CN111105987A - 一种高光效高显色性的白光钠灯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高光效高显色性的白光钠灯，属于照明设备技术领域。本发明采用一体成型式多晶透明Al2O3陶瓷灯管作为发光容器；充入以钠为主及多种稀有金属的卤化物作为发光物质。既发挥了钠元素光效高的作用，又发挥了多种金属鹵化物显色性好的特点，形成显色指数约75，色温在约3000k的宜人的暖白色光，适合于以道路为主的户外照明。本发明的高光效高显色性的白光钠灯，有效地改善了灯泡使用过程中的放电电弧易出现的剧烈抖动和漂移现象，避免电弧漂移至管壁附近区域，有效防止灯泡在使用时出现电极区域发黑，同时避免抖动和漂移的电弧所产生的高温会对多晶氧化铝管体形成热击穿，提高灯泡使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种高光效高显色性的白光钠灯，属于照明设备技术领域。
背景技术
高压钠灯具有发光效率高(光效120Lm/W)、寿命长、透雾能力强等优点，广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。但高压钠灯的黄色光的色温在2000K左右，显色指数低(Ra≈25)，其对物体的本身颜色的还原能力较弱，色彩表现力较差。
高压钠灯属于高强度气体放电灯，其发光原理是通过电流击穿钠蒸汽气体形成放电，其灯内充入发光物质为纯金属钠，为了弥补工作期间钠损失，需充入数倍于工作所需钠，这些过量钠金属在灯工作时呈液态，具有极强腐蚀性，会腐蚀其接触的管壁、电极和焊料，高压钠灯灯管也会因此出现过早起发和泄漏，工作期光衰大的的情况。
现已有陶瓷金属卤化物灯通过在灯内加入多种金属卤化物以改善高压钠灯色温低和色彩表现差的特点，但这种陶瓷金卤灯为了在管状灯管中制造中空腔体，一般以两件或三件结构件组合而成，即所谓加端塞，从而在端部处形成直角倒角(如中国专利CN1669116A和CN101669189)，这会导致灯工作时高温金属卤化物的沉积，液态金属卤化物在高温会与陶瓷管发生反应，导致放电物质的减少而造成光衰，缩短了灯的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提出一种高光效高显色性的白光钠灯，改变已有灯的结构，以一体成型方式，制成中空的电弧管壳，变截面处均为圆弧过渡，不会导致金属卤化物的沉积。
本发明提出的种高光效、高显色性的白光钠灯，包括灯头、玻壳、电弧管、导电支架和芯柱；所述的玻壳与灯头相对固定成一体，所述的电弧管、导电支架和芯柱安装在玻壳的内腔中；所述的芯柱固定在玻壳内腔的一端，芯柱上设有下芯柱引脚和上芯柱引脚；所述的导电支架的一端与下芯柱引脚相对固定，所述的电弧管的一端与上芯柱引脚相对固定，电弧管的另一端与导电支架的另一端相对固定，导电支架上设置有吸气片；所述的电弧管由多晶透明氧化铝管体、左电极、右电极、陶瓷玻璃焊料和发光金属组成，所述的左电极和右电极分别通过陶瓷玻璃焊料焊接在多晶氧化铝管体的两端，发光金属置于多晶氧化铝管体的内腔中，电弧管内填充有启动气体和放电金属。
上述白光钠灯的电弧管，中间管体内径为4.0～6.6mm，长度为60～85mm，管壁厚度为1～1.4mm，电弧长度为16～23mm，电弧管内填充启动气体氩气或者氙气。
上述白光钠灯的电弧管，构成所述的电弧管的左电极和右电极的结构相同，由钨丝圈、钨杆和铌管组成，钨杆插在铌管中，所述的钨丝圈缠绕在钨杆的端部。
上述白光钠灯的电弧管，构成电弧管的左电极和右电极中钨丝圈的直径为0.2～0.6mm，圈数为4～12圈，钨杆直径为0.3～1.3mm，钨丝圈到钨杆端面的距离为0.2-1.2mm，两电极之间的距离为16～23mm。
上述白光钠灯的电弧管，构成电弧管的多晶氧化铝管体的中间管体内径为4.0～11mm，长度为60～85mm，管壁厚度为0.8～1.4mm。
上述白光钠灯的电弧管，构成电弧管的多晶透明氧化铝管体的中间部位为圆柱形管体，多晶透明氧化铝管体的二端对称设置一对用于支托电极的圆柱形袖管，袖管内径为0.7-1.7mm，长度为12-18mm，壁厚为0.8-1.4mm，多晶氧化铝管体的中间管体内径为4.0～11mm，长度为60～85mm，管壁厚度为0.8～1.4mm。
上述白光钠灯的电弧管，所述的电弧管内部填充的发光金属为钠、镝、钬、铥、铯、铈、镨或钫的卤化物，所述的电弧管内部所填充惰性气体为氩氙混合气，氩气压强为5～80KPa。
本发明提出的种高光效高显色性的白光钠灯，其优点是：
本发明的高光效高显色性的白光钠灯，有效地改善了灯泡使用过程中的放电电弧易出现的剧烈抖动和漂移现象，避免电弧漂移至管壁附近区域，有效防止灯泡在使用时出现电极区域发黑，同时避免抖动和漂移的电弧所产生的高温会对多晶氧化铝管体形成热击穿，防止灯泡失效，提高灯泡使用寿命。其中填充物化学性质稳定，能够改善工作时的高温、高压强、高管壁负载和高频率的情况下所产生的高温钠蒸气压对陶瓷管的腐蚀情况，减小光衰的同时，有效防止了高压钠灯灯管出现泄漏，提高灯泡使用寿命。
附图说明
图1为本发明提出的高光效高显色性的白光钠灯的结构示意图。
图2为图1所示的白光钠灯中电弧管的结构示意图。
图3为图2所示的白光钠灯中左电极和右电极的结构示意图。
图1和图2中，电弧管1、导电支架2、吸气片3、芯柱4、玻壳5、灯头6、多晶氧化铝管体1-1、左电极1-2和右电极1-3、陶瓷玻璃焊料1-4、发光金属1-5、下芯柱引脚4-1和上芯柱引脚4-2、钨丝圈1-3-1、钨杆1-3-2和铌管1-3-3。
具体实施方式
本发明提出的高光效高显色性的白光钠灯，其结构如图1所示，该白光钠灯包括灯头6、玻壳5、电弧管1、导电支架2和芯柱4；所述的玻壳5与灯头6相对固定成一体，所述的电弧管1、导电支架2和芯柱4安装在玻壳5的内腔中；所述的芯柱4固定在玻壳5内腔的一端，芯柱4上设有下芯柱引脚4-1和上芯柱引脚4-2；所述的导电支架2的一端与下芯柱引脚4-1相对固定，所述的电弧管1的一端与上芯柱引脚4-2相对固定，电弧管1的另一端与导电支架2的另一端相对固定，导电支架2上设置有吸气片3；所述的电弧管1由多晶氧化铝管体1-1、左电极1-2、右电极1-3、陶瓷玻璃焊料1-4和发光金属1-5组成，所述的左电极1-2和右电极1-3分别通过陶瓷玻璃焊料1-4焊接在多晶氧化铝管体1-1的两端，发光金属1-5置于多晶氧化铝管体1-1的内腔中，电弧管1内填充有启动气体和放电金属。
上述白光钠灯中，电弧管1的结构如图2所示，中间管体内径为4.0～6.6mm，长度为60～85mm，管壁厚度为1～1.4mm，电弧长度为16～23mm，电弧管1内填充启动气体氩气或者氙气。
上述白光钠灯中，电弧管1的左电极1-2和右电极1-3的结构相同，如图3所示，由钨丝圈1-3-1、钨杆1-3-2和铌管1-3-3组成，钨杆1-3-2插在铌管1-3-3中，所述的钨丝圈1-3-1缠绕在钨杆1-3-2的端部。左电极1-2和右电极1-3中钨丝圈的直径为0.2～0.6mm，圈数为4～12圈，钨杆直径为0.3～1.3mm，钨丝圈到钨杆端面的距离为0.2-1.2mm，两电极之间的距离为16～23mm。
上述白光钠灯中，构成电弧管1的多晶氧化铝管体1-1的中间管体内径为4.0～11mm，长度为60～85mm，管壁厚度为0.8～1.4mm。其中，中间部位为圆柱形管体，多晶透明氧化铝管体的二端对称设置一对用于支托电极的圆柱形袖管，袖管内径为0.7-1.7mm，长度为12-18mm，壁厚为0.8-1.4mm，多晶氧化铝管体的中间管体内径为4.0～11mm，长度为60～85mm，管壁厚度为0.8～1.4mm。
上述白光钠灯中的电弧管1内部，填充的发光金属为钠、镝、钬、铥、铯、铈、镨或钫的卤化物。其中，卤化钠最高含量可以占40～90％)
上述白光钠灯中的电弧管1内部所填充惰性气体，为氩氙混合气，氩气压强为5～80KPa。也可以填充隋性气体氩氙混合气，氩气比例30-60％氙气比例40-70％，混合气充气压力为5～80KPa。
本发明提出的高光效高显色性的白光钠灯，其中的电弧管1的管体，如图2中所示，为一体成型式的多晶透明氧化铝管，管体的中间部位内径较大，中间部位的形状可以为管状、橢球状或球状，管体的两端对称设置一对内径小于中间部位的用于支托电极的圆柱形袖管，管体中部与两端圆柱形袖管为弧形一体式过度。
本发明的白光钠灯，采用Al2O3、Dy2O3和SiO2为主要成份的三元玻璃封接料，在约1300～1600℃温度气氛条件下将电极与陶瓷灯管进行匹配封接。
本发明针对传统高压钠灯单一钠蒸汽放电导致光谱单一显色指数低，Ra仅20，通过增加多种金属放电发光丰富光谱组成，将显色指数Ra提高到70以上，蓝绿光谱的增加可使灯色温也提高到2800K以上，更利于人眼舒适，优化普通黄光高压钠灯2100K光色，获得一种具有暖白色光色的高光效白钠灯。针对钠灯由于钠高腐蚀性带来的不良影响，本发明所需放电金属钠的填充采用碘化物的填充，降低了化学腐蚀性，碘化钠在高温会分解为钠离子参与放电，不参与放电的钠在灯内以碘化物存在大大降低了腐蚀性。
与传统金卤灯相比，本发明的发明点在于：
1、本发明发光管壳采用特殊工艺制成的整体式一体成型多晶透明氧化铝陶瓷管有更好强度和耐高温性，放电蒸汽可以工作在更高强度而得到更丰富的谱线。
2、特殊工艺制成的高L/D值的管型管壳，可以减少灯内对流热损失，提高光效。
3、陶瓷电弧管壳的形状和结构对灯特性影响很大，传统实践中使用的管壳形状是圆柱状五组件拼装陶瓷电弧管，由中间筒身和两端端盖及毛细管组成，其制作工艺烦琐、生产效率低，是大量使用的形状。但这种结构存在多种缺陷，如拼缝虽厚度大但强度薄弱，其中夹带杂质，易被腐蚀，杂质在运转过程中逐渐逸出，引起灯参数漂移、光衰並缩短灯寿命。另一方面二端平盖承受压力大，可能导致筒身断裂，且制作的筒身与端盖晶相结构不同，二者的物理参数必然不同。而且二者的仔晶并未生长連接，其间存在一层鲜明的非晶态杂质层，在长期点燃过程中将导致灯参数如发光效率等较快地下降。圆柱形电弧管设计为了降低拼缝处工作温度，采用了较大管壳、较小管壁负荷、较低电弧管工作温度以缓解上述情况。但这样的电弧管并未充分发挥应有性能导致了较低的光电参数。整体型一体式电弧管满负荷运转时灯功率比圆柱形拼接式陶瓷电弧管可提高10％-30％，因此谱带明显加宽、连续光谱比重增大，光效提高，显色指数显著提高。传统圆柱形电弧管中段向二端延伸时，电弧的加热作用减小，管壳温度迅速降低，在电弧管筒身与端盖封接环的下部温度最低，形成液态金属卤化物凝聚的冷端。被电弧加热的高温强酸性蒸汽流沿管壁下降时不断加热并搅动该处的液态金属卤化物，加速了对该处管壁的侵蚀，导致发光物质的消耗以及圆柱管壳强度降低带来光参数的显著下降。圆柱形电弧管的另一问题是竖直点燃和水平点燃时管壁温度及温度分布、液态金属卤化物凝聚位置以及电弧管中的气流都不相同，由此造成了灯参数、光衰和寿命的个体差异。整体型一体式电弧管比圆柱形电弧管具有更高的机械强度，能承受更大的内部蒸汽压力和更高的温度，比同功率圆柱形电弧管体积更小，管壁负荷和璧温较高，因此其光效、显色指数等光电参数均高于圆柱形电弧管，并且稳定性和寿命更高。一体式电弧管从管壳中部向二端延伸时，壳体逐渐变细，散热面积减小，温度下降比圆柱形电弧管缓慢，壳体温度分布比较均匀，管内蒸汽流亦较为匀称，液态金属卤化物凝聚的冷端移至袖管端口或袖管内的电极后部，汽流对管壳的腐蚀作用亦较轻微，光衰减小寿命长。
4、本发明另一优势是，由于采用一体式瓷管，大大降低传统圆柱形拼接瓷管拼接处厚度，相应的同功率一体式瓷管重量仅为拼接式二分之一，大大降低了管壳热容量，在灯工作初期温升时间大大缩短，使得本发明产品达到90％光输出时间较传统灯缩短了一半。
由于陶瓷管壳更好的耐高温性和抗腐蚀性，使工作期内灯内有害反应大量减少，减少了发光物质损耗，获得更长的寿命以及光维持率。
本发明通过采用细长管径整体式一体成型电弧管，电弧管工作期内温度均匀，配合合理灯内充气压，利用管壁稳定电弧，可以有效地改善了传统钠灯和金卤灯灯泡使用过程中的放电电弧易出现的剧烈抖动和漂移现象，避免电弧漂移至管壁附近区域，有效防止灯泡在使用时出现电极区域发黑，同时避免抖动和漂移的电弧所产生的高温会对多晶氧化铝管体形成热击穿，防止灯泡失效，提高灯泡使用寿命。
本发明的改善光谱的发光物质优选化学性质稳定的元素，能够改善工作时的高温、高压强、高管壁负载和高频率的情况下所产生的高温钠蒸气压对陶瓷管的腐蚀情况，减小光衰的同时，有效防止了高压钠灯灯管出现泄漏，提高灯泡使用寿命。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
如图1和图2所示，本发明的一种新型高光效白钠灯，包括电弧管、导电支架、吸气片、芯柱、玻壳和灯头。电弧管包含多晶氧化铝管体、电极、焊料、发光金属和惰性气体。多晶氧化铝管体、陶瓷玻璃焊料和电极通过真空高温熔封，形成一个密闭腔体。两个电极对称设置于多晶氧化铝管体两侧，且与多晶氧化铝管体同轴，一个电极与导电支架连接、另一个电极与芯柱的一个引脚连接，支架同时与吸气片连接与芯柱的另一引脚连接。电极由钨丝圈、钨杆和铌管组成。多晶氧化铝管体的中间部位为一个较大的圆柱形管体，其二端对称设置一对较小的用于支托电极的圆柱形袖管。
以140W新型高光效白钠灯为例：
充填物：Hg填充量为3mg；发光物质及比例为NaI/TlI/HoI3/CaI2＝60/15/10/15；总重量为9mg。
多晶氧化铝管体的中间管体：长32mm，外径＝7.6mm,内径＝6.0mm，管壁厚度为0.8mm；二端圆柱形袖管：长14.5mm，外径＝2.6mm，内径＝1mm，壁厚为0.8mm。
电极：长度7mm(在毛细管内为5mm,管外为2mm),外＝0.72mm
电极的钨丝圈的直径为0.2mm，圈数为6圈，钨杆直径为0.5mm，钨丝圈到钨杆端面的距离为0.4mm，两电极之间的距离为22mm。
内部所填充惰性气体为氩氙混合气，充气压强为60KPa。
140W灯电压范围：90-95V,光效120-130lm/W，色温2800-3000K，显色指数Ra 67-70。
为了减少Na-Hg分子在红色波段的辐射，设计了更长的陶瓷管,获得电弧管的最高光效为130Lm/W，采用一体化膨胀形陶瓷管替代圆柱形管，由于减少了电弧管和毛细管交界处的热损，提高了光效。
Claims (8)
1.一种高光效高显色性的白光钠灯，其特征在于该白光钠灯包括灯头、玻壳、电弧管、导电支架和芯柱；所述的玻壳与灯头相对固定成一体，所述的电弧管、导电支架和芯柱安装在玻壳的内腔中；所述的芯柱固定在玻壳内腔的一端，芯柱上设有下芯柱引脚和上芯柱引脚；所述的导电支架的一端与下芯柱引脚相对固定，所述的电弧管的一端与上芯柱引脚相对固定，电弧管的另一端与导电支架的另一端相对固定，导电支架上设置有吸气片；所述的电弧管由多晶透明氧化铝管体、左电极、右电极、陶瓷玻璃焊料和发光金属组成，所述的左电极和右电极分别通过陶瓷玻璃焊料焊接在多晶氧化铝管体的两端，发光金属置于多晶氧化铝管体的内腔中，电弧管内填充有启动气体和放电金属。
2.如权利要求1所述的白光钠灯，其特征在于所述的电弧管的管体，为一体成型式的多晶透明氧化铝管，管体的中间部位为管状、橢球状或球状，管体的两端对称设置一对内径小于中间部位的用于支托电极的圆柱形袖管，管体中部与两端圆柱形袖管为弧形一体式过度。
3.如权利要求2所述的中间管状白光钠灯，其特征在于其中构成电弧管的多晶透明氧化铝管体的中间管体内径为4.0～11mm，长度为60～85mm，管壁厚度为0.8～1.4mm。袖管内径为0.7-1.7mm，长度为12-18mm，壁厚为0.8-1.4mm。
4.如权利要求1所述的白光钠灯，其特征在于构成所述的电弧管的左电极和右电极的结构相同，由钨丝圈、钨杆和铌管组成，钨杆插在铌管中，所述的钨丝圈缠绕在钨杆的端部。
5.如权利要求3所述的白光钠灯，其特征在于其中构成电弧管的左电极和右电极中钨丝圈的直径为0.2～0.6mm，圈数为4～12圈，钨杆直径为0.3～1.3mm，钨丝圈到钨杆端面的距离为0.2-1.2mm，两电极之间的距离为16～23mm。
6.如权利要求1所述的白光钠灯，其特征在于其中所述的电弧管内部填充的发光金属为钠、镝、钬、铥、铯、铈、镨或钫的卤化物。
7.如权利要求1所述的白光钠灯，其特征在于其中所述的电弧管内部所填充惰性气体为氩氙混合气，氩气压强为5～80KPa。
8.如权利要求1所述的白光钠灯，其特征在于采用Al2O3、Dy2O3和SiO2为成份的三元玻璃封接料，在约1300～1600℃温度气氛条件下将电极与陶瓷灯管进行匹配封接。
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