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CN1296283A - 具有改进寿命终止特征的钠－氙灯 - Google Patents

具有改进寿命终止特征的钠－氙灯 Download PDF

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CN1296283A
CN1296283A CN00128347A CN00128347A CN1296283A CN 1296283 A CN1296283 A CN 1296283A CN 00128347 A CN00128347 A CN 00128347A CN 00128347 A CN00128347 A CN 00128347A CN 1296283 A CN1296283 A CN 1296283A
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China
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sodium
zinc
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enough
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J·斯奈德尔
J·M·斯特罗克
Z·托斯
I·克桑伊
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General Electric Co
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    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/18—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent
    • H01J61/22—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having a metallic vapour as the principal constituent vapour of an alkali metal

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Abstract

配加有钠、氙气和作为元素金属添加剂的锌的无汞高压钠蒸气灯。加入所述金属添加剂可阻止无汞HPS灯在钠－氙放电时的不合需要的低电压工作模式,否则当钠不再参与弧光放电时将发生这种情况。

Description

具有改进寿命终止特征的钠-氙灯
本发明涉及高压钠蒸气灯。更具体地讲，本发明涉及配加有钠、氙气和用以阻止在寿命终止时不合需要的低电压工作模式的元素锌的无汞高压钠蒸气灯。
传统的弧光放电高压钠(“HPS”)蒸气灯由Schmidt在美国专利号3，248，590中以发明名称为“高压钠蒸气灯”描述。这些灯采用在高温下对钠有耐受力的透光难熔的氧化物材料作为其细长管状封套，适合的氧化物材料为高密度多晶氧化铝或合成蓝宝石。其填料通常包括钠、稀有气体(如氙气，以方便激发)和汞(以改进效率)。氧化铝管的端头采用适合的关闭件密封以便和热离子电极连接，所述热离子电极含有难熔的金属结构并通过发射电子物质激活。通常将陶瓷电弧管支撑在一端为普通螺钉脚座的外部玻璃封套或外壳里面。所述电弧管的电极与所述螺钉脚座末端连接，即与外壳和中心触点连接，通常将封套的内部空间抽空以保存热量。
新的环境标准要求从传统的弧光放电HPS灯设计中除去汞。这些新的设计仅仅配加钠和氙气。因此，当钠通过化学反应或扩散“失去”时，电压将显著降低。产生的低电压模式是氙气放电的特征。在寿命终止时的低电压工作是非常令人讨厌的，其将导致镇流器过热从而缩短了镇流器的寿命。
特别需要一种无汞高压钠灯，该灯在确定的使用期限内能保持灯电压稳定从而确保其在寿命终止时不会形成回路(cycle)(在高电压下)和镇流器不会过热(在低电压下)。
简要地说，根据本发明的一个实施方案提供了新型、改进的无汞高压钠灯。设计该灯以阻止在钠-氙放电下的不符需要的低电压工作模式，否则当钠不再参与弧光放电时将发生这种情况。所述无汞HPS灯所设计的寿命终止工作电压是在符合制定的ANSI/IEC标准的镇流器的可接受范围内。
本发明的主要优势是阻止了无汞HPS灯在钠-氙放电下的不符需要的低电压工作模式。
本发明的另一个优势是无汞HPS灯的寿命终止工作电压在制定的ANSI/IEC标准可接受的范围内。
本发明还有另一个优势是所述无汞HPS灯可在一般的生产线上生产而不必进行大规模的设备改造或增加灯的可变成本。
本发明还有进一步的优势是所述无汞HPS灯可直接替换标准的HPS灯，在改型应用中节省了时间和费用。
本发明还有另一个优势是将汞(根据美国EPA’S TCLP指南被列为有毒物质)从所述HPS灯中除去。
图1是本发明的无汞高压钠放电灯的正视图。
图2是说明根据实施例1和4构建和测试的Na-Xe和Na-Zn-Xe灯的可见光谱图。
图3是说明将图2的可见光谱放大8倍后在450至500nm之间的蓝-绿光区的可见光谱图。
图4是说明根据实施例1-4构建和测试的Na-Xe和Na-Zn-Xe灯在580至600nm之间的橙光谱区的曲线图。
图5是说明具有4.0mm内径的不同Na-Xe和Na-Zn-Xe灯的以发光效率对弧光电场作图的曲线图。
图6是说明具有4.5mm内径的不同Na-Xe和Na-Zn-Xe灯的以发光效率对弧光电场作图的曲线图。
图7是说明根据实施例9构建和测试的Zn-Xe灯的可见光谱的曲线图。
现在参见附图，这些附图仅仅描述了本发明的优选实施方案而不构成对本发明的限制，图1显示了无汞高压钠灯1，包括位于透明外部玻璃封套3内部的高压氧化铝放电蒸气弧光室或弧光管2。弧光管2包括处于压力下的含有钠、元素锌和优选作为激发气体的氙气的弧光产生介质。氙气填充气体具有大约10至500托，优选大约200托的冷填料压力。在工作过程中，氙气压力比所述冷填料压力提高了约8倍。钠的分压在工作过程中在30至1000托的范围，优选高效率时为大约70至150托。铌的电引线4和5将电能提供给一对钨电极6，钨电极6含有发射电子物质，并置于放电室2内部以激发其中所含的填料7。用密封釉料将引线4和5的任一端固定在弧光室2的氧化铝上。首先对引线4进行密封。引线5的密封在氧化铝套管连接组件上完成。引线4和5通过支撑件15和16、引入线9和10(从管座17伸出)电联接到带螺纹的螺钉脚8上。
在电极6之间引发弧光放电需要2至4kv的激发电压脉冲。这将使原料(starting)气体电离，引发产生的电流使弧光管2的温度上升并使其中所含的钠和锌挥发。随后通过离子化蒸气维持弧光放电和稳定工作电压。
灯1还包括铌片热反射带18以维持弧光室2中相对于灯座的相反一端的更高的工作温度。结果是在工作过程中未挥发的金属配加成分(即钠和锌)残留在弧光室2中较冷的一端。设计灯1防止密封釉料与液体钠接触以避免在启动时的寿命限制反应和可能的整流(高镇流器电流)。
在本发明中，在外部封套3中包含的填料7含有钠和原料气体，优选氙气。金属配加物(在单片氧化铝角落)是与氙气原料气体一起引入的。其它可接受的原料气体可包括任何非反应性的可离子化气体，如足于引起形成气体弧光放电的稀有气体。
传统上经常在所述填料中使用汞以提高灯1的电压，由此降低灯的电流。但考虑到制定的EPA TCLP指南限制了固体废料中的汞含量和考虑到含汞HPS灯的处理成本，填料7不含汞必定导致在寿命终止时的低电压工作。根据本发明，在钠-氙放电中使用另一种配加元素或添加剂消除了寿命终止时不想要的低电压作用。所述添加元素的选择基于一定的设计标准：其必需具有比原料气体低的激发电压(氙气的激发电压为8.4eV)，而比钠高的激发电压(钠的激发电压为2.1eV)。还有，其在灯工作过程中必需具有足够的蒸气压力以致当钠失去时，所述添加剂成为主要的辐射体并维持HPS灯的寿命终止电压在某一预定的限定值。例如，由ANSI/IEC规定的梯形图的限值范围在额定标称灯电压的大约85％至大约150％之间。术语“额定标称灯电压”是指由公认的标准机构公布灯电压的额定值，这些机构如国际电工委员会(IEC)、美国国家标准研究院(ANSI)和日本工业标准(JIS)。
优选所述添加剂为元素锌。锌的激发电压为4.0eV，位于钠(2.1eV)和氙(8.4eV)之间，因此当钠存在时，基本上是钠辐射的光谱，具有高的发光效率。同时锌也与弧光管中常用的物质(如铌、钨、氧化铝、密封釉料和发射物质)化学相适应。
如果所述元素锌添加剂的量(重量)低于一定值时，将这种锌蒸气压力称为不饱和。当所述锌蒸气压为不饱和时，在工作过程中锌的压力主要取决于决定弧光管体积的几何参数和锌的量。对于锌的配加量高于这个临界值时，锌蒸气压力基本与所述弧光管的体积或锌的配加量无关，因此锌蒸气压主要取决于所述弧光管最冷部位的温度。在优选的实施方案中，锌和钠都加入足够的量以在工作中产生饱和蒸气，因为这样其性能就决定于更少的生产变量。
本设计目的是制造具有在工作过程中维持饱和蒸气模式(即包括液体相和蒸气相)的至少最少量的配加锌的弧光管。这种饱和蒸气模式确保所述锌蒸气压力与锌的配加量和弧光管的体积无关。
为了估计在刚好饱和蒸气条件下所需的锌的配加量，下表Ⅰ使用以下的数据、运算和假定进行制作。
□使用本领域的技术人员已知的弧光管内径(或内径B)和弧隙G
的数值。
□由于金属-Xe放电产生更高的弧光温度，当钠失去时冷部位温
度(当钠存在时为大约700℃)将升至大约727℃(1000K)。
□在727℃(1000K)的蒸气压力来自AN Nesmeyanov(1963)在
Vapor Pressure of the Chemical Elements中所列的表。
□电极之间的平均气体温度使用公式(2*To+Tw)/3进行计算，其
中To是M-Xe放电的芯部温度，Tw是壁的温度。如果假设为
抛物线辐射温度分布这个关系将更容易表示。
□假定汞弧光的特征为To=5500K(大约高于Na-Xe放电的轴向温
度1200K)，根据W.Elenbaas(1972)的“Light Sources”。
□假定Tw=1623K(在钠存在时，大约高于一般无汞壁温200K(基
于以前已知的在HPS弧光管中采用纯汞的测量值))。
□由于无汞设计的纵横比G/B＞15，因此忽略在电极接触端之间的
平均气体温度的轴向变化的影响。
□估计电极每一端的后移(backspace)为1cm。忽略电极体积的影
响。估计在后移区域平均气体温度为925℃。
应用理想气体定律，计算每一个产品在后移区域和在电极接触端之间的金属(即锌)的摩尔数并将结果分别列在表Ⅰ的N1和N2中。将每一瓦特的全部蒸气相的Zn原子数转化为微克。如表Ⅰ中所显示，在电极后移区域的Zn的量为全部配加量的约1/3到一半。
表Ⅰ显示在刚好饱和蒸气条件下所需的锌的微克数在大约18μg(对于50W的灯)至大约81μg(对于400W的灯)之间变化。取决于灯的瓦特数，每个弧光管的锌的最小配加量确定为大约10至100μg。在所述弧光管内任何添加的锌的含量不会影响弧光电压或光谱。
对于钠刚好饱和的蒸气条件进行本领域的技术人员所知的相似计算表明高的效率需要每弧光管至少大约10至100μg的钠(取决于瓦特数)。
                         表Ⅰ
                    Zn    Zn    Zn
Figure 0012834700091
本发明现在在以下实施例中详细描述。
实施例1
为150W的标准镇流器装配具有4.0mm内径、7.9cm弧隙、装有1.9mg的钠和冷填料压力为275毫巴(209托)的氙气的无汞HPS灯。持续点亮该灯100小时(hrs)以稳定电性质和光度性质。采用本领域技术人员所熟知的方法测定该灯的电压、效率(流明/瓦特)和彩色再现指数(Ra)并记录在表Ⅱ中。
实施例2
以相同的方式重复实施例1，灯的电压、效率(流明/瓦特)和彩色再现指数(Ra)记录在表Ⅱ中。
实施例3
除在灯中装入1mg的配加锌外，其余以相同方式重复实施例1。灯的电压、效率(流明/瓦特)和彩色再现指数(Ra)记录在表Ⅱ中。
实施例4
以相同的方式重复实施例3，灯的电压、效率(流明/瓦特)和彩色再现指数(Ra)在表Ⅱ中记录。
实施例5
为150W的标准镇流器装配具有4.0mm内径、7.9cm弧隙、装有1mg的锌和冷填料压力为275毫巴(209托)的氙气的无汞HPS灯。持续点亮该灯100hrs以稳定电性质和光度性质。测定其平均工作电压为112V。
实施例6
为150W的标准镇流器装配具有4.5mm内径、7.0cm弧隙、装有5mg或1mg的锌和冷填料压力为350毫巴(266托)的氙气的无汞HPS灯。经过100hrs的稳定，测定该灯的平均工作电压为88V。
实施例7
为150W的标准镇流器装配具有4.0mm内径、7.9cm弧隙和冷填料压力为275毫巴(209托)的氙气的无汞HPS灯。持续点亮该灯100hrs以稳定电性质和光度性质。测定其平均工作电压为64V。
实施例8
为150W的标准镇流器装配具有4.5mm内径、7.0cm弧隙和冷填料压力为350毫巴(266托)的氙气的无汞HPS灯。经过100hrs的稳定，测定该灯的平均工作电压为52.5V。
实施例9
为150W的标准镇流器装配具有4.0mm内径、7.9cm弧隙、装有1mg的锌和冷填料压力为275毫巴(209托)的氙气的无汞HPS灯。持续点亮该灯100hrs以稳定电性质和光度性质。
实施例10
除在灯中装入1mg的配加锌外，其余以相同方式重复实施例8。测定效率(流明/瓦特)为5.7。
表Ⅱ
灯 伏 流明/瓦特 彩色再现指数(Ra)
实施例1  109  108.1  30.2
实施例2  108  108.5  29.2
实施例3  116  109.7  29.1
实施例4  121  108.2  31.1
图2分别说明了实施例1和4中选择的Na-Xe和Na-Zn-Xe灯的可见光谱，通常将可见光谱定义为在380-760nm之间的波长。如在图2中说明，所选择的灯的可见光谱出现完全重叠。可见光辐射主要来源于钠。
在图3的高倍放大展示中，可看到来源于蓝472和481nm的锌光谱线的非常小的贡献。当钠存在时，由于在激发电压上极大的差别(即锌4.03eV对钠2.1eV)使锌基本上不辐射。
在589nm处的钠D-光谱线自蚀宽度是在工作过程中测定钠分压的常用的方法。在图4中说明了这个光谱区基本与在实施例1-4中测试的每一盏灯的光谱区具有同样的宽度。对实施例1-4的四盏灯来说，另外一种通用的钠压力度量彩色再现指数(Ra)的测试结果也基本一致。
如在表Ⅱ中所示，尽管“光谱等价”，Na-Zn-Xe灯还是平均高于Na-Xe灯10.5V。因此，锌表现为象缓冲气体，对所述灯的电压X有贡献而不类似于汞在标准Na-Hg-Xe HPS灯中对光输出X有贡献。在表Ⅱ中，可测出锌对于弧光电场的贡献为大约11％。
为估计最佳效率(E0)的电场值，对多个Na-Xe和Na-Zn-Xe灯进行如实施例1至4所示的Na-Xe和Na-Zn-Xe灯同样的测试，并在图5和6中以4.0mm内径和4.5mm内径的灯的发光效率对其弧光电场作图。用于计算电场的公式为E=(V-12)/G，其中V为灯电压，G为弧隙并假定电极端电压降为12V。在图4和5中灯的数据系列号标记为“测试号，_弧隙(cm)和标准镇流器瓦特”，还根据该Na-Xe是否还含有锌。从这些信息，本领域的技术人员可很容易地看出相应于测试的每一盏灯的设计特征。根据实施例1-4，使用的锌的配加量为1mg。在图5和6中测试的每一盏灯的所含物质还包括2至5mg的钠(这种量大大超过了获得饱和蒸气所需的临界量)和平均压力为275毫巴的氙气。
图5和6的曲线说明在每单位弧隙更高的能量下得到更高的效率和对发光效率最佳的E值来说存在取决于内径的尺寸的一个数值。这些作用在HPS技术领域中是众所周知的。从图5和6可得出如果将锌加入到钠-氙混合物中可获得同样的效率的结论。在缓冲气体的作用下，所述Na-Zn-Xe的数据刚好向右移动了11％。
表Ⅲ中列出部分从图5和6中对Na-Xe灯的估算E0值。通过计算图5中所示的抛物线的峰，测定具有4.0mm内径的Na-Xe灯的E0为11V/cm。通过计算图6中作出的抛物线的峰，测定具有4.5mm内径的Na-Xe灯的E0。
从表Ⅱ中计算相应的Na-Zn-Xe灯的E0值比在表Ⅲ栏1的Na-Xe灯所示的值高11％。由此估算出表Ⅲ中的Na-Zn-Xe灯的E0值比Na-Xe灯的E0值高11％。表Ⅲ
Figure 0012834700121
表Ⅲ中的配加Zn-Xe的灯的E值通过在实施例5和6测定的电压值计算。配加Xe的灯的E值通过在实施例7和8中测定的电压值计算。
采用在表Ⅲ中列出的E0和E的实验值，可以说明锌可成功地消除无汞HPS弧光管的不合需要的寿命终止时的不良方式。
实施例11
设计150W MF灯具有4.0mm内径、IEC规定的7cm弧长和100V的设计中心电压，在Na-Xe设计空间中最佳效率发生在(11*7+12)=89V。但为了使中心设计在100V，必需将Na冷部位温度进一步提高致使E＞E0。将所述工作点移动到最佳点的右侧，也许伴随1-2％的效率损失。在配加Na-Zn-Xe下，最佳效率基本发生在设计中心电压即(12.2*7+12)=98V。此外，在寿命终止时，当Na失去时，该灯的电压为(12.6*7+12)=100V。对于配加Na-Zn-Xe的灯的电压在整个寿命期间明显地保持不变。另一方面，当不存在锌时，可下降到氙气的灯电压X即(6.6*7+12)=58V，X大大低于IEC最小85V的规定。这种下降导致了镇流器的过热。
实施例12
设计250W的灯具有4.5mm内径、IEC规定的8.5cm弧长和100V的设计中心电压，在Na-Xe设计空间中最佳效率发生在(9.5*8.5+12)=93V。但为了使中心设计在100V，必需将Na冷部位温度进一步提高致使E＞E0。将所述工作点移动到最佳点的右侧，同样伴随1-2％的流明损失。在配加Na-Zn-Xe下，最佳效率发生在非常靠近所述设计中心电压即(10.6*8.5+12)=102V。此外，在寿命终止时，当Na失去时，该灯的电压为(10.9*8.5+12)=105V，仍然保持明显的不变和很好地位于规定的范围内。另一方面，当不存在锌时，灯电压可下降到氙气的电压X，即(5.8*8.5+12)=61V，大大低于IEC最小85V的规定。这种下降导致了镇流器的过热。
除了防止相应于钠-氙放电的不合需要的低电压工作方式外，使用锌的另外的优点在于得到的锌-氙放电具有与初始钠-锌-氙配加灯明显不同的颜色。例如，与图7对比，图2的初始钠光谱的锌-氙放电在可见光谱中仅显示出几条明显的蓝线和几条微弱的红线。此外，采用实施例10的结果可最好地说明，测定的5.7流明/瓦特的锌/氙放电的效率X为在实施例3和4中测定的初始值的大约5％。在这方面，在灯的寿命终止阶段，当从金黄-白色转变成典型的微红-蓝色和更低的发光效率时便基本表明应该更换灯了。
前面已经通过参考优选的实施方案对本发明进行了描述。显然，其他人在阅读和理解了本说明书后可进行修改和变动。例如，除了这里引用的配加元素外，只要符合一定的设计参数可在放电中采用其它元素。本发明将包括所有的这些修改和变动，只要它们在附加的权利要求书或其等价物的范围内。

Claims (16)

1．无汞高压钠蒸气放电灯(1)，所述灯包括：
具有在其内部形成的放电空间的管(2)；
可密闭所述管(2)的端件；
从所述端件伸出的电引线(4)、(5)；和
位于从所述端件伸出的电引线(4)、(5)两端的电极(6)；
所述放电空间含有钠、原料气体和元素锌，所述锌的存在量足以维持灯(1)在寿命终止时的工作方式中的电压在大约85％至大约150％的额定标准电压范围。
2．权利要求1的灯(1)，其中所述钠的分压在灯的工作过程中在30至1000托的范围，稀有气体具有的冷填料压力在10至500托的范围。
3．权利要求2的灯(1)，其中所述稀有气体为氙气。
4．权利要求1的灯(1)，其中所述锌的存在量足以在灯(1)的寿命终止时的工作方式中产生饱和锌蒸气压。
5．权利要求1的灯(1)，其中所述锌的配加量在10至100μg的范围。
6．权利要求1的灯(1)，其中所述钠的存在量足以在灯(1)的工作过程中产生饱和钠蒸气压。
7．无汞高压钠蒸气灯(1)，所述灯包括含有填料(7)的弧光放电管(2)，所述填料(7)含有钠、稀有气体和元素锌添加剂，所述钠的分压在灯(1)的工作过程中在30至1000托的范围，稀有气体具有在10至500托范围的冷填料压力。
8．权利要求7的灯(1)，其中所述稀有气体为氙气。
9．权利要求7的灯(1)，其中所述锌的存在量足以在灯(1)的寿命终止时的工作方式中产生饱和锌蒸气压。
10．权利要求7的灯(1)，其中所述锌在填料(7)中的配加量在10至100μg的范围。
11．权利要求7的灯(1)，其中所述钠在填料(7)中的配加量在10至100μg的范围。
12．权利要求7的灯(1)，其中所述钠的存在量足以在灯(1)的工作过程中产生饱和钠蒸气压。
13．在无汞高压钠蒸气灯(1)中产生工作蒸气的金属组合体，所述金属组合体包括钠和锌，所述锌的存在量足以在灯(1)的寿命终止时的工作方式中产生饱和锌蒸气压。
14．权利要求13中的组合体，其中所述钠的存在量足以在灯(1)的工作过程中产生饱和钠蒸气压。
15．权利要求13中的组合体，其中所述锌的配加量在10至100μg的范围。
16．权利要求13中的组合体，其中所述钠的配加量在10至100μg的范围。
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