CN101410934A - 放电空间中具有低功函金属的高强度放电装置 - Google Patents

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Abstract

将一定量的Ce金属或其它低功函金属加入到例如不饱和HPS灯(10)的“高强度放电灯”的电弧管(12)中以替代电极(22，24)中的发射材料。在初始灯启动期间，发射金属覆盖电极(22，24)，从而减少其有效功函并使灯(10)的启动更容易。

Description

放电空间中具有低功函金属的高强度放电装置
本发明涉及高强度放电(HID)装置，更具体而言涉及在放电空间中具有低功函金属的这类装置。
诸如高压钠蒸气(HPS)灯的HID装置包括电弧管，所述电弧管具有通过电弧管的相对端密封的维持放电填充物和一对电极并且适应于保持其间的长电弧放电。提供使电流与电极连接的设备。常规而言，在每个电极上设置或在每个电极中结合诸如氧化钇的发射材料以协助灯的启动。
根据现行的做法，通过形成复合材料在HPS灯的电极上提供发射材料。该复合材料由多步骤过程制备，其中形成陶瓷材料的浆料且使该浆料涂布在电极线圈之间的空隙上和迫使浆料进入到电极线圈之间的空隙中并进行干燥。干燥以后，清除电极表面过剩的涂布材料并在高温在氢气氛下烧结涂布的电极，从而使陶瓷前体材料转变成所需的发射材料并使之与电极结合。
该过程是高度劳动密集性的，并需要很多步骤才能完成。此外，涂布的一致性随电极的不同而不同。发射材料不足的电极可能导致灯寿命的缩短，而发射材料过多的电极可能导致电弧管变黑，从而导致流明输出量减少，以及流明维持的减小。最后，已知电极的发射材料会污染电极焊接和装配机器，需要经常性的停机清洁。
因此，本发明的目的是要取消电极/发射材料复合材料及其制造过程。
根据本发明，通过将少量的低功函金属(例如，Ce)直接定量配入到放电空间中来实现这一目标。低功函金属用作发射材料，从而使得不必要制造电极/发射材料的复合材料。在电弧管密封过程中将低功函金属连同维持蒸气放电材料(例如，钠汞汞齐)填充物定量配入到放电空间中，从而避免昂贵的额外步骤。
在足够高的温度下，低功函金属会熔化并缓慢气化，涂覆电极，减小它们的有效功函并使灯的启动更容易。
在本发明的一个方面，提供高强度放电灯，其包括：放电容器和围绕放电容器的外壳；该放电容器限定出包含一对相对的放电电极和维持放电填充物的空腔；其中该放电容器还包含低功函金属。
在本发明的另一个方面，提供高强度放电灯的制作方法，该灯包括放电容器和围绕该放电容器的外壳，该放电容器限定出包含一对相对的放电电极和维持放电填充物的空腔，该方法包括将维持放电填充物加入到放电容器中并以气密性的方式密封放电容器，其中放电容器中加入了低功函金属。
优选的是，放电容器至少是基本不饱和的，即，一般以液态见于饱和放电容器中电极后面冷点区中的放电化学品(即，盐、汞和/或汞齐)储备不存在或存在量不足以造成放电容器的充分变黑。众所周知，这种放电容器的特征在于电极插入深度较短和/或放电化学品的配入量较低，导致冷点温度(cold spot temperature)较高，例如范围在约800℃至约1000℃内。
优选的是，低功函金属选自于Ba、Ca、Ce、Eu、Li和Rb，存在量为约0.1mg至5mg，低于此量则定量配入是困难的，高于此量则成本昂贵。最优选低功函金属是Ce，存在量为约0.5至约2.5mg。
将参照附图对本发明的这些以及其它方面进行进一步的阐述，其中：
图1所示为本发明HPS灯的一个实施方案；
图2是与在电极上具有氧化钇发射体的对照相比，对于具有0、0.5和1.5mg的Ce和过量Na的250W不饱和HPS灯样品，以秒为单位显示总点火时间(total ignition time)和辉光转弧光时间(glow-to-arc time，GTA)的图；
图3是显示图2的250W不饱和HPS灯样品的电极尖端处的PCA壁温的图。
所述图是概略的，不是按比例绘制的。不同图中相同的附图标记代表类似的部件。
图1所示为本发明HPS灯10的一个实施方案，包括多晶氧化铝(PCA)电弧管12，所述电弧管12具有主体部分14和端盖16及18，形成包含钠、汞和铈金属填充物的气密性空腔20。相对的电极22和24穿过端盖14和16到达空腔20的内部。电弧管12被气密性外玻璃壳26包围，外玻璃壳26在一端由凹座28封闭，在另一端由压封30封闭，并与标准基座32连接。电引线34和36与基座32连接并延伸通过压封30到达外壳26的内部，以经由支撑引线38和40对电极22和24提供电流。由包围凹座28的引线38的环42提供进一步的支撑。
在本发明中，在电弧管中使用未涂布的电极(无发射体)。然而，将低功函金属引入到电弧管之中。据信发射体金属熔化，并且或者是蒸发并凝结到电极上，或者是由表面张力拉进电极中并涂布电极的尖端。
优选的是，低功函金属选自于Ba、Ca、Ce、Eu、Li和Rb。这些材料的功函数和熔化温度在表I中给出，作为电极丝组成的W用作参考。
表I
  元素   功函(eV)   熔化温度(C)
  Ba   2.7   729
  Ca   2.87   839
  Ce   2.9   789
  Eu   2.5   822
  Li   2.9   180
  Rb   2.16   38.9
  W(参考)   4.18-5.25   3410
低功函材料的存在量可以为约0.1mg至5mg，低于此量则定量配入是困难的，高于此量则成本昂贵。最优选低功函金属是Ce，存在量为约0.5至约2.5mg，低于此量时Ce的效果很小，高于此量时可能出现电弧管末端的显著变黑和/或电弧管末端的冷却。
在电弧管的定量配入过程中，所述金属可以以片、小球或发射体金属丝的小块的形式引入，或者通过形成金属与汞的汞齐引入。这使得可以在一个单一的小球中引入所有的填充物组分，例如钠、汞和Ce，从而不再需要单独的定量配入汞的步骤。
实施例
与没有Ce的灯相比，已经显示将1.5mg剂量的Ce金属加入到250瓦不饱和HPS电弧管中使总点火时间和辉光转弧光时间分别减少70％和75％。这一结果与由使用常规涂布氧化钇的电极的灯得到的结果相当。还显示Ce的加入降低了电极尖端附近的壁温，这可以减少由于扩散造成的钠损失，还可以减少由于与钠的反应所造成的PCA的腐蚀。
使用具有标称100W钨棒电极的多晶氧化铝(PCA)制备若干不饱和250瓦HPS电弧管样品，具有焊接到远端的盘绕的线圈，和由13mm的穿出高度(scrape height)确定的短的插入深度。穿出高度是从电极尖端到电极组装体(电极和铌管)邻接PCA电弧管端盖的位置的距离。所述电弧管定量配以一种直径420-710微米的Al吸气剂小球。氙填充物压力标称设定在95Torr。
制备具有五种不同填充条件的样品并分成A-E组。A组没有发射体；B和C组具有两种不同剂量的Ce金属丝，0.5mg和1.5mg；D组具有标准的涂布氧化钇的电极；和E组具有双倍Na剂量。在电弧管电压测试器上将每个电弧管测试组的汞(Hg)剂量调整到100V。除E组只有4盏灯外，所有组由5盏灯组成。所有的灯都装有标准的吸气剂。不同填充物的详情归纳于表II。
表II
  组号   测试ID标记   发射体   Ce丝(mg)   Na剂量(460-470μm直径小球)   平均Hg(mg)
  A   无Ce   无   0   1   2.14
  B   0.5Ce   无   0.5   1   3.37
  C   1.5Ce   无   1.5   1   4.43
  D   对照   Y2O3   0   1   3.11
  E   2xNa   无   0   2   0.81
对每个样品确定平均辉光转弧光(GTA)、总点火时间和电极尖端处的PCA壁温。总点火时间定义为GTA时间加上开启时间(breakdowntime)。在离电弧管的每端14mm处测量壁温，对于穿出13mm的电弧管为离开电极端约0.4mm。
结果以图示的方式显示于图2和3中，图2是以秒为单位的总点火时间和辉光转弧光时间(GTA)的图，图3是每组样品以开尔文(Kelvin)为单位的壁温图。
“2xNa”灯(E组)显示出最长的GTA和总点火时间以及1468K的次最高平均壁温；“无Ce”灯(A组)具有1532K的最高平均壁温。通常不饱和灯的设计原则是要保持最高PCA温度低于1400K。结果还表明所有三个参数都随Ce含量的增加而减小。此外，结果表明C组具有“1.5Ce”的电弧管的性质与氧化钇对照(D组)类似。
理论推测认为Ce减少电极的功函，从而降低最终的操作温度。因此，电极能够更快地提供更大的电流，更快地达到操作温度，从而减少GTA时间。较低的操作温度具有降低电极附近PCA壁温的附加优点。对于不饱和灯而言，这一温度是特别重要的，因为对于饱和灯它显著更高，并且电极的电位将最高浓度的光电子吸至电弧管的端部，其可导致PCA的腐蚀和钠的损失。
结果表明向不饱和250瓦HPS灯的电弧管中定量配入Ce金属导致电极尖端附近的PCA壁温降低。Ce的定量配入还导致点火及GTA时间缩短并减少端部的发黑。与具有未涂布电极且无Ce的电弧管相比，Ce的加入导致的PCA的冷却造成操作的前100小时中钠保留的改善。结果与理论是一致的，Ce的作用为减少电极的功函，使稳定化温度低于未涂布的电极，并与涂布氧化钇的电极相当。
已经按有限数目的实施方案对本发明进行了必要的描述。根据该描述，其它的实施方案和实施方案的变化对本领域技术人员而言是显而易见的，并且这些也都完全包括在本发明和所附的权利要求的范围之内。例如，虽然主要关于HPS灯对本发明进行了描述，但应该理解的是，不将发射材料结合到放电电极中而是将诸如Ce的低功函金属加入到放电空间中的益处在任何高强度放电装置中都可以获得，这些放电装置可受益于放电电极发射率的增加并且具有有益于低功函金属在电极上的沉积的操作条件(例如，冷点温度、蒸气压)，例如陶瓷放电金属卤化物和汞蒸气放电灯。

Claims (18)

1.高强度放电灯(10)，包括：放电容器(12)和围绕放电容器(12)的外壳(26)；放电容器(12)限定出包含一对相对的放电电极(22，24)和维持放电填充物的空腔(20)；其中放电容器(12)中还包含低功函金属。
2.权利要求1的高强度放电灯(10)，其中所述放电容器至少是基本上不饱和的。
3.权利要求2的高强度放电灯(10)，其中所述放电容器的冷点温度范围在约800℃至1000℃。
4.权利要求1的高强度放电灯(10)，其中所述低功函金属选自于Ba、Ca、Ce、Eu、Li和Rb。
5.权利要求4的高强度放电灯(10)，其中所述低功函金属的存在量为约0.1mg至约5mg。
6.权利要求4的高强度放电灯(10)，其中所述低功函金属是Ce。
7.权利要求6的高强度放电灯(10)，其中Ce的存在量为约0.5至2.0mg。
8.权利要求1的高强度放电灯(10)，其中维持放电填充物包括Na和Hg。
9.制作高强度放电灯(10)的方法，所述高强度放电灯(10)包括放电容器(12)和围绕放电容器(12)的外壳(26)，放电容器(12)限定出包含一对相对的放电电极(22，24)的空腔(20)，该方法包括将维持放电填充物加入到放电容器(12)中并以气密性方式密封放电容器(12)，其中将低功函金属加入到放电容器(12)中。
10.权利要求9的方法，其中所述放电容器至少是基本不饱和的。
11.权利要求10的方法，其中所述放电容器的冷点温度范围在约800℃至1000℃。
12.权利要求9的方法，其中所述低功函金属选自于Ba、Ca、Ce、Eu、Li和Rb。
13.权利要求12的方法，其中所述低功函金属的存在量为约0.1mg至约5mg。
14.权利要求12的方法，其中所述低功函金属是Ce。
15.权利要求14的方法，其中Ce的存在量为约0.5至2.0mg。
16.权利要求9的方法，其中维持放电填充物包括Na和Hg。
17.权利要求14的方法，其中Ce以丝的形式加入。
18.权利要求14的方法，其中Ce以与Hg的汞齐形式加入。
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