CN101248509A - 高压放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压放电灯，期望将它用于同化照明。按照本发明，高压放电灯包括具有一个长轴的封闭体积V的放电容器，其中存在可电离填充物，可电离填充物包括一种缓冲气体和过量的金属卤化物，金属卤化物是从LiI、NaI、CaI₂中选择出来的，放电容器具有膨胀形状，其中端部至少是非圆筒形的并且在其两端向它的长轴弯曲，内壁面积A应保持A/V＜0.66的关系成立。

Description

高压放电灯

技术领域

本发明涉及一种高压放电灯，它特别适合在温室中用于植物生长照射和同化照明。

背景技术

绿叶的光吸收在光谱的蓝色和红色部分是最强的。在400和700纳米之间的光子(量子)决定了光合作用的速率。这些光子的吸收是光合作用的驱动力。光合作用的光谱量子产额已由McCree(光合作用在农作物中的作用光谱、吸收、和量子产额，Agric.Meteorol，1971/1972，9.191-216)导出，并由Sager等人(光合作用的光能利用效率，ASAE学报，通用版，1982，25/6，1737-1746)作了精细加工。这些研究教导：光合作用的量子产额在一个很宽的范围是很高的，在光谱的蓝色和红色部分具有相应的最大值。尽管上述的两个最大值在光谱的蓝色和红色部分，但在400和700纳米之间的区域中量子产额还是大于0.8的。具有Na或NaI的高强度放电灯具体来说能够在589纳米的NaD线区域有效地发出辐射，在这个区域叶绿素的吸收是很强烈的。因此，具体来说，在目前使用高压钠灯(所谓的SON灯，或替换地为HPS灯)在温室中进行同化照明。SON灯获得的发光效能(luminous efficacies)在100和150流明/瓦特(lm/W)之间，光子通量效率高达1.95微摩尔/瓦特(μmole/(Ws))。

具有NaI和CeI₃填充物的高强度放电灯具有可比拟的发光效能。EP0896733公开了一种具有NaI和CeI₃的金属-卤化物系统，它能够达到的效能在130和174流明/瓦特之间。当填加Li时，发光效能下降。US6147453公开了一种具有NaI、CeI₃和LiI填充物的灯，它能够达到的发光效能不大于100到135流明/瓦特。WO00/45419公开的低瓦特数的灯的填充物除Hg外还包括NaI、CaI₂、CeI₃。这些灯的发光效能在101和106流明/瓦特之间，色温T_c很高，超过3800K，最高超过4800K，与范围为84到90的普通彩色绘制指数Ra结合。

为了有效地支持植物的生长，这些灯必须在光合作用产额最大的区域极其有效地产生光。比较的上述灯的主要缺点是植物的感光光谱明显地偏离用于计算发光效能的视觉灵敏度曲线。视觉灵敏度曲线的峰值在绿色区中，在蓝色和红色区的视觉灵敏度很小，而在光合作用中有效的辐射的灵敏度曲线在蓝色和红色区中有最大值。因此，发光效能在评估光合作用中有效的辐射量中不是一个很好的参数。比较合适的作法是，使用400和700纳米之间的光子通量再除以灯的输入功率，进一步称之为优化灯的光子通量效率，所说的灯用于同化照明或生长照明。发光效率的增加甚至于可能导致光子通量效率的负面影响。

具有包括NaI、CaI₂、CeI₃和LiI组合的填充物的已知的灯的主要缺点是，所说灯发出的光有相当大的数量在光谱的绿色区，在这里的光合作用产额是最低的。虽然这种灯具有很高的发光效能，但与基于Na或NaI的灯(在光谱的红色部分更有效地发射)相比，不太适合于刺激植物的生长。具有包括NaI/CeI₃的填充物的灯和包括Na、Ce、和Li的卤化物的灯这两者的缺点都是易受灯操作期间填充物的分层现象的影响。

SON灯和只有NaI作为卤化物填充物的灯的主要缺点是，它们的发射主要在589纳米附近，植物当然还是在接近700纳米左右吸收光子的效率极高。此外，SON灯在光谱的蓝光部分无有意义的贡献。因此，相对于植物的吸收光谱，所说灯的电功率到光子的转换不理想。

在该文献中，建议用于促进植物生长的灯具有一个陶瓷放电容器，其中包含的Hg、LiI的数量在0.02-4.2mg/cm3之间，过多的Li用于补偿腐蚀效应。灯的光谱在光谱的绿光部分具有相当大的发光数量，这是在放电中由Hg产生的。这是在植物生长中所说的灯不是实际有效的缺点所在。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够克服上述缺点的适合于用在温室中植物生长照射和同化照明的灯。

按照本发明，高压放电灯包括具有一个长轴的放电容器，放电容器封闭体积V，其中存在可电离填充物，可电离填充物包括一种缓冲气体和作为金属卤化物的充分过量的LiI，放电容器具有在两端向长轴弯曲的膨胀形状，它的内壁面积A应保持A/V＜0.66mm^-1的关系成立，在正常操作期间所说放电容器的最冷点温度T_cs为至少1200K。灯的正常操作在此应理解为在最低功率下和对于所说的灯已经设计好的对应的电压下的稳定操作。Hg经常用作缓冲气体。此外，放电容器可以包括稀有气体，如Ar、Kr、或Xe、或者它们的混合物，稀有气体可以促进启动，并且还可以具有缓冲气体能力。特别是，Xe还具有使填充压力增加的缓冲气体能力。放电容器可以由陶瓷、或石英、或石英玻璃材料制成。“陶瓷材料”在这里指的是半透明的或透明的单晶或者致密烧结的多晶金属氧化物，如Al₂O₃、Y₂O₃、Y₃Al₅O₁₂(YAG)，和致密烧结的金属氮化物，如AlN。放电容器至少在它的端部不是圆筒形的，因为它是膨胀的形状，在它的两端是向长轴弯曲的。这对于控制冷点温度是有益的。例如，一个150瓦特的填充LiI的按照本发明的灯，以汞作为缓冲气体，放电容器是陶瓷氧化铝的，这样的灯发出的辐射有15-20％在400和500纳米之间的蓝光区，大约75％在600和700纳米之间的红光区，这个百分数出乎意料地高。灯的发射和绿色植物的吸收光谱匹配的惊人的好，这种匹配比高压钠灯好得多，高压钠灯的发射在蓝光区最高只有10％，在红光区顶多只有约40％。本发明的灯的光谱中蓝光的高百分数本身是预料不到的，因为Li的主线是在611和671纳米。按照本发明的灯的下一个令人惊奇的优点是，没有记录到任何严重腐蚀的迹象。所说灯的另一个优越的方面是，Li的卤化物提供一个所谓的W(钨)的卤化物循环(W-halide cycle)。钨是最常用的电极材料，在放电电弧的影响下钨趋向于从电极上蒸发和/或溅射。钨的卤化物循环具有在电极的较冷部分淀积这样蒸发和溅射的钨的性质，这是因为放电区中LiI的分解放出卤化物，钨循环地结合到所说的卤化物上并且还要从所说的卤化物上分解出来。本身已知的钨的卤化物循环的原理有利于灯的维护，因为这个原理有效地克服了在放电容器的壁上钨的淀积。

膨胀的非圆筒形的形状的主要优点是，放电容器的壁厚可以完全地保持不变，这对于在放电容器的壁上实现均匀的温度分布是有益的。在这样成形的主体(其中的A/V＜0.66mm^-1)中，在电极和与其相关的突起插头之间的体积部分与圆筒形放电容器相比是相当小的，这一事实进一步促进了所说的优点。

对于在操作期间最冷点温度T_cs小于1200K的灯，已经发现，LiI的蒸气压力不会达到相对强烈的辐射所需的水平，尤其是在蓝光区。利用Hg作为缓冲气体，所说的光谱在绿光部分有非常重大的贡献。但这对于植物的生长是无效的。

虽然使用LiI作为填充组分在一般情况下意味着发光效能的减小(见以上所述)，但令人惊奇地发现，按照本发明的灯的能量转换至少可以和一个可比较的已知的灯相比拟，甚至于更好。对于150瓦特的灯，它的填充物包括Na或NaI，能量转换效率约为27％，对于以上所述的本发明的150瓦特的灯这个数值增加到几乎30％。这一增加是令人惊奇的并且是出乎意料的。尽管Li光谱有较高的蓝光份额，但我们发现，本发明的灯的每单位输入功率的光子通量(以微摩尔/瓦特×秒(μmole/(W*s))为单位)甚至于比填充物为Na或NaI的可比拟的灯的情况下还高10％。

在按照本发明的灯的一个有益的实施例中，可电离填充物除LiI外还包括CeI₃，CeI₃的数量最多约为10摩尔％。Ce的碘化物(Ceiodide)在数量很小时可进一步改善在400和700纳米之间的光谱区中的有效能量转换。但Ce的碘化物在数量很大时在光谱中增加绿光数量，除此之外Ce对于灯的维持具有负面的影响，激励钨在放电容器的壁上的沉积。

因而新型的灯提供较高的能量以及较高的光子效率，它的光谱能够较好地适应植物的吸收和光合作用的量子产额。

在按照本发明的灯中，放电容器最好封闭两个电极，电极相互距离EA至少约为20mm。实验表明，电极距离约为20mm以上的光子通量效率明显优于整个长度上为圆筒形的放电容器的可比拟的灯的光子通量效率。

附图说明

下面参照附图更加详细地说明本发明的以上各方面和另外的方面，其中：

图1示意地表示按照本发明的灯；

图2详细地表示图1的灯的放电容器；

图3详细地表示图1的灯的另一个放电容器；

图4表示按照本发明的灯的光谱，与不是本发明的灯进行了比较；

图5是一个曲线图，表示在400和700纳米之间的功率与按照本发明的灯的输入功率P_nom之比随放电容器的比A/V而变；

图6是一个曲线图，表示在400和700纳米之间的发射功率与灯的输入功率之比随电极距离EA而变。

具体实施方式

图1表示按照本发明的具有陶瓷壁的放电灯。图1表示的金属卤化物灯设有一个具有长轴10的放电容器1，放电容器1是弯曲的膨胀形状，具有一个在两端朝向长轴的陶瓷壁，所说陶瓷壁封闭包含可电离填充物的放电空间11。所说放电容器在它的整个长度上是一个非圆筒形的形状。在放电空间中安排两个电极50、60，电极的尖端相互之间有一个电极距离EA。放电容器在每一端都有一个陶瓷的突起插头，每个插头封闭一个对应的电流穿过引线导体(current lead-throughconductor)。所说放电容器的最大内径是Di。放电容器由一个外管101包围，外管101在每一端都设有一个灯帽102。在灯操作时，放电在电极50、60之间进行。电极50经过导电体(current conductor)90连接到形成灯帽2的部分的第一电触点。电极60经过导电体100连接到形成灯帽2的部分的第二电触点。图2(没有真正按比例画出)更加详细地表示出这个放电容器。在这个特定的实施例中，通过非圆筒形的端部形成膨胀的形状，所说非圆筒形的端部像两个半球一样地向长轴10弯曲，并且通过一个圆筒形部分与外径7相互连接。放电容器有一个封闭体积V的陶瓷壁，陶瓷壁形成放电空间11，它的内壁面积为A。连接到对应的一个突起插头的放电容器的每一端的特征在于半径为A-1和B-1的弯曲部分。在所示的实施例中，所说的半径是常数值，所说弯曲部分是圆的部分。根据放电容器主体长度C和半径A-1之间的比例，因而放电容器的形状可以在球形(一个方面)和由圆筒形部分与外径7连接的两个半球形(另一方面)之间变化。在这个特定的实施例中，半径A-1的两倍等于外径7，d1和d2分别表示突起插头的外径和内径，在突起插头中例如利用陶瓷釉化合物封闭和密封所说电极。

在一个不同的实施例中，半径A-1可以大于外径7的一半，这就能得到一个更加椭圆的形状，如图3所示。

通过沿弯曲部分改变半径A-1的值，可以实现任何期望的膨胀形状，例如椭圆形的、抛物面的、和卵形的。具有至少向长轴弯曲的非圆筒形的端部的这些膨胀的设计的主要优点是，放电容器的壁厚可以完全保持不变，这对于在放电容器的壁上实现温度的均匀分布是有益的。在这样成形的主体中，在电极和对应的突起插头之间的体积部分是非圆筒形的并且向长轴方向弯曲，这样的体积部分与圆筒形放电容器的相应体积份额相比是相当小的，这一事实进一步促进了上述的优点。

在图4中，曲线1表示的是灯的光谱，金属卤化物的填充物主要包括过量的10毫克的LiI。为了进行对比，沿灯的曲线2的旁边示出了该光谱，曲线2的灯的填充物包括NaI，而不是LiI。在两个灯中放电容器的填充物都还包括Hg作为缓冲气体以及300毫巴(mbar)的Ar/Kr。按照本发明的灯在正常操作期间的最冷点温度T_cs是1376K。最冷点温度T_cs是利用红外照相机直接测量的。非本发明的灯的光谱等效于普通的HPS灯的光谱。从所示的光谱显然可以看出，包括LiI的灯的光谱1中的蓝光份额比HPS等效光谱2的蓝光份额高得多。还可以清楚地看出，光谱1在600-700纳米的区域发射的辐射比光谱2多得多。按照本发明的灯的下一个优点是，它的可见光的流明比HPS灯或者具有可比拟功率的包括NaI的灯的可见光的流明低2倍以上。其结果是，用于植物生长的照明，即所谓同化照明，将产生较少的环境照射。

按照本发明的在两端具有向长轴方向的弯曲部分的膨胀设计的优点是，减小了表面与体积之比A/V。下面借助图5说明这个特殊效果的结果。在图中示出了400和700纳米之间的功率(记为P_{400-700纳米})与灯的输入功率(记为P_nom)之比，此外还称之为功率效率，随表面与体积之比A/V而变，对于按照本发明的各种灯标记为S1。为了进行对比，图中表示出圆筒形灯的结果，标记为C1。按照本发明的灯的S1的功率效率通常大于按照用C1表示的设计的功率效率。下面参照图6说明设计S1的另一个优点，其中表示灯的功率效率P_{400-700纳米}/P_nom随电极距离EA(即电极尖端之间的距离)而变化。当电极距离增加时，功率效率稳定增加，并且本发明的灯S1的功率效率大于放电容器设计C1的灯的功率效率。

下面描述例I和例II中实验灯的结果。

例I：

放电容器的轮廓与图2对应。表1中总括了尺寸。设计E2-1的封闭体积V和内壁面积A分别是3215mm³和1087mm²，设计E2-2的封闭体积V和内壁面积A分别是2083mm³和1051mm²。比例A/V的最终值对于设计E2-1是0.338，对于设计E2-2是0.504。在室温下的缓冲气体的压力是100毫巴的Xe。在表2中列出了灯的填充物和所测的在400-700纳米之间的光子通量(dn/dt)_{400-700纳米}除以灯的输入功率(光子通量效率)的结果以及在400和700纳米之间的灯发射的平均波长λ_{400-700纳米}。而且证实了每个灯中的最冷点温度Tcs高于1200K。

表1

	d1(mm)	d2(mm)	3(mm)	A-1(mm)	B-1(mm)	C(mm)	7(mm)	8(mm)	9(mm)
										E2-1	4	1.64	17	8.5	1.5	24.6	17	1	58.6
E2-2	4	1.64	17	5.1	1.5	42	10.2	1	76

表2

放电容器	Pinput	mLiI	mHg	(dn/dt)400-700纳米/Pinput	λ400-700纳米
							瓦特	毫克	毫克	微摩尔/焦尔	纳米
E2-1	320	28	36	1.63	597
						E2-1	390	28	36	1.59	593
E2-2	320	30	8	1.75	598
						E2-2	390	30	8	1.80	595
E2-2	310	30	10	1.82	601
						E2-2	390	30	10	1.89	597
E2-2	315	30	12	1.79	601
						E2-2	425	30	12	1.90	595

表2中的结果表明，当燃烧器的长度增加时，光子通量效率和平均波长增加。在燃烧器中增加功率也要减小平均波长，但令人惊奇的是却增加了光子通量效率。

为了进行比较，在卤化物是NaI的灯中，每单位功率的光子通量是仅仅1.35微摩尔/(瓦特×秒)。标称功率为150瓦特的HPS灯的每单位功率的光子通量是1.29微摩尔/(瓦特×秒)。

例II

利用如图3所示的椭圆形放电容器设计制作所说的灯。在表3中列出了放电容器主体长度C、外径7、壁厚8、内壁面积A、和体积V。在图3中的主体和细长的引线之间的过渡处的半径B-1是2mm。在表4中给出灯的填充物和在400-700纳米之间的所测光子通量(dn/dt)_{400-700纳米}除以灯的输入功率(光子通量效率)的结果以及在400和700纳米之间的灯发射的平均波长λ_{400-700纳米}。

表3

	C	7	A-1	8	A	V	A/V
									[mm]	[mm]	[mm]	[mm]	[mm2]	[mm3]	[mm-1]
E3-1	38	19.7	27.6	1.4	1511	4772	0.317
								E3-2	69	12	160.6	1.4	1459	2270	0.641

表4

放电容器	Pinput	mLiI和mCeI3	mHg	(dn/dt)400-700纳米/Pinput	λ400-700纳米
							[瓦特]	[毫克]	[毫克]	[微摩尔/焦尔]	[纳米]
E3-1	390	30和0	50	1.76	606
						E3-2	390	30和0	7	1.89	603
E3-2	585	30和0	7	1.99	598
						E3-2	430	50和7	7.2	1.93	578
E3-2	480	50和7	7.2	1.97	575

在具有除LiI外还包括CeI₃的卤化物填充物的灯中，CeI₃的数量对应于3.5摩尔％。而且证实了每个灯中的最冷点温度T_cs都超过1200K。

编者注：本文中引入量“光子通量效率”是为了替代“发光效能”。或许说“光子通量效能”更好？效能指的是能量的转换(如从瓦特转换成流明)，而效率则停留在同种能量内(例如，在一个光源内，效率可能是90％：1000流明来自灯，其中900流明实际上是从光源的窗口发出的)。所以，效率只是一个数，效能在其后面总有一个单位。

考虑之后请删除这个编者注。

Claims (7)

1、一种高压放电灯，具有一个带长轴的放电容器，放电容器封闭体积V，其中存在可电离填充物，可电离填充物包括一种缓冲气体和作为金属卤化物的充分过量的LiI，放电容器具有在两端向长轴弯曲的膨胀形状，内壁面积A应保持A/V＜0.66mm^-1的关系成立，在正常操作期间所说放电容器的最冷点温度T_cs至少为1200K。

2、根据权利要求1所述的灯，其中的可电离填充物还包括CeI₃。

3、根据权利要求2所述的灯，其中的CeI₃存在的数量最多约为10摩尔％。

4、根据权利要求1所述的灯，其中放电容器封闭一对电极，电极相互之间的距离EA至少约为20mm。

5、根据权利要求1所述的灯，其中放电容器是由陶瓷材料制成的。

6、根据权利要求1所述的灯，其中缓冲气体包括Hg。

7、根据权利要求6所述的灯，其中缓冲气体还包括Xe。

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