CN1595602A - 金属卤灯 - Google Patents

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CN1595602A
CN1595602A CNA2004100855203A CN200410085520A CN1595602A CN 1595602 A CN1595602 A CN 1595602A CN A2004100855203 A CNA2004100855203 A CN A2004100855203A CN 200410085520 A CN200410085520 A CN 200410085520A CN 1595602 A CN1595602 A CN 1595602A
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N·布拉特斯
阿南真一
诸惠林
J·马亚
S·M·兰布雷奇特斯
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Abstract

一种高效高强度的金属卤灯，其具有一放电腔，该放电腔具有一放电区，在该放电区中的电极被分割开一个距离Le，该放电区的平均内径等于D，它们具有一选定比率。在该腔中提供可电离材料，包括惰性气体，一种或多种卤化物，及充分少数量的汞，以在灯工作期间电极间具有相对低的最大压降。

Description

金属卤灯
技术领域
本发明涉及金属卤灯。
背景技术
为了适应对用于内置及外置灯的高效节能灯的日益增长的需要，在传统照明应用中效率提高了的灯具已得到发展。由此，例如，弧光放电金属卤灯越来越广泛用于内置或外置照明光源。这样的灯是公知的并包括一光传输放电腔，其内含一对隔开的分立电极，并典型地还包括具有具体质量比的一种惰性原始气体及一种或多种可电离金属或/和金属卤化物。它们可以是相对低功率灯，工作在带有整流电路的通常是120伏均方根电势的标准交流电流照明插座上，或是电磁式或电子式的，以提供限定后续操作的原始电压及电流。
这些灯典型具有一个包括陶瓷材料的放电腔，其通常包括多种金属卤化物，诸如CeI3和NaI，(或PrI3和NaI)和TlI，和汞一样在电极间提供一足够的压降或负载，惰性可电离原始气体也一样。这样的灯在250W时可具有高达145LPW的效率并且具有高于60的色彩重现率(CRI)及在250W时在3000K到6000K之间的相关色温(CCT)。
当然，通过使用更高效的灯以进一步节约照明电能，需要具有更高灯效的金属卤灯。位于灯中的放电腔的形状会影响灯效。如果放电腔中的隔开的电极距离与该腔的直径之比太小，诸如比4小，则位于弧与放电腔壁之间钠的相对丰度会导致钠产生的光辐照的大量吸收，因为钠的吸收线接近可见光的峰值。同样，如果该比值比5小，长度水平定位的灯导致了放电腔中的弧光实际上由于汽化可电离材料的上升力而向上弯曲。这种弧光的向上弯曲导致其更加接近临近弯曲峰的放电腔壁并由此使该放电腔壁附近温度升高。这种温度的升高可使这些放电腔中汽化可电离材料中的一些反应加快并且该放电腔壁升高温度点由此最终导致腔壁密封性受到破坏，并由此当水平放置时缩短了该灯寿命。
另一方面，如果该放电腔中分立电极距离与该放电腔直径比值太大，诸如大于5，由于电极间相对大的击穿距离在该放电腔中很难产生弧光放电。另外，当这样的灯的长度尺寸在展示重色分离期间操作位于垂直方向时其表现得很差，因为该灯成分要素的不同上升力导致它们自己互相分离成沿着弧长到一个可观的程度，并降低了效能。
对位于放电腔中的汞或原始气体增加压力，虽然在这样的色分离和效能方面具有有用的效果，但也具有不利的一面。通常增加原始气体压力自身是没有能力完成这些目标的，并且增加汞的压力导致在电极之间需要产生高工作电压及导致实际放电弧光弯曲使该弧更接近放电腔壁由此缩短该灯工作周期。由此，需要提供一种具有更高效能及更好色彩性能的金属卤灯。
发明内容
本发明提供一种金属卤灯，用于选定的照明设备中，该设备包括具有预定形状的可见光可透过壁的放电腔，该可透过壁具有一放电空间，通过该壁，在该放电空间中支撑着一对电极，该电极彼此隔开一个距离Le。这些放电空间的壁具有在Le全长上等于D的平均内径，所以，它们之间的具有Le/D≤5甚至是4＜Le/D≤5的关系。可电离材料提供在放电腔放电空间，包括一种惰性气体、一种卤化铈或/和卤化钠，及充分少量汞，以导致在灯工作在所选电功率耗散值时该电极间的压降小于110Vrms。
附图说明
图1是根据本发明的具有选定结构的陶瓷放电腔位于其中的一金属卤灯的部分截面的侧视图，
图2是图中放电腔截面的放大视图，
图3显示了在灯工作在所选条件期间的在放电腔的腔壁上的一个位置的温度图表，
图4显示了在灯工作在所选条件期间的在放电腔的腔壁上的另一位置的温度图表，
图5用坐标示出了所选灯的两个参数之间的相互关系，
图6用坐标示出了所选灯的两个参数之间的相互关系，
图7坐标示出放电腔壁温度与所选灯参数关系，及
图8坐标示出另一放电腔壁温度与所选灯参数关系。
具体实施方式
图1为金属卤灯10的侧视图，该灯具有一灯泡，透明硼硅酸盐玻璃泡11安装在一个传统的爱迪生型金属基体12内。导入接入丝14及15，由镍或软钢制成，每一根电极丝由位于基体12中的各自电绝缘电极金属部分延伸出相应的一根，两者平行穿过并经过一硼硅酸盐玻璃褶展开部分，16，该褶展开部分16位于基体12上并且沿着该泡体11伸长的主长轴(下文中称为泡体长轴)延伸入泡体11的内部。接入丝14、15最初在该泡体长轴前褶展开部分16的任意一边并与其平行的方向延伸，使其部分进一步深入泡体11的内部，接入丝15经过一些弯曲后延伸进一个位于泡体11的另一端的硼硅酸盐玻璃微凹，16′。接入丝14具有位于泡体11内部的第二部分，与平行于泡体长轴的第一部分呈一个角度延伸，通过将该第二部分以这样一个角度与第一部分焊接，以使其与该泡体长轴稍微交叉一点或差点交叉。
接入丝15的一些在泡体11的内部剩下的部分被弯成远离并与平行于泡体长轴的其最初的方向成一个钝角。具有由前褶展开部分16出来的并离开泡体长轴方向的第一弯曲部分的接入丝15，再一次被弯曲以使其接下来的部分与该轴大致平行地延伸，并还再一次沿着以一个合适的角度弯曲使其接下来的部分大致与其垂直的方向上延伸，并且与接近泡体11另一端的轴稍微交叉一点或差点交叉，其中所述另一端与该接入丝装入基体12的端部相对。平行泡体长轴的接入丝15的接下来的部分支撑一个传统吸气剂，19，以捕获气态不纯物。沿着丝15还具有三次另外的合适角度的弯曲，以放置一短的剩下的端部，该端部在原始描述的部分的下面并与之平行，当穿过泡体长轴，该短的端部最终被锚定在远离基体12的泡体11的远端的玻璃微凹16`中。
一放电腔，20，由陶瓷构成，构造成一个容纳区，并作为一个壳体结构，具有对可见光半透明的复晶矾土壁，图1中示出了各种可能的几何结构的一种。可替换地，该放电腔20的壁可由氮化铝，氧化钇(Y2O3)，蓝宝石(AL2O3)或它们的一些混合物。放电腔20提供在泡体11的内部，该内部可被抽真空的，以此减少从放电腔20到泡体11的热传递，或替代的，提供一种惰性气体诸如氮气，大于300乇的压力，以在一个想要的低温操作该放电腔20情况下增加热传导。封装在该放电腔20内的区域包括各种可电离材料，包括在灯工作时发光的金属卤化物及汞，及一原始气体诸如惰性气体氩(Ar)，氙(Xe)或氖(Ne)。
可由图2中其截面图更好的看到这种结构的放电腔20，一对复晶矾土，相对小的内径及外径，截平圆柱壳体部分，或毛细管，21a及21b，每一个集中连接到该对复晶矾土端封盘，22a及22b的相应的一个上，该端封盘具有一个中心孔，每个毛细管21a及21b加上连接到其上的中心孔形成了一个开口通道。这些端封盘22a及22b每一个都连接到复晶矾土管25的相应一端，该管25形成截平圆柱壳的相对大些直径，内径用D表示，与封装区一起形成该最初放电腔。该放电腔20封装空间总长为在与端封盘22a及22b相应的一个连接的毛细管21a及21b的接点之间。放电腔20的复晶矾土管25的长度为每一个端封盘22a及22b与其接点之间。这些放电管20的各个部分是这样形成的，压缩矾土粉至理想形状，接着烧结该压缩产物以由此提供预成型部分，通过烧结，该各种预成型部分连接在一起，结果形成一想要的尺寸的、具有对气流不渗透的壁体的预成型单体。
腔体电极互连线，26a及26b，(下文中各称为线26a及26b)铌制，每一个从相应一个毛细管21a及21b延伸出来，到达并通过焊接分别安装到各自的接入丝14的与泡体长轴交叉的端部和接入丝15的第一次所描述的与泡体长轴交叉的部分上。这种布置导致了放电腔20被定位于并支撑于接入丝14及15的这些部分之间，以至于其长轴与该泡体长轴几乎一致，并还使电能通过接入丝14及15提供到放电腔20中。
图2显示了该包含于放电腔20的界线壁中的放电区，其具有构件25、盘片22a及22b，以及图1、2中的毛细管21a及21b。线26a具有与毛细管21a及玻璃熔块，27a，相近的热膨胀性，利用该热膨胀性将线26a附加在毛细管21a的内表面上(并且牢牢密封线26a通过的互连线开口)，但不能经受住由于在工作时放电腔20的主腔中形成等离子体而导致的化学侵袭。由此，一种钼导通线，29a，其可经受得住等离子体的环境，通过焊接，被接入线26a的一端，并且该导通线29a的另一端通过焊接被连接到一钨主电极杆，31a的一端。
另外，一钨电极线圈，32a，通过焊接集成安装到第一主电极杆31a的另一端尖部，由此，主电极杆31a和电极线圈32a构成了电极33a。电极33a用钨作成，以利于电极热电子发射而能相对好的承受金属卤化物等离子的化学侵袭。导通线29a，由一个钼线圈，34a，与毛细管21a隔开，以使在放电腔20的主体积容纳的空间中以预定位置分布该电极33a。线26a的典型的直径为0.9mm，一个电极杆31a的典型的直径为0.5mm。
类似地，在图2中，线26b通过一玻璃熔块27b，附加到毛细管21b的内表面(并且牢牢密封线26b通过的互连线开口)。一钼导通线29b通过焊接连接到线26b的一端，并且导通线29b的另一端通过焊接连接到钨主电极柱31b上。一钨电极线圈，32b，通过焊接集成安装到第一主电极柱31b的另一端尖部，由此，主电极杆31b和电极线圈32b构成了电极33b。导通线29b，由一个钼线圈，34b，与管21b隔开，以使在放电腔20的主体积容纳的空间中以预定位置分布该电极33b。线26b的典型的直径也为0.9mm，一个电极杆31b的典型的直径还为0.5mm。电极33a和33b之间的距离用Le表示。
如上所述，当金属卤灯10在工作期间长度定位在垂直位置时，放电腔20中的全部或几乎全部成分要素浓缩在当时的腔体低端及当时毛细管的低端，可能是毛细管21a及21b中的任何一个。在一些情况下，在放大腔20中的一些成分要素也会出现在当时的毛细管上端。如果该放电腔20是相对又长又窄的，诸如Le/D＞5，在放电腔20中成分要素的不同的上升力使它们到达放电腔20的不同高度，并且该成分要素不均匀散布在放电腔20的更低端至更高端。
在这种情况下，在放电腔20的低端及毛细管21a和21b的两者更低端的汽化的成分要素不会全部到达放电腔20的上端，并且一些该放电腔20中的成分要素的实际蒸汽压在整个放电腔20更高或更低端之间的全程内变得低于对放电腔更低端的蒸汽压。结果，将会根据放电腔长度上的成分要素的离析发生放电腔20中的色分离，这使得其效能比灯在水平位置时工作期间发生的效能低很多。而且，如果放电腔20在比值Le/D≤4时更扁圆些，从放电弧辐照的钠的吸收将增长，就会引起灯工作期间在水平及垂直位置的低灯效。所以，灯10被配置成具有这样的放电腔20，其中电极分立距离与主腔壁直径的比值选择以维持为一个比率关系，满足4＜Le/D≤5，由此获得灯10工作期间内无论水平还是垂直位置时的高的效能。
同样如上所指，具有电极分立距离与腔直径(放电腔与电极直径的平均值)比率诸如为Le/D≤5的、灯长水平延伸的放电腔的灯，在放电腔20中建立放电电弧，并可观察到该电弧由于放电腔20中的成分要素的浮力而向上弯曲。这种弧曲，如上所述，会使放电腔20中临近弯曲弧弯曲峰值腔壁部分的温度上升，以加速至少一些要素之间反应，因而那些腔壁部分非常影响该壁的密封性。
当该电极分离距离与放电腔20的直径被选成，如上所述，满足4＜Le/D≤5以试图完成最好的灯效，放电腔20一些壁部分的温度升高尤其严重。发生这种严重性是因为，在超出该范围之上，即电极分立距离与放电腔20直径比率诸如Le/D＞5的腔结构中，该沿着放电腔20中心长轴的放电电弧位置趋向于弧光位置从该轴偏离的更稳定的范围，结果任一剩下的弧曲由此为一个中等的大小。在低于该范围的另一端，Le/D≤4，从放电电弧到放电腔20的腔壁的距离足够避免在放电腔20最近壁部分甚至在弧曲严重的地方的温度上升过高。
在这点上，这种放电腔20中的放电弧的弯曲参看图3的图表，其实际上与工作时放电腔20中的汞蒸汽压有关，该压力本质上由规模制造大量引入放电腔20中汞时设定，同样参看图4的图表，其实际上与可电离原始或缓冲气体腔体压力有关，该压力也是在规模制造中设定。图3图表显示在两放电腔20的腔壁顶端的温度轮廓沿线对电极33a和33b之间的距离的例子，该电极平行于其中通过那些电极33a和33b的放电腔20的长轴，此为均工作在水平位置上的这些长轴的相应的灯的情况，并且有相同输入的电能，但在相应放电腔20中具有不同的汞数量，图表中示出了该汞数量。具体地，在这两个灯中的放电腔20，每个都有Le/D＝4.1并放电弧长度为28.9mm，每个具有工作在250W电功率时的33.6W/cm2的壁负载(wall loading)。放电腔20中的成分要素是总共为15.4mg的金属卤化物NaI，CeI3及TlI，质量比为1∶19.7∶0.56，在压力为200乇的情况下还向其中提供Xe。
图4也显示在两放电腔20的腔壁顶端的温度轮廓沿线对电极33a和33b之间的距离的例子，该电极平行于其中通过那些电极33a和33b的放电腔20的长轴，此为均工作在水平位置上的这些长轴的相应的灯的情况，并且有相同输入的电能，但在这里，相应放电腔20中具有不同的缓冲Xe气体压力，在该图表中也示出了缓冲Xe气体压力。这里也是，在这些两个灯中的放电腔20，每个都有Le/D＝4.1并放电弧长度为28.9mm，每个具有工作在250W电功率时的33.6W/cm2的壁负载。然而，这里，该放电腔20的成分要素是总共为15.0mg的金属卤化物NaI，CeI3，质量比为1∶10.5，还向里面提供4.6mg的Hg。在放电腔20的腔壁温度与放电腔20中Xe及Hg的数量之间的关系由此使在放电腔20中工作时放电弧的弯曲减轻，这点可通过减小腔体中该汞蒸汽压或/和放电腔20中缓冲气压实现，通过在将要制造之前在放电腔20中导入足够小数量的每一个，获得在这些图表中显示的在灯水平工作时放电腔20的腔壁温度减小的结果。
在放电腔20中汞与原始气体的出现主要是为了在灯工作时提供电极33a和33b之间的压降及负载。由此，选用更小数量的汞或原始气体(上例中为Xe)，会导致灯工作时电极33a和33b之间的压降降低。这个数量的合适的选择可从灯效(用流明每瓦)、灯色彩重现率(Color Rendering Index，简称CRI)与在电极33a和33b间的灯的操作电压之间的关系中找到，由于这样的用于室外照明的灯具有理想的120-140LPW的灯效及从50-70的CRI值，相比现有使用的高压钠灯其具有一定优点。
如图5、6图表中所示，灯效、灯CRI与灯操作电压之间存在反关系。对于一具有可接受的着色的合意的白光灯，该灯CRI，如上所述，需要在50-70的范围中。从图6中可看出灯CRI与灯操作电压之间的关系，保持灯电极33a和33b间在工作时的压降在110V以下，为汞和原始气体要素选择一定的放电腔20的成分，放电腔20的形状等等，可以将灯CRI维持在50-70之间。然而，从图5中示出了灯效与灯CRI之间的关系，相比高压钠灯，工作在具有这样的灯CRI的灯，将具有足够大的120-140LPW的效能。
如上所述，保持该灯操作电压相对低些，相关地，放电弧弯曲更小些，由此，放电腔20工作相对安全些，是因为在灯水平工作期间在放电腔20顶部腔壁温度降低的缘故。要不然这个温度有时会导致含陶瓷的放电腔20腔壁的破碎或一些其他的灾难性故障，因为在非常高的温度时那里将发生化学反应。在图7和8中示出了证明性数据，坐标显示了放电腔20的最大壁温与具有两不同形状放电腔20(弧光管或A/T)的灯操作电压之间的关系，在第一例子中为半球形端，在第二例子中为锥形端。在两个例子中，保持该灯操作电压低于110V，则最大壁温约低于1250℃，这样，灯及放电腔20工作就相对安全些。
下面将说明上述灯结构的一些实施例：
实施例1
本实施例的每个灯都具有一个电极33a和33b之间的分立距离与主腔直径比值满足关系Le/D＝4.8的放电腔20，其中，当灯工作在耗散功率150W时，放电弧为24mm长，放电腔20也具有33.2W/cm2壁负载。每个相应放电腔20的成分是总共为15mg的金属卤化物NaI，CeI3，质量比CeI3∶NaI为1∶10.5，还包括2.2mg的Xe和Hg，足以在外界温度为25℃时提供200乇的腔压力。
表1显示这些灯光度学性能结果，其中一个工作在其长轴为水平位置，另一个工作在其长轴为垂直位置。列中用流明值给出灯的光通量，用流明每瓦或LPW给出灯效，用开氏温标给出灯相关色温(CCT)，无量纲数字项目所在列表示该灯色彩重现率(CRI)，最后一列提供的DUV值表示灯辐照色彩与黑体以同样温度发出的黑体辐射的偏差。
                                     表1
  样品灯    位置   瓦特(W)    输出(流明)   灯效(LPW)    CCT(K)   CRI     DUV(×100)
  #1   水平   150   19150   128    3528    67    +1.31
  #2   垂直   150   17890   119    3071    61    +0.39
实施例2
本实施例的每个灯都具有一个电极33a和33b之间的分立距离与主腔直径比值满足关系Le/D＝4.1的放电腔20，其中，当灯工作在耗散功率250W时，放电弧为28.9mm长，放电腔20也具有33.6W/cm2壁负载。每个相应放电腔20的成分是总共为15mg的金属卤化物NaI和CeI3，质量比CeI3∶NaI为1∶10.5，还包括3.5mg的Xe和Hg，足以在外界温度为25℃时提供200乇的腔压力。
表2显示这些灯光度学性能结果，其中一个工作在其长轴为水平位置，另一个工作在其长轴为垂直位置。
                                         表2
  样品灯    位置   瓦特(W)    输出(流明)   灯效(LPW)   CCT(K)   CRI  DUV(×100)
   #3    水平   250   30750    123   3649    66    +0.95
   #4    垂直   250   28750    115   2968    55    -0.12
实施例3
本实施例的每个灯都具有一个电极33a和33b之间的分立距离与主腔直径比值满足关系Le/D＝4.1的放电腔20，其中，当灯工作在耗散功率250W时，放电弧为28.9mm长，放电腔20也具有33.6W/cm2壁负载。每个相应放电腔20的成分是总共为15.4mg的金属卤化物NaI，CeI3及TlI，质量比CeI3∶NaI∶TlI为1∶19.7∶0.56，还包括Xe，在#5样品中还包括5.1mg Hg，在#6样品中还包括3.2mg Hg，足以在外界温度为25℃时提供200乇的腔压力。
表3显示这些工作在其长轴为水平位置的灯光度学性能结果。多出的两列数据包括，给出伏特值的列表示灯工作期间压降，给出摄氏温度的列表示在工作期间弧光放电腔壁上达到的最高温度。本实施例有关灯的数据来自图3的图表。
                                                表3
  样品灯   位置  瓦特(W)   输出(流明)   灯效(LPW)    CCT(K)    CRI      DUV(×100)   灯电压     最大温度
   #5   水平   150  19150   128   3528    67     +1.31   118V    1283℃
   #6   垂直   150  17890   119   3071    61     +0.39   78V    1201℃
实施例4
本实施例的灯具有一个电极33a和33b之间的分立距离与主腔直径比值满足关系Le/D＝4.8的放电腔20，其中，当灯工作在耗散功率150W时，放电弧为25.0mm长，放电腔20也具有33.5W/cm2壁负载。该放电腔20的成分是总共为15mg的金属卤化物NaI和CeI3，质量比CeI3∶NaI为1∶19.7，还包括1.7mg的Xe和Hg，足以在外界温度为25℃时提供200乇腔压力。
表4显示工作在其长轴为水平位置的该灯的光度学性能结果。
                                                 表4
  样品灯    位置   瓦特(W)   输出(流明)   灯效(LPW)    CCT(K)   CRI     DUV(×100)  灯电压    最大温度
   #7    水平   150  19530   130    3528    65     +1.32    94V   1149℃
实施例5
本实施例的灯具有一个电极分立距离与主腔直径比值满足关系Le/D＝4.8的弧光放电腔，其中，当灯工作在耗散功率150W时，放电弧为24.0mm长，腔体也具有31.3W/cm2壁负载。该弧光放电腔的成分是总共为15mg的金属卤化物NaI和CeI3，质量比CeI3∶NaI为1∶10.5，还包括1.7mg的Xe和Hg，足以在外界温度为25℃时提供200乇腔压力。
表5显示工作在其长轴为水平位置的该灯的光度学性能结果。
                                               表5
  样品灯  位置  瓦特(W)   输出(流明)    灯效(LPW)    CCT(K)   CRI    DUV(×100)    灯电压   最大温度
   #8  水平   150  18693   124.5   3838   66   +1.83    90V   1145℃
由此，本发明的灯，具有相对小数量的汞及要素氙，作为缓冲气体，并具有工作时相对小的压降，即，V灯≤110V rms，而同时工作在额定功率。这导致灯10工作在其长轴为水平位置时的放电弧的弯曲可减轻，并且因此，灯10将具有长的工作寿命及高的可靠性。
虽然本发明参照优选实施例作出了描述，但对本领域技术工人来说他们将认识到可以作出不离开本发明精神及范围的形式及细节上的改变。

Claims (7)

1、一种金属卤灯，包括：
一放电腔，其内具有一放电空间，在该放电空间中具有一对电极；及
可电离材料，包括惰性气体，卤化钠及汞，提供在放电腔中，该可电离材料具有一个总量，其引起一个灯工作期间在该对电极之间的小于110V rms的压降，
其中，满足4＜Le/D≤5，Le表示该对电极间的距离，D表示该放电腔在该对电极间的一个平均直径。
2、一种金属卤灯，包括：
一放电腔，其内具有一放电空间，在该放电空间中具有一对电极；及
可电离材料，包括惰性气体，卤化铈及汞，并提供在放电腔中，该可电离材料具有一个总量，其引起一个灯工作期间在该对电极之间的小于110V rms的压降，
其中，满足Le/D≤5，Le表示该对电极间的距离，D表示该放电腔在该对电极间的一个平均直径。
3、如权利要求1或2所述金属卤灯，其中在灯工作期间该对电极之间的压降超过50V rms。
4、如权利要求1或2所述金属卤灯，其中提供到放电腔壁的一个负载是30-70W/cm2。
5、如权利要求1所述金属卤灯，其中该可电离材料还包括一种卤化铈。
6、如权利要求2所述金属卤灯，其中该可电离材料还包括一种卤化钠。
7、如权利要求3所述金属卤灯，其中灯工作期间该对电极之间的压降在50和100V rms之间。
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