CN1252793C - 金属卤化物灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种安全、高效与长寿命的金属卤化物灯。它具备在内部设有一对电极且封入了用作发光物质(11)的铈碘化物(CeI3)与钠碘化物(NaI)的透光性陶瓷制的发光管(1)，上述发光物质(11)的摩尔组成比NaI/CeI3规定在3.8～10范围内，具上述发光管(1)的管壁负荷we在13～23W/cm2的范围，灯瓦数的值设为X(W)，设电极间距离为(Le)而上述发光管的管内径为(φi)时记Le/φi为y，规定上述Le/φi与上述灯瓦数的值是在XY坐标中以坐标值(X，Y)表示的点(200，0.75)、(300，0.80)、(400，0.85)、(700，1.00)、(1000，1.15)、(1000，2.10)、(700，2.00)、(400，1.90)、(300，1.80)与(200，1.70)顺次连接的线所围定的范围内。

Description

金属卤化物灯
技术领域
本发明涉及金属卤化物灯。
背景技术
近年来，作为发光管材料，取代了石英，正在积极地发展与开发采用半透明多晶氧化铝陶瓷管的金属卤化物灯。这种氧化铝陶瓷管的耐热温度(1200℃)比以前采用的石英的耐热温度(1000℃)高，能够较高地设定发光管的管壁负荷，由此可以获得发光效率更高的金属卤化物灯。对于这种灯，迄今主要开发与销售的是一般室内照明用的，输入为70～150W的低瓦数灯，但今后在市场上迫切要求室外照明用的200～1000W的高瓦数灯。
销售给商店等室内照明用的低瓦数的采用氧化铝陶瓷管的金属卤化物灯，例如在150W时，能得到发光效率901m/W、平均彩色再现指数Ra 90、额定寿命600小时的优越特性。但是，“寿命”是指灯光束与陈化100小时的初始值相比降低到70％以下的陈化时间。
图8是示明所述灯的发光管结构的剖面图。发光管115由多晶氧化铝陶瓷材料组成的电弧区发光部116与其两端所设的细管部117、118构成。此发光部116与细管部117、118通过热压配合成为整体。发光部116的内部设有一对钨电极119、120。然后，细管部117、118中通过熔接气密封入铌或导电性金属陶瓷组成的供电体121、122，供电体121、122的放电侧前端连接前述钨电极119、120延长成的电极棒。发光管115内则封入DyI3、TmI3、HoI3、T1I或NaI等金属卤化物组成的发光物质和用作缓冲气体的汞与氩等起动用的稀有气体。
采用前述氧化铝陶瓷者的低瓦数金属卤化物灯的发光管形状基本上与室内照明用的已有的石英发光管金属卤化物灯相同。具体地说，例如图8组成的150W的氧化铝陶瓷发光管的典型尺寸是电极间距离Le为10mm而管内径φi为10.6mm，而表征这种情形的发光管形状的主要参数即所谓发光管形状参数Le/φi的值即为0.94。灯点亮时的发光管的管壁负荷we为27W/cm2。若设灯的瓦数为W1a而发光管的内表面积为5a，则管壁负荷We由We＝W1a/Sa规定。
与上述情形比较，既有石英发光管灯的代表性150W型中，电极间距离Le为13.5mm而管内径φi为13mm，Le/φi的值成为1.04，这两者发光管形状参数Le/φi值基本设定到同一水平。这样，室内照明用低瓦数的既有的氧化铝陶瓷与石英发光管的金属卤化物灯的发光形状都可以说是较粗短的形状。
另外，采用氧化铝陶瓷的20～250W的所谓短电弧形金属卤化物灯，已公开于特开平10-144261号公报等之中。如图9所示，这种灯的特征是发光管123的放电发光部是由圆筒形的中央部124与半球形的两个端部125、126构成。这里的发光管形状参数Le/φi值规定为相当于图8的上述室内照明用低瓦数的0.66～1.25的范围内，另一方面，管壁负荷we则规定在25～35W/cm2的较高范围内。这样，此种灯可分类到短电弧形的特殊照明用高压放电灯中，发光管形状与前述室内照明用低瓦数金属卤化物相同为粗短形。此外，作为发光物质封入了与前述相同的DyI3、TmI3、HoI3、T1I或NaI等金属卤化物物质。
对于采用氧化铝陶瓷管的一般户外照明用高效金属卤化物灯的发光管形状，有美国专利No.5973453中所公开的。这种灯中，特别是为取得灯的高效率所用的发光物质，在其中封入了能在相对可见度高的波长范围内发射发光光谱的铈卤化物系的物质。作为具体的发光物质是将铈的碘化物(CeI3)与钠的碘化物(NaI)按摩尔组成比NaI/CeI3＝3～25的范围封入，由此在150W型中获得1301m/W这样高的发光效率和平均彩色再现指数Ra58的特性。这时的上述发光管形状参数Le/φi的值，为了达到一般的户外照明用所要求的高效率与长寿命，规定在Le/φi＞5的范围内。如后所述，这种发光管的形状是与既有的一般户外照明用的高压钠灯或金属卤化物灯共同采用的细长形的。此外，管壁负荷we规定在30W/cm2以下。
氧化铝陶瓷管的发明与开发，最初用作发光管材料是用在一般户外照明用的高压钠灯。在此利用氧化铝陶瓷管的上述优点，例如已开发普及了400W的平均彩色再现指数为较低的Ra25，而发光效率约1401m/W以及额定寿命为12000小时的高效率与长寿命的高压钠灯。这里，高压钠灯的发光管形状为细长形，此发光管形状参数Le/φi值随着灯的输入增高而增大。例如400W型的具体尺寸设定为电极同距离Le是84mm，发光管内径φi为7.65mm，从而Le/φi值是11.0；而对于700w型，则设定Le为134mm，φi为9.7mm，从而Le/φi值为13.0。于是发光管的管壁负荷we分别设定为，400W型时约15W/cm2而700W型时约13W/cm2。
一般户外照明用的高瓦数型的既有石英发光管金属卤化物灯的发光管形状，与上述室内照明用的低瓦数型的短粗形相反，基本上采用较为细长的形状。这里的发光管形状参数Le/φi的值也随着灯的瓦数加大而增大。例如300W、400W、700W与1000W的典型的Le/φi值分别设定为2.1、2.2、2.5与2.7。此外，灯的额定寿命通常规定为9000小时以上。
如上所述，高压放电灯根据发光管的形状可分为两类，一类是一般户外照明用的高瓦数型细长形的所谓长电弧形灯。另一类是店铺等室内照明用低瓦数型摄影、曝光、演播室等特殊用途照明灯，它们是发光管形状较为粗短的所谓短电弧形灯。
在前一类现有技术的一般户外照明用高瓦数型的高压钠灯与金属卤化物灯之中，采用了细长形发光管状的灯光特性除高效率外通常有求得9000小时以上的长寿命。具体地说，高压放电灯的寿命主要受到发光管两端中电极物质挥发与飞散而使发光管暗化的影响，因而即使增大灯的输入，只要采用更细长的形状，也能避免电极物质到发光管中央部而造成的暗化影响，使灯的寿命得以延长。此外，一般户外照明用灯的发光管的管壁负荷we的值，即使是采用经久与耐热性优越的氧化铝陶瓷管，当通常设定到23W/cm2以下(管壁温度大致相当于1150℃以下)的范围时，它也是用于获得9000小时以上的上述长寿命的必要条件之一。
本发明人根据市场的急需，积极地开发采用氧化铝陶瓷管的，200W以上高瓦数型金属卤化物灯供一般的户外照明用。在此，作为用于获得高的发光效率的发光物质，首先选择了铈的碘化物与钠的碘化物。这样，例如就能将既有石英发光管金属卤化物灯的最主要的400W型由300W型置换。
但在采用细长形氧化铝陶瓷管的金属卤化物灯中，作为发光物质，若采用铈的碘化物与钠的碘化物时，则产生了应用现有的石英发光管的金属卤化物灯与采用氧化铝陶瓷发光管的高压钠灯以及低瓦数的金属卤化物灯中未经历过的“氧化铝陶瓷发先管开裂”与“电弧自消失”的特有问题。
上述“发光管开裂”多在发光管于水平位置亮灯时发生于管的中央部分，特别是在紧接灯制成之后初始陈化亮灯60分钟以内发生的比例较高。上述开裂方式多数是大致沿管径横断式地使整个管开裂，而在水平亮灯时也有发光管上侧部分开裂的情形。另一方面，“电弧自消失”则多发生于紧接制作后初始陈化亮灯后的30～300秒之间。对于这样的发光管开裂与电弧自消失两种现象的发生已设想与封入发光管内的铈与钠二者的碘化物(CeI3+NaI)系发光物质本身有关。例如上述这种现象在只封入NaI的灯中几乎不发生，因而此两种现象乃是铈钠碘化物(CeI3+NaI)系发光物质特有的现象。
此外，在寻求使效率更高化的进程中，当采用铈与镨等高效率金属时，由于它们是蒸气压低的金属，需要显著提高发光管的负荷。因此，热压配合部分的气密性差，这部分有可能不耐亮灯时的蒸气压而破裂。
为了提高热压配合部分的可靠性，必然需要增大热压配合部分附近的厚度，而于此增大厚度的结果，这部分的热损失就会加大而产生发光效率下降的问题。
还有，由于发光部内部两端的温度不均一，发光物质沉降入细管部，也会发生因发光管内的发光物质减少导致发光效率降低以及发光管的耐压降低等问题。
发明内容
于是，为解决上述问题而提出的本发明，其目的在于提供能可靠地防止发光管开裂与电弧或弧光自消失与高效和长寿命的金属卤化物灯。
此外，为解决上述问题而提出的本发明，其目的在于提供在亮灯中具有充分的耐压性能、能使发光部两端的内部温度均一、可减少热损失和抑制有助于发光的发光物质减少、高效与长寿命的金属卤化物灯。
再有，为解决上述问题而提出的本发明，其目的在于提供能抑制寿命中等的发光管的破损、高效而长寿命的金属卤化物灯。
为了达到上述目的，本发明的金属卤化物灯具备在内部设有一对电极且封入了用作发光物质的铈碘化物(CeI3)与钠碘化物(NaI)的透光性陶瓷制的发光管，上述发光物质的摩尔组成比NaI/CeI3规定在3.8～10的范围内，且上述发光管的管壁负荷we在13～23W/cm2的范围，灯瓦数的值设为X(W)，设电极间距离为Le而上述发光管的管内径为φi时记Le/φi为Y，规定上述Le/φi与上述灯瓦数的值是在XY坐标中以坐标值(X，Y)表示的点(200，0.75)、(300，0.80)、(400，0.85)、(700，1.00)、(1000，1.15)、(1000，2.10)、(700，2.00)、(400，1.90)、(300，1.80)与(200，1.70)顺次连接的线所围定的范围内(具体为图4中的斜线标明的区域)。
这样，由于含有CeI3的发光物质中特有的能缩小电弧区域向发光管上侧的弯曲程度得以减轻和能降低发光管上侧的局部中温度上升，就可防止作为前述问题的发光管开裂与电弧自消失。同时由于增强了CeI的相对可见度高的绿色光谱的发射而能实现高效率。此外，发光管的管壁温度能保持于可充分抑制发光物质与氧化铝陶瓷管的反应的范围内，还由于能减轻发光管端部的暗化现象，从而可以制得长寿命高效率的金属卤化物灯。
本发明的其他的金属卤化物灯具备具有在内部设有一对电极而且封入有包含铈(Ce)与镨(Pr)中的至少一种发光物质的发光部，设于前述发光部两端中的细管部和密封于此细管内且具有与上述电极连接的供电体的透光性陶瓷所制的发光管，而上述发光部构成为使其最小厚度与最大厚度之比在0.80以上，同时使此发光部与前述细管部整体成形。
根据上述结构，能在亮灯之际具有充分的耐压性能，可以减轻发光管破损的顾虑。此外，由于在发光部与细管部之间不存在热压配合部等连接部，气密性良好，而不必形成局部增大厚度的部分。因此，热损失少，结果能充分提高发光物质的蒸气压，改进了发光效率。
最好是使上述发光部的两端部具有随着接近所述细管部而渐次减轻的部分。这样可使发光部内的温度均匀，能提高发光效率。
上述发光部的两端部也可形成锥形。
上述发光部的两端部的剖面形状也可以是由曲线形成的形状。
上述发光部的两端部最好是形成大致半球形状。这样，发光管即使是在铅直设置状态下亮灯，也能抑制发光物质沉入细管部而减少发光部内的发光物质量。从而能提高发光效率。
此外，在上述发光部的两端部的内面最好形成突起或沟。
根据本发明，由于含CeI3的发光物质中特有的能缩小电弧区域向发光管上侧的弯曲程度得以减轻和能降低发光管上侧的局部中温度上升，就可防止作为前述问题的发光管开裂与电弧自消失，同时由于增强了CeI3的相对可见度高的绿色光谱的发射而能实现高效率。此外，发光管的管壁温度能保持于可充分抑制发光物质与氧化铝反应的范围内，还由于能减轻管端部的暗化现象而可期望长寿命化。
此外，根据本发明，能使发光管两端部内部的温度均匀，减少热损失而不减少发光物质。除可充分地提高发光物质的蒸气压，还能在亮灯之际具有充分的耐压性能。由此可以制得高效率、长寿命的金属卤化物灯。
再者，本发明可抑制寿命中等的发光管的破损而提供高效长寿命的金属蒸气放电灯。
附图简述
图1是本发明的实施形式1的金属卤化物灯的发光管结构的剖面图。
图2是本发明的金属卤化物灯的整体结构图。
图3是本发明的实施形式1的金属卤化物灯另一发光管结构的剖面图。
图4示明相对于本发明实施形式1规定的灯瓦数的发光管形状参数Le/φi值的范围。
图5是本发明实施形式2的金属卤化物灯的发光管结构的剖面图。
图6是本发明实施形式3的金属卤化物灯的发光管结构的剖面图。
图7是本发明实施形式3的金属卤化物灯的另一发光管结构的剖面图。
图8是现有技术的低瓦数氧化铝陶瓷管金属卤化物结构的剖面图。
图9是现有技术的短电弧型氧化铝陶瓷管金属卤化物灯的发光管结构的制面图。
图中备标号的意义如下：
1，发光管；2，管壳；3，发光部；4、5，细管部；6、7，供电体；8，陶瓷熟料；9、10，钨电极；11，发光物质；12，灯；13，外管壳，14，灯头；15，突起。
发明的实施形式
实施形式1
图1与2分别示明本发明实施形式1的金属卤化物灯的发光管结构与灯的整体结构。
发光管1中，管壳2由半透明的多晶氧化铝陶瓷材料构成，管中央部由圆筒形的发光部3及其两端的细管部4、5构成。上述细管部4、5中用Dy2O3-Al2O3-SiO2为主要成分的陶瓷熟料8，分别气密封接入比电阻为5.1×10-7Ωm的由Al2O3-Mo系等导电性金属陶瓷组成的棒状供电体6、7。供电体6、7的放电侧前端部上分别连接着钨电极9、10延伸成的电极棒。此时，在灯的整个寿命期内，为使与细管4、5保持牢固的气密封接，供电体6、7的热膨胀系数相对于氧化铝陶瓷构成的细管部4、5的热膨胀系数的8.1×10-6/℃，设定为6.9×10-6/℃的值，前述陶瓷熟料8为了抑制亮灯时发光物质11的侵蚀则限定于并充填到与成为低温部的前述细管部4、5的钨电极9、10接合部附近。发光管1内分别封入铈的碘化物(CeI3)与钠的碘化物(NaI)组成的发光物质11、作为缓冲气体的汞以及作为起动辅助用稀有气体的氩约13kPa。
完工的灯12如图2所示，是将上述发光管1保持于封入有氮60～80kPa的硬质玻璃组成的外管壳13的内部，再装备上灯口14而成。
本发明人最初是在取图1与2基本结构的主要品种300W型的灯12中，特别是弄清了封入(CeI3+NaI)系发光物质11时发生的“发光管开裂与电弧自消失”两种现象，为发现能防止这类现象的方法进行了探讨。
具体地说，作为影响发光管开裂的原因设想有(i)管中央处的内径φi与电极间距离Le组成的发光管形状参数Le/φi的值，(ii)封入的(CeI+NaI)系发光物质11的组成这样两个灯的结构要素，准备了改变了这些要素的试验灯12，研究了它陈化亮灯时发光管开裂现象。实际上：(i)作为发光管尺寸，将管中央处内径与电极间距离分别在φi为7.6～20.0mm与Le为8～60mm的范围内进行组合，而使发光管形状参数Le/φi的值在0.4～8.0范围中变化；(ii)作为上述(CeI3+NaI)组成，将摩尔组成比NaI/CeI3在2～50的宽范围内变化的发光物质11封入12mg，试制并准备好发光管1。然后，通过将上述(i)的管内径φi与电极间距离Le组合，以将发光管管壁负荷we保持于13～23W/cm2以下较低的范围内。此we的下限值的设定，是为了与作为目标的现有石英发光管灯相比，能达到相当增加30％的1171m/W以上高的发光效率，而we的上限值则是从实现一般户外照明用所要求的灯寿命9000小时以上而设定的。管内的汞量是按照发光管每单位容积为5～20mg/cm3的范围，对应于稳定亮灯时平均的灯电压为120V和平均灯电流为2.6A作出调节后封入的。
试验灯12以发光管保持于水平位置进行陈化亮灯，观察这期间发光管的开裂及电弧自消失的发生状态。此外，测定了初始陈化中的效率等灯光特性以及陈化影响的灯寿命特性。
根据上述试验结果，首先确认了试验灯12的发光管开裂与电弧自消失现象同发光管形状参数Le/φi的值与(CeI3+NaI)系发光物质的组成这两种结构要素间有明确的相关关系。
具体地说，在将发光管形状参数Le/φi值设定为大于1.80的范围而将摩尔组成比NaI/CeI3设定为小于3.8的范围的上述100个试验灯之中，在24只灯中发生了发光管开裂，在36只灯中发生了电弧自消失。这时，在发生了发光管开裂的上述24只灯之中有22只在发光管发生开裂之前也发生了电弧自消失。与此相反，对于Le/φi值设定在0.40～1.80的范围而摩尔组成比NaI/CeI3在3.8～50范围内的上述80个试验灯中，发光管开裂与电弧自消失则完全没有发生。这表明前述的22只灯同时发生发光管开裂与电弧自消失这两种现象基本属同一原因。此外，当研究两种现象发生的陈化时间时，前述36只灯的电弧自消失全部发生于紧接初始陈化亮灯后的30～300秒之间，另一方面，发光管开裂的前述24只灯中有6只灯是在初始陈化60分之间发生开裂的。
另一方面，观察试验灯12的电弧状态时，观察到这两种现象发生的Le/φi值是大于1.80而摩尔组成比NaI/CeI3则不到3.8，也就是说确认了，CeI3相对于NaI增大的范围中的灯；(a)发光的电弧区同样地缩小，(b)电弧区向发光管上侧弯曲增大。与此相对照，对于这两种现象都未发生的Le/φi值为0.40～1.80且摩尔组成比NaI/CeI3为3.8～50的NaI增大范围中的灯，则可确认：(a)电弧区沿管径方向有较大的扩展；(b)电弧区域向发光管上侧的弯曲小。
再从初始发光效率的测定方面看，当摩尔组成比NaI/CeI3大于10时，Na的黄色光谱发射显著增大，与现有的石英发光管灯相比，未能达到相当于提高30％的1171m/W的更高发光效率。与此相反，摩尔组成比NaI/CeI3在3.8～10的范围时，相对可见度高的CeI绿色光谱发射增强，可以达到目标发光效率1711m/W以上。
从寿命特性测定方面考虑，对于Le/φi值设定在小于0.40～0.80的小范围的试验灯12，虽然能防止发光管开裂与电弧自消失两者，但陈化亮灯导致发光管端部的电极附近急剧暗化，可知未能达到能适应一般户外照明用的额定寿命9000小时以上。
根据上述结果，采用氧化铝陶瓷管的300W型的(CeI3+NaI)系金属卤化物灯的发光管开裂发生在Le/φi值比1.80大且稀土卤化物CeI3相对NaI增大的范围，在此范围内，电弧区域缩小而显著地弯向水平亮灯的发光管上侧，这可以说是由于发光管上侧的管壁温度局部升高所致。此外，由于电弧自消失与发光管开裂同时发生，则基本上是因电弧区域缩小弯曲，由此使电弧电压过度升高所致。再有一般已知，在电弧区域内当发光物质以分子形式存在时，易发生电弧自消失，特别是在本发明的封入CeI3的灯中，CeI3分子的存在(观察到拓宽了的特有的分子光波发射)会助长电弧自消失。
还由于封入了Ce等稀土元素后，与其发射有关的能级的平均激励电压Ve基本上低于电离电压Vi的0.585倍(Ve＜0.585·Vi)，可知电弧区域缩小。电弧区域缩小后，电弧区域的温度升高，产生了大的浮力而弯向发光管上侧，再加上Le/φi的值大于1.80的细长形发光管，只有增大上述弯曲。由于多晶氧化铝陶瓷的热膨胀系数8.1×10-6/℃大于石英的热膨胀系数5.5×10-7/℃，特别在亮灯时对于急剧的局部升温，而氧化铝陶瓷管的机械强度比石英的较低，结果就会发生发光管开裂。此外，发光管开裂发生的比例特别是在初始陈化60分钟亮灯之后较高，发光管内发光物质的化学混合状态与空间的分布状态都属过渡性的，结果使封入的CeI3的蒸气压急剧上升到高水平，可以说正是因此而使电弧区域向发光上侧的弯曲增大。
另一方面，Le/φi在1.80以下的所谓短粗形发光管且摩尔组成比NaI/CeI3在3.8以上的灯之所以未发生发光管的开裂，已知是由于NaI的增加而电弧区域展宽所致，还可以说是由于电极的间距Le减小，进一步减小了电弧区域的弯曲程度，以及由于管内径φi的增大而降低了因电弧区域的弯曲致发光管管壁升温的结果。
总结以上所述，在采用封入了CeI3+NaI系发光物质的氧化铝发光管的300W灯中，(a)发光管的开裂可以认为是由于CeI3的封入致特有的电弧区缩小而向发光管上侧弯曲以及由于氧化铝陶瓷管的高热膨胀系数致机械强度相对于温度上升而降低所致；(b)电弧自消失则可以认为是除因上述电弧区的弯曲外，还由于CeI分子的存在使电弧电压上升所致。于是，作为可防止所述两种现象的第一种具体方法是，在管壁负荷we为13～23W/cm2的范围内，最有效地是将发光管形状参数Le/φi的值设定到1.80以下同时将摩尔组成比NaI/CeI3设定于3.8以上。这就是说，一般户外照明用的高压放电灯的发光管形状虽为细长形，但为了求得作为本发明目的的氧化铝陶瓷管所制的安全的(CeI3+NaI)系金属卤化物灯，必须用粗短形状以将管壁负荷we抑制到较低范围和增大NaI量。
另一方面，为了达到作为目标的增加30％的发光效率1171m/W以上和9000小时的寿命，需规定摩尔组成比NaI/CeI3≤10而形状参数Le/φi≥0.80。
结果，本发明为了求得其目标的采用氧化铝陶瓷发光管的安全、高效与长寿命的300W型(CeI3+NaI)系金属卤化物灯，可知应作这样的规定，即基本上是发光管形状参数Le/φi值为0.80～1.80而摩尔组成比NaI/CeI3为3.8～10，管壁负荷we为13～23W/cm2。
还可以知道，当对于发光管形状采用图3所示的椭圆形氧化铝陶瓷发光管作同样的探讨时，通过使发光管的管壁负荷we同样保持于13～23W/cm2、同样取与图1中前述300W型的发光管形状参数Le/φi，max的值为0.80～1.80(这里，φi，max为发光管中心处内径)，且摩尔组成比NaI/CeI3设定为3.8～10，则可制得本发明的目标灯。
准备了本发明主要品种的300W型的典型的灯12，确认其可以防止发光管开裂与电弧自消失的效果后，进行了灯的寿命特性与发光效率等的特性测定。这时的灯由图1与2的基本结构组成，对于发光管1的具体结构，分别设定电极间距Le为23.8mm，管内径φi为17.6mm，发光管形状参数Le/φi为1.35而管壁负荷we为16.8W/cm2，于管内封入12mg NaI/CeI3组成比为8的发光物质11以及汞53mg。结果，通过根据本发明的发光管结构，得到了不发生发光管开裂与电弧自消失的效果且发光效率超过目标值达1231m/W的优越值。对于灯的额定寿命，已知超过了目标值9000小时而可达到12500小时。再者，作为灯的彩色再现性，能作为一般户外照明用的下限平均彩色再现指数可达Ra60级，这里的各种值是10个灯的平均值。
作为发光物质11，是以(CeI3+NaI)系物质为主要成分，但在满足上述目标发光效率的范围，为了进一步改进灯的彩色再现性与寿命特性等，也可添加其他金属卤化物质。
本发明人在以下探讨中，对于上述300W型以外的一般户外照明用的200W、400W、700W与1000W型的金属卤化物灯进行了能与上述300W的灯同样地防止发光管开裂与电弧自消失，同时与既有的石英发光管灯相比能实现增加30％的高效率和额定寿命时间在9000小时以上长寿命的发光形状参数Le/φi值(或是Le/φi，max值)以及NaI/CeI3组成比的范围的研究。
各种瓦数的试验灯12采用图1或图3基本结构的发光部3同细管部4、5整体形成的发光管1，灯12则取图2的结构。此时与上述300W型的试验相同，对应于各种瓦数，准备了通过改变发光管1的电极间距Le与管内径φi的组合以及使发光管形状参数Le/φi值(或Le/φi，max值)于较广范围内变化的试验灯12。这时，为了达到目标额定寿命9000小时以上，对于管壁负荷we规定在依据300W型的13～23W/cm22的范围内。此外，发光物质11也与上述300W型相同地将NaI/CeI3组成比改变的铈/钠的碘化物封入。
对上述各瓦数的试验灯12观察了与上述300W型相同的在陈化亮灯下的发光管开裂与电弧自消失的现象，还测定了发光效率与灯的寿命等各种特性。
根据上述观察与测定结果，为了防止各瓦数的试验灯12的发光管开裂与电弧自消失同时实现与既有的石英发光管相比增加30％的高效率和额定寿命为9000小时以上的长寿命，可知需要：(i)在发光管的管壁负荷we为12-23W/cm2的范围内，将发光管形状参数Le/φi(或Le/φi，max)的值相对于200W、400W、700W和1000W，分别规定为0.75～1.70、0.85～1.90、1.00～2.00和1.15～2.10(对于其他瓦数的灯，则与图4中的斜线部分相当)；(ii)发光物质(CeI3+NaI)的摩尔组成比NaI/CeI3可规定为3.8～10。由此可知，即使是灯的瓦数增至1000瓦，也要将上述(i)中发光管形状参数Le/φi值不过份增大地将其抑制到2.10之下。
结果，一般户外照明用的采用(CeI3+NaI)系发光物质的氧化铝陶瓷发光管金属卤化物灯中，其发光管形状对于200W～1000W的灯而言，其发光管形状可以说应取短粗形。
如上所述，在供一般户外照明采用了(CeI3+NaI)系发光物质的氧化铝陶瓷发光管的高瓦数金属卤化物灯中，通过封入上述实施形式所示的作为主要成份而摩尔组成比NaI/CeI3设定在3.8～10的发光物质，且将发光管的管壁负荷we设定为13～23W/cm2而将发光管形状参数Le/φi的值例如对于主要品种的300W型则设定为0.80～1.80，则可求得所期望的安全、高效与长寿命的金属卤化物灯。
但是为了使发光部与细管部整体成形，与既有的金属卤化物灯不同，没有热压配合部分。这样，由于在发光部不存在局部厚度大的部分，可以减少热损失。可以提高铈的蒸气压，可以进一步提高发光效率。
若是取代铈而封入镨时，也能取得与上述相同的效果。
而且，虽然发光管是氧化铝陶瓷制成的，但也可以是由例如YAG(钇、铝、石榴石)系陶瓷等构成。
实施形式2
图5示明本发明实施形式2的金属卤化物灯的发光管1的结构。
发光部3与细管4、5组成的管壳2由半透明系晶氧化铝陶瓷材料组成。发光部3形成为管中央部为圆筒形而其两端为大致圆锥形的锥体。发光部3的两端形成有细管部4与5。实施形式2中由于发光部3与细管部4、5形成了整体而没有热压配合部分。因此，不必象图8所示既有的发光管115那样在发光部3上形成局部厚的部分(例如发光管与细管连接处的周边)。于是可以减少发光部3内的热损失，充分地提高发光物质11的蒸气压力，改进发光效率。
细管4、5分别用Dy2O3-Al2O3-SiO2为主要成分的陶瓷熟料8将比电阻值5.1×10-7Ωm的Al2O3-Mo系导电金属陶瓷组成的棒状供电体气密封接于其中。
供电体6、7的放电侧前端分别接合与保持着钨电极9、10延伸成的电极棒。在此情形下，在灯的整个寿命期内，为与细管部4、5保持牢靠的气密封接，供电体6、7的热膨胀系数例如相对于氧化铝陶瓷组成的细管部4、5的8.1×10-6/℃而设定为6.9×10-6/℃。此外，陶瓷熟料8为了抑制亮灯时发光物质11的侵蚀，对于与成为低温部的细管4、5的钨电极9、10的接合部分的附近，进行限定并充填。于是在发光管1内例如充填入CeI3与NaI组成的发光物质11和作为缓冲气体的汞和起动辅助用的稀有气体氩约13kPa。此发光物质11的摩尔组成比NaI/CeI3为6.0。
完成了的灯12如图2所示，是将实施形式2的发光管1保持于封入了氮60～80kPa的硬质玻璃组成的外管壳13之内，再装配上灯头14而组成。
下面根据实测值说明实施形式2的金属卤化物灯与现有的金属卤化物灯特性的评价结果。
现有的金属卤化物灯与图2的灯12有相同的基本结构，它是取代了实施形式2的发光管1而由图8所示的经热压配合形成的现有发光管115构成。在发光部3、116内特别封入了(CeI3+NaI)系的发光物质，制成了300W型的灯。对各种金属卤化物灯分别准备了10个试样，通过它们测定值的平均值，比较了它们的初始效率。
结果表明，与现有的金属卤化物灯的初始效率为1101m/W相比，实施形式2的金属卤化物灯的初始效率为1161m/W，可知实施形式2的金属卤化物的照明效率高。
如上所述，实施形式2的金属卤化物灯中，发光管1的管壳2是由发光部3与细管部4、5整体成形构成。据此，由于气密性优越，不必形成局部增厚的部分，减少了热损失。因此可充分地提高铈的蒸气压，改进发光效率。
而且，虽然发光管是氧化铝陶瓷制成的，但也可以是由例如YAG(钇、铝、石榴石)系陶瓷等构成。
实施形式3
图6是示明本发明实施形式3的金属卤化灯的发光管结构的剖面图。实施形式3的发光管的基本结构与实施形式2的发光管相同，不同的是它的发光部两端不呈锥形而近似半球形。
如图6所示，发光部3与细管4、5为整体成形，发光部3的两端部大致成半球形。因而亮灯时两端部内面的温度能进一步均匀化，例如，即使是蒸气压力低的铈也能可靠地蒸发有助于发光，使发光效率提高。
在实施形式2的发光管1中，在一对钨电极9、10按上下方向并排设置的状态下亮灯时，液状发光物质11沉入下方的细管5的空隙内而减少了发光部3内的发光物质11。由此会发生色温等特性显著变化的不合适情形。但是实施形式3的发光管1由于其两端部呈大致半球形，液体的发光物质11难以沿发光部3两端部的内面流动，容易滞留于内面。因此，即使在一对钨电极9、10沿上下方向并排设置的状态下亮灯时，液状发光物质11也难以沉入下方细管5的管隙内。因此，发光部3内的发光物质11的量不会减少，色温等特性变化少。
下面示明实施形式3的金属卤化物灯的初始效率测定结果。作为金属卤化物灯的基本结构与图2所示的灯12相同，用图6所示的发光管1构成。其他方面的结构是与实施形式2的实测例属同一的300W型的金属卤化物灯，且封入有(CeI3+NaI)系发光物质。将这种金属卤化物灯准备了10只，求出了它们的测定值的平均值。
结果，初始效率为1201m/W，与上述实施形式2的金属卤化物灯的初始效率(1161m/W)相比，可见进一步提高了效率。
此外也抑制了灯中色温特性的变化。具体地说，实施形式2初始的色温为4200K，Ra71，但在6000小时寿命后为4600K，Ra67，此特性有很大变化。与此相比较，在实施形式3中经6000小时寿命后确认此特性无大变化。
图6中，测定了使发光部3的中央部分厚度t1、发光部3的细管部4、5附近的厚度t2分别变化时的发光效率与寿命期内发光管的破损概率。在此，与以前所述相同；对各种灯分别准备了10个试样，以它们的平均值作为测定值。寿命期间发光管破损概率测定到6000小时。结果如表1所示。
                         表1
  t1(mm)   t2(mm)   灯光效率(1m/W)   寿命期内的破损概率 评价
1.0   0.7   124   2/10   ×
  0.8   122   0/10   ○
  0.9   122   0/10   ○
  1.0   120   0/10   ○
  1.1   119   0/10   ○
  1.2   117   0/10   ○
  1.3   112   0/10   ×
  0.7 1.0   127   4/10   ×
  0.8   126   0/10   ○
  0.9   124   0/10   ○
  1.1   118   0/10   ○
  1.2   116   0/10   ○
  1.3   111   0/10   ×
从表1可以确认，设发光部3中央部分的厚离恒为1.0mm，而令发光部3的细管部4、5附近的厚度t2变化时，当厚度t2≤0.7mm，于寿命期内发光管1破损。这是由于发光管3与细管4、5的界面部分厚度薄，因在其附近存在的液状的发光物质11的反应，这一部分脆化而耐压性能下降的缘故。
当厚度为t2≥1.3mm时，确认发光效率大幅度降低。这是由于发光部3和细管部4、5的界面部分厚度厚，这部分的发光管温度不升高，蒸气压力低的发光物质11不能充分蒸发而无助于发光。
然后，设发光部3在细管4、5附近的厚度t2恒为1.0mm，而令发光部3的中央部分厚度t1变化时，当厚度t1≤0.7mm，已确认发光管1破损。这主要是由于发光部3的厚度薄导致耐压性能降低。
当厚度t1≥1.3mm时，确认发光效率显著下降。这主要是由于发光部3的厚度厚导致光透过率低。
从以上结果可知，设发光部3的最小厚度相对其最大厚度比≥0.80时，则可进一步降低热损失、实现高效率而可能抑制寿命中的发光管破损。
在实施形式3中是将与发光部3的最大厚度与最小厚度相当的部位置于发光部3的中央部分与细管部4附近，但即使是选择发光部3上任意的部位，可知也有同样的效果。
再有，发光物质11的摩尔组成比NaI/CeI3为6.0，但3.8～10的范围都是良好的值。此外，除了NaI之外，根据所希望的灯的特性，也可以将镝(Dy)、铥(Tm)、钬(Ho)、铊(Tl)等作为发光物质添加。
业已发现，即使以镨取代铈封入时，也能取得同样的效果。此时的摩尔组成比NaI/PrI3最好为4.5～12。
如上所述，本发明实施形式3的金属卤化物灯由于使其发光部3两端部形成半球状，即使在发生管1的各个钨电极9、10中产生了上下差而使用时，液状发光物质也不会沉入细管部4、5中，由于发光物质不减少，具有发光效率不降低的效果。
发光部3的两端部的形状若不是半球形而且剖面形状为曲线形也可，只要液状发光物质11难以流入细管部4、5中就行。
再如图7所示，也可取以发光部3的两端部的内侧作为一周而设置突起15的结构。在这种结构下，能够阻止液状发光物质11流入细管部4、5。此外，也可不设突起15而代之以沟，使发光物质11贮留于沟中而能阻止其流入细管4、5之中。

Claims (1)

1.一种金属卤化物灯，其特征在于，具备在内部设有一对电极且封入了用作发光物质的铈碘化物(CeI3)与钠碘化物(NaI)的透光性陶瓷制的发光管，上述发光物质的摩尔组成比NaI/CeI3规定在3.8～10的范围内，且上述发光管的管壁负荷we在13-23W/cm2的范围，灯瓦数的值设为X(W)，设电极间距离为Le而上述发光管的管内径为φi时记Le/φi为Y，规定上述Le/φi与上述灯瓦数的值是在XY坐标中以坐标值(X，Y)表示的点(200，0.75)、(300，0.80)、(400，0.85)、(700，1.00)、(1000，1.15)、(1000，2.10)、(700，2.00)、(400，1.90)、(300，1.80)与(200，1.70)顺次连接的线所围定的范围内。
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