專利名稱：具有減小的輝光電壓的低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低功率(高至150W)陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈，且更具體而言，涉及利用陶瓷放電容器和放電空間中的稀有氣體混合物的這種燈。
背景技術(shù)：
低功率CDM燈具有比在北美廣泛地使用的較古老的高壓鈉(HPQ燈的微黃色投射更令人愉悅的白光發(fā)射，這使得這些CDM燈成為有吸引力的候選燈以改裝到北美現(xiàn)有低功率HPS燈具內(nèi)。要克服的主要問(wèn)題在于，CDM燈的輝光電壓與維持該輝光的現(xiàn)有HPS鎮(zhèn)流器的可用開路電壓(OCV)。諸如高壓鈉(HPS)燈的高強(qiáng)度放電(HID)燈的點(diǎn)火過(guò)程包括導(dǎo)致輝光放電的電壓擊穿以及隨后到全等離子體電弧放電的過(guò)渡。為了發(fā)生輝光至電弧的過(guò)渡，來(lái)自鎮(zhèn)流器的充分的開路電壓(OCV)必須可用。帶有圓柱形多晶氧化鋁(PCA)陶瓷放電容器的典型低功率(75W_100W)CDM燈的輝光電壓大于200V，而ANSI規(guī)定的來(lái)自HPS鎮(zhèn)流器的可用最小OCV為110VRMS。因此，HPS鎮(zhèn)流器的可用OCV不足以使輝光放電過(guò)渡到全電弧放電，且目前制造的低功率CDM燈將不改裝到現(xiàn)有HPS燈具內(nèi)。根據(jù) J. F. Waymouth 在"The Glow-To-Thermionic-Arc Transition，，，Journal of IES, Summer 1987，第166-180頁(yè)中所述，氣體放電燈的起動(dòng)鎮(zhèn)流器的開路電壓(OCV) 峰值必須大于燈的輝光電壓至少15%。ASNI對(duì)于北美現(xiàn)有低功率HPS鎮(zhèn)流器中最小可用 OCV的規(guī)定是110VRMS。因此，對(duì)于上述ANSI規(guī)定的0CV，峰值OCV是156V且最大目標(biāo)輝光電壓是132V。確定燈的輝光電壓的主要因素是電極功函數(shù)。HPS和CDM的電極均為功函數(shù)為 4. 5eV的鎢。HPS燈具有低很多的輝光電壓的主要原因是因?yàn)樗鼈兪褂迷陔姌O上的發(fā)射涂層來(lái)降低其電極的功函數(shù)。這些固態(tài)發(fā)射器不可用于CDM燈中，因?yàn)榘l(fā)射器將與鹵化物鹽起反應(yīng)，從而耗盡發(fā)射器以及造成放電容器早期變黑。如果固態(tài)發(fā)射器不能利用，那么需要改變其它因素來(lái)實(shí)現(xiàn)更低的輝光電壓。美國(guó)專利第6，943，498號(hào)公開了一種具有圓柱形放電容器的CDM燈，其采用處于 13-40kPa(130-400 mbar)填充壓力的氖氣或基于氖氣的氣態(tài)混合物作為起動(dòng)輔助稀有氣體，以便降低燈的起動(dòng)電壓。外泡包括起動(dòng)輔助導(dǎo)體，其沿著放電容器的外表面延伸。在放電開始之后，這種起動(dòng)輔助導(dǎo)體促進(jìn)來(lái)自電極末端部的電弧放電。但是，使用起動(dòng)輔助導(dǎo)體需要額外硬件和處理步驟，從而增加了這種燈的復(fù)雜性和制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
期望生產(chǎn)一種低功率CDM燈，其能通過(guò)調(diào)整PCA放電容器的多種設(shè)計(jì)特征而起動(dòng) HPS鎮(zhèn)流器，而無(wú)需借助于電極上的固態(tài)發(fā)射器且無(wú)需借助于燈內(nèi)的起動(dòng)輔助導(dǎo)體，其中PCA放電容器的設(shè)計(jì)特征包括放電容器的形狀、電極的放置、稀有氣體填充物和填充壓力。根據(jù)所主張的本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例和實(shí)施方式，低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物 (CDM)燈的特征為圓弧形，例如橢圓形放電容器，具有至少0. 36的電極間隙比和處于至少 400 mbar填充壓力的氖氣/氬氣的稀有氣體填充物。本文所用的術(shù)語(yǔ)‘電極間隙比’表示從電極末端到放電容器內(nèi)壁的最短距離Dl與電極之間的距離D2的比值E，或D1/D2。稀有氣體混合物主要為氖氣，其余為氬氣。痕量(例如，2.5MBq/l)的放射性氪氣 (Kr85)可用于在嚴(yán)酷條件下促進(jìn)起動(dòng)。在其最廣泛的方面，本發(fā)明的主旨在于一種低功率(高至約150W)陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈，其包括
圓弧形的多晶氧化鋁(PCA)陶瓷放電容器，該放電容器具有封閉放電空間的內(nèi)壁，該放電空間具有能維持電極之間放電的填充物，該填充物包括稀有氣體的混合物和至少一種金屬鹵化物；以及，
一對(duì)電極，其延伸到放電空間內(nèi)，該電極具有電極間隙比E=D1/D2，其中Dl是從電極末端到放電容器內(nèi)壁的最短距離，且D2是電極與之間的距離；
其特征在于，稀有氣體是氖氣與氬氣的混合物，稀有氣體混合物以至少400 mbar的壓力存在，并且電極間隙比E至少為0. 36。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，電極間隙比為大約0. 4至0. 5，且稀有氣體填充壓力為大約 400 mbar 至 500 mbar。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，氖氣與氬氣的稀有氣體混合物包括大約99. 3%至 99. 8%的氖氣和大約0. 7%至0. 2%的氬氣。根據(jù)本發(fā)明的一特定實(shí)施例，稀有氣體混合物包含痕量的放射性氪氣。本發(fā)明適合于任何低功率(高志150W且包括150W) CDM燈，其旨在用于改裝到北美的低功率HPS系統(tǒng)上。這些產(chǎn)品將從黃光漸變至白光的改裝市場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)展以用于低功率。


將參看附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的這些和其它方面，在附圖中
圖ι示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈； 圖加示出圖1的燈的橢圓形放電容器； 圖2b示出圓柱形放電容器；
圖3是用于具有三種不同稀有氣體填充物的圖1所示類型的三組燈的輝光電壓與稀有氣體填充物之間關(guān)系的盒形圖4是具有氖氣和氬氣混合物的稀有氣體填充物的圖1所示類型的一組燈的輝光電壓與稀有氣體填充壓力之間關(guān)系的盒形圖5是具有氖氣和氬氣混合物的稀有氣體填充物的圖1所示類型的一組燈的輝光電壓與電極間隙比之間關(guān)系的盒形附圖為示意性的且并未按照比例繪制。在不同的附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相似部件。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈10， 其具有PCA放電容器12，放電容器12包括封閉放電空間14的中央橢圓形部分13和一對(duì)管形端部15和16。一對(duì)放電電極17和18延伸穿過(guò)放電容器12的端部15和16且由端部 15和16支承到放電空間14內(nèi)。外泡形封殼19包圍放電容器12和放電電極17和18且被密封到金屬螺旋基部20以提供氣密封閉。電引線21和22電連接到基部20且延伸穿過(guò)玻璃壓封23并由玻璃壓封23支承。 由支承元件M提供在放電電極18與外部電引線21之間的電連接。由框架構(gòu)件25，經(jīng)由延伸部2 提供在放電電極17與外部電引線22之間的電連接。延伸部2 包裹在從封殼 19的上端向內(nèi)延伸的坑窩19a的周圍，以提供額外的支承，然后向下延伸以與放電電極17 電連接。包圍放電容器12的保護(hù)性護(hù)罩沈由框架構(gòu)件25經(jīng)由支架27和28和條帶四和 30支承。圖加示出用于圖1的燈的氣體放電容器12。間隙比E定義為從電極(17)末端到放電容器13的中部?jī)?nèi)壁的最短距離Dl除以放電電極17與18之間的距離D2。為了比較，圖2b示出現(xiàn)有技術(shù)的氣體放電容器30，其具有圓柱形中部31和密封到端塞34和35以形成放電空間38的管狀端部32和33。放電電極36和37延伸穿過(guò)端部32和33到達(dá)放電空間38的內(nèi)部。間隙比E小于圖加的橢圓形容器，這是由于在放電電極(37)的末端與端帽(35)的內(nèi)壁之間的更小的距離Dl所致。放電空間14填充有稀有氣體混合物的起動(dòng)氣體和選自鈉、鈣、鎂、銦、錳、鉈、稀土和汞的金屬鹵化物鹽的化學(xué)填充物，例如，Na/Tl/Ca/Ce(18. 2/3. 5/75. 8/2. 5Mol%)； 萊8-10mgo起動(dòng)氣體混合物為大約99. 3至99. 7摩爾百分比的氖氣和大約0. 7至0. 2摩爾百分比的氬氣的彭寧(Perming)混合物，例如99. 7%的氖氣和0. 3%的氬氣。通過(guò)充分地將電極加熱到熱離子狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)并完成輝光至電弧過(guò)渡的目的。 在輝光階段，通過(guò)離子轟擊來(lái)加熱電極?？赏ㄟ^(guò)使用稀有氣體種類、稀有氣體壓力、電極距離和PCA放電容器形狀的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)充分低的輝光電壓。通過(guò)使用具有更高的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)的稀有氣體，可增加初始擊穿后離子轟擊的速率。雖然增加稀有氣體填充壓力增加了初始擊穿所需的電壓量，其也減小了燈的輝光電壓。由于可在起動(dòng)期間出現(xiàn)的壁損失，因此放電容器的形狀具有影響。電極越靠近放電容器壁，越多的電子不再被壁處的反應(yīng)所占有且不能用于對(duì)到全電弧放電的過(guò)渡做貢獻(xiàn)。這些參數(shù)單獨(dú)地都不可充分地降低輝光電壓，但所有參數(shù)的組合將導(dǎo)致低功率CDM燈， 其對(duì)北美低功率(例如，35W-150W 55V) HPS系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)火。一系列圖1和圖2所述類型的100W 55V CDM燈被制造成具有不同的設(shè)計(jì)特征的組，以便確定在北美低功率HPS系統(tǒng)中成功點(diǎn)火的條件，北美低功率HPS系統(tǒng)具有ANSI規(guī)定的110VRMS的最低可用OCV和132V的最大目標(biāo)輝光電壓。在測(cè)量輝光電壓之前，燈運(yùn)行 20小時(shí)。圖3的盒形圖示出了隨著放電容器中不同填充物的起動(dòng)氣體變化的輝光電壓的變化情況。在第一組和第二組燈中，填充物為氬氣和氙氣，劑量分別為Ar/Kr85和Xe/Kr85氣體混合物。K85用于輔助擊穿且僅以痕量存在。在第三組燈中，填充物為NeAr彭寧混合物(99. 7%氖氣，0. 3%氬氣)。所有燈具有200 mbar與300 mbar之間的放電容器填充壓力。在圖3中看出通過(guò)改變填充氣體為彭寧混合物，顯著地降低燈的輝光電壓，且得到三組最低平均輝光電壓?，F(xiàn)已知，包括氖氣的填充氣體產(chǎn)生最低輝光電壓，下一步驟是確定輝光電壓對(duì)填充壓力的依賴性。圖4的盒形圖示出了用于圖3的第三組燈中的具有相同彭寧混合物的三組燈的輝光電壓，每組分別具有200 mbar,300 mbar和400 mbar的不同填充壓力。圖4示出隨著氖氣填充壓力增加，輝光電壓減小。要分析的下一設(shè)計(jì)方面是，放電容器的形狀和電極到放電容器壁的距離，且因?yàn)樵谶@些實(shí)驗(yàn)(參看圖2a)中使用兩種不同形狀的放電容器，因此不使用從電極末端垂直到壁的線性距離除以電極距離的傳統(tǒng)縱橫比。替代地，使用此處被稱作電極間隙比E的從電極末端到任何壁的最短距離Dl與電極之間距離D2的比值。對(duì)于在這些測(cè)試中所用的圓柱形容器而言，從電極端部到壁的最短距離為 Imm(末端至底部距離)且電極距離為6mm，產(chǎn)生0.17的電極間隙比。對(duì)于具有不同橢圓形容器的兩組燈執(zhí)行額外測(cè)試。第一組包括具有2. 6mm距離Dl和Ilmm的距離D2的容器，產(chǎn)生0. 24的電極間隙比E。第二組包括具有9mm距離Dl和3. 25mm的距離D2的容器，產(chǎn)生 0. 36的電極間隙比。圖5的盒形圖示出了具有三個(gè)不同電極間隙比的組的輝光電壓。產(chǎn)生能改裝到100W HPS SM系統(tǒng)的低功率100W CDM燈的放電容器參數(shù)包括這樣的橢圓形放電容器，其具有處于至少400 mbar壓力的氖氣/氬氣的稀有氣體彭寧混合物， 和至少0. 36的電極間隙比。已經(jīng)測(cè)量這種組合具有132V的平均輝光電壓。所描述的100W 55V CDM燈將以-10%初級(jí)值(108V)對(duì)HPS鎮(zhèn)流器進(jìn)行點(diǎn)火。展示了對(duì)于100W，成功的實(shí)施例，但可轉(zhuǎn)移到:35W、50W、70W和150W的燈。對(duì)此產(chǎn)品的增強(qiáng)為無(wú)汞地形成其的能力。已經(jīng)對(duì)鋅進(jìn)行試驗(yàn)以試圖制造無(wú)汞的 CDM產(chǎn)品。利用鋅的主要障礙在于，難以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CDM產(chǎn)品所需的100V或更大電壓。但是產(chǎn)品僅需55V且這可利用鋅替換汞來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如在美國(guó)專利7，218，052和美國(guó)專利申請(qǐng)公開第20070120458號(hào)中所討論的那樣，該兩個(gè)專利文獻(xiàn)都以引用的方式結(jié)合到本文中。用于降低輝光電壓的這些技術(shù)并不僅限于本文所述的燈，而可應(yīng)用于需要降低輝光電壓的任何CDM燈。本文所公開的方案適合于任何低功率(例如高至150W且包括150W)CDM燈，其旨在用于改裝到北美的HPS系統(tǒng)。低功率CDM改裝產(chǎn)品家族的潛力是巨大的，因?yàn)榇嬖跀?shù)十萬(wàn)個(gè)以這些功率安裝的HPS燈。用于降低陶瓷金屬鹵化物燈的輝光電壓的能力也可用于未來(lái)電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)中。電子鎮(zhèn)流器的總線電壓(buss voltage)等同于OCV且需要足夠高以通過(guò)輝光到電弧的過(guò)渡而使燈轉(zhuǎn)變。存在減小電子鎮(zhèn)流器大小的潛力，和/或如果需要維持較低的總線電壓的話，存在改進(jìn)鎮(zhèn)流器效率的潛力。針對(duì)有限的幾個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明展開了必要描述。通過(guò)此描述，其它實(shí)施例和實(shí)施例變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明顯的，且旨在將其它實(shí)施例和實(shí)施例變型全面地涵蓋于本發(fā)明和所附權(quán)利要求書的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈，包括圓弧形的多晶氧化鋁(PCA)陶瓷放電容器，該放電容器具有封閉放電空間的內(nèi)壁，所述放電空間具有能維持電極之間放電的填充物，所述填充物包括稀有氣體混合物、汞和至少一種金屬鹵化物；以及，一對(duì)電極，其延伸到放電空間內(nèi)，所述電極具有電極間隙比E=D1/D2，其中Dl是從電極末端到所述放電容器的內(nèi)壁的最短距離，且D2是電極之間的距離；其特征在于，所述稀有氣體是氖氣與氬氣的混合物，所述稀有氣體混合物以至少400 mbar的壓力存在，并且所述電極間隙比E至少為0. 36。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CDM燈，其特征在于，所述放電容器基本上為橢圓形容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CDM燈，其特征在于，所述氖氣和氬氣的稀有氣體混合物包括大約99. 3%至99. 7%摩爾百分比的氖氣和大約0. 7%至0. 2%摩爾百分比的氬氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CDM燈，其特征在于，所述稀有氣體混合物的壓力為大約400 mbar 至大約 500 mbar0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CDM燈，其特征在于，所述電極間隙比E為大約0.4至0. 5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CDM燈，其特征在于，所述稀有氣體混合物包含痕量的放射性氪氣。
全文摘要
一種低功率陶瓷氣體放電金屬鹵化物(CDM)燈10，其能改裝到現(xiàn)有低功率HPS燈具內(nèi)，該CDM燈10具有橢圓形陶瓷放電容器12，其包含處于至少400毫巴填充壓力的稀有氣體氖氣與氬氣的混合物；和一對(duì)電極(17,18)，其延伸到放電容器12內(nèi)，該電極(17,18)具有至少0.36的電極間隙比E=D1/D2，其中D1是從電極(17)末端到放電容器12的中部13的內(nèi)壁的最短距離，且D2是在放電電極17與18之間的距離。
文檔編號(hào)H01J61/82GK102272880SQ200980153408
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者吉布森 R., 格拉厄姆 W. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司