CN1047689C - 小功率高压放电灯 - Google Patents

Abstract

一种小功率高压放电灯，包括：一个由石英玻璃制成的放电容器；一个有放电容器的透明外壳，一个导线系统通过外管壳和放电容器的壁插入两电极；放电容器的可电离的填充物，它含有惰性气体、水银以及一种金属卤化物混合物，主要由金属钠、钪和铊构成，钠卤化物和钪卤化物的成份之间的摩尔比率为5∶1到24∶1钠卤化物和铊卤化物的之间的摩尔比率为25∶1到73∶1；放电容器上装有改善蓄热性能的一个反射涂层。

Description

小功率高压放电灯

本发明涉及一种小功率高压放电灯，其功率范围大约为35～200W。

也就是说本发明是关于日常照明用的金属卤化物灯。其特点是相应于大约2600～4600K比色温度内出现热白光(WDL)和中性光颜色(NDL)。

在日常照明上对适用性的标准特别是寿命应≥6000小时和以一个高Ra指数表现出尽可能好的颜色重现。对于总颜色重现指数力求达到最小值Ra₈＝80。此外还有有特别意义的单项指数R₉，它专为在红光谱范围内的所述颜色重现确定一比例尺。至今人们尚没有找到令人满意的长寿命和较好的颜色重现之间的一个折衷方案。

德国专利文献—PS2106447中公开了一种适于NDL—光显色的由钠和各种各样稀有土金属(SE)构成的卤化物组成的填充物，可是这种填充物不适于WDL—光显色，这是因为这种光显色需要很高的壁架负荷来达到，该负荷与以下情况有关，即在灯中的稀有土金属的主要成份做为缩合物存在，会使填料物质与石英玻璃很快导致产生一个化学反应(透明消失)，明显地损害所述灯的寿命。

一种专用于光显色WDL的已试验过的系统是使用一种Na—Sn填充物(参见德国专利文献DE—PS2655167)，可是利用它至今不能得到的令人满意的颜色重现，并且此外当不能充分除去不希望的剩余气体时，导致产生严重的电极腐蚀。

一个另外的替换方案提供一纯的Na—Sc填充物(见欧洲专利文献EP—PS165587)，至今为止人们已经发现它首先在美国广为采用，该系统虽满足了对寿命(大约6000小时)的要求，但具有比较差的颜色重现性能：其总的颜色重现指数Ra₈仅仅大约为70和单项指数R₉为—90。

为了改善灯特性，已研究了在Na—Sc系统内附加各种不同的填加物，特别是钍卤化物(缩写成H)，(如EP—PS220663)和铊卤化物。在美国专利文献US—PS4866342中对于在3800和4600K(相应于光显色NDL的)比色温度之间和一较高功率(460W)的情况，给出定量摩尔比例为25∶1至50∶1的Na—H∶Sc—H和相关的一个比例75∶1到280∶1的Na—H∶Tl—H。

在德国公开文献DE—OS3341846中描述了一种用于汽车的放电灯的类似的定量规定，它具有4500K(中性白色)的标准的比色温度，颜色重现在此不起作用。

为了改进Na—Sc系统，人们也进行了其它的尝试，例如添加元素钪(见欧洲专利文献EP—PS173235)，又如在放电容器上加涂层(见欧洲专利文献EP—PS220633和173235)或者在增加蓄热管后对外管壳抽真空(见欧洲专利文献EP—PS165587)。

在欧洲公开文献EP—OS215524中，描述了为获得具有良好颜色重现和较低比色温度(相应于WDL方式)的令人满意的灯的进一步的方案。该灯建立于Na—Tl系统的基础上，也可以添加稀有土金属(包括钪)。该灯必须以如此高的壁架负载(＞25W/cm²，一般为60W/cm²)工作，必须使用陶瓷放电容器。另外考虑到放电容积和电极排列必须满足多个几何关系。这个解决方案在理论上是令人有兴趣的，然而，在实践上仍不令人满意，由于陶瓷材料的使用需要一全新的技术工艺，这使成本显著提高并带来一些问题，特别是涉及到导杆的持久气密性问题和开发使卤化物稳定的玻璃焊剂。

本发明的目的是提供一种小功率的具有金属卤化物填料的高压放电灯，它适用于室内照明，并同时相应地具备相对低的比色温度和良好的颜色重现以及寿命长的特点。一个进一步的发明目的是，尽可能地保留用于放电容器的成熟的石英玻璃技术。

本发明的目的是通过下述措施实现的：

一种小功率高压放电灯，包括一个由石英玻璃制成的放电容器，一个里面装有放电容器的透明的外壳管，其中电流导线系统通过外壳管和放电容器插入两个电极到放电容器内；放电容器内的可电离填充物含有隋性气体、水银及一种基本上由金属钠、钪和铊构成的金属卤化物混合物；其特征在于钠卤化物(Ha-H)与钪卤化物(Sc-H)成份的摩尔比例为5∶1到24∶1；钠卤化物(Na—H)与铊卤化物(Tl—H)的摩尔比例为25∶1到73∶1；该放电容器装有改善蓄热性能的反射镀层。

对于室内照明采用具有良好颜色重现和高寿命的小功率放电灯的愿望，已经存在很多年了，然而至今没有找到一种完全满意的解决方案。问题在于这两个所希望的技术方案，却是相互排斥的，另外随着颜色重现指数的提高，光输出变差。因此必须寻找到一个在相互对抗的要求之间的可能平衡的折衷方案。虽然对于上述问题中提到的每个单一的技术方案原理上已经早已公知了，但目前将其相互间结合起来仍相当复杂，唯有允许实践检验来寻找一最佳的组合方案。

具有关键意义的是填料组成成份和相对含量的选择。通过材料和灯壳几何尺寸的适当选择可获得特殊的有益效果。

本发明的一个重要的观点是这样考虑的，在填充物构成组分的仔细选择条件下，能选择较高的石英玻璃放电容器的器壁负荷，这一观点至今被学术界所接受。至今一般把20W/cm²的负荷看做为临界值，例如在海德堡跳跃者出版社“OSRAM协会的科技论文集”(TWADG)1986年出版的12卷11页及以下页数(特别是15页上的表3)所描述的内容。另一个例证是德国公开文献DE—OS4013039，第3页(A.54(3)EPU)。随着功率等级的减少，所述的器壁负荷增加，这使得相对应小尺寸灯但热损耗增加的情况，该热损耗被补偿，这尤其是对适用于室内照明的100瓦以下的功率等级是临界态。

从这个基本想法出发寻找一种填充物系列，在灯工作中填充物构成很少的腐蚀材料沉积物，因为已经指出，该冷凝物要给外壳材料增加负担，并且消光加重从而缩短寿命，明显的以通常方式验证的Na—SE系统对此是不适应的，因为它要求必须具有高的工作寿命，于是填充材料的大约90％(！)是在沉积物中。确切地讲仍未获得一象在EP—PS220633中说明的那样的令人满意的Na—Sc系统。

可是现在已令人意外地看到，一个已经众所周知的具有较差的颜色重现(Ra＝70)的灯的Na—Sc系统具有下述最好的前提条件，当在其中增加Tl时可达到预期的目的。然而这种Na—Sc—Tl系统只有处于这样的状态，才能达到所期望的要求，即添入与常规分配剂量不同的含量(摩尔比率Na—H∶Sc—H＝25……50∶1，以及Na—H∶Tl—H＝70……280∶1)。

根据本发明，采用摩尔比率为Na—H∶Sc—H5……24∶1[(特别是5……22∶1，最好是5……19∶1)]和Na—H∶Tl—H25……73∶1。钠的成份被减少，保持在25∶1下的Na—Sc比率可延长寿命，因为对于灯壳体的光的产生和消光同样重要的Na—Sc—X₄一综合体(X＝卤化物)不令人满意地存在，众所周知，该综合体在灯运行中构成，该系统完全蒸发，因此用于一个器壁和导致消光的填充物之间的反应，不生成冷凝物。相反确实在Na卤化物(尤其是Na)上有沉积物，在消光方面它不起作用。本发明也主要是基于两种钠化合物的不同作用的知识，涉及到填充物/器壁反应以及由此产生出的结果。其结果是产生一种比较满意的灯，它在钠卤化物方面是令人满意的，然而关于复合化合物以及Sc和Tl卤化物方面又不令人满意。Na—Sc比率5∶1以下不会获得所期望的比色温度。

钠的减少可通过两个措施来补偿：第一个是为了获得同样的热白光色相应提高冷聚光温度。这通过一反射涂层来实现。尤其是涉及到双侧挤压放电容器的两端部上加蓄热涂层，蓄热特性必须是如此优选，Tc冷聚光温度超过800℃；以往通用的石英玻璃的Tc值位于大约600—800℃；而至今仅有陶瓷放电容器可实现提高的Tc值。通过与现行实施例相比大大增强的蓄热涂层的厚度更加完美地获得这一温度。外壳被抽成真空的，效果也被增强了，在这个意义下，钠蒸气气密如此大，使得表现出在灯的光谱在589nm处的Na谱振线加压扩散，并在中间自我吸收，在这种方式中一个附加的改善了的红颜色重现R₉通过在谱振线的长波波翼上的发射达到。当工作条件如此选择时，两翼的最大间距(光谱)为7—12nm时，可获得十分好的结果。

根据本发明，第二措施是在剂量配比中使用Tl，在此Tl的任务对于颜色重现的改善不是特别地处在它的直接贡献中。但是应引起重视的是，Na的功能部分地用于电子输出Na—汽相的电离度被相应减小。钠的大部份于是以中性原子存在，由Na谱振线的发散来维持。铊的添加量具有如此限定，即在燃烧状态(大约于100小时后)的灯准确地符合普朗克曲线，并与其它光源良好地协调，25∶1下的Na—Tl比率给灯一束绿痕(Grünstich)，73∶1以上的比率在燃烧电压和重新点火性能上产生无益的效果。

对于热白光比色证实具有特别的益处，在专门用碘作为卤化物的情况中，采用25∶1和50∶1之间Na—Tl比率。对于中性白光比色适合前述的从40∶1到73∶1的Na—Tl比率，尤其是以50∶1到73∶1为好，这是对于纯碘填充物以及用碘和溴的混合填充物所采用的比率。

详细地讲，通过两个球形罩上的蓄热涂层的精确构造对蓄热能起到良好的影响。在此涂层厚度，其清洁度和两涂层球体之间的距离起决定性的作用。按照德国公开文献DE—OS3832643推荐使用最小97％纯度的氧化物或氧化铝作涂层。对于至今没有给予其尺寸的特殊注意的涂层厚度来说，要对其加以关注，即它是足够大并类似可视厚度。在铝或锆氧化涂层中，最小厚度为0.15mm，涂层的两球罩的距离应最好如此加以选择，即它为电极距离的大约90到105％。

上述的Na—Sc—Tl系统的绝对剂量比率为2.5到5.5mg/cm³，这与放电容器的内部容积有关，使该系统正好处于饱和的临界值。在此可采用碘或具有一定含量溴的碘等作为卤化物。

由于在第一个100小时工作时间中填充物质具有一定量的消耗，导致Sc分压的减少，与Na相反，Sc不能从沉积物中得到补偿。这使比色温度向下漂移。在此值得推荐的是，做为补充，添加少量的钪元素，这样在燃烧时间开始时能减少漂色。

或者另一个减少漂色的补偿的可能是局部地采用溴为卤化物，其通过溴替代碘量直到70％。一般在30％不影响光比色。溴的采用虽然做为纯碘填充物的理论上的替代物已在US—PS4866342中广泛公知，而在发明的放电灯中至今仍未真正地被投入使用。现在首先要继续弄清楚碘和溴构成的混合填充物的比率，以及添料所显示出的特殊的效果。

由于与ScI₃比较的ScBr₃的较大的结合能量，对于混合填充物，所不希望的钪卤化物与放电容器的石英壁的交换作用在钪氧化物的形成下很难起作用，即溴做为NaBr₃被填入，同时在运行中，根据分解过程调整出一个平衡，从而除了最初存在的ScI₃以外，还构成了ScBr₃。尤其在高器壁负荷时(小瓦数型和/或特好的颜色重现)推荐一个钪含量与含有溴的混合填料的组合物，因为在高温下钪损耗从原理上会更快停止。

溴添加剂起这样的作用，可使光强减少(至今到30％)，比色温度的减量(至今到6000K)，以及颜色位置的漂移(至今到10个百分点的y坐标减量)。在第一个100至500运行小时期间得到大于50％的改善。

专门添加碘作为卤化物时，Na—Sc比率可取为5……13∶1(与卤化物有关)，而在I/Br混合填充物的情况下尤其是取到22∶1的较高值，甚至高到24∶1。原因是由于在兰色光谱区中碘的吸收作用部分停止，溴的额外增加导致比色温度较高。它必须通过提高Na-Sc的比率来补偿。

为了进一步改善颜色重现，可以采用在金属卤化物填充物的总量中添加最多到4％摩尔比率的锆和/或铪的附加卤化物。

不仅Hf而且Zr可改善点火和激发特性由于Zr也可在红光谱区发射，则添加Zr对于改善R₉指数是合适的。

进一步的改进通过几何尺寸的优选实现出人意外地根据本发明的各种功率等级的放电灯型，在电极距离(以mm计)和功率等级(以W计)之间存在非线性关系。在此之前人们一直以线性关系为出发点。当选择电极距离与功率等级方根的关系时，将获得最好的结果。该比例因数是0.85，允许误差范围是±0.1。

另一个重要的尺寸是放电容器的最大内直径尺寸与电极距离的比率关系，大约1.1到1.4是有益的，这显然高于至今通用的典型值0.9。此外最大内径尺寸的概念是指，所述的放电容器的中间部份是应膨起的。最好选用一鼓形体，另外一种可能是椭圆体。膨胀的程度尤其这样选择，即中间部份的内径大约是电极距离的0.9至1.2倍。所述的有效的中间内径尺寸根据内部容积的方根来确定，即该容积由电极距离开方(参见EP—PS215524)。

本发明的放电灯的一个特殊的优点是100V的燃烧电压在整个寿命期内大致上保持恒定不变。

另外比色温度的杂散被减少。该灯能从每个点燃位置上工作而不改变色值的额定值。因此该灯尤其适用于大面积的照明(例如大厅)因为每个灯互相只具有很小的色值的偏差。

通过本发明制成的小功率的高压放电灯，适用于室内照明。对于要求6000小时寿命的灯，其颜色重现指数Ra₈≥80和R₉≥-30。红色成份从15％上升到大于20％。

本发明在下面将根据多个实施例进一步说明。

图1表示具有双侧挤压的放电容器的双侧高压放电灯的结构图；

图2表示具有已有技术(用点划线表示)填料的和本发明的(用连续线表示)填料的75瓦灯光谱之间的比较图。

图1中描绘的75瓦高压放电灯1包括一石英玻璃制成的两侧挤压的放电容器2，它封装在两侧装有管底的真空外壳3内。电极4、5——见图示——通过气密封在放电容器2中的薄膜6、7与引线8、9焊接，再与外壳3的密封薄膜10、11，并继续经过短引线与陶瓷插座(R7s)的接口12、13电连接。引线8、9被石英丝制成的纤维(不能看见)铠装，这可抑制外壳中光电子的形成，从而能延长寿命超过6000小时。

在外壳3的挤压件中通过一线材在金属平板上附加一个吸气物质14，且被零电位地密封封装。放电容器2的端部具有一个氧化锆的具有大约0.2mm膜厚度的热反射涂层15、16，以使冷聚光温度(cold spot-temperatur)，可保持在800℃以上。涂层构成两个球形罩，它的内棱装在电极峰顶的高度上。电极的距离与内棱的距离一样，均为7毫米。

所述放电容器2是鼓形状的，该鼓形体的产形是一个半径为11.1毫米的圆弧。所述放电容器的内部长度为14毫米，在器壁负荷直至22瓦/cm²的情况下，它的内部容积是0.69M³。所述石英玻璃的厚度约为1.3毫米。

做为填充物，放电容器2具有达到3000K比色温度的热白光比色(WDC)所需的16mg水银和120mbar氩，及总量为2mg的下列金属卤化物(所有金属卤化物以摩尔百分比率％计)：89％的NaI、8.3％ScI₃和2.7％TlI。卤化物钠和卤化物钪的摩尔比例为11∶1以及33∶1的卤化物钠和卤化物铊的摩尔比率。与具有钠、锡、铊、铟和锂的卤化物的公知填充物的灯相比，光通量(100小时值)增加20％，达到6000流明。光效率达到77流明/瓦，而不是67流明/瓦，(增加15％)。总的颜色重现指数为Ra₈＝82，而不是以前的Ra₈＝76。指数R₉从-90改进到-20，其中红色成分由15％上升到21％，寿命合计6000小时，颜色色散从±300K减少到±130K。标准色价成分为x＝0.418和y＝0.400。

图2表示一个传统的具有钠——锡填充物(点划线)的75W灯的含有同样结构但含有上述的钠——钪——铊填充物的相同功率灯的光谱比较示意图。比色温度校定在3300K上。本发明的光谱具有附加的单独曲线(a)，它们有助于改善颜色重现指数。它们通过钪的增加加以限定，光谱的同一性也被大大改善。光谱上代表传统灯的加深曲线，象钠线(b)、锂线(c)、铟线(d)、水银线(e)和铊线(f)具有或多或少的实测值(锂仍作为掺杂物存在)，尤其引人注意的是沿钠谐振曲线的长波翼(b₂)的发射明显增强，由此首先红色成分将明显提高(+40％)。藉此，所有的饱和颜色清楚的显现。这种性能在室内照明、日常生活照明和橱窗照明方面尤其有价值。

另一个实施例是一个相近构造的有热白光比色(WDL)的150W灯，其填料具有除水银和氩之外添加总量为4mg的如前实施例所描述的同样的金属卤化物。

在3000K的比色温度条件下，光效率(过去是75lm/w)目前达到85lm/w，而光通量达到大约12800lm，并且颜色重现指数达到Ra8＝92，取代了从前的Ra₈＝85。在红色光上颜色重现从现在的专用指数R₉从—70改进到R₉＝0，在1.5cm³的燃烧容积和11.0mm的电极距离条件下，器壁负荷最高达到18w/cm²。

这种灯的寿命可达到6000小时。颜色色散从±300K下降到±130K。该较早的比较值与填充物有关，填充物含有作为金属卤化物的镝、钦、铥、钠和铊的碘化物。

用于75W灯的WDL填充物的另一实施例中增加了1％的HfI₄成份，以改善点火特性和进一步减小消光现象。由于Zr是红色煤介，通过加入ZrI，则红色成份甚至可达到22％，而颜色重现指数可达到Ra₈＝90。

此外，可用NaBr部份地(一般为30％)替代NaI成份。

在具有3000K比色温度和70W功率的WDL灯的情况中，采用以下填充物(总量为：2mg)能获得很好的效果(以摩尔百分比计)：58.8％NaI，34.3％NaBr，4.9％ScI₃，1.3％TlI和0.7％HfI₄。下面的替换实施例采用无铪填料。59.2％NaI，34.5％NaBr，4.9％ScI₃和1.4％TlI，在这样的填充物中Na—Sc的比率大约为19∶1，而Na—Tl的比率大约在70∶1。溴成份占卤化物的大约31％具有这样填充物的灯，其总颜色指数Ra₈＝82和红光指数R₉＝-20，其光效率可达77lm/w。这种灯的光通量在第一个100小时减少到只有15％(过去为30％)，比色温度减少到200K(以前是600K)，而比色的y一坐标降到仅为4个百分点(以前是11)。

最后可以在第一实施例的Na—Sc—Tl填充物中，加入0.03mg的元素Sc。这样使在第一个100小时中截止住填料总量的不可避免的损耗，以致使色值的恒定和点火电压均得到改善。在此还适用一种钪组合物，该组合物钪以低于随机的公制量(unterstochiometrischen Mengen)释放，例如ScI₂。

放电容器的上述尺寸因此特别是有利的，因为它在高频限流器中运行时可避免产生声响谐振。

对于一个NDL填充物(4000K比色温度)的例子，对75W的灯，通过下列金属卤化物——混合物(以摩尔百分比计)形成：81.9％NaI，14％ScI₃，2.7％HfI₄和1.4％TlI。在这种填充物中，NaI/ScI₃摩尔比率为6∶2和NaI/TlI的比率为58∶1。

总之可以看到，本发明用于室内照明很有益，比色温度不必限定在3000K范围内，这是指光比色WDL的情况。这里相对于纯碘填充物的卤化物比率Na/Tl为25……50∶1，以及混合填充物的卤化比率则达到73∶1，铊的添加起到极其重要的作用。也就是说根据本发明的原则比色温度可升到大约4300K(相对于光比色NDL)，以致于在这种情况下，推荐纯碘填料的卤化物的比率为直到70∶1的Na/Tl，最好为50∶1……65∶1的比率，对于混合物填充物选择50∶1……73∶1的比率是最合适的。

Claims (13)

1.小功率高压放电灯，包括：

——一个由石英玻璃制成的放电容器(2)；

——一个有放电容器的透明外壳(3)，一个导线系统通过外管壳和放电容器的壁插入两电极(4,5)；

——放电容器的可电离的填充物，它含有惰性气体、水银以及一种金属卤化物混合物，主要由金属钠、钪和铊构成，其特征在于，

——钠卤化物和钪卤化物的成份之间的摩尔比率为5∶1到24∶1；

——钠卤化物和铊卤化物的之间的摩尔比率为25∶1到73∶1；

——放电容器(2)上装有改善蓄热性能的一个反射涂层(15、16)。

2.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，为了得到中性白光比色，相应一般3800K到4600K的比色温度，钠卤化物和铊卤化物成份之间的摩尔比率取为50∶1到73∶1。

3.按照权利要求1或2的高压放电灯，其特征在于，所述填料仅含有碘作为卤化物，其中钠卤化物对钪卤化物的摩尔比率为5∶1到13∶1。

4.按照权利要求3的高压放电灯，其特征在于，为获得热白光比色，相应一般为2600到3500K的比色温度，钠卤化物和铊卤化物成份间的摩尔比率为25∶1到50∶1。

5.按照权利要求1或2的高压放电灯，其特征在于，所述填料含有碘和溴的混合物构成的卤化物，其中钠卤化物与钪卤化物的摩尔比例为5……22∶1。

6.按照权利要求5的高压放电灯，其特征在于，在卤化物总量上溴成份占到70％。

7.按照权利要求6的高压放电灯，其特征在于，为获得热白光比色，在卤化物总量上溴的成份为30％。

8.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，外壳(3)被抽真空处理。

9.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，金属卤化物混合物另外含有铪和/或锆的化合物。

10.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，填充物另外含有元素钪。

11.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，放电容器(2)被双侧挤压，其中在各端形成球形的涂层，其中两球体(15,16)之间的距离为电极距离的105到90％。

12.按照权利要求11的高压放电灯，其特征在于，电极距离EA是功率L的函数，它由下列公式确定： $\mathrm{EA}=0.85(\±0.1)\×\sqrt{L}$

上式中电极距离EA的单位为毫米，功率L的单位为瓦特。

13.按照权利要求1的高压放电灯，其特征在于，所述涂层由氧化锆膜构成，膜厚至少为0.15毫米。

Images