CN1054332A - 高压钠放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压钠放电灯，它在额定工作条 件下发出最大现色性指数Ra大于80的白光。由于 其额定工作条件下的壁负载是在80瓦/厘米²以 上，因而该灯能够达到至少为2800°K的色温Tc而 发光效率大于40流明/瓦。

Description

本发明涉及一种高压钠放电灯，它包括一个连接同着间隔空间一齐封入一个外壳中、并具有一层陶瓷壁的放电容器，该放电容器的两个电极的相应尖端以距离D分隔开，至少在整个距离D范围，放电容器有着内径为di、基本上是圆形的横截面，上述间隔空间中充气，此放电灯在额定工作条件下发出色温Tc至少为2500°K的白光。

DE-OS3129329中描述了上述的这种类型的灯。这种已知的灯在工作条件下发出白光，并有着较高的发光效率。该灯所发出的光的现色性用一般的现色性指数Ra来表示，在某些条件下此指数大于80。在现色性指数Ra≥80的情况下，就可用它来替代白炽灯。然而，为实现这种替代，就希望色温显著地高于2500°K，因为白炽灯的色温在2600°K到4000°K之间。通过这些有着下述（X;Y）座标的点的直线构成了一个色三角区：（0，400;0，430）、（0，510;0，430）、（0，485;0，390）和（0，400;0，360）。通常，如果高压钠灯发出的光落在这个区域内，就能把这种光看作“白”光。在这种情况下，色温处于大约2300°K到4000°K之间。通过比较应当注意到，标准高压钠放电灯发出的金黄色光的Tc＜2200°K而Ra＜50。然而，这种灯的发光效率远高于有着相同额定功率的上述已知的灯的发光效率。

这种已知的灯有着高的额定功率，即大约400瓦或更高，因而有着较高的光通量。因此这种灯仅用作为大范围照明，比如公共照明。高压钠放电灯发出的光有着十分良好的色性能（Tc＞2500°K、Ra＞80），并且是如此适合于替代白炽灯，使它可能十分适合于室内照明用，比如强光照明。这要求灯的尺寸相对要小。对于在比如说汽车前灯这样的应用场合，也要求光的色性能十分好。在此也希望灯的尺寸相对小。对于这些场合，希望灯具有相对低的光通量和相对小的尺寸。于是，对于已知灯的多种应用，要求灯有相对低的额定功率和相对小的尺寸。为此，在许多情况下要求色温至少为2800°K而有着尽可能最高的现色性指数。然而，在已知的灯中，额定功率低于400瓦会造成色温相当大的跌落，下降到2200°K以下，并且现色性指数远低于50。事实上，这种已知的灯已是一种标准的高压钠放电灯，而“白”光已绝对谈不上了。

在1988年夏季的IES杂志第105到117页中的一篇文章描述了一种具有相对低的额定功率的高压钠放电灯，它在额定工作条件下发出Tc为2500°K而Ra大约为80的白光。发光效率仅在40流明/瓦以下。色温增高而Ra仍保持在至少为80仅可能靠过载来实现，也就是说，通过使加到灯上的功率增加到超过额定功率才能实现。然而，这样就一方面造成了发光效率的急剧跌落和另一方面使放电容器的壁急剧温升，达到不希望有的程度。在过载条件下，在2700°K的色温时达到最大的Ra值。当色温进一步升高时，现色性再一次变坏。

本发明的目的特别在于提供一种装置，使得灯具有相对低的额定功率和相对小的尺寸，该灯在额定工作条件下发出的光具有至少为2800°K的色温、现色性指数在80以上，而且具有较高的发光效率。

根据本发明，这个目标的实现是通过使第一段中描述的这种类型灯具有发下特点：在灯的额定工作条件下，放电容器的陶瓷壁的壁负载至少为80瓦/厘米²。

由于本发明的装置，有可能得到一种高压钠灯，它在额定工作条件之下的一个较低的功率时也能发出白光，其色温至少为2800°K、而现色性指数Ra大于80。对于、额定功率高达100瓦的灯能实现至少为40流明/瓦的发光效率，而对于额定功率100瓦或更高的灯，至少为45流明/瓦的发光效率是有可能的。高的壁负载意味意能容易地制成尺寸相对小的灯。

应当注意到，在本说明和权利要求书中的“壁负载”规定为以瓦计的额定灯率与放电容器在整个距离D范围的壁内表面积之比。

高压钠放电灯发出的光的频谱的特点在于，它有一个近于589nm的吸收带，在吸收带每一边有着间距为△λ的谱线最大值边缘。如果发出的光的现色性指数Ra在80以上，此间距△λ在大约40到大约55nm之间。已经知道，进一步展宽吸收带，使得间距△λ进一步增大，有可能使发出的光的色温Tc进一步增高。然而，这会对现色性和发光效率产生不利影响。此外，在放电容器内径保持不变时展宽吸收带会使放电容器中的钠蒸汽压上升。

由文献（IES杂志，1984年7月，pp.341-349）已知，能够设计出一种高压钠放电灯，其发出的光的色温Tc在2800°K以上。这种上升是通过展宽吸收带实现的。这种Tc的上升必然会导致Ra和发光效率的降低。

与此相关联而要指出的是，实际的高压钠灯所能达到的最大现色性指数是在80到大约85之间。这里，现色性取决于钠蒸汽压。从发出金黄色光的标准高压钠放电灯的钠蒸汽压开始，增高钠蒸汽压使现色性指数增大，直到Ra值达到最大值。钠蒸汽压的进一步增高导致Ra的再一次跌落。在靠近现色性指数最大值处，它与钠蒸汽压的依从关系相对变小。

从灯寿命的角度看，钠蒸汽压的进一步提高是不可取的，因为特别是钠蒸汽压会影响放电容器的、和容器中的各种腐蚀过程。

在本说明书和权利要求书中，词语“陶瓷壁”意味意由结晶金属氧化物或结晶金属氮化物制成的壁，例如由单晶兰宝石、多晶气密烧结Al₂O₃、或多晶气密烧结ALN制成的壁，它完全能承受高温下钠的作用。已知的壁材料能够在长时间内，在灯中存在的钠蒸汽压下承受高达约1400°K的温度。在相当高的温度下，由于灯中钠蒸汽的影响，将对陶瓷壁产生相当程度的腐蚀。也是在较高的壁负载之下，在放电容器和外壳之间的空间中充气使热传递增大，使得放电容器壁的温度保持在可接受的限度之内。适合的气体是例如稀有气体和氮，因为这些气体在经常的条件下是高度惰性的。可以由单一气体，也可由气体混合物来充气。在安全具有特别重要性的场合，在额定工作条件下选取充气压强为近似一个大气压。

如果本发明的灯用在强光照明中，使发出的光会聚成光束的可能性是一个重要的特性。需要有相对小的灯尺寸以便得到良好的光线成束特性。使放电容器的电极端部间有较小的距离D对于光束会聚有相当的帮助。根据本发明的一个优选实施例得出的正确结果是D/di＜3。

通过选定较低的D/di比值，使得有可能得到这样一种灯，由于放电电弧相对较短，它发出的光能够十分好地会聚成一个光束。因而这种灯有着相应的高亮度。

通过减小D来增大壁负载会使灯电压降低和灯电流增大。如果灯是在普通的公用电网中工作，就必须使用变压器。借助一个电子电路能很好地实现这一点。

然而，为了与在现有装置中工作的已知灯实现互换，最好使在额定工作条件下的灯电压为80到100伏之间。如果D/di＞6，根据本发明的灯能实现这一点。除了减小D而外，di的减小也能导致壁负载的增大。在此情况下，di的减小导致灯电压的升高。

通过选择壁厚能够进一步改进对放电容器最高壁温的控制。壁厚的增大导致壁的热幅射增大，进而促进了自放电容器的电极间的区域向较低温的端部的热传递。

另一方面，壁厚的增大对光输出产生不利影响。此外，随着壁厚的增长，制造变得更为困难，这是因为不规则的晶体生长和产生内部裂缝的危险增大了。因此，平均壁厚最好选择为小于3mm。

参考附图将对本发明的一个实施例作出更为详细的描述。附图中，

图1  表明了带有外壳的灯的侧视图;

图2  表明了这种灯的纵向截面;而

图3  表明了另一种灯的纵向截面。

图1中参考号1表示一个有着陶瓷壁的放电容器，它连同间隔空间8一齐封入外壳6当中。间隔空间8内充气，在放电容器1中的电极2和3的相应尖端以距离D分隔，放电容器在电极2和3之间有着基本上为圆形的横截面。电极2和3的每一个分别与电流导体4和5相连。外壳有一个与电流导体4、5相联接的灯头7。放电容器在整个距离D范围内径为di，并充入钠、汞和稀有气体。

在图2和图3中，相应部分的参考号比图1中的部分分别大10和20。电极12、13和22、23分别由钨/铼（重量比97/3）制成，而电流导体14、15、24、25由Nb制成。放电容器11、21分别由熔融陶瓷18、28所密封。

根据本发明制造的灯有着如图2所示形状的放电容器。表中列出了灯的数据。

表

灯号  1  2  3  4  5  6  7  8  9  A

D（mm）  7  7  7  5  7  6  6  7  11  16.6

di（MM）  3.5  3.5  3.5  3.5  3.5  3.5  3.5  3.5  1.7  3.5

D/di  2  2  2  1.4  2  1.7  1.7  2  6.5  4.7

灯电压（伏）  42  40  42  28  39  36  33  36  93  90

灯功率（瓦）  90  90  95  90  65  75  70  125  55  53

壁负载  117  117  123  164  84  114  106  162  93  29

（瓦/厘米²）

表中已经包括了商业上可提供的灯（灯A）的数据来进行比较。这是菲利浦SDW50型灯。

放电容器中充入Na-Hg混合物以及在300°K下压强为53千帕的氙气。混合物Na/Hg的重量比为15/40。在外壳和放电容器之间的空间中，对1至8号灯是充入在300°K下压强为100千帕的N2，对9号灯是充入在300°K下压强为50千帕的N2。这相应于9号灯在额定工作条件下有大约一个大气压的压强。灯A有一个抽真空的外壳。1到4号及8号灯的放电容器的内长为18mm。5、6和7号灯的内长是16mm。9号灯的内长为17mm而灯A的内长为24mm。最高壁温的数据是用比如说由de  Groot等人在“高压钠灯”一文（Deventer，1986）中描述的D线高温测定法（D-line  pyrometry）而得到的。

由表中清楚地看到，根据本发明的灯能够实现色温相当大的增高而又使现色性指数在80以上，以及在相对低的额定功率下有着相对高的发光效率。

可以作出以下的解释性评论。通过1和2号灯的数据比较表明，在固定功率下，壁厚的增大会使最高壁温较低。此时2号灯发出的光的现色性指数近于在额定工作条件下的最大值。1号灯在相同的功率下有较高的色温和较低的现色性指数。这表明一个增高的钠蒸汽压强，它显然远超出归属于最大现色性指数的压强之上。在此情况下，发光效率没明显变化。

通过2和4号灯的比较表明了电极尖端之间的距离D减小的影响。这导致在固定功率下灯电压的相当大的降低。色温、现色性指数和发光效率则未发生实质性的变化。然而，最高壁温产生了明显的降低。

3号灯则与2号灯是一致的，很明显，功率增大到额定功率之上并未得到较高的色温，而是使现色性指数和发光效率两者变差。最高壁温也明显上升了。

与2号灯比较，5号灯的放电容器的内长减小了，结果明显表明，在最大现色性指数下色温比2号灯的色温低大约100°K。伴随着的灯功率相当的低，而最大壁温也低。

对相同的6号和7号灯的数据进行比较表明，在近于最大现色性指数处，现色性指数与钠蒸汽压的依从关系相对较小。这也意味意，在近于最大现色性指数处，灯泡工作时的功率与现色性指数和依从关系相对说很小。于是，当现色性指数维持在大约83时，能够在近似300°K宽度范围内选择色温。色温的升高或降低分别伴随着发光效率的降低或升高。

与2号灯比较，8号灯的壁厚进一步增大，这导致在相当高的灯功率下有相当低的最高壁温，而在同时，现色性指数、色温和发光效率维持在类似的水平上。

在9号灯中，可以肯定，在相同的额定灯功率下，其灯电压与目前的灯A的电压处于可比较的水平上。3伏的灯电压差值是处在菲利浦SDW50型灯大量生产中的灯电压离散范围之内。

Claims (3)

1、一种高压钠放电灯，包括一个连同着间隔空间一齐封入一个外壳中、并具有一层陶瓷壁的放电容器，放电容器的两个电极的相应尖端以距离D分隔开，至少在整个距离D范围，放电容器有着内径为di的、基本上是圆形的横截面，而上述间隔空间充气，此放电灯在额定工作条件下发出色温Tc至少为2500°K的白光，其特征在于，上述放电容器的陶瓷壁在灯的额定工作条件下有着至少为80瓦/厘米²的壁负截。

2、一种如权利要求1的灯，其特征在于D/di＜3。

3、一种如权利要求1的灯，其特征在于D/di＞6。