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CN100367448C - 金属卤化物灯、金属卤化物灯照明设备及汽车前灯装置 - Google Patents

金属卤化物灯、金属卤化物灯照明设备及汽车前灯装置 Download PDF

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CN100367448C CNB028187555A CN02818755A CN100367448C CN 100367448 C CN100367448 C CN 100367448C CN B028187555 A CNB028187555 A CN B028187555A CN 02818755 A CN02818755 A CN 02818755A CN 100367448 C CN100367448 C CN 100367448C
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Abstract

本发明涉及基本上不含汞的金属卤化物灯、使用该灯的金属卤化物灯照明设备以及使用该等的汽车前灯装置。本发明的目的是提供可以获得光通量的快速增加的产品。根据本发明的金属卤化物灯(MHL)具有：放电容器，此放电容器的内部容积为C(cc)，且具有在密封容器(1a)的放电空间(1c)的相对两端，密封在密封容器(1a)中的以5mm或更小的距离互相面对的一对电极(1b)、(1b)；以及包括三个大气压或更高气压的氙气、钠Na的卤化物以及钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种的放电介质，这些卤化物的熔点为T(K)，其中稳态下的灯功率为50W或更低，并满足公式(1)：(H/C)×[R/(T/500)6]＜3.11 (1)，其中，H(mg)为灯关断时沉积在电极上的卤化物的量，以及R为开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比。

Description

金属卤化物灯、金属卤化物灯照明设备及汽车前灯装置
技术领域
本发明涉及基本上不含汞的金属卤化物灯、使用该金属卤化物灯的金属卤化物灯照明设备以及使用该金属卤化物灯的汽车前灯装置。
背景技术
由于金属卤化物灯相对高的效率和良好的显色性，具有包括一对相对电极并包括惰性气体、发光金属卤化物和汞的密封容器的金属卤化物灯，被广泛使用。此外，这种金属卤化物灯已经开始广泛用作汽车前灯。包括用作汽车前灯的那些金属卤化物灯，目前实际应用的金属卤化物灯基本上使用汞(下文中方便地称为含汞灯)。在公开号为2-7347的日本专利中，描述了一种用作汽车前灯的金属卤化物灯的代表性说明书，它规定要密封大约2-15mg的汞。此外，在公开号为59-111244的日本专利中，描述了一种适于用作汽车前灯的包括规定的预定量汞的放电灯，即金属卤化物灯。根据该说明书，当这种金属卤化物灯在水平位置工作时，放电弧收缩成至少基本上成直线，该金属卤化物灯是高效的。
然而，现今，环境问题变得很严重，以及在照明工业中，认为减少或甚至消除灯中的汞是极其重要的，因为它给环境造成了严重的负担。
为了解决这个问题，已经提出了若干种除去高压放电灯中汞的方法。例如，发明人做出了在日本专利2982198及公开号为6-84496和11-238488的日本专利中描述的发明。第一种发明是一种在其中封入钪Sc或稀土金属卤化物及惰性气体并利用脉冲电流可控开启与关闭的金属卤化物灯。第二种发明是一种包括由金属卤化物和惰性气体组成的放电介质的金属卤化物灯，因此在宽输入范围内有较小变化的颜色特性，从而能够用于调暗照明。第三种发明是一种通过除作为主发光材料的第一种金属卤化物以外还包括具有高汽压且很难发光的第二种金属卤化物从而在电特性方面有所改进的金属卤化物灯。
此外，在公开号为11-307048的日本专利中，描述了一种通过除钪Sc和钠Na卤化物以外还包括钇Y和铟In卤化物作为第三种金属卤化物来避免由于电极扩散造成变黑的高压放电灯，其中钇Y和铟In卤化物在工作中具有1×10-5大气压的气压，而且其金属本身在5-10eV电离。根据本文所公开发明的高压放电灯描述为具有汽车前灯所需的任何光通量和色度范围。
图23为一个处于关断状态的传统的含汞灯的主要部分的放大图。在此图中，附图标记101代表密封容器，附图标记102代表电极，以及附图标记103代表卤化物。
放电容器101包括密封容器101a和一对电极101b，以及沉积在电极101b的轴部的大量卤化物104。
在用作汽车前灯的含汞灯的情况下，在灯刚开启后，主要由氙发光，然后，汞很快地被汽化并突然地开始发光。因为汞的发光效率比氙的高好几倍，额定光通量的80％或更高在灯开启后的4秒内获得，这样，获得了光通量的相对快速的增加。上述的光通量可以通过输入一个是额定灯功率的大约两倍的功率来获得，额定灯功率为在灯刚开启后稳态下的灯功率。最大灯电流只有在灯开刚启后流过，灯电流在开启后的1-2秒内突然降低并在4秒后等于或低于最大电流的一半。
另一方面，在用作汽车前灯的基本上不含汞的金属卤化物灯(下文方便地称为无汞灯)的情况下，与含汞灯相同，在灯刚开启后，由氙发光。然而，然后，在它的温度上升到大约400-600℃之前，卤化物未被充分地汽化，并且此过程花费了灯的开启开始后的大约4秒的时间。因此，氙在此期间继续发光。这样，存在一个问题，即无汞灯通过灯功率获得的光通量的增加劣于含汞灯，并在灯开启后接近最大灯电流的电流必须流大约4秒时间，如图1所示。
图1示出了在灯开启后无汞灯和含汞灯的灯电流的变化。图2示出了它们的电极温度的变化，以及图3示出了它们的蒸汽压的变化。在这些图中，横轴表示时间(秒)，图1中的纵轴表示灯电流，图2中的纵轴表示电极温度，图3中的纵轴表示卤化物和汞的汽压，所有的纵轴都表示相对值。在这些图中，曲线A为无汞灯的，曲线B为含汞灯的。
如上所述，当无汞灯被开启时，用作汽车前灯的无汞灯暂时被提供相对高的灯电流以提供光通量的快速增加。这样，如图4所示，在开启后的大约0.2秒到2秒内，无汞灯发出显示为橙色的瞬时强光。
图4示出了在开启时传统的无汞灯和根据本发明的无汞灯的光通量的增加特性。在此图中，横轴表示时间(开启后)(秒)，纵轴表示光通量的增加率(％)。在此图中，曲线C为本发明的，曲线D为例如在图13中所示的传统的无汞灯的。根据本发明的无汞灯将在后面介绍。
在灯刚开启后发出的瞬时和短期强光具有一个是在稳态下发出的光的好几倍的亮度并由于很容易发光的Na而通常显示为橙色。然而，该光可以显示为各种颜色，因为该光可能包括Sc或另一种金属发出的光。当金属卤化物灯用作汽车前灯时，就安全性而言，这种发光并不是优选的，因而必须被抑制。
相反，在含汞灯中，上述的在灯刚被开启后发出强光的情况不会产生，或即使产生的话，在一个极短的时间内产生不会导致实际的问题。
本发明的一个目的是提供适合用作汽车前灯的金属卤化物灯、使用该金属卤化物灯的金属卤化物灯照明设备以及使用该金属卤化物灯的汽车前灯装置，该金属卤化物灯基本上不含汞，因此无需考虑环境问题，并能改善光通量的增加。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其中抑制了开启后2秒内发出的瞬时强光。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其改善了发光效率同时不降低寿命。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其稳定了放电。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其具有理想的光分布。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其改善了稳定性。
本发明的另一个目的是提供上述的产品，其通过降低电极的磨损以抑制由于电极的磨损引起的各种缺陷的发生而改善了稳定性。
发明内容
根据第一方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的特征在于，该金属卤化物灯包括：放电容器，此放电容器具有一个防火的、半透明的并且在其中具有放电空间的密封容器，以及在密封容器中的放电空间的相对两端提供的、以5mm或更小的距离互相面对的一对电极，密封容器的内部容积为C，单位为cc；以及放电介质，基本上不包括汞并密封于密封容器，此放电介质包括三个大气压或更高气压的氙、钠Na的卤化物以及钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种，这些卤化物的熔点为T，单位为K，在稳态下，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，并满足公式(1)：
(H/C)×[R/(T/500)6]＜3.11            (1)，
其中，H表示灯关断时沉积在电极上的卤化物的量，单位为mg，以及R表示开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比。
在此实施例和后面介绍的实施例中所用的术语具有下面的定义和技术含义，除非另有指定。在本发明中，放电容器、放电介质等是主要的元件。下面，将对每一个元件进行说明。
<放电容器>
放电容器包括密封容器和一对电极。
<密封容器>
密封容器是防火的、半透明的并且具有在其中形成的一个放电空间。所述的词‘防火’意为密封容器可以足够经受金属卤化物灯的标准的工作温度。因此，密封容器可以由任何材料制成，只要材料可以防火并能允许由放电产生的在所需波长范围内的可见光发射出去。例如，密封容器可以由例如石英玻璃、半透明氧化铝和YAG、或它们的单晶等的陶瓷制成。根据需要，密封容器的内表面可以用具有耐卤素或耐卤化物性的透明薄膜覆盖，或可以被更改。
在密封容器中形成的放电空间优选具有一个细长形状。例如，它是圆柱形的、椭球形的或纺锤形的。
此外，围绕着放电空间的密封容器的部分可以具有一个相对高的厚度。即，围绕着电极之间的距离的中部的密封容器的部分可以比它的端部厚。这会增强密封容器的热传递，因此，附着在密封容器中的放电空间的较低部分和侧部分的内表面上的卤化物的温度会快速增加。这样，可以获得光通量的快速增加。
<一对电极>
该对电极是密封于密封容器中的放电空间的相对两端并以5mm或更小的距离互相面对。电极可以由钨、掺杂的钨、铼、铼/钨合金等制成，具有长棒形状，以及通过把它们的底端部分嵌入密封容器的两端并把它们的尖端部分伸入密封容器中来支撑。就用于汽车前灯的金属卤化物灯而言，如果需要，电极可以在距它们的尖端很短距离的位置具有比它们的轴部粗的最大直径部分。也就是说，灯很频繁地被开启和关断，以及在开始发光时流过了比稳态时高的灯电流。如果电极的直径整体增加，就可能在与轴部相接触的密封容器的部分内发生破裂，因为此部分在灯每次开启和关断时都会承受热应力。如果如上所述在电极的尖端附近提供最大直径部分，而电极的轴部的直径不增加，由此，破裂就很难发生。
此外，电极可以配置为交流电或直流电。如果灯在交流下工作，该对电极具有相同的结构。如果灯在直流下工作，通常地，阳极的温度会快速地增加。这样，如果在距尖端很短距离的位置的阳极上形成该最大直径部分，可以增加热的辐射面积，因此，阳极可以为频繁的开/关操作做准备。相反，阴极可以没有该最大直径部分。
此外，电极是通过嵌入密封容器来支撑并通过密封地引入该密封容器的导电装置以从外部获得功率。在密封容器由石英玻璃制成的情况下，导电装置为众所周知的密封金属薄片。具体地说，作为密封金属薄片，钼等的薄片被密封地嵌入密封容器的密封部分，其中一端焊接在电极的基础部分，另一端焊接在外部引线的尖端。密封金属薄片可以通过公知的密封方法来密封地嵌入，例如无切屑减压密封(chip-less decompression sealing)或夹持密封(pinch sealing)。
<放电介质>
放电介质包括卤化物和惰性气体并基本上不含汞。
(卤化物)
卤化物包括：至少一种钠Na的卤化物，以及钪Sc和稀土金属的卤化物的至少一种来作为发光金属的卤化物。优选为，发光金属的卤化物构成第一卤化物，并另外添加一种后面将介绍的第二金属卤化物到其中。
上述的钠Na、钪Sc和稀土金属是非常有效的发光材料，且钠Na和/或钪Sc和稀土金属是本发明的主要发光金属。然而，根据需要，例如，可以添加另外一种例如In的发光金属的卤化物以提供色彩调节。在Zn的卤化物被用作后面将介绍的第二金属卤化物的情况下，Zn可提供色彩调节，因为Zn发出蓝光。
现在，将介绍添加第二金属卤化物的情况。第二金属卤化物的特征在于它具有很高的汽压。这样，它作为主要提供灯电压的放电介质被密封。第二金属卤化物优选为选自Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种。通过使用第二金属卤化物代替汞，在金属卤化物灯中可以实现大约25到70V的灯电压，此金属卤化物灯具有距离为5mm或更小的电极和50W或更低的灯功率。
除了具有相对高的蒸汽压，第二金属卤化物还具有发出相对少的可见光的特征。然而，在本发明中，这并不重要。
这样，在密封容器中除了第一金属卤化物外再密封第二金属卤化物可以增加灯电压以使之纳入理想的范围，因此，所需的灯功率可以在相对低的灯电流下输入。
现在，将介绍卤化物的卤素。更确切地说，就反应而言，碘是最适合的。至少，上述的主要发光金属以碘化物的形式被密封在密封容器中。然而，根据需要，可以结合使用不同的卤素化合物，例如碘化物和溴化物。
此外，卤化物被过量地密封在密封容器中，以及在灯开启时，没有汽化的过量的卤化物保持液态并附着在放电空间的底部和侧部的内壁上。
(氙)
氙气作为一种启辉气(starting gas)和一种缓冲气并在灯开启后的瞬间起主要发光作用。所密封的氙气的气压为3个大气压或更高，优选为5个大气压或更高，最优选为在从9到16个大气压的范围之内。因此，即使在灯开启后几秒的时间内卤化物的蒸汽压比较低，金属卤化物灯的灯电压可以保持尽可能的高。这样，在相同的灯电流下，可以提供更高的灯功率并可以改善光通量的增加特性。作为灯的各种使用时的优点，好的光通量的增加特性是极其重要的，特别是在汽车前灯、液晶投影仪等应用中。
(汞)
本发明中‘基本不含汞’意为完全没有密封汞或可以存在少于密封容器的内部容积的2mg/cc的量的汞，优选为密封容器的内部容积的1mg/cc或更少。然而，从环境角度考虑，理想为不密封汞。就短电弧型金属卤化物灯而言，如果放电灯的电特性像在现有技术中那样通过汞蒸汽来维持，在密封容器中必须密封密封容器的内部容积的20到40mg/cc、可能为50mg/cc量的汞。与此相比，在本发明中所用的汞的量被大幅度地降低了。
<灯刚开启后的灯功率>
根据本发明，在灯刚开启后提供一段期间，在此期间输入的功率是稳态时的灯功率的两倍或更多倍。这使光通量的增加更迅速。优选地，输入是稳态时的灯功率的2.5到4倍的功率，最优选，输入比稳态时的灯功率高3倍的功率。输入灯功率可以主要在发光电路中调节。
<灯关断时沉积在电极上的卤化物的量>
灯关断时“沉积在电极上的卤化物的量”表示灯关断时沉积在电极外围上的卤化物的量。“电极外围”表示在电极的轴部的半径的0.2mm的区域内。这样，沉积在电极上的卤化物的量表示沉积在电极的轴部的0.2mm的半径区域内的卤化物的量。
在本发明中，灯关断时沉积在电极上的卤化物的量将被削减。如下所述，灯关断时沉积在电极上的卤化物的量的削减程度会影响到开启后2秒内的瞬时最大光通量与稳态下的光通量之比的大小。也就是说，如果灯关断时沉积在电极上的卤化物的量被充分削减，开启后的2秒内的瞬时最大光通量与稳态下的光通量之比为110％或更小。根据本发明，就用作汽车前灯的金属卤化物灯而言，灯关断时沉积在电极上的卤化物的量为大约0.18mg或更少。
然而，上述削减灯关断时沉积在电极上的卤化物的量的方法不限于特定的一种，可以使用下述的一种或多种方法。
1.削减伸入密封容器中放电空间的电极部分。这使电极的热更容易地传递到它们的根部，因此，根部的温度升高。这样，削减了沉积在电极上的卤化物的量。
2.在电极的嵌入处的密封容器的部分防止形成任何楔形或穴状的缺口。如此抑制了卤化物沉积在电极的根部，这样，削减了沉积在电极上的卤化物的量。
3.使围绕着在放电空间的相对两端提供的电极的密封容器部分的壁靠近各自的电极。如此会提高电极根部的温度，这样，削减了沉积在电极上的卤化物的量。
<公式(1)>
通过满足公式(1)，此公式的参数为：密封容器的内部容积C(cc)、卤化物的熔点T(K)、灯关断时沉积在电极上的卤化物的量H(mg)、开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比R，本发明将抑制灯开启后2秒内发出的瞬时强光的发生。公式(1)是由实验得出的，且各参数的值是绝对值。
因此，当开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比R，即开始发光时的最大灯功率增加时，开始发光时电极的温度增加，且输入功率增加。这样，发光的量趋于增加，以及开启后2秒内发出的瞬时光趋于更强。此外，当卤化物的熔点T下降时，卤化物的汽化比增加，沉积在电极上的卤化物的量增加，且更可能发出瞬时强光。
公式(1)代表上述诸参数之间的关系。
<灯功率>
灯功率是为金属卤化物灯提供的功率。根据本发明，在稳定的状态下，即稳态时此功率为50W或更低。这意味着该灯为一个小的金属卤化物灯。
<本发明中的其它元件>
根据这个和其它的实施例，下面的元件不是金属卤化物灯中的主要元件。然而，有选择地为金属卤化物灯添加这些元件中的任何一个可以增加它的性能和功能。
1.外罩
外罩把放电容器包围在里面。外罩可以阻挡紫外线从放电容器发射到外部、保持放电容器的温度、机械地保护放电容器或使放电容器适应于任何所需目的。根据需要，可以将外罩密封以阻隔外部空气或可在里面密封一个大气压或降低气压的空气或惰性气体。此外，根据需要，外罩可以与外部空气相通。
2.底座
底座用来把金属卤化物灯连接到发光电路或在预定的位置机械地支撑金属卤化物灯。
3.点火器
点火器用来产生高的脉冲电压并把此电压加到金属卤化物灯以促进金属卤化物灯的开启。根据需要，可以通过把点火器容纳在底座里以使其与金属卤化物灯成为整体。
4.开启辅助导体
开启辅助导体用来增加电极附近的电场强度，由此帮助金属卤化物灯的开启。开启辅助导体的一端连接到与一个电极的电势相同的部分，并把它的另一端设置在另一个电极附近的放电容器的外表面的区域。
<本发明的操作>
发明人已经观察到，在无汞灯中，在灯关断后，在电极的轴部上沉积了卤化物的混合物，处于液态的混合物流到电极的尖端，并且发现流向电极尖端的卤化物的量依赖于沉积在电极上的卤化物的量。可以认为这是因为密封在一起的第一金属卤化物和第二金属卤化物的混合物的熔点低于第一金属卤化物的熔点，这样，在灯关断后处于液态的卤化物的混合物的固化时间长于第一卤化物的固化时间。
因为卤化物具有上述的较低熔点，所以卤化物具有增强的汽化率。因此，在开始发光时，移到电极尖端的卤化物瞬时汽化并发出瞬时光。此时，易于发光的Na等发出强光。此外，在开始发光时，持续输入了高的灯功率，因此，电极具有相对高的温度，此高温也促进了在开始发光时发出的瞬时光。
此外，通过大量的试验和仔细的观察，发明人已经发现移到电极的尖端的卤化物的量依赖于沉积在电极上的卤化物的量。具体地，当沉积在电极上的卤化物的量增加，移到电极的尖端的卤化物的量也增加，导致在开始发光时发出的更强的瞬时光。
根据本发明，只要满足公式(1)，就可以充分地抑制开启后2秒内发出的瞬时强光。然而，如果不满足公式(1)，就不能充分地抑制开启后2秒内发出的瞬时强光。
此外，根据本发明，稳态时光通量的60％或更多可以很容易地在灯开启后的4秒获得。这样，符合了汽车前灯的规格。如此，灯开启后2秒内的发出的瞬时光实际不成问题。优选获得在稳态下光通量的60到110％。在这种情况下，可以获得光通量的一个良好的增加，以及在灯开启后4秒必须获得稳态下光通量的60％或更高的要求很容易被满足，此要求是为汽车前灯应用的金属卤化物灯而规定的，以及可以在从灯开启后2秒到灯开启后4秒的时间段内获得一个光通量的平缓变化。此外，如果光通量为稳态时的105％或更低，作为强光是不可见的。这里，上述的光通量的快速增加对除了汽车前灯之外的其它应用也是有用的。
根据第二方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的特征在于，该金属卤化物灯包括：放电容器，此放电容器具有一个防火的、半透明的并且在其中具有放电空间的密封容器，以及在密封容器中的放电空间的相对两端密封的、以5mm或更小的距离互相面对的一对电极；以及放电介质，基本上不包括汞，密封于密封容器包括发光金属的卤化物和惰性气体，以及在稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，在灯开启后10秒的期间内，给灯提供了是稳态时的灯功率的2.2倍或更多倍的灯功率，在灯开启后的4秒获得了稳态下光通量的60％，并满足公式(2)：
5＜(LA-H)3×CT/BW＜28                 (2)，
其中，BW(W)为稳态时的灯功率，LA-H(mm)为具有最大亮度的电弧中的点和处于液态的放电介质池之间的最小长度，以及CT(mg)为密封容器的放电空间部分的质量。
根据此实施例，规定了作为汽车前灯开启和关断并被安排提供了光通量的快速增加的金属卤化物灯。除了上述几点，本实施例的密封容器、放电容器的电极以及放电介质可与第一方面的实施例中描述的相同。
稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的功率，并且在灯开启后的10秒内，通过发光电路给灯提供是稳态时的灯功率的2.2或更高(优选为2.5)倍的灯功率。这样，在开启后的4秒，金属卤化物灯提供了稳态时光通量的60％或更多。因此，根据此实施例，金属卤化物灯当需要时被金属卤化物灯照明设备所开启，此金属卤化物灯照明设备是与发光电路结合的金属卤化物灯的实现方案。
在电极之间的中部测量具有最大亮度的电弧中的点和处于液态的放电介质池之间的最小长度LA-H(mm)。使用亮度计来确定具有最大亮度的电弧中的点。在灯开启时通过侧面地观察放电容器可以看见一团放电介质。在灯关断时，放电介质池不会发生剧烈变化。词‘放电介质池’主要指附着在放电空间的内壁上的液态的过量的卤化物。
密封容器的放电空间部分的质量CT(mg)表示围绕着放电空间的密封容器的外壳部分的质量，不包括与外壳部分相连的密封部分的质量。可以把外壳部分和与之相连的密封部分之间的不连续处识别为分界线。
惰性气体可以是氙、氪、氩和氖中的一种或多种。虽然惰性气体的气压可以不限于一个特定的值，但优选为3个大气压或更高、更优选为五个大气压或更高、以及最优选为八到十六个大气压。
如上所述，布置根据本实施例的金属卤化物灯以解决放电介质的汽化，这种汽化是无汞灯本身所固有的。因此，电弧非常接近放电介质池，由此使得放电介质的温度快速增加，以及减小每功率的密封容器的质量以降低它的热容量。这样，极大地改善了光通量的增加。
如果此实施例的金属卤化物灯与第一方面所述的装置相结合实现，金属卤化物灯会更实用。
根据第三方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第二方面中介绍的金属卤化物灯，其特征在于：该对电极中的每个电极在嵌入密封容器的部分的平均直径为CE(mm)且在伸入放电空间的部分具有最大直径部分，伸入部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(4)：
CE＜DE       (3)，以及
DE-CE＞0.05  (4)。
根据此实施例，规定了一个装置，由于改进了电极，此装置具有快速增加的光通量的并提高了效率和寿命的。具体地，电极由钨、掺杂的钨、铼、铼/钨合金等制成。因为这些材料的热导率远远大于密封容器的例如石英玻璃的材料，如果电极根据如上所述设置，其轴部相对会很细，由此降低了从电极传向密封容器的密封部分的热传递。结果，放电容器的温度增加更快，获得了光通量的更加迅速的增加，并提高了效率。此外，降低了嵌入密封容器的电极部分的温度，因此，降低了密封部分中密封金属薄片与卤化物之间的反应，从而延长了金属卤化物灯的寿命。
由于伸入放电空间的电极部分每个都具有最大直径部分且此最大直径部分比含汞的金属卤化物灯的大，因此，电极具有更高的热容量，即使在开始发光时高的灯电流流过一段相对长的时间，电极的尖端也不会熔化。
如果此实施例的金属卤化物灯与第一方面中所述的装置相结合实现，金属卤化物灯会更实用。
电极的最大直径部分可以通过在电极的轴部周围安放钨线圈来形成，或通过修整粗钨棒与轴部一体地形成。
根据第四方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第二方面中介绍的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极的伸入放电空间的部分的最大直径为BE(mm)、它们的末梢的10％的平均直径为AE(mm)，并满足公式(5)：
AE＜BE                    (5)。
根据此实施例，规定了一种具有改进电极并由此提高了放电的稳定性的装置。如果电极根据如上所述设置，电极在距其尖端很短的距离外具有最大直径。因此，电极的轴部相对很细，并增加了它的温度，由此改善了尖端的热电子发射并稳定了放电。这样，阻止了电弧的消失或亮度闪烁的发生。此外，因为最大直径部分形成在距电极的尖端很短距离的位置，所以电极具有更高的热容量，即使在开始发光时高的灯电流流过一段相对长的时间，电极的尖端也不会熔化。
电极的最大直径部分可以通过在轴部周围安装钨线圈来形成，或通过修整粗钨棒与轴部一体地形成。
惰性气体可以是氙、氪、氩和氖中的一种或多种。然而，优选使用氙。虽然惰性气体的气压可以不限于一个特定的值，但优选为三个大气压或更高、更优选为五个大气压或更高、以及最优选为八到十六个大气压。
如果此实施例的金属卤化物灯与第一方面中所述的装置相结合实现，金属卤化物灯会更实用。
根据第五方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第二方面中介绍的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极的每个电极在嵌入密封容器的部分都具有的平均直径为CE(mm)，该一对电极中的每个电极的伸入放电空间的部分的最大直径为BE(mm)，其末梢的10％的平均直径为AE(mm)，伸入部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(6)：
CE＜DE        (3)，以及
AE＜DE＜BE    (6)。
根据此实施例，规定了一个装置，其中抑制了阴极点的偏移以阻止光分布特性的波动，而且使电极的尖端做的不易被损坏。根据上述设置，形成了阴极点。然而，因为电极具有细的尖端，阴极点形成的位置很少变化，因而。光分布特性更不易发生波动。
此外，因为氙气被密封在八到十六个大气压下，优选为十六个大气压的气压以防止爆裂的危险，在刚开启后在仅由氙提供的放电期间可以获得高的灯电压。因此，在此期间，降低的最大的灯电流足以向灯输入所需的灯功率，因而，电极可以更细。结果，进一步抑制了阴极点的偏移和由此的光分布的波动。
此外，因为电极在距它的尖端的很短距离的位置具有最大直径部分，电极具有更高的热容量，因此加速了散热并改善了降温。
根据第六方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第二方面中介绍的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极在距尖端的很短距离的位置具有一个大直径部分，电极的轴与从尖端的边沿引出的通过大直径部分的最外面的点的线之间的夹角QE(°)满足公式(7)：
24≤QE≤43                (7)。
具有上述的设置，此实施例提供了与第五方面中描述的基本相同的操作和优点。
此外，当高浓度的氙以八个或更高的大气压被密封时，电弧易于弯曲。然而，根据此实施例，即使电弧被大幅度弯曲，在距电极的尖端的很短距离的位置形成的大直径部分的最外面的点也落入了角QE的范围内，因而阻止了在最大直径部分形成的并不期望的阴极点。这里，“最外面的点”表示在大直径部分的周边上的点，从电极的尖端的边沿引出的线相交首先与该点相交。
当检查电极的大直径部分的最外面的点是否满足上述条件时，如果电极的尖端是半球形或抛物面形，假定尖端为平面以确定边沿。
根据第七方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的特征在于，金属卤化物灯包括：放电容器，此放电容器具有由石英玻璃制成的并在其中具有放电空间的密封容器、以及在密封容器中的放电空间的相对两端提供的、以5mm或更小的距离互相面对的一对电极，电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)：
2.5＜A＜43      (8)、
放电介质，密封于密封容器中基本不含汞，包括三个或更高大气压下的氙气和钠Na、钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种，稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，以及在灯刚开启后提供了一个期间，在此期间输入了一个是稳态时的灯功率的两倍或更多倍的功率。
根据此实施例，规定了一个装置，此装置基本上不用汞，从而无需考虑环境问题，并提供了光通量的快速增加，以及通过降低电极的磨损以抑制由于电极的磨损引起的各种缺陷的发生来改善了可靠性。除了上述几点，此实施例中密封容器和放电容器的电极以及放电介质可以选择性地配置成与第一方面和/或第二方面到第六方面中所述的那些部分相同。
在密封容器中在放电空间的相对两端互相面对着密封了该一对电极，此一对电极以5mm或更小的距离互相隔开，以及电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)。这里，利用一个XPS(X射线衍射仪)来测量几个纳米深度的电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)。
通过让SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)，可以实现通过降低电极的磨损以抑制由于电极的磨损引起的各种缺陷的发生从而改善金属卤化物灯的可靠性的预期目的。
然而，如果原子密度率A(％)高于43％，电极的磨损就变得很重要，白化、黑化和/或电极之间距离的增加都将超过各自可承受的水平，以及相应地降低了光通量保持因子。因此，这样的原子密度率是不可接受的。白化是由于扩散的电极材料与形成半透明密封容器的石英玻璃之间的反应而引起的。黑化是由于扩散的电极材料附着到半透明密封容器的壁上引起的。另一方面，就含汞灯而言，SiO2的原子密度率A(％)为大约68％或更低是可以接受的。
另一方面，当原子密度率A(％)小于2.5％时，金属卤化物灯的操作和优点与原子密度率落入此实施例所规定的范围内的金属卤化物灯的操作和优点没有显著的区别。然而，如果SiO2的原子密度率A(％)降到如此低的值，金属卤化物灯的生产成本会显著增加，同时它们的生产将变得极其困难。因此，这样的原子密度率是不可接受的。优选的是，原子密度率落入公式(9)所表示的范围内。也就是说，只要落入这个范围内，即使把一种代替汞的、增加了灯电压的例如Zn的金属的卤化物作为第二卤化物与发光金属的卤化物密封在一起，金属卤化物灯的寿命也不会显著降低。
2.5＜A＜20                (9)
为了如上所述根据需要控制电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)，可以有利地、有选择地使用下述的一个或多个典型措施。然而，本发明不限于使用一个特定的措施。
1.在半透明的密封容器中密封电极，并缩短处理所需的时间，即缩短密封地封闭半透明密封容器的开口端所需的时间。
2.保护半透明密封容器的灯泡部分不受热，从而防止上述处理过程中灯泡部分的高温。
3.密封容器在含有一种高压下的高浓度气体的情况下被密封。
4.以流动气体进行上述处理。
根据第八方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第七方面中介绍的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极具有长为1.9mm或更短的伸入到放电空间的部分。
根据此实施例，规定了一个装置，此装置很容易实现所需灯的特征并且抑制了电极的磨损。为了如第七方面规定的根据需要控制电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)，伸入到放电空间的部分可以延长以使得电极的尖端远离密封部分。然而，如果采取此措施，带来的问题是很难提供所需灯的特征。
根据此实施例，只要电极的伸入部分的长度为上述的1.9mm或更短，可以保证所需灯的特征。然而，当电极的伸入部分的长度为1.9mm或更短时，电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)以40％的概率超出公式(8)的上限。然而，例如，在上面有关第七方面中介绍的实施例的说明中的措施可以用来满足公式(8)。结果，可以有效抑制电极的磨损。
根据此实施例，为了提供理想的灯特征，灯电压可以设置落入25到70V的范围内。
根据第九方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第一方面到第八方面中任意一个介绍的金属卤化物灯，其特征还在于：放电介质包括作为第一卤化物的发光金属的卤化物，以及作为第二卤化物Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种。
根据此实施例，规定了一个装置，其中在是发光金属的卤化物的第一卤化物中加入了用于取代汞来提供灯电压的第二卤化物。第二金属卤化物的特征为它具有相对高的汽压并发出相对少的可见光。这样，有选择地密封合适量的第二卤化物可以增加灯电压从而使之落入一个理想的范围内。因此，可以在相对低的灯电流下输入所需灯功率。
根据第十方面中介绍的实施例的金属卤化物灯是第九方面中介绍的金属卤化物灯，其特征还在于：第二卤化物为Zn的卤化物。
根据此实施例，规定了一个装置，其中使用了优选的第二卤化物。也就是说，Zn具有高的汽压并发出蓝光，因此，能够进行色彩调节。以很低的成本可以获得所需量的Zn，且Zn具有很高的安全性。
根据第十一方面中介绍的实施例的金属卤化物灯照明设备的特征在于，此金属卤化物灯照明设备包括：根据第一方面到第十方面中任何一个的金属卤化物灯；以及一个发光电路，其中在金属卤化物灯开启后的4秒内在开始发光时的最大灯功率是稳态时的灯功率的2到4倍。
此实施例有关适合用于汽车前灯的金属卤化物灯。
根据此实施例，因为控制了照明设备使在金属卤化物灯开启后的4秒内其最大灯功率是稳态时的灯功率的2到4倍，所以在所述灯开启后的4秒内的光通量的增加可以更迅速。在本发明中，可以采取交流电发光或直流电发光。就交流电发光而言，可以施加低频方波交流电压来开启所述金属卤化物灯以有效地抑制共鸣的发生。
此外，可以设计发光电路具有200V或更低的空载输出电压。本发明所用的金属卤化物灯的灯电压比含汞灯的低，因此，发光电路的空载输出电压可以为200V或更低。这使得可以减小发光电路的尺寸。这里，就含汞灯而言，需要约400V的空载输出电压。
根据第十二方面中介绍的实施例的汽车前灯装置的特征在于，汽车前灯装置包括：汽车前灯装置主单元；安装于汽车前灯装置的主单元中的根据第一方面到第十方面中任何一个的金属卤化物灯，其中其放电容器的轴与汽车前灯装置的主单元的光轴对准；以及一个发光电路，其中在金属卤化物灯开启后的4秒内在开始发光时的最大灯功率是稳态时的灯功率的2到4倍。
因为此实施例的汽车前灯装置具有第一方面到第十方面中任何一个中描述的金属卤化物灯作为光源，所述金属卤化物灯提供了光通量的快速增加并很安全。此外，因为所述金属卤化物灯不含给环境造成了巨大负担的汞，所以从环境角度出发，此汽车前灯装置是非常优越的。这里“汽车前灯装置的主单元”代表所述金属卤化物灯和发光电路之外的整个汽车前灯装置。
附图说明
图1示出了在灯开启后无汞灯和含汞灯的灯电流的变化；
图2示出了它们的电极温度的变化；
图3示出了它们的蒸汽压的变化；
图4示出了在灯开启时传统的无汞灯和本发明的无汞灯的光通量的增加特性；
图5为根据第一方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的正视图；
图6为关断的金属卤化物灯的主要部分的放大图；
图7示出了当沉积在电极上的卤化物的量H与密封容器的内部容积C之间的比率H/C变化时，开始发光比最大值和公式(1)的值如何变化；
图8示出了当卤化物的熔点T变化时，开始发光比最大值和公式(1)的值如何变化；
图9示出了当开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之间的比率R变化时，开始发光比最大值和公式(1)的值如何变化；
图10为根据第二方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的主要部分的正视图；
图11为金属卤化物灯的中间部分的截面图；
图12示出了在输入了是稳态时的灯功率的2.4倍的灯功率的情况下，灯开启后的4秒的光通量的增加与(LA-H)3×CT/BW的值之间的关系，以及相对灯寿命与(LA-H)3×CT/BW的值之间的关系；
图13为根据第三方面到第五方面中说明的实施例的金属卤化物灯的主要部分的放大正视图；
图14为根据第六方面中介绍的实施例的金属卤化物灯的的主要部分的放大正视图；
图15示出了当在图14所示的例子中电极的尖角Q变化时，电极寿命和距弧电产生点的距离的变化；
图16为根据第六方面中介绍的实施例的修改的金属卤化物灯的主要部分的放大正视图；
图17为根据第六方面中介绍的实施例的另一个修改的金属卤化物灯的主要部分的放大正视图；
图18的图像示出了在第七方面中介绍的实施例中，当电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A变化时，2000小时光通量保持因子如何变化；
图19示出了不利用任何特殊的方法来减少SiO2的原子密度率，而在由石英玻璃制成的密封容器密封电极时，密封由石英玻璃制成的密封容器的一端的情况下，电极伸出部分的长度与电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A之间的关系；
图20为示出了根据第一方面、第二方面和第七方面中介绍的实施例的另一个例子的正视图；
图21为根据第十一方面中介绍的实施例的金属卤化物灯照明设备的电路图；
图22为根据第十二方面中介绍的实施例的汽车前灯装置的立体图；以及
图23为关断的传统的含汞灯的主要部分的放大正视图。
具体实施方式
下面，将参考附图介绍上述各个方面中的实施例。
<第一方面中介绍的实施例>
此实施例将通过参考图5和6来介绍。在这些图中，金属卤化物灯MHL包括：放电容器1、密封金属薄片2、外部引线3和放电介质。
放电容器1包括半透明密封容器1a和一对电极1b、1b。密封容器1a被制作成中空的纺锤形并且具有在两端与之一体形成的一对细长的密封部分1a1。密封容器1a的内部提供了一个细长的且基本为圆柱形的放电空间1c。密封容器1a的放电空间1c的容积，即它的内部容积用C表示，单位为cc。
成对电极1b、1b保持在预定位置，其端嵌入密封部分1a1，其尖端伸入放电空间1c。每个电极1b的底部被焊接在密封部分1a1中的密封金属薄片2的一端。
密封金属薄片2由钼制成并被封在密封容器1a的密封部分1a1中。
外部引线3具有焊接到密封部分1a1中的密封金属薄片2上的尖端。
放电介质包括卤化物和氙并被密封在密封容器1a的放电空间1c中。当金属卤化物灯开启时，过量的卤化物处于液态并沉积在密封容器1a的内壁上。图6中的附图标号4表示处于液态的卤化物。密封在密封容器1a中的卤化物是发光金属卤化物的第一金属卤化物和具有相对高的汽压的第二卤化物。卤化物的混合物的熔点用T表示，单位为K。第一卤化物包括钠Na的卤化物以及钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种。大量密封的卤化物以处于液态的卤化物4的形式被沉积在密封容器1a的内表面，并降低了沉积在电极1b上的卤化物的量。这是因为围绕在电极1b的密封容器1a的端部的形状从虚线表示的形状修改为实线所表示的形状，因此使内壁更靠近电极，嵌入电极的密封容器1a的部分的形状从虚线表示的形状修改为实线所表示的形状，因此消除了锲形空隙，以及，虽然没有示出，放电空间的长度缩短了。氙以3个或更高的大气压被密封在管中。
根据本实施例的金属卤化物灯以开始最大灯功率与稳态灯功率之间的比为R被开启。下面，将介绍实例和一个对比实例。对比实例是关于一个传统的无汞灯。“开始发光比最大值”表示灯开启后2秒内的瞬时最大光通量与稳态时的光通量之间的比。
(实例1)
放电容器
密封容器1a由石英玻璃制成并具有6mm的外径、3mm的内径、0.03cc的内部容积，以及6.6mm的放电空间的长度。
电极1b由钨制成，其轴部的直径为0.4mm，以及电极之间的距离为4.2mm。
放电介质
所用的卤化物是ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝1.2mg，沉积在电极上的卤化物的量H为0.03mg，以及它的熔点T为650K。
氙气具有10个大气压。
开始发光时的最大灯功率为105W，稳态时的灯功率为35W。
公式(1)的值X，即(H/C)×[R/(T/500)6]为0.62。
开始发光比最大值E为105％(由图4中的曲线C指出)，以及没有可见的橙色光发出。
(实例2)
放电介质
沉积在电极上的卤化物的量H为0.15mg，以及它的熔点T为750K。
其它部分与实例1相同。
公式(1)的值X为1.31。
开始发光比最大值E为105％，以及没有可见的橙色光发出。
(实例3)
放电介质
沉积在电极上的卤化物的量H为0.15mg，以及它的熔点T为650K。
其它部分与实例1相同。
开始发光时的最大灯功率为70W。
其它部分与实例1相同。
公式(1)的值X为2.07。
开始发光比最大值E为60％，以及没有可见的橙色光发出。
(对比实例)
放电容器
密封容器1a由石英玻璃制成并具有6mm的外径、3mm的内径、0.03cc的内部容积C，以及7.8mm的放电空间的长度。
电极1b由钨制成，其轴部的直径为0.4mm，以及电极之间的距离为4.2mm。
放电介质
所用的卤化物是ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝1.2mg，沉积在电极上的卤化物的量H为0.22mg，以及它的熔点T为650K。
氙气具有十个大气压。
开始发光时的最大灯功率为105W，稳态时的灯功率为35W，以及开始发光时的最大灯功率与稳态时灯功率之间的比R为3。
公式(1)的值X为4.56。
开始发光比最大值E为160％(由图4中的曲线C指出)，以及发出橙色光。
现在，参考图7到9，将介绍当下面的参数发生变化时开始发光比最大值E如何变化，所述参数包括：沉积在电极上的卤化物的量H、密封容器的内部容积C、卤化物的熔点T以及开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率的比R。在这些图中，左边的纵轴表示开始发光比最大值E，以及右边的纵轴表示公式(1)的值。在这些图中，曲线e为开始发光比最大值E，以及曲线x为公式(1)的值X。
图7示出了当沉积在电极上的卤化物的量H与密封容器的内部容积C之间的比率H/C变化时，开始发光比最大值和公式(1)的值的变化。在此图中，横轴表示沉积在电极上的卤化物的量H与密封容器的内部容积C之间的比H/C。
图8示出了当卤化物的熔点T变化时，开始发光比率最大值和公式(1)的值如何变化。在此图中，横轴表示卤化物的熔点T。
图9示出了当开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之间的比R变化时，开始发光比最大值和公式(1)的值如何变化。在此图中，横轴表示开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之间的比R。
从这些图中可以看出，公式(1)的值相对地接近实验值，因此，公式(1)是合适的。
<第二方面中介绍的实施例>
此实施例将通过参考图10和11来介绍。根据此实施例的金属卤化物灯与在图5中所示的金属卤化物灯从外观上看很相似，但确定下面的参数满足公式(2)(5＜(LA-H)3×CT/BW＜28)，所述参数为：稳态时的灯功率BW(W)、电弧的厚度dA(mm)、具有最大亮度的电弧中的点和放电介质池之间的最小长度LA-H(mm)、以及密封容器的放电空间部分(长度为l)的质量CT(mg)。
(实例4)
放电容器
密封容器1a由石英玻璃制成并具有5mm的外径、2.2mm的内径、以及6.5mm的长度，且放电空间部分的质量CT为250mg。
电极1b由钨制成，它的尖端的直径为0.4mm，它的伸入部分的长度为2.3mm，其轴部的直径DE为0.4mm，以及电极之间的距离为4.2mm。
放电介质
所使用的卤化物为ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝0.2mg。
氙气具有6个大气压。
稳态时的灯功率BW为35W，以及最小长度LA-H为1.4mm。
(LA-H)3×CT/BW＝19.60。
现在，考虑实例4，在公式(2)的可变项((LA-H)3×CT/BW)改变的情况下，灯开启后4秒内的光通量的增加和电极的寿命将参考图12介绍。在图12中，横轴表示(LA-H)3×CT/BW的值，纵轴表示在2.4倍的输入时光通量的增加(％)和相对灯寿命(％)。曲线r为光通量的增加，曲线1为电极寿命。这里，上述“在2.4倍的输入时光通量的增加”意为在输入是稳态时的灯功率的2.4倍的灯功率的情况下，灯开启后4秒内的光通量的增加。此外，“相对灯寿命”是假定最长灯寿命的值为100％时灯寿命的相对值。
从图中可以看出，如果公式(2)的值低于它的下限，光通量的增加值变得非常高，且电极的寿命非常低。以及，如果公式(2)的值高于它的上限，光通量的增加值低于70％。
<第三方面到第五方面中介绍的实施例>
这些实施例将通过参考图13来介绍。根据这些实施例，电极1b具有在距电极1b的尖端1b1很短距离的位置由钨线圈制成的最大直径部分1b2。尖端1b1的直径为AE(mm)，最大直径部分1b2的直径为BE(mm)，伸入放电空间1c的部分的平均直径为DE(mm)，以及嵌入密封部分的部分1b4平均直径为CE(mm)。
根据第三方面的实施例满足公式(6)和(7)，根据第四方面的实施例满足公式(8)，根据第五方面的实施例满足公式(9)和(10)。
(实例5)
放电容器
密封容器1a由石英玻璃制成并具有6mm的外径和3.0mm的内径。
电极1b由钨制成。其尖端1b1(距尖部10％)的直径AE为0.3mm、最大直径部分1b2的直径BE为0.5mm、伸入部分的平均直径DE为0.42mm、嵌入部分1b4平均直径CE为0.3mm以及电极之间的距离为4.2mm。
放电介质
所使用的卤化物是ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝0.2mg。
氙气具有6个大气压。
稳态时的灯功率为35W。
<第六方面中介绍的实施例>
此实施例将通过参考图14来介绍。根据此实施例，电极1b具有在距尖端1b1很短距离的位置由钨线圈制成的最大直径部分1b2，以及密封容器1a的轴平行的线与连接电极的尖端和离尖端附近的最大直径部分1b2的边沿的线之间的电极尖角Q落入24到43度的范围之内。
现在，参考图15，将介绍当电极尖角Q变化时，电极寿命和距弧产生点的距离如何变化。在此图中，横轴表示电极尖角Q(°)，左边纵轴表示电极寿命(h)，以及右边纵轴表示距电弧产生点的距离(mm)。“距电弧产生点的距离”代表从电极尖部到电弧产生点之间的距离。曲线l代表电极寿命，曲线d代表到电极产生点的距离。
从此图可以看出，当电极尖角Q落入24到43度的范围之内时，距电弧产生点的距离为0且电极寿命很长。
现在，参考图16和17，将介绍第六方面中所说明的实施例的修改。
首先，在图16所示的修改中，电极1b的尖端1b1为半球形。在此情况下，假定电极的尖端是平的，电极尖角Q在如图14所示情况下测量并设置落在24到43度的范围之内。
在图17所示的修改中，电极1b具有在它的尖端形成的大直径部分1b3。在此情况下，线sl和轴之间的电极尖角QE落在24到43度的范围之内，线sl是当从电极的尖端的边沿延伸的线向着轴旋转时与大直径部分1b3的周边相交的第一条线。
<第七方面中介绍的实施例>
根据此实施例的金属卤化物灯与在图5中所示的金属卤化物灯从外观上很相似，但是其被配置成尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)。
(实例6)
放电容器
密封容器1a由石英玻璃制成，且灯泡部分1a1具有6mm的外径和3mm的内径。
电极1b由钨制成。其轴部的直径为0.4mm，以及电极之间的距离为4.2mm。
放电介质
所使用的卤化物为ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝1.2mg。
氙气具有六个大气压。
密封通过如下方法进行：在具有保持为三个大气压的气压的容器中，氙在-44℃下被密封在密封容器1a中，通过一个激光器加热并熔化由石英玻璃制成的密封部分，以及利用夹具进行压持密封。
对于所得到的金属卤化物灯，电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A为0.5％。这是因为由于氙的高压密封充分抑制了SiO2的扩散。
现在，参考图18，将介绍当无汞灯的电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A变化时2000小时光通量保持因子如何变化。在此图中，横轴表示SiO2的原子密度率A(％)，纵轴表示2000小时光通量保持因子(％)。
从此图可以看出，当原子密度率A低于43％时，可以提供改进的光通量保持因子。
(实例7)
放电容器
在与灯泡部分1a1相连处的密封部分1a2的横截面积B为5.34mm2(直径：2.7mm)。
放电介质
所使用的卤化物为ScI3、NaI和ZnI2，且满足关系ScI3-NaI-ZnI2＝0.9mg。
氙气具有13.5个大气压。
其它部分同实例6。
<第八方面中介绍的实施例>
通过参考图19介绍本实施例。在此图中，横轴表示电极的伸入部分的长度(mm)，纵轴表示电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率(％)。此图是通过下面的方法得到的。即为，加热具有插入其中的电极的石英玻璃管将在N2气氛中密封的部分以使此部分熔化，然后利用夹具密封该熔化部分，由此提供了多个具有有不同伸入长度的电极的测试件。然后，测量这些测试件的电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率，并利用测量值画出此图。
从此图可以看出，如果不使用特殊的手段降低SiO2的原子密度率，当电极的伸入部分的长度为1.9mm或更小时，对于大多数测试件的原子密度率高于43％。在此情况下，可以有选择地使用关于第七方面的实施例介绍的方法。
<第一方面到第九方面中介绍的实施例的另一个实例>
通过参考图20将介绍另一个实施例。根据此实施例，与图5所示的金属卤化物灯相似的金属卤化物灯被安装在汽车前灯装置上。即为，金属卤化物灯(MHL′)包括发光管(LT)、外罩(OT)、底座(B)和绝缘管(IT)。
发光管(LT)与图5所示的金属卤化物灯(MHL′)的配置相同。与图5相同的部分使用相同的附图标记，并省略了对它的说明。
外罩(OT)可以阻挡紫外线。它在其中装有发光管(LT)，并在两端被固定在密封部分(1a1)。然而，它不是密封的，而是与外部空气相通。
底座(B)用来支撑发光管(LT)和外罩(OT)并实现发光管(LT)的一电极对(1b)、(1b)的电气互连。即为，把发光管(LT)的一个密封部分1a1固定在底座(B)上，把从另一个密封部分引出的外部引线(3)与外罩(OT)平行地延伸，然后，引入底座(B)并连接到一个端子(未示出)。
绝缘管(IT)覆盖外部引线(3)。
<第十方面中介绍的实施例>
通过参考图21将介绍此实施例。在此图中，金属卤化物灯照明设备包括发光电路(OC)和金属卤化物灯(MHL)。
发光电路(OC)包括直流电源(11)、斩波器(12)、控制装置(13)、灯电流检测装置(14)、灯电压检测装置(15)、点火器(16)和全桥式逆变器(17)。
直流电源(11)给后述的斩波器(12)提供直流功率，其可以是电池或整流直流电源。在汽车应用中，通常用电池。可选择地，它可以是对交流电整流的整流直流电源。无论如何，根据需要可以通过并联电解电容(11a)来实现滤波。
斩波器(12)是DC/DC转换电路，用来把直流电源(11)施加的直流电压转换为所需值的直流电压，并确定要通过后述的全桥式逆变器(17)施加到金属卤化物灯(MHL)上的输出电压的值。如果直流电源的电压比所需输出电压低，使用升压斩波器。另一方面，如果所述电压比所需输出电压高，使用降压斩波器。
控制装置(13)装有具有编程时间控制模式的微型计算机并控制斩波器(12)。例如，控制装置(13)以这种方式控制斩波器(12)：在金属卤化物灯刚开启后，是额定灯电流三倍或更多倍的灯电流从斩波器(12)经过全桥式逆变器(17)流到金属卤化物灯(MHL)，然后，随着时间的逝去，灯电流逐渐下降到额定灯电流。此外，控制装置(13)接收后述的与灯电流和灯电压相关联的检测信号的反馈，这样，产生一个恒定功率控制信号以实现对斩波器(12)的恒定功率控制。
灯电流检测装置(14)经过全桥式逆变器(17)与灯串联插入，并检测与灯电流相应的电流以提供控制输入到控制装置(13)。
相似地，灯电压检测装置(15)经过全桥式逆变器(17)与灯并联，并检测与灯电压相应的电压以提供控制输入到控制装置(13)。
点火器(16)置于全桥式逆变器(17)和金属卤化物灯(MHL)之间，并被配置在开启灯时给金属卤化物灯(MHL)施加一个约20kV的起始脉冲电压。
全桥式逆变器(17)包括：由四个MOSFET(Q1)、(Q2)、(Q3)和(Q4)组成的桥电路(17a)，交替地在桥电路(17a)中的MOSFET(Q1)和(Q3)以及MOSFET(Q2)和(Q4)之间切换的栅极驱动电路(17b)，以及极性反相电路(17c)。全桥式逆变器(17)通过这种切换把来自斩波器(12)的直流电压转换成方波低频交流电压并把所得电压施加给金属卤化物灯(MHL)以利用低频交流电开启所述灯。
如果按这种方式通过发光电路(OC)以方波低频交流电开启金属卤化物灯(MHL)，在灯刚开启后，金属卤化物灯就产生了所需的光通量。这样，25％的额定光通量可以在开启后的1秒获得且80％的额定光通量可以在灯开启后的4秒获得，它们都是汽车前灯所要求的。
<第十二方面中介绍的实施例>
通过参考图22将介绍此实施例。在此图中，汽车前灯装置(HL)包括汽车前灯装置的主单元(21)、一对发光电路(OC)和一对金属卤化物灯(MHL′)。
汽车前灯装置的主单元(21)包括前透明面板(21a)，反射镜(21b)、(21c)，灯座(21d)和固定装置(21e)。
前透明面板(21a)的轮廓模仿汽车的外表面的形状且有所需的光学装置，例如棱镜。
每个反射镜(21b)、(21c)提供给每个金属卤化物灯(MHL′)并被配置成提供所需的光分布特性。
灯座(21d)连接到发光电路(OC)的输出端并安装在金属卤化物灯(MHL′)的底座(21d)里。
固定装置(21e)是用来在预定的位置把汽车前灯装置的主单元(21)固定到汽车上的装置。
金属卤化物灯(MHL′)具有图20所示的在第五方面中所述的配置。灯座(21d)安装在底座里并与之相连。
通过这种方式，两个灯泡的金属卤化物灯(MHL′)被安装在汽车前灯装置的主单元(21)里，获得了四个灯泡的汽车前灯装置(HL)。每个金属卤化物灯(MHL′)的发光部分通常位于汽车前灯装置的主单元(21)的反射镜(21b)、(21c)的焦点。
具有图21所示的电路布置的发光电路(OC)被置于金属容器(22)中并给各自的金属卤化物灯(MHL′)供能以开启它们。
工业适用性
根据第一方面中介绍的实施例，提供了一种金属卤化物灯，包括：内部容积为C(cc)的放电容器；以及包括三个大气压或更高气压的氙气、钠Na的卤化物以及钪Sc和稀土金属的卤化物的至少一种的放电介质，该卤化物的熔点为T(K)，其中在稳态下，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，并满足公式(1)：
(H/C)×[R/(T/500)6]＜3.11              (1)，
其中，沉积在电极上的卤化物的量为H(mg)，以及开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比为R，由此基本上除去了灯中的汞，从而无需考虑环境问题，可以获得光通量的快速增加，并抑制了灯开启后2秒内发出的瞬时强光。
根据第二方面中介绍的实施例，提供了一种金属卤化物灯，包括：放电容器和放电介质，其中，在稳态下，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，在灯开启后10秒的期间内，给灯提供了是稳态时的灯功率的2.2倍或更多倍的灯功率，在灯开启后的4秒获得了稳态下光通量的60％或更多，并满足公式(2)：
5＜(LA-H)3×CT/BW＜28                 (2)，
其中，BW(W)为稳态下的灯功率，LA-H(mm)为具有最大亮度的电弧中的点和处于液态的放电介质池之间的最小长度，以及CT(mg)为密封容器的放电空间部分的质量。由此基本上除去了灯中的汞，从而无需考虑环境问题，并可以显著地改善光通量的增加。
根据第三方面中介绍的实施例，因为每个电极在嵌入密封容器的部分具有平均直径CE(mm)且具有在伸入放电空间的部分的最大直径部分，伸入部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(4)：
CE＜DE             (3)，以及
DE-CE＞0.05        (4)，
所提供的金属卤化物灯具有光通量的快速增加并改善了效率和寿命。
根据第四方面中介绍的实施例，因为伸入放电空间的每个电极的部分的最大直径为BE(mm)、它们的尖端的10％的平均直径为AE(mm)，并满足公式(5)：
AE＜BE          (5)，
所提供的金属卤化物灯中抑制了阴极点的偏移并防止了光分布特性的波动。
根据第五方面中介绍的实施例，因为每个电极在嵌入密封容器的部分具有的平均直径为CE(mm)、每个成对电极伸入放电空间的部分的最大直径为BE(mm)、其尖端的10％的平均直径为AE(mm)、伸入部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(6)：
CE＜DE        (3)，以及
AE＜DE＜BE    (6)，
所提供的金属卤化物灯中抑制了阴极点的偏移并阻止了光分布特性的波动。
根据第六方面中介绍的实施例，因为每个电极在距尖端的很短距离的位置都具有一个大直径部分，电极的轴与从尖端的边沿引出的通过大直径部分的最外面的点的线之间的夹角QE(°)满足公式(7)：
24≤QE≤43        (7)。
所提供的金属卤化物灯中抑制了阴极点的偏移并阻止了光分布特性的波动。
根据第七方面中介绍的实施例，所提供的适合汽车前灯的金属卤化物灯包括：放电容器，其中电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)：
2.5＜A＜43        (8)；以及
包括三个或更高大气压下的氙气和钠Na、钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种的放电介质，其中稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，以及在灯刚开启后提供了一个期间，在此期间输入了一个是稳态时的灯功率的2.0或更多倍的功率，基本上除去了灯中的汞，从而无需考虑环境问题，获得了光通量的快速增加，减少了电极的磨损，抑制由于电极的磨损引起的各种缺陷的发生，因而改善了金属卤化物灯可靠性。
根据第八方面中介绍的实施例，因为每个电极具有长为1.9mm或更短的伸入到放电空间的部分，所提供的金属卤化物灯具有长的寿命并适合汽车前灯。
根据第九方面中介绍的实施例，因为放电介质包括作为第二卤化物的Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种，所述放电介质作为提供灯电压的介质，所提供的金属卤化物灯可以充分用于各种应用，包括基本上不使用给环境造成了巨大负担的汞的汽车前灯。
根据第十方面中介绍的实施例，因为第二卤化物为Zn的卤化物，它具有高的汽压并发出蓝光，因此，能够进行色彩调节，提供了便宜且安全的金属卤化物灯。
根据第十一方面中介绍的实施例，提供了具有根据第一方面到第十方面的优点的金属卤化物灯照明设备。
根据第十二方面中介绍的实施例，提供了具有根据第一方面到第十方面的优点的汽车前灯装置。

Claims (12)

1.一种金属卤化物灯，其特征在于该金属卤化物灯包括：
放电容器，此放电容器具有一个防火的、半透明的并且在其中具有放电空间的密封容器，以及在密封容器中在放电空间的相对两端提供的以5mm或更小的距离互相面对的一对电极，密封容器的内部容积为C，单位为cc；以及
放电介质，不包括汞，密封于该密封容器，包括三个大气压或更高气压的氙气、钠Na的卤化物以及钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种，卤化物的熔点为T，单位为K，
在稳态下，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，以及
满足公式(1)：
(H/C)×[R/(T/500)6]＜3.11    (1)，
其中，H表示该金属卤化物灯关断时沉积在电极上的卤化物的量，单位为mg，以及R为开始发光时的最大灯功率与稳态时的灯功率之比。
2.一种金属卤化物灯，其特征在于该金属卤化物灯包括：
放电容器，此放电容器具有一个防火的、半透明的并且在其中具有放电空间的密封容器，以及在密封容器中在放电空间的相对两端提供的以5mm或更小的距离互相面对的一对电极；以及
放电介质，不包括汞，密封于该密封容器，包括发光金属的卤化物和惰性气体，以及
在稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，
在该金属卤化物灯开启后10秒的期间内，给该金属卤化物灯提供了是稳态时的灯功率的2.2倍或更多倍的灯功率，
在该金属卤化物灯开启后的4秒获得了稳态下光通量的60％或更多，以及
满足公式(2)：
5＜(LA-H)3×CT/BW＜28    (2)，
其中，BW(W)为稳态时的灯功率，LA-H(mm)为具有最大亮度的电弧中的点和处于液态的放电介质池之间的最小长度，以及CT(mg)为密封容器的放电空间部分的质量。
3.根据权利要求2的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极在嵌入密封容器的部分的平均直径为CE(mm)且在伸入放电空间的部分具有最大直径部分，该伸入放电空间的部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(4)：
CE＜DE         (3)，以及
DE-CE＞0.05    (4)。
4.根据权利要求2的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极的伸入放电空间的部分的最大直径为BE(mm)，该伸入放电空间的部分的末梢10％的平均直径为AE(mm)，并满足公式(5)：
AE＜BE    (5)。
5.根据权利要求2的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极在嵌入密封容器的部分都具有的平均直径为CE(mm)，该一对电极中的每个电极的伸入放电空间的部分的最大直径为BE(mm)，该伸入放电空间的部分的末梢10％的平均直径为AE(mm)，该伸入放电空间的部分的平均直径为DE(mm)，并满足公式(3)和(6)：
CE＜DE        (3)，以及
AE＜DE＜BE    (6)。
6.根据权利要求2的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极在距尖端的很短距离的位置具有大直径部分，电极的轴与从尖端的边沿引出的通过大直径部分的最外面的点的线之间的夹角QE(°)满足公式(7)：
24≤QE≤43    (7)。
7.一种金属卤化物灯，其特征在于该金属卤化物灯包括：
放电容器，此放电容器具有由石英玻璃制成的并在其中具有放电空间的密封容器、以及在密封容器中在放电空间的相对两端提供的以5mm或更小的距离互相面对的一对电极、电极的尖端的表面处的SiO2的原子密度率A(％)满足公式(8)：
2.5＜A＜43    (8)，
放电介质，密封于该密封容器中，不含汞，包括三个或更高大气压下的氙气和钠Na、钪Sc和稀土金属的卤化物中的至少一种，
稳态时，金属卤化物灯保持50W或更低的灯功率，以及
在该金属卤化物灯刚开启后提供了一个期间，在此期间输入了是稳态时的灯功率的两倍或更多倍的功率。
8.根据权利要求7的金属卤化物灯，其特征在于：该一对电极中的每个电极具有长为1.9mm或更短的伸入到放电空间的部分。
9.根据权利要求1到8中任何一个的金属卤化物灯，其特征在于：放电介质还包括作为第二卤化物的Mg、Co、Cr、Zn、Mn、Sb、Re、Ga、Sn、Fe、Al、Ti、Zr和Hf的卤化物中的一种或多种。
10.根据权利要求9的金属卤化物灯，具有如下特征：该第二卤化物为Zn的卤化物。
11.一种金属卤化物灯照明设备，其特征在于该金属卤化物灯照明设备包括：
根据权利要求1、2和7中任何一个的金属卤化物灯；以及
发光电路，其中在金属卤化物灯开启后的4秒内在开始发光时的最大灯功率是稳态时的灯功率的2到4倍。
12.一种汽车前灯装置，其特征在于该汽车前灯装置的包括：
汽车前灯装置的主单元；
安装于汽车前灯装置中的根据权利要求1、2和7中任何一个的金属卤化物灯，其中金属卤化物灯的放电容器的轴与汽车前灯装置的主单元的光轴对准；以及
发光电路，其中在金属卤化物灯开启后的4秒内在开始发光时的最大灯功率是稳态时的灯功率的2到4倍。
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