啟的，則高壓放電燈在剛開啟后就產(chǎn)生所需的光通量。因此，25％的額定光通量可以在上電后1秒內(nèi)獲得，80％的額定光通量可以在上電后4秒內(nèi)獲得，這是汽車前燈所需要的。
<權利要求6所述的實施方案>
參考圖8描述根據(jù)該實施方案的汽車前燈裝置。在該圖中，汽車前燈裝置(HL)包括汽車前燈裝置主單元(21)、一對照明電路(OC)和一對高壓放電燈(HPDL’)。
汽車前燈裝置主單元(21)包括前透明面板(21a)、反光鏡(21b)、(21c)、燈座(21d)和固定裝置(21e)。
前透明面板(21a)的輪廓與汽車外表面形狀一致，并具有所需的光學裝置，如棱鏡。
反光鏡(21b)、(21c)中每一個分別提供給一個高壓放電燈(HPDL’)，配置成提供所需的光分布特性。
燈座(21d)連接到照明電路(OC)的輸出端并安裝在高壓放電燈(HPDL’)的燈座(21d)中。
固定裝置(21e)是用于將汽車前燈裝置主單元(21)固定到汽車預定位置的裝置。
高壓放電燈(HPDL’)具有圖6所示權利要求5中所述的配置。燈座(21d)安裝在燈罩中并與其連接。
以這種方式，兩燈泡高壓放電燈(HPDL’)安裝在汽車前燈裝置主單元(21)中，構成四燈泡汽車前燈裝置(HL)。每個高壓放電燈(HPDL’)的發(fā)光部分通常位于汽車前燈裝置主單元(21)中反光鏡(21b)、(21c)的焦點。
具有圖7所示電路布置的照明電路(OC)安裝在金屬容器(22)中并使各高壓放電燈(HPDL’)通電來開啟它們。
工業(yè)適用性根據(jù)權利要求1所述的實施方案，由于穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)和燈在開啟100小時后關閉時產(chǎn)生的自由碘的量A(mol/cc)滿足公式(1)，因此電弧變得穩(wěn)定，減少了電弧熄滅或亮度閃爍。從而可以提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中在開始照明時要輸入給其是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率。
T2/A＞1011(1)根據(jù)權利要求2所述的實施方案，由于穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(2)，因此抑制了放電閃爍，電極有相對長的壽命。從而可以提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中在開始照明時要輸入給其是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率。
1700≤T≤1900 (2)根據(jù)權利要求3所述的實施方案，由于穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(3)，因此進一步有效抑制了放電閃爍，電極可有更長的壽命。從而可以提供一種適于用作汽車前燈的高壓放電燈，其中在開始照明時要輸入給其是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率。
1730≤T≤1850(3)根據(jù)權利要求4所述的實施方案，除了關于權利要求1至3實施方案所述的特征，放電介質(zhì)包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的鹵化物中的一種或多種，該一種或多種鹵化物充當提供燈電壓的介質(zhì)。因此，通過基本不使用給環(huán)境增加相當大負擔的汞，可以提供一種適用于包括汽車前燈在內(nèi)各種應用的高壓放電燈。
根據(jù)權利要求5所述的實施方案，提供了一種具有權利要求1至4實施方案優(yōu)點的高壓放電燈照明設備，其中高壓放電燈的放電閃爍減少了，并實現(xiàn)了光通量的良好增加。
根據(jù)權利要求6所述的實施方案，提供了一種具有權利要求1至4實施方案優(yōu)點的汽車前燈裝置，其中實現(xiàn)了光通量的良好增加。
權利要求
1.一種高壓放電燈，其特征在于該高壓放電燈包括放電容器，具有防火、半透明而且其中有放電空間的密封容器，和在密封容器中放電空間的相對端密封提供的一對彼此面對距離為5mm或更小的電極；及放電介質(zhì)，密封在密封容器中，基本不包含汞，而包含三個3大氣壓或更高氣壓的氙氣、以及包括鈉Na、鈧Sc和稀土金屬的碘化物發(fā)光金屬鹵化物的中至少兩種，該高壓放電燈穩(wěn)態(tài)下保持50W或更低的燈功率，及穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)和該高壓放電燈在開啟100小時后關閉時產(chǎn)生的自由碘的量A(mol/cc)滿足公式(1)T2/A＞1011(1)
2.一種高壓放電燈，其特征在于該高壓放電燈包括放電容器，具有防火、半透明而且其中有放電空間的密封容器，和在密封容器中放電空間的相對端密封提供的一對彼此面對距離為5mm或更小的電極；及放電介質(zhì)，密封在密封容器中基本不包含汞，該高壓放電燈穩(wěn)態(tài)下保持50W或更低的燈功率，開始照明時要輸入是穩(wěn)態(tài)燈功率兩倍或更高的燈功率，及穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(2)1700≤T≤1900(2)。
3.根據(jù)權利要求2的高壓放電燈，其特征在于穩(wěn)態(tài)下在從尖端距離為0.3mm的點的電極溫度T(℃)滿足公式(3)1730≤T≤1850(3)。
4.根據(jù)權利要求1至3任何一項的高壓放電燈，其特征在于放電介質(zhì)包括Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的鹵化物中的一種或多種，該一種或多種鹵化物充當提供燈電壓的介質(zhì)。
5.一種高壓放電燈照明設備，其特征在于包括根據(jù)權利要求1至4任何一項的高壓放電燈；及照明電路，其中高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)的最大輸出功率是穩(wěn)態(tài)燈功率高2.5至4倍。
6.一種汽車前燈裝置，其特征在于包括汽車前燈裝置主單元；安裝在汽車前燈裝置主單元中的根據(jù)權利要求1至4任何一項的高壓放電燈，其放電容器的軸線與汽車前燈裝置主單元的光軸成一條直線；及照明電路，其中高壓放電燈開啟后4秒內(nèi)的最大輸出功率是穩(wěn)態(tài)燈功率高2至4倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓放電燈、利用該高壓放電燈的高壓放電燈照明設備和利用該高壓放電燈的汽車前燈裝置，本發(fā)明的一個目的是基本不使用汞并減少放電閃爍。高壓放電燈包括放電容器(1)，具有其中有放電空間(1c)的密封容器(1a)，以及在密封容器(1a)中放電空間(1c)的相對端密封提供的一對彼此面對距離為5mm或更小的電極(1b)；及放電介質(zhì)，密封在密封容器(1a)中基本不包含汞，而包含三個大氣壓或更高氣壓的氙氣以及包括Na、Sc和稀土金屬碘化物的發(fā)光金屬鹵化物的中至少兩種，其中該高壓放電燈穩(wěn)態(tài)下保持50W或更低的燈功率，而且穩(wěn)態(tài)下在從尖端到底端距離為0.3mm的點的電極(1b)溫度T(℃)和燈在開啟100小時后關閉時產(chǎn)生的自由碘的量A(mol/cc)滿足公式(1)T
文檔編號H01J61/18GK1559078SQ0281875
公開日2004年12月29日 申請日期2002年9月26日 優(yōu)先權日2001年9月27日
發(fā)明者加藤啟幸, 川島弘道, 道, 三, 上村幸三, 彥, 石神敏彥, 松田干男, 男, 蛭田壽男 申請人:哈利盛東芝照明株式會社, 東芝照明技術株式會社