CN1252891A - 高气压金属卤化物放电灯 - Google Patents

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Abstract

高气压金属卤化物放电灯,包括具有可电离填充物的石英玻璃灯室(1)。所述石英玻璃灯室具有两个与电流导体(3)相连的电极(2)。电极带有发射体(6)。所述发射体含有作为主要成分的钨和至少三种氧化物,第一氧化物选自氧化铪和氧化锆,第二氧化物为氧化镧,而第三氧化物选自氧化钇和其原子序数在从58到71范围内的元素的氧化物。带有该发射体的根据本发明的灯在其寿命期间显示出良好的保持性和非常小的色偏移。

Description

高气压金属卤化物放电灯
本发明涉及包括透光灯室的高气压金属卤化物放电灯，该灯室以气密的方式密封，并装有包括惰性气体和金属卤化物的可电离填充物，并且与穿过灯室而伸到外部的电流导体连接的钨电极设置在该灯室中，所述电极配有发射体，该发射体包括作为主要成分的钨，该钨至少包括选自氧化铪和氧化锆的第一氧化物，以及至少一种另外的氧化物，该另外的氧化物选自元素钇的氧化物、氧化镧(lanthane)和镧系元素的氧化物所组成的组，所述电极和发射体基本不含氧化钍。
可由EP-Al-0647964(PHN 14.605)获知这种高气压金属卤化物放电灯。所述已知的灯具有特别是由其可电离填充物确定的发射光谱和色点。并且已知灯的电极在它们的自由端处或在自由端附近配有发射体。所述发射体包括占体积的7％到30％的氧化物。
带有发射体的电极具有较低的电子功函数，结果是工作期间其温度低于没有发射体的电极。因此，电极(和发射体)材料的蒸发及其在灯室上的淀积出现的程度更小。结果，具有带发射体的电极的灯的保持性更好；在其服务寿命期间其发光效率(lm/W)显示出比具有无发射体的电极的灯降低得更少。发射体的第二个特性是它使得在灯的启动期间有更短的辉光时间。结果灯的启动性能更好，并且更少的电极(和发射体)材料被溅射到壁上，使得保持性更好。
还已知在钨中结合氧化物可产生在高气压金属卤化物放电灯中具有合适特性的发射体。尽管已知的高气压金属卤化物放电灯的电极基本上不含氧化钍，但该电极至少具有基本上相等的功函数势。这是值得注意的，因为在用于发射体中的单独的各氧化物中并不存在氧化钍中所备有的基本特性。因此，在第一种情况下，应得出这样的结论，即单独的各氧化物几乎不适合用作发射体。对氧化物结合的有益效果的一种可能解释是第一氧化物已经与另外的氧化物形成了例如具有氟石结构的化合物。
发射体的钨具有带有晶粒边界的晶粒结构。在该结构中，氟石显示出极强的稳定性和不动性。氟石如此固定，以致它们几乎不，或者说根本就不会沿着晶粒边界从发射体的块体(mass)向电子发射表面扩散。结果，在发射体中以这种形式向电子发射表面提供的氧化物减少得非常明显。但是已发现，在已知的灯中，在服务寿命期间氧化物供应的不连续导致电子发射表面的过早耗尽。在已知的灯中这种过早耗尽通过使用具有相对较大量氧化物例如第一氧化物的发射体而被抵消。
包括具有已知发射体的电极的已知的灯有在灯服务寿命的早期大量氧化物蒸发的缺点，这可以归因于在电子发射表面相对较高浓度的氧化物的存在。这在一方面，由于相对快速蒸发的氧化物淀积在灯室上，并因此对光透射率有不良影响，导致保持性再次落后于具有钍的灯，而且另一方面，由于氧化物与灯中存在的可电离填充物的反应，这还导致相对较大的色点变化。作为这种反应的结果，在服务寿命期间，当灯处于工作状态时，灯的填充物的气体组成发生变化。具有坐标(x，y，z)的色点，其x坐标尤其会改变。
本发明的目的是提供一种改善的开篇中所述类型的高气压金属卤化物放电灯，在该灯中上述缺点至少被极大地消除。
根据本发明，该目的是这样实现的，即另外的氧化物是作为第二氧化物的氧化镧，和作为第三氧化物的至少一种氧化物，该氧化物选自元素39和58到71的氧化物构成的组，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在发射体中的重量百分比为M3，M和M3的值列于表1中。
                               表1
 第一氧化物(I)  第二氧化物(II)       M(mol％II)  第三氧化物(III)原子序数        M3(在发射体中的绝对wt.％III)
    ZrO2HfO2ZrO2HfO2     La2O3La2O3La2O3La2O3     48-9848-9848-9848-98       393958到7158到71     0.05-100.05-100.05-150.05-15
本发明人已认识到，为了实现在服务寿命期间所述合适的发射体特性，即短的辉光时间，持久的低功函数和借助于经由来自发射体块体的扩散的、连续而均匀的氧化物供应所产生的氧化物的慢蒸发，发射体必须包括在钨中的合适的量和比例的氧化物。列于表1中的发射体中氧化物的值M和M3会产生希望的结果。来自发射体块体的氧化物供应取决于它们的扩散速率和浓度。除电极的温度外，这种供应还取决于氧化物的绝对量，在发射体中氧化物耦合的方式，和氧化物沿着发射体中钨晶粒的晶粒边界穿过晶粒结构的传输能力。
来自发射体的氧化物的损失也取决于发射体中存在的氧化物的量。如果存在大量氧化物，则特别是在灯工作期间的早期，由于在电子发射表面中氧化物的高浓度，将造成大量氧化物蒸发。尽管这些氧化物可能被捕获在发射体块体中，并且从块体向电子发射表面的供应进行得缓慢，这种现象仍会发生。
已知发射体块体的结构在发射体蒸发的程度和方式方面起重要作用。对发射体的研究揭示出为实现良好的发射体特性要求三种氧化物的每一种都存在，并且每种单独的氧化物有其特定的作用。
已发现为获得灯的良好的保持性和色点稳定性，氧化镧是必要的。在这方面，重要的是在服务寿命期间要保留足够多的自由氧化镧，即它不与第一氧化物在氟石结构中耦合。为此，第一氧化物和氧化镧之间的比值受到限制。因此，根据本发明的灯总是包括在发射体中部分以未耦合状态存在的氧化镧，并且所述未耦合部分在其穿过发射体块体的传输性能上不受具有氧化锆的化合物所阻碍。
氧化锆和氧化钇对发射体的供应和蒸发来说都是重要的，但对氧化物的蒸发来说尤其重要。氧化锆影响氧化物的传输，因为它与氧化镧和氧化钇形成非常稳定的化合物，该化合物例如具有氟石型的结构。特别是通过使晶粒边界保持打开，氧化锆还影响氧化物沿晶粒边界的传输能力。氧化钇对钨晶粒有抑制晶粒生长的效果，因此钨的晶粒结构受到控制并且晶粒保持较小。结果，氧化物例如通过扩散而由块体向电子发射表面的传输能力受到影响，使得其供应延长并且更均匀。此外，氧化钇减小了电子从电极离开的功函数。
借助于通过氧化锆和氧化钇影响氧化物沿晶粒边界的传输能力，使得由块体向电子发射表面的漫长而相对较低剂量的均匀供应成为可能。继而，通过来自块体的扩散，将氧化物提供给所述电子发射表面。通过所述剂量受到控制的(dosed)、均匀的供应，使得在灯的服务寿命期间电子发射表面处总是有充足的氧化物，从而当灯被启动时，电极的辉光时间短，并且当灯处于工作状态时，功函数保持较低，进而电极温度保持较低。由于在电子发射表面处氧化物的相对较低的浓度，使氧化物的蒸发也较低。这带来了高气压金属卤化物放电灯的改善的保持性和色点稳定性。
与已知的发射体不同，根据本发明的灯的电极中第一氧化物的重量百分比小，最好在发射体块体的0.05wt.％和0.5wt.％之间。第一氧化物的重量百分比高于0.5wt.％容易导致如此多被稳定耦合的第二和第三氧化物的形成，以致于在灯的服务寿命期间有可能在电子发射表面处出现过早耗尽的现象。在进一步的研究中已发现，较低的第一氧化物的重量百分比足以实现钨晶粒结构的充分打开，并且氧化物向电子发射表面的传输比在该第一氧化物的重量百分比更高时被控制得更好。在这些低的第一氧化物重量百分比下，如果第一氧化物的重量百分比高于0.05wt.％，就几乎不会出现过早耗尽现象。结果，根据本发明的灯的保持性和色点稳定性相对于已知的同种类型的灯来说得到改善，同时辉光时间和功函数保持足够小。
在一个优选实施例中，在氧化物的蒸发方面，通过选择与一些氧化镧结合的极微量的第一氧化物可以使发射体最佳化，其中所述一些氧化镧与第一氧化物按氟石结构耦合。最好，第一氧化物和第二氧化物共同的重量百分比在发射体块体的1wt.％和3wt.％之间的范围内。已发现，第一和第二氧化物的重量百分比高于3wt.％不会带来有用的辉光时间和功函数的降低，但却会导致来自发射体的氧化物通过蒸发而被不必要地大量损失的风险增大。如果重量百分比低于1wt％，辉光时间和功函数的降低和由此造成的电极温度的降低都如此小，以至它们明显地不够。在这种低重量百分比下相对较长的辉光时间和高电极温度的结果是，钨的蒸发将显著增大，从而导致灯的保持性差。
在另一个实施例中，由于第一、第二和第三氧化物一起最大占发射体块体的10wt％，因而氧化物的蒸发受到限制。更高的重量百分比不会带来有用的功函数的降低，而是导致氧化物蒸发的增加，这对于色点稳定性是不利的。
可以以各种方式使用发射体，例如象在已知的灯中那样以小球的方式或烧结的电极的方式。在处于工作状态的灯具有非常高的电极温度的情况下，例如工作期间具有2500K或更高电极温度的HPI灯，在烧结的电极中不可能使用发射体，因为发射体消耗得太快，并且其结果是灯显示出差的启动和保持性能。在这些灯中，发射体最好以小球方式设置在例如电极螺旋中。由于小球与电极螺旋充分地热绝缘，在灯启动期间电极充分变热以保证良好的启动性能。在灯工作期间，相对于在同样条件下没有小球的相同电极来说，小球有助于为将电极螺旋保持在更低并因此是更有利的温度下而进行的热耗散。
由EP-A2-0756312本身可获知在高气压金属卤化物放电灯的电极中冷却部件的使用。这些冷却部件是烧结的，并主要由钨或钼构成，所述钨或钼被按1wt.％添加了分布在它们的块体中的烧结活性成分，例如镍或铂。但是由于有昂贵的烧结活性成分，这种构造相对较昂贵。此外，冷却部件不具有发射体特性。
为检验发射体，对小球形式的这种材料进行测试。利用各种适合的技术如溶胶-凝胶(sol-gel)方法、球磨方法等制造该小球。但作为一个替代的办法，可将该发射体用于烧结的电极中。最好将其用于根据本发明的灯中，该灯包括在其上附加了小球形式的发射体的电极。该小球可以设置于电极中。
电极和小球的钨可以含有杂质和总含量例如达钨重量的0.01wt.％的控制钨晶粒生长的常用添加剂，如钾、铝和硅。作为所述添加剂的结果，在灯服务寿命期间钨晶粒的粗化被减慢，所述钨晶粒的粗化会导致不希望的来自小球的氧化物损失的加速。
依高气压金属卤化物放电灯的类型而定，电极可以具有各种形状和尺寸。例如，电极可以在其自由端或自由端附近例如与钨导线缠绕在一起，该钨导线例如由制成电极本身的钨材料制成。这种缠绕法可以用来在灯工作期间在电极两端提供所希望的温度梯度，以便适应该小球或促进启动过程。另一方面，在电极的自由端，电极可以是例如球形或半球形的。
电极例如可以彼此相邻或相对地设置在灯室中。灯室可以由具有高SiO2含量的玻璃例如石英玻璃制成，但另一方面也可以例如由诸如石英或多晶氧化铝或蓝宝石这样的结晶材料制成。如果需要，可以将灯室装在封闭的外壳中。
图1以侧视图的方式示出了根据本发明的高气压金属卤化物放电灯的一个实施例。
在图1中，高气压金属卤化物放电灯带有透光灯室1，在图中该灯室1由石英玻璃制成，并以气密的方式封闭。灯室装有可电离填充物，该可电离填充物带有惰性气体和金属卤化物。所示灯的填充物包括汞，钠、铟、铊的碘化物，和由99.8％体积的氖和0.2％体积的氪组成的填充压力为50毫巴的惰性气体。钨电极2设置在灯室中，并与由钼制成的电流导体3相连，在图中该电流导体3穿过灯室伸到外部并经电接触部件7和8与灯头5相连。电极带有在小球6中的氧化的电子发射体。所示灯有一个装有灯头5的硬质玻璃外壳4。
每个电极的小球6基本上不含氧化钍，并具有分布在其块体中的选自氧化铪和氧化锆的第一氧化物、作为第二氧化物的氧化镧，和作为第三氧化物的原子序数为39和58到71的元素之一的氧化物，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在发射体中占绝对重量百分比M3，M和M3的值列于表1中。
                                表1
 第一氧化物(I)  第二氧化物(II)       M(mol％II)  第三氧化物(III)原子序数        M3(在发射体中的绝对wt.％III)
    ZrO2HfO2ZrO2HfO2     La2O3La2O3La2O3La2O3     48-9848-9848-9848-98      393958到7158到71      0.05-100.05-100.05-150.05-15
所示灯的功耗为400W。
制造包括电极的灯，所述电极具有不同组成的发射体，所述发射体为根据本发明的小球形式，将所述灯与具有有不同组成的发射体但在其它所有方面都相同的灯进行比较。通过将钨粉与适当的一种氧化物(或多种氧化物)粉末混合而制造小球。将该混合物压实并烧结，由此形成具有约1.5mm厚度和约为理论密度的95％的高密度的杆形小球。但对于其它类型的灯，如在填充物中含有稀土金属的类型，也可以使用不同密度的小球。
使灯工作2000小时，其后对它们的保持性(maint.)和它们的色点偏移(Δclpt.)进行测量。发射体组成和灯的结果列于表2。为进行比较，列出了具有根据现有技术的发射体的灯的组成和结果。表2
发射体组成(以钨块体重量的％+氧化物表示)       M(mol％)       M3(wt.％)   保持性(％)    Δclpt.
W+4wt.％ThO2W+10wt.％Y2O3W+7.6wt.％HfO2+5.7wt.％Y2O3W+5.3wt.％HfO2+4.1wt.％La2O3W+0.1wt.％ZrO2+2wt.％La2O3+0.1wt.％Y2O3W+0.1wt.％ZrO2+2wt.％La2O3+6wt.％Y2O3       --0338888        0105.700.16    93.891.089.297.393.194.0     2241926126
表2示出了根据本发明的灯，该灯具有含有三种氧化物并且ZrO2和La2O3相互间有合适的摩尔比的发射体组分，例如W+0.1wt.％ZrO2+2wt.％La2O3+6wt.％Y2O3，该灯具有良好的保持性和小的色点偏移。使用只包括W+ThO2的发射体组成可产生有同等特性的灯。包括只有一种或两种氧化物的发射体组成的其它灯在所有情况下在实际中显示出相当大的、不利的色点偏移。对于实际的应用来说，15个点或更多点的色点偏差被认为是有问题的。在许多情况下，灯的保持性也比根据本发明的灯差，例如W+7.6wt.％HfO2+5.7wt.％Y2O3；W+10wt.％Y2O3的灯。
上述结果清楚地显示出三种氧化物的最佳效果。

Claims (6)

1.一种包括透光灯室的高气压金属卤化物放电灯，该灯室以气密的方式密封，并装有包括惰性气体和金属卤化物的可电离填充物，并且与穿过灯室而伸到外部的电流导体连接的钨电极设置在该灯室中，所述电极配有发射体，该发射体包括作为主要成分的钨，所述钨至少包括选自氧化铪和氧化锆的第一氧化物，以及至少一种另外的氧化物，所述另外的氧化物选自元素钇的氧化物、氧化镧和镧系元素的氧化物组成的组，所述电极和发射体基本不含氧化钍，其特征在于，所述另外的氧化物是作为第二氧化物的氧化镧，和作为第三氧化物的选自元素39和58到71的氧化物构成的组的至少一种氧化物，第二氧化物占第二氧化物和第一氧化物之和的M mol％，第三氧化物在发射体中重量百分比为M3，M和M3具有表1中所列的值
                                 表1  第一氧化物(I)  第二氧化物(II)       M(mol％II)    第三氧化物(III)原子序数         M3(在发射体中的绝对wt.％III)     ZrO2HfO2ZrO2HfO2     La2O3La2O3La2O3La2O3     48-9848-9848-9848-98       393958到7158到71      0.05-100.05-100.05-150.05-15
2.如权利要求1所述的灯，其特征在于，第一氧化物是氧化锆，而第三氧化物是氧化钇。
3.如权利要求1所述的灯，其特征在于，第一氧化物占发射体块体的0.05-0.5wt.％。
4.如权利要求1-3所述的灯，其特征在于，第一氧化物和第二氧化物合起来占发射体块体的1-3wt.％。
5.如权利要求1-3所述的灯，其特征在于，第一、第二和第三氧化物的体合起来最大占发射体块体的10wt.％。
6.如权利要求1-3所述的灯，其特征在于，发射体以小球形式存在。
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