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CN1251296C - 陶瓷金属卤化物灯 - Google Patents

陶瓷金属卤化物灯 Download PDF

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Abstract

一种金属卤化物灯有陶瓷放电室(3)，放电室内部长是L，内径是D，并且L/D在3至5之间。填充物包括Xe、Hg、卤化钠和稀土金属的卤化物。起动时的碘化氢电压尖峰与体积与冷Xe压力的乘积有关，调节它们能限制尖峰电压。电压峰值系数与总工作压力和内径的平方的乘积相关，调节它可限制峰值系数。陶瓷放电金属卤化物(CDM)灯的额定功率是200W以上，并且能与现有的有相似功率的高压钠(HPS)灯用的镇流器连用。

Description

陶瓷金属卤化物灯
技术领域
本发明涉及陶瓷金属卤化物灯，它具有：一个陶瓷放电室，放电室封闭长度为L、直径为D并且长度与直径之比为L/D的放电空间；包括氙、汞、卤化钠和稀土金属卤化物的填充气体；用于保持填充气体中的放电的一对电极。
背景技术
大功率(150W以上)的金属卤化物灯目前只能用石英放电室，石英放电室比陶瓷放电室大，允许的最高壁温较低(-200℃)。由于放电室越小越近似于点光源，因此，要求放电室更小。为了在放电室壁上得到更高的冷点温度Tc，要求有更高的温度；这就增大了填充气体中盐的蒸汽压。这里用的术语“陶瓷”是指金属氧化物，如兰宝石或多晶氧化铝(PCA)，以及诸如AIN之类的氮化物。
美国专利文献US 5,973,453公开了一种陶瓷放电金属卤化物(CDM)灯，其中，EA/D＞5，EA是电极末端之间的距离，电极末端与放电空间的端壁隔开。可离子化的填充物包括作为点火气体的氙(Xe)和克分子比为3∶1至7∶1的NaI和CeI3。在额定功率为150W和用作在80-100V工作的高压钠(灯)装置的改型的实施例中，EA/D＝8，填充物包括Hg(汞)，并且Xe的填充压力是250mbarr(＝187torr)。在色温3900°K时得到的彩色再现指数(CRI)是58，发光效率为130lm/w。应注意的是，类似的HPS灯(highpressure discharge lamp，HPS，高压放电灯)的发光效率较低(110lm/w)；彩色再现指数(CRI)很低(21)，而类似的高压汞灯的CRI类似，但发光效率低得多(60lm/w)。
在US 5,973,453中公开的另一种150W的实施例中，没有填充汞，灯工作在45V，所以它不适合作为HPS的改型。Xe的填充压力是1250mbarr(＝938torr)，发光效率是145lm/w，CRI是53。在185W的实施例中，灯电压是53V，Xe填充压力是500mbarr(＝375torr)，CRI是61。全部实施例均用壁厚为1.4mm的陶瓷管。全部无汞实施例均在电子镇流器产生的方波电压下工作。
美国专利文献US 5,973,453公开的CDM灯有高的发光效率，甚至被认为是HPS镇流器的改型，但彩色再现指数仍低于要求值，而且在很多应用领域不适用。
美国专利文献US 6,031,332公开的CDM灯的CRI超过90，并具有限制的电压峰值系数，所以灯有长的使用寿命。电压峰值系数VCF是二次点火电压与电弧电压即工作电压之比。二次点火电压是随交流(AC)供电电压的极性变化灯熄灭时重新点火放电所需的电压。VCF具有高的值，尤其是灯在正弦波电压下工作时，正弦波电压是磁镇流器的典型工作电压，而且VCF在灯的寿命期内通常会增大。
US 6,031,332提出了使填充物中卤化物总克分子量的30至50％为碘化铈，以此提高二次点火电压的问题。EA/D小于1.0，L/D稍大于1.0；填充物中包括压力为140mbarr(＝105torr)的氩(Ar)气作为点火气体。灯工作在80-100V，但功率只是70W；所以，它不适合作为HPS装置的改型。
金属卤化物灯中的公知问题是产生碘化氢电压尖峰(spike)。HI尖峰是无碘环境中被氢(H)污染了的金属卤化物灯在工作过程中产生的。通常，H(氢)来自填充气体中存在的水，但H也能存在于灯零部件和盐中。为了保证电弧管内的H2O量尽可能少，最好少于填充气体的0.5％，需要特别的措施。
US 4,409,517中提供了消除HI尖峰电压的一种方法，它公开了用铌(Nb)作窗口，允许H2迅速扩散出电弧管。US4203049公开了H的吸气剂。
现有技术中没有公开具有好的彩色再现指数、高效率和高光强保持特性的适合与现有的HPS灯磁镇流器连用的大功率CDM灯。
本说明书和权利要求书中，D、EA和L都用mm表示，除非有其它明确说明。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种大功率(150W以上)的CDM灯，它能与为高压钠(HPS)灯设计的磁镇流器连用。一个相关的目的是提供一种CDM灯，它限制碘化氢电压尖峰于镇流器供给的电压范围内。
本发明的另一目的是提供一种有低的电压峰值(crest)系数的CDM灯，以用HPS镇流器消除闪烁和实现长寿命。
本发明的另一目的是在材料限制范围内确定灯的设计空间，同时提供要求的灯效率和彩色特性。
在CDM灯中用Xe作起动气体，并且长度与直径之比在3至5的范围内，可以达到本发明的这些和其它目的。这可认为是中等的长度与直径之比，因为大多数现有的CDM灯的长度与直径之比约为1，HPS灯的长度与直径之比在10的数量级。
用设计的试验和每个设计参数的特性等式来确定设计空间。图3示出的设计空间用于200W的CDM灯。其中画出四条曲线。左下边的曲线100表示电压峰值系数VCF为1.7，它上面的空间表示较低的VCF′S。这是希望的，因为HPS灯的镇流器有低的维持电压。下一条曲线200表示壁温TW为1250℃，它上面的空间表示较低的壁温。这是希望的，因为在较高的温度下PCA会被盐腐蚀和蒸发，这会使外壳变暗并缩短灯的寿命。以下是两条交叉曲线300、400，它们确定实际的设计空间500。曲线300是冷点温度为1005℃的曲线；它上面的空间表示较低的温度。另一曲线400是表示效率为90lm/w的曲线；它下面的空间表示更高的效率。用6.7mm的内径D和33mm的长度L(L/D为4.9)以及直径D为8mm和长度L为25mm(L/D为3.1)、30mm(L/D为3.8)来限定设计空间。
为了减小或消除HI电压尖峰，也需要限制放电管的设计空间。已经发现，灯第1次点燃(run-up)期间HI尖峰电压的电平与电弧管的体积V和稀有气体的冷填充压力P有关。在用Xe作气体的一系列试验中，测试最小HI尖峰电压并对PV乘积画出曲线，如图4所示。符合该数据的曲线C用等式VHI＝33654(PV)-1.185描述，式中P以torr(乇)为单位，V以cm3为单位。在这些试验中为使H2和H2O的量最少，电弧管在惰性气体的干盒中制成，放电管在真空中在1300℃烘烤1小时，电极在真空中在高温下烘烤，直至惰性气体中含的盐进入电弧管为止。尽管这些步骤是细致的，但仍然形成了HI尖峰，但是可以选择P和V来控制它。
为了使灯维持(运行)于镇流器上，电压尖峰必须低于镇流器供给的有效电压。对于那些额定电压在90V以上的灯而言，该电压通常是200V或以上。尖峰电压应低于180V，实际上低于150V，最好是低于100V，以便可靠地起动。这些电压代入相应的等式中，或从图4的曲线中读出，可得到以下结果：对180V尖峰电压而言PV＝82.7torr-cm3，对于150V尖峰电压，PV＝96.4torr-cm3；对于100V尖峰电压，PV＝135.8torr-cm3。
为细致电压峰值系数VCF，需要进一步限制放电管的设计空间。已发现，新的CDM灯的电压峰值系数VCF符合曲线d，它与总压力PTOT和内径平方之乘积成反比，如图5所示。曲线d用的等式是VCF＝39616/PTOTD2+1.359，PTOT的单位是torr。为了让灯运行于现有的HPS或在其它类型的镇流器上，防止闪烁并延长灯的寿命，VCF应小于1.7。若PTOTD2＞1.16×105torr-cm3，则会得到VCF小于1.7的灯。从汞(Hg)的剂量和电弧管的体积V能计算出总压力；假定温度分布曲线是抛物线，总压力PTOT＝748(Hg)/V+8.87P，式中748的单位是cm3-torr/mg，Hg剂量单位是mg，V的单位是cm3，P的单位是torr。最后的两个等式可通过结构参数得到低的VCF值：
9.524×105(Hg)/L+8.87D2P＞1.16×105。
图5中的数据点是从在CWA(恒定功率自耦变压器)镇流器上工作的灯得出的。从已知的Hg剂量、Xe的填充压力和电弧管体积能计算出总压力。
按本发明的CDM灯的优点是，它有高的效率(超过90lm/w)，发白光(～4000°K CCT，MPCD+/-10)，并且在200W灯中有高的CRI(超过85)。CCT是相关的色温，MPCD是可感觉的最小色差(色点与黑体线的距离)。本发明的灯还具有以前才有的彩色稳定性和灯与灯之间的彩色一致性。另外，本发明的灯适合作为200W HPS-66镇流器的改型。
附图说明
图1是按本发明的灯的正视图；
图2是图1所示灯中的放电室的轴向剖视图；
图3是200W灯中放电室的直径与长度的关系曲线图，从图中能得到要求的壁温、效率、电压峰值系数和冷点温度；
图4是HI尖峰电压与PV的关系曲线图；
图5是电压峰值系数VCF与1/PTOT·D2关系曲线图；
图6是列出按本发明的三种灯的尺寸和性能参数的表；
图7A-7D是可与本发明的灯连用的现有磁镇流器的示意图。
实施例说明
图1示出按本发明的金属卤化物放电灯，它设有放电室3，放电室3有陶瓷壁，陶瓷壁封闭包含可离子化填充物的放电空间11。电极4、5穿过插塞34、35，接收来自导体8、9的电流，导体8、9还支撑放电室3。放电室3被外灯泡(bulb)1包围，外灯泡1的一端设有灯头2。
图2更详细地示出放电室3，放电室3包括圆筒形壁31，圆筒形壁31在两个端壁32a、32b之间延伸，两个端壁32a、32b中装有陶瓷的伸出插塞34、35。全部连接处S用烧结法密封。被圆筒形壁封闭的放电空间的直径为D，长度为两个端壁之间延伸的长度。插塞34、35接收穿过密封的陶瓷熔接点10的电流引线40、50。引线40、50用铌(Nb)或热膨胀系数相当于两端插塞34、35的热膨胀系数的其它金属制成，并且它们有例如Mo-Al2O3构成的卤化物防腐套41、51。每个电极包括连接到相应引线的电极杆4a、5a和装有线圈4c、5c的末端4b、5b。每个末端4b、5b按间距ttb在各个端壁32a、32b上延伸。
现有的美国专利文献US5973453和US6031332中更详细地描述了该结构。本发明涉及结构组成单元之间的关系，如放电室尺寸、填充物的总压力，以及性能参数，如壁温、效率和电压峰值系数。
按本发明的CDM灯的一个优选实施例，额定灯功率是200W，填充物包括冷填充压力为200torr的Xe。作为点火气体，Xe比Ar好，因为Xe原子大，而且能抑制钨电极蒸发，所以灯寿命更长。填充物还包括Hg、NaI和Tl、Dy、Ho、Tm和Ca的卤化物；后者起调色作用。
灯的尺寸和性能因素列于图6所示表中，其中两个实例是200W灯，一个是400W灯。后者的放电室尺寸和Xe冷压力使HI电压尖峰和电压峰值系数都最小。这使灯能在现有的400W HPS(高压钠灯)镇流器上工作，通常是在S-51型镇流器上工作。
图7A-7D示出可与本发明的灯连用的现有镇流器。图7A是在欧洲通用的在50V工作的低功率(35-150W)HPS灯用的所谓“电抗线圈(reactor)镇流器”。在欧洲，电抗线圈镇流器通常是在230V电源电压下用于灯电压为100V的所有类型的HPS灯。图7B所示的恒定功率自耦式变压器(CWA)镇流器通常是用于大功率HPS灯；本发明的灯最初是为这种镇流器设计的，所以可用本发明的替换HPS灯而不需换镇流器。图7C示出通常用于金属卤化物灯的CWA镇流器。两种CWA镇流器可根据抽头位置与任何线路电压连用。图7D示出用于HPS或金属卤化灯的磁控镇流器，它是提供优良控制的脉冲起动镇流器，但它体积大，笨重而且价格贵，因此不通用。
上述说明是示例性的，并非要限制所附权利要求的范围。

Claims (7)

1.一种金属卤化物灯，包括：
一个陶瓷放电室(3)，它封闭一个放电空间(11)，放电空间具有长度L、直径D、长度/直径之比L/D、体积V；
填充物，包括：Xe、Hg、卤化钠和选自Tl、Dy、Ho、Tm和Ca的金属的卤化物盐，所述Xe的冷填充压力是P，灯稳定工作时填充物产生的工作压力是PTOT；和
一对电极(4，5)，它们在所述放电空间(11)中用于维持所述填充气体中的放电，
其中，所述长度/直径之比L/D在3至5的范围内。
2.按权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，乘积PV大于96.4torr-cm3，因此，起动过程中的碘化氢尖峰电压限制为最大150V。
3.按权利要求2所述的金属卤化物灯，其特征在于，乘积PV大于136torr-cm3，因此，起动过程中的碘化氢尖峰电压限制为最大100V。
4.按权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，乘积PTOT×D2大于1.16×105torr-mm2，由此，所述灯的电压峰值系数小于1.7。
5.接权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述灯的额定功率是200W，所述放电室(3)的壁厚小于1.0mm。
6.按权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述金属还包括Ce和Li。
7.按权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述灯的工作电压是80-120V。
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