CN1407594A - 金属卤化物灯 - Google Patents
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Abstract
提供一种金属卤化物灯，包括外壳由氧化物系透光性陶瓷材料构成的发光管(3)，将作为发光物质17的铈的卤化物以及与所述铈的卤化物相比容易与所述陶瓷材料反应的稀土类元素的卤化物分各自封入所述发光管内。由此促进氧化物系透光性陶瓷材料与稀土类元素的卤化物的反应，抑制氧化物系透光性陶瓷材料与铈的卤化物的反应，从而可抑制提供发光的铈的卤化物的减少，可减小灯色温度的变化。由此，改善与灯老化有关的光束维持率·色温度降低，从而提供作为一般室内和室外用的白色光源色的高瓦数类型、高效率·长寿命的氧化铝陶瓷管金属卤化物灯。
Description
发明所属技术领域
本发明涉及一种金属卤化物灯的发光管。
背景技术
近来，使用陶瓷制的发光管的金属卤化物灯与使用石英制发光管的金属卤化物灯相比较具有高效率、高显色性，而且寿命长，所以主要作为店铺等的室内照明使用正在待以普及。
图5、图6分别是现有的采用陶瓷制发光管的金属卤化物灯的结构。作为发光管28的结构，发光管容器29由多晶氧化铝陶瓷材料构成的放电发光管部30和在其两端部烧结的一对细管部31、32构成。在发光管28的两端设置一对钨线圈电极33、34。而且在所述发光管细管部31、32中通过玻璃料37气密封接由铌或导电性金属陶瓷构成的供电体35、36，所述钨电极33、34分别连接到所述供电体35、36。在发光管28内分别封入由金属卤化物构成的发光物质38和作为缓冲气体的水银和氩等启动辅助用稀有气体。作为包括所述发光管28的灯39的整体结构，如图6所示，发光管28设置在由石英或硬质玻璃构成的外管泡40内部，在外管泡40上安装灯头41。在外管泡40的内部封入约50kPa的氮为主体的气体。而且，利用通常的启动装置内装的电子式镇流器或铜铁式电感镇流器点燃所述灯39。
另外，以往作为可适用于一般室内及室外照明用金属卤化物灯的发光物质，例如在(日本)特开昭57-92747号公报、美国专利第5973453号说明书中提出了碘化铈·与碘化钠组合的碘化铈的有用性。这种碘化铈作为发光物质的特征是，铈的发光光谱大部分分布在人眼的比可见度高的区域，仅通过该物质就可获得高的灯效率。这种情况下，例如在美国专利第5973453号说明书、特表2000-501563号公报中提出了3-25(相当于CeI3组成比为12.2-53.7wt％)的范围作为获得白色光源色的合适的NaI/CeI3的摩尔组成比。
但是，在现有的封入了作为发光物质的碘化铈和碘化钠的金属卤化物灯中，存在点灯时间经过的同时光束维持率显著下降的问题，同时还存在灯色温变化大的问题。
发明概述
本发明人对上述问题起因进行了研究，发现封入的铈的卤化物和陶瓷材料反应，使提供发光的铈的卤化物显著减少。本发明就基于这样的认识作出。
即，本发明的金属卤化物灯包括外壳由氧化物系透光性陶瓷材料构成的发光管，其特征在于，将作为发光物质的铈的卤化物以及与所述铈的卤化物相比易与所述陶瓷材料反应的稀土类元素的卤化物各自封入所述发光管内。
附图的简要说明
图1是作为本发明一个实施例的金属卤化物灯的发光管的结构图。
图2是作为本发明一个实施例的金属卤化物灯的灯的整体结构图。
图3是表示使用本发明实施例1-3的金属卤化物灯的光束维持率相对于老化的曲线图。
图4是表示本发明实施例3的优选组成范围的图。
图5是现有技术的金属卤化物灯的发光管的结构图。
图6是现有技术的金属卤化物灯的整体结构图。
本发明的金属卤化物灯发光管本身的结构可以与现有的相同，也可以应用现有的结构。本发明的特征在于，为维持高光束维持率，并且使灯色温度没有大变化，发现了与铈的卤化物相比容易和陶瓷材料反应的封入物。
在上述金属卤化物灯中，稀土类元素的卤化物优选从钪的卤化物，钆的卤化物，铽的卤化物，镝的卤化物，钬的卤化物，铒的卤化物，铥的卤化物，镱的卤化物，镥的卤化物，钐的卤化物，钇的卤化物和铕的卤化物中选择的至少一种。而且，卤素优选溴(Br)或碘(I)。在所述稀土类元素的卤化物中，特别是优选使用碘化钪(ScI3)。
而且，在所述铈的卤化物封入量为100摩尔份时，所述稀土类元素的卤化物封入量优选在1.5摩尔份以上、100摩尔份以下的范围。从而，氧化物系透光性陶瓷材料与铈的卤化物以外的稀土类元素的卤化物优先反应，可以抑制氧化物系透光性陶瓷材料与铈的卤化物的反应。结果可以抑制提供发光的铈的卤化物减少，同时可以使灯色温变化减小。
而且所述发光管中优选进一步将铊的卤化物和铟的卤化物组合封入。
而且，优选所述铊的卤化物封入量相对于全部金属卤化物来说在1.0wt％以上、7.0wt％以下的范围，所述铊的卤化物和所述铟的卤化物封入量之比为在0.6≤TIXwt％/InXwt％≤4.0(但X是卤素)的范围。由此，可获得放电电弧的展宽效果，抑制局部发光管温度的上升。结果抑制了卤化物和氧化物系透光性陶瓷材料的反应，提高了灯寿命。
并且本发明的金属卤化物灯，优选额定寿命时间12000小时以上，并且在初期状态下灯效率在117lm/W以上。这里初期效率是指经过老化时间100小时后的状态。
如以上的说明，本发明改善了与灯老化有关的光束维持率色温下降，从而，可提供作为一般室内和室外用的白色光源色的高瓦数类型的、长寿命且高效率、具有更高光色温度·一般显色评价指数的金属卤化物灯。
以下使用图1和图2说明本发明实施例。
图1和图2分别表示作为本发明实施例的灯瓦数为200W的氧化铝陶瓷管金属卤化物灯的发光管结构和灯整体结构。
发光管1的发光管容器2由多晶氧化铝陶瓷构成的放电发光管部3和在其两端部烧结的一对细管部4、5构成。除多晶氧化铝陶瓷外，氧化物系的透光性陶瓷同样可以用做所述发光管容器2。例如也可以使用Al2O3(氧化铝)，Y3Al5O3(YAG)，BeO，MgO，Y2O3，Yb2O3，ZrO2等。
在发光管1的两端设置一对钨线圈电极6、7，钨线圈电极6、7分别由钨电极棒8、9和钨线圈10、11两个部件构成。电极间距离定为18.0mm。而且在所述发光管细管部4、5中通过玻璃料14气密封接由导电性金属陶瓷构成的供电体12、13，在所述供电体12、13各自的一个端部焊接所述钨棒8、9，在其各自的另一端部焊接由铌构成的外部引线15、16。在发光管1内封入铈的卤化物系发光物质17和作为缓冲气体的水银和氩气构成的启动辅助用稀有气体。
作为包括所述发光管1的灯18的整体结构，如图2所示，发光管1设置在由硬质玻璃构成的外管泡19的内部。并且，为使灯启动开始电压更低，沿发光管容器2的放电发光管3附设由钼线构成的启动辅助导体20。这里，在外管泡19的内部封入惰性气体的例如氮气50kPa。并且外管内是真空也可以。21是灯头。
(实施例1)
制备发光管1构成的灯18，该发光管采取CeI3：35wt％(14摩尔％)、NaI：60wt％(83.5摩尔％)、Scl3：5wt％(2.5摩尔％)构成的物质6mg作为发光物质17而封入，研究与老化相关的寿命特性。结果如图3的Ce/Sc/Na的线所示，灯的光束维持率大幅度改善为在老化时间约12000小时的65％。而且老化中色温变化在-150K以内，比未封入ScI3时好。
然后，在与上述同样的老化时间5000小时后对灯的分析中，了解到在管内CeI3仍有当初封入量的80-90％足够的残存，另一方面ScI3与氧化铝陶瓷进行比较多的反应，只残存20-30％。
而且，本实施例灯18的初期灯特性被大致维持为光束22800lm，效率117lm/W，另一方面光色温度·一般显色评价数Ra也被改善，获得了光色温度在初期为4300K的高色温，一般显色评价数Ra为70，超过目标值65，在光源色上也有改善效果。
(比较例)
根据现有技术，制备发光管1构成的灯18，该发光管1封入了作为发光物质17的铈·钠的碘化物(CeI3：36wt％(13.9摩尔％)+NaI：64wt％(86.1摩尔％))6mg。并且，通过现有技术的如此的NaI/CeI3组成比，获得3500-4000K附近的白色光源色。
最初，测定灯老化时间100小时的初期特性时，在色温度4100K的白色光源色中获得灯光束23600lm，效率118lm/W(均为灯的4个灯的平均值)。这里灯效率可勉强达到目标值117lm/W。但一般显色评价数Ra为60，未达到目标值65。
接着，进行灯老化试验，测定其光束维持率，如图3的Ce/Na的线所示，其光束维持率在老化时间约6800小时中已降低到50％。通常金属卤化物灯的寿命时间规定为光束维持率50％的老化时间。灯的光色在初期为4100K，但在5000小时的寿命中缓慢下降到3700K。
接着根据对老化后氧化铝陶瓷发光管的分析，可知由于与铈的反应发光管内壁受侵蚀，特别是在发光管上侧的侵蚀比较强。而且，判明例如对于老化时间5000小时，管内残存的NaI的量为残存了当初封入量的90％，与此相反CeI3量大幅度降低为当初封入量的40-60％。
(分析)
根据上述结果，明白了(CeI3+NaI)封入的灯18的老化所引起的光束维持率·光色的大幅降低是由于以下两种现象复合造成的：
(a)管内的碘化铈CeI3由于与作为发光管材料的氧化铝陶瓷(Al2O3)的反应而消减；
(b)而且放电电弧缩小并向发光管管壁方向弯曲时发光管温度局部上升，加速了上述碘化铈由于与氧化铝陶瓷的反应而产生的消减。
这表明，在寿命中，呈现高效率·高色温的CeI3的比率相对于NaI加速地减少，光束·光色降低。(研讨)
根据上述实施例1和比较例的分析可确认下述的基本手段有效地起作用，即：特别向发光管内添加与铈的卤化物相比氧化物生成的标准吉布斯(ギブス)能量更小、容易与氧化铝反应的镧系(ランタノイド系)金属卤化物，通过在灯老化的最初使该物质与管内壁反应，抑制有问题的在寿命中铈的反应。而且，作为这种具体的物质，镧系金属碘化物，即碘化钪ScI3，碘化钆GdI3，碘化铽TbI3，碘化镝DyI3，碘化钬HoI3，碘化铒ErI3，碘化铥TmI3，碘化镱YbI3，碘化镥LuI3，碘化钐SmI2(二价的Sm)，碘化铕EuI2(二价的Eu)显示了特定的效果，特别是在其中碘化钪ScI3最为适合。(实施例2)
在与实施例1同样的条件下，当使CeI3为100摩尔份时，在0-200摩尔份范围内改变碘化钪ScI3的封入量，进行灯的老化实验。结果表明，当碘化钪ScI3的封入量超过100摩尔份时，钨电极6、7变形·损耗，使发光管黑化，由此光束维持率反而下降。而且，碘化物ScI3的封入量不足1.5摩尔份时没有明显发现抑制氧化铝和铈的卤化物反应的效果。
根据该试验结果，当使CeI3为100摩尔份时，优选碘化钪ScI3的有效封入量在1.5-100摩尔份的范围。在这种情况下，在封入ScI3150摩尔份以上的灯中，在老化后的分析中在管内检测出微量的铝Al。这可看出，由于下式(化1)的碘化钪ScI3和氧化铝陶瓷的反应生成了碘化铝AlI3。
[化1]
而且，可以说这种生成的AlI3与上述电极损耗和发光管的黑化有关。
如上所述，可以确认，在封入了作为主要发光物质的碘化铈CeI3和碘化钠NaI的氧化铝陶瓷管金属卤化物灯中，当CeI3为100摩尔份时，如果碘化钪ScI3的有效封入量为1.5-100摩尔份的范围(从封入物整体看0.5-20摩尔份的范围)，则可达到额定寿命时间12000小时以上，并且灯效率117lm/W以上的水平，光色·一般显色评价数也更高。这样的灯可以说是一般室内或室外用的高瓦数，高功率、长寿命。
而且，通过添加各自在2-200摩尔份范围的特别是碘化钆GdI3，碘化铽TbI3，碘化镝DyI3，碘化钬HoI3，碘化铒ErI3，碘化铥TmI3，碘化镱YbI3，碘化镥LuI3，碘化钐SmI2(二价的Sm)，碘化铕EuI2(二价的Eu)作为碘化钪ScI3以外的金属碘化物，制备同样的灯，研究与老化相关的寿命特性。结果示于图3的Ce/镧系碘化物/Na线。根据该图显示，关于初期灯效率和一般显色评价数Ra，基本达到了目标水平。
但尽管12000小时的光束维持率没有达到碘化钪ScI3的水平，却可确认与ScI3封入同样的寿命改善效果。
(实施例3)
下面，作为与上述分析(b)相关的研讨，探索下述手段，即抑制特别是由上述现有技术的铈的卤化物发光物质所产生的放电电弧的缩小·弯曲，改善光束维持率，同时作为又一个目标可提高灯效率的手段。结果明白，特别是作为发光物质，重新以铊的卤化物TlX和铟的卤化物InX组合封入是有效的。
具体地说，制备在上述本发明的(CeI3+NaI+ScI3)中还封入了分别在0-10wt％范围内改变组成的TlI和InI的灯18，测定其初期特性及与老化相关的光束维持率。
结果观测到，基本上伴随TlI和InI的封入使放电电弧展宽，还抑制了放电电弧向发光管管壁方向的弯曲。而且，本实施例灯18的与老化相关的光束维持率更加改善，可以达到光束维持率60％以上的额定寿命时间12000小时。这可以说是基本上因为铊Tl和铟In的平均激励电压Ve与电离电压Vi相比比较高(Ve＞0.585Vi)，从而得到如此的放电电弧展宽效果，抑制了管壁的局部温度上升。这里，如果作为TlI和InI的封入量(TlI+InI)合计组成在3.0wt％以上，则观测到从比较小的范围放电电弧比较显著的展宽，达到寿命时间12000小时。
而且，关于初期灯效率的提高，可确认特别是发出比可见度高的546nm绿色光的碘化铊TH的封入是有效的。但在这种情况下，作为对效率提高有效的TlI的封入另一方面会使灯发光色向绿色方向偏移，因而要封入用于对此进行补偿的发出450nm青色光的碘化铟InI。总之，为获得与一般室内和室外照明相适应的白色光源色，需要将TlI封入量控制在适当范围以便防止发光色向绿色方向过度偏移，并组合封入由适当范围的组成比构成的TlI和InI。根据本发明人的上述测定结果可知，将可同时获得超过目标值117lm/W的效率提高以及可适用为一般室内和室外用白色光源色的TlI和InI的封入量规定为1.0≤TlIwt％≤7.0，并且0.6≤TlIwt％/InIwt％≤4.0的范围就可以。
图4显示了上述本实施例的优选组成范围。
封入作为上述本发明典型实施例的发光物质17的(CeI334wt％(14.1摩尔％)+NaI55wt％(79.0摩尔％)+ScI35wt％(2.5摩尔％)+TlI3.5wt％(2.3摩尔％)+InI2.5wt％(2.1摩尔％))的200W类型的灯18，作为初期特性达到了色温度4340K的白色光源色中光束约24100lm，效率123.3lm/W这样的作为一般室内和室外用的优良水平(都是灯的4个灯的平均值)。另一方面，如图3的Ce/Sc/Na/Tl/In的线所共同显示的那样，与老化相关的光束维持率即使在12000小时中也维持在73％的高水平，超过了已有石英管灯的额定寿命时间9000小时，充分达到了12000小时的水平。而且，一般显色评价数Ra更加改善，对于目标值Ra65达到了75的水平。
而且，通过向铈钠系碘化物中分别添加除ScI3以外的碘化钆GdI3，碘化铽TbI3，碘化镝DyI3，碘化钬HoI3，碘化铒ErI3，碘化铥TmI3，碘化镱YbI3，碘化镥LuI3，碘化钐SmI2(二价的Sm)，碘化铕EuI2(二价的Eu)，并添加TlI和InI，制备同样的灯，研究与老化相关的寿命特性。结果，灯的光束维持率同样地更加改善，达到12000小时以上的额定寿命时间。而且，关于灯效率和一般显色评价数Ra也达到了目标值。
归纳以上的结果，在封入了作为主要发光物质的碘化铈CeI3，并且封入镧系金属碘化物，特别是在其中当碘化铈为100摩尔份时，规定为1.5-100摩尔份(从封入的金属卤化物的整体看为0.5-20摩尔％)范围的碘化钪ScI3的氧化铝陶瓷管金属卤化物灯中，通过同时封入规定为1.0≤TlIwt％≤7.0，以及0.6≤TlIwt％/InIwt％≤4.0组成范围内的碘化铊TlI和碘化铟InI，灯的光束维持率更加改善，同时灯效率也提高，达到充分超过额定寿命时间在12000小时以上，以及灯效率117lm/W以上的值的特性，获得目的在于一般室内和室外用高瓦数类型、高效率·长寿命的氧化铝陶瓷管高压放电灯。
Claims (10)
1.一种金属卤化物灯，包括外壳由氧化物透光性陶瓷材料构成的发光管，其特征在于，作为发光物质的铈的卤化物，以及与所述铈的卤化物相比容易与所述陶瓷材料反应的稀土类元素的卤化物各自被封入所述发光管内。
2.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述稀土类元素的卤化物是从钪的卤化物，钆的卤化物，铽的卤化物，镝的卤化物，钬的卤化物，铒的卤化物，铥的卤化物，镱的卤化物，镥的卤化物，钐的卤化物，钇的卤化物和铕的卤化物中选择的至少一种。
3.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，在所述铈的卤化物封入量为100摩尔份时，所述稀土类元素的卤化物封入量在1.5摩尔份以上100摩尔份以下的范围。
4.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述发光管中还封入铊的卤化物和铟的卤化物。
5.如权利要求4所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述铊的卤化物封入量相对于全部金属卤化物来说在1.0wt％以上7.0wt％以下的范围，所述铊的卤化物和所述铟的卤化物封入量之比为在0.6≤TIXwt％/InXwt％≤4.0(但X是卤素)的范围。
6.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，氧化物透光性陶瓷材料是从多晶氧化铝陶瓷，Al2O3(氧化铝)，Y3Al5O3(YAG)，BeO，MgO，Y2O3，Yb2O3，和ZrO2中选择的至少一种陶瓷。
7.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述铈的卤化物和所述稀土类元素的卤化物的卤素是碘。
8.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，在所述发光管外侧设置由硬质玻璃构成的外管泡，在所述外管泡的内部封入惰性气体。
9.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，沿所述发光管容器的放电发光管部附设启动辅助导体，使灯启动开始电压降低。
10.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，所述灯的额定寿命时间为12000小时以上，位于初期状态时的灯效率在1171m/W以上。
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