CN1922714A

CN1922714A - 高压钠灯

Info

Publication number: CN1922714A
Application number: CN 200580005893
Authority: CN
Inventors: 桐生英明; 池田隆; 和田雅人
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2007-02-28

Abstract

高压钠灯具有发光管(5)，发光管(5)在由分别至少添加了氧化镁(MgO)和氧化钇(Y₂O₃)的多结晶体氧化铝陶瓷形成的外围器具(11)的两端部，利用陶瓷密封材料(13)对前端部设有电极(14)的电极保持部(9)进行密封，而且，在其内部至少封入作为发光物质的钠，陶瓷密封材料(13)包含钇。由此，可以防止外围器具的端部发生裂缝，可以提供效率更高、寿命更长的高压钠灯。

Description

高压钠灯

技术领域

本发明涉及高压钠灯。

背景技术

高压钠灯因其效率高、寿命长故广泛地用于道路照明和隧道照明等方面。

作为构成高压钠灯的发光管的外围器具的材料，一般使用具有透光性的半透明的多结晶体氧化铝陶瓷。在该多结晶体氧化铝陶瓷中，为了适当控制晶粒的生长，添加微量的氧化镁(MgO)。

已经知道，这种高压钠灯的效率(1m/W)随着发光管的管壁负荷(这里，定义为当设灯的输入为W(W)、发光管的内径为r(cm)、电极间的距离为L(cm)时，由公式W/πrL来表示的值)的增加而上升。这是因为伴随管壁负荷的增大，发光管的管壁温度上升，发光管的热损耗降低。另一方面，灯的寿命时间随着该管壁负荷的增大而变短。这是因为，同样是伴随管壁负荷的增大而使发光管的管壁温度上升，所以，在亮灯时，封入的钠因与多结晶体氧化铝陶瓷的反应或向发光管外部扩散而消失的比例增加，光束维持率大幅度下降。

因此，现有的高压钠灯为了兼顾高效率和长寿命，设定在管壁负荷为15W/cm²～19W/cm²(稳定亮灯时的管壁温度为1000℃～1200℃)的范围内工作。

但是，现在，希望实现效率更高、寿命更长的高压钠灯。

因此，作为构成这种高压钠灯的发光管的外围器具的材料，提出使用添加了100ppm～800ppm的氧化镁、200ppm～1200ppm的氧化锆(ZrO₂)、10ppm～300ppm的氧化钇(Y₂O₃)的多结晶体氧化铝陶瓷(例如，参照专利文献1)。这是考虑到氧化锆和氧化钇即使在管壁温度高时，也能够提高其对钠的耐腐蚀性(降低钠和多结晶体氧化铝陶瓷的反应性)。

为了延长这种高压钠灯的寿命，要求由陶瓷密封材料密封的部分具有很高的气密性，且陶瓷密封材料对钠具有很高的耐腐蚀性。

因此，作为这种高压钠灯使用的陶瓷密封材料的组成，已知的有包含45.0重量％的Al₂O₃、36.4重量％的CaO、13.9重量％的BaO和4.7重量％的MgO的材料(例如，参照专利文献2)。除此之外，还有包含35～45重量％的Al₂O₃、25～40重量％的CaO、5～20重量％的BaO、8～30重量％的SrO和不超过4重量％的从B₂O₃、MgO、SiO₂、TiO₂和ZrO₂的组中选出的至少一种材料(例如，参照专利文献3)，或者是包含35～50重量％的Al₂O₃、35～50重量％的CaO、1～10重量％的Y₂O₃和1～15重量％的SrO的材料(参照专利文献4)。

专利文献1：特开平8-17396号公报

专利文献2：美国专利第3588577号说明书

专利文献3：特公昭58-6715号公报

专利文献4：特公昭56-19318号公报

为了实现高效率、长寿命的高压钠灯，发明人试制了使用由分别添加例如500ppm的MgO、400ppm的ZrO₂和50ppm的Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷形成的外围器具的高压钠灯，并对其特性进行了评价。

结果，当点亮时间大于等于14000小时时，有些灯的电极保持部的被陶瓷密封材料密封的部分(以下称作‘外围器具的端部’)发生裂缝，不亮了。例如，点亮时间经过18000小时的裂缝发生率在将管壁温度设定为1000℃时是1％，在将管壁温度设定为1100℃时是3％，在将管壁温度设定为1150℃时是5％，在将管壁温度设定为1200℃时是13％。如果按照过去的高压钠灯的额定寿命12000小时，就不能说实现了点亮时间达到14000小时才不能点亮的‘长寿命’(本发明人的目标是点亮时间达到额定寿命的两倍的24000小时才不能点亮的‘长寿命’)。况且，当为了实现‘高效率’而增大管壁负荷使管壁温度升高时，则裂缝发生率高，要实现‘高效率长寿命’是一个难度相当大的课题。

再有，发生这样的裂缝认为是具有包括由只添加了MgO的多结晶体氧化铝陶瓷构成的外围器具的发光管的高压钠灯出现的现象，是使用包括由添加了MgO、ZrO₂和Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷形成的外围器具的发光管引起的特有的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种高效率长寿命的高压钠灯，特别是对于具有包括由添加了MgO、ZrO₂和Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷构成的外围器具的发光管的高压钠灯，能够防止外围器具的端部发生裂缝。

本发明的第1方面的高压钠灯具有发光管，该发光管在由分别至少添加了氧化镁MgO和氧化钇Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷构成的外围器具的两端部，利用陶瓷密封材料对前端部设有电极的电极保持部进行密封，而且，在其内部至少封入作为发光物质的钠，上述陶瓷密封材料包含钇。

本发明的第2方面的高压钠灯，上述陶瓷密封材料包含氧化钇。

本发明的第3方面的高压钠灯，上述陶瓷密封材料的上述氧化钇的含量大于等于1重量％、小于等于20重量％。

本发明的第4方面的高压钠灯，上述多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径是10μm～150μm。

本发明的第5方面的高压钠灯，上述多结晶体氧化铝陶瓷的上述氧化钇的添加量是10ppm～150ppm。

再有，在本发明中，将‘管壁负荷’定义为当设灯的输入为W(W)、外围器具的内径为r₁(cm)、电极间的距离为L(cm)时，由公式W/πr₁L表示的值。

此外，本发明中所说‘管壁温度’表示外围器具内部温度的最高温度值，但都知道在试验上是外围器具外面的温度加10℃后的值就是外围器具内部的温度，所以，在本发明中，将‘管壁温度’定义为外围器具外面的温度加10℃后的值。通常，认为外围器具的内部温度最高的部分是外围器具的中央部。

进而，在本发明中，在外围器具的任何一处，在和发光管的长度方向的中心轴(相当于后述的‘中心轴Y’)垂直的平面上进行切割，利用光学显微镜将该截面上任何一处放大100倍后进行观察，计算位于0.7mm线段上的结晶个数，用该个数去除0.7mm，由此测定‘平均结晶粒径’。

若按照本发明的第1方面的高压钠灯，因陶瓷密封材料包含的钇在亮灯时向多结晶体氧化铝陶瓷扩散，故对于在多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界上部分地出现钇的偏析使另一部分缺乏钇，从而可以抑制减弱该结晶边界的结合力的情况。结果，可以防止在外围器具的端部(电极保持部由陶瓷密封材料密封的部分)产生裂缝，可以实现高效率长寿命的高压钠灯。

特别是，即使管壁负荷设定在大于19W/cm²小于等于23W/cm²的范围内也可以防止外围器具的端部发生裂缝灯不亮或使光束维持率下降。

此外，特别是，当上述陶瓷密封材料中含有氧化钇时，陶瓷密封材料难以和钇进行反应，可以提高光束维持率。进而，可以防止因钇的消失而使灯电压上升从而导致不亮灯的现象发生。

此外，在上述陶瓷密封材料中含有氧化钇的情况下，通过使上述陶瓷密封材料中的氧化钇的含量大于等于1重量％、小于等于20重量％，可以可靠地抑制多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界结合力的减弱，可以可靠地防止上述裂缝的发生，此外，在电极保持部的密封工序中可以提高作业效率。

此外，特别是，因上述多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径是10μm～150μm。故可以进一步抑制钇的偏析，除此之外，结晶之间的接触表面积变大，可以增加外围器具的机械强度。因此，可以进一步防止外围器具的端部发生裂缝，进一步延长使用寿命。

进而，优选上述多结晶体氧化铝陶瓷的上述氧化钇的添加量是10ppm～150ppm。由此，可以进一步减小钇的偏析量，同时，可以减小封入的钠因和多结晶体氧化铝陶瓷的反应或向发光管外部扩散而消失比例，可以防止光束维持率的下降。

附图说明

图1是本发明实施方式的高压钠灯的局部切口正视图。

图2是该高压钠灯使用的发光管的正剖面图。

图3是该高压钠灯使用的发光管的主要部分放大剖面图。

图4是表示实验中使用的陶瓷密封材料的组成的图。

图5是表示本发明实施方式的高压钠灯的光束维持率(％)的图。

符号说明

1 高压钠灯

2 套筒

3 外管

4 灯头

4a 外壳

4b 孔部

5 发光管

6 起动装置

7，8 引线

9 电极保持部

10 起动辅助导体

11 外围器具

12 贯通孔

13 陶瓷密封材料

14 电极

14a 电极棒

14b 电极线圈

15 放电空间

具体实施方式

下面，使用附图说明本发明的最佳实施方式。

如图1所示，本发明实施方式的灯输入(额定功率)为360W的高压钠灯1总长T₁为245mm，外径R₁为50mm。该高压钠灯1包括一端封闭、另一端由套筒2封住的、例如由硬质玻璃构成的圆筒状的外管3、安装在该外管3的套筒2一侧的螺纹式灯头4、容纳在外管3内的发光管5和同样容纳在外管3内的套筒2和发光管5之间的位置上且用来起动发光管5的众所周知的起动装置6。

外管3的长度方向的中心轴X和发光管5的长度方向的中心轴Y差不多一致。

将2根引线7、8封入套筒2中。各引线7、8的一端引入外管3内，与发光管5的后述的电极保持部9进行机械的和电的连接。引线7、8的另一端向外管3的外部引出，一根引线7的另一端与灯头4的外壳4a连接，另一根引线8的另一端与灯头4的孔部4b连接。

再有，引线7、8通常是将多根金属线作成一体来构成。

对外管3内部进行真空排气。

在发光管5的外表面，沿着其长度方向附设起动辅助导体10。

如图2所示，发光管5包括长度T₂为120mm、外径R₂为7.9mm、内径r₁为6.4mm的圆筒状外围器具11、插入设在该外围器具11的两端的直径为4.1mm的贯通孔12中且由陶瓷密封材料13进行气密封的电极保持部9和设在该电极保持部9的前端的电极14。此外，在该发光管5内，分别封入预定量的以钠汞齐(20重量％的钠和80重量％的水银)形态存在的作为发光物质的钠、作为缓冲气体的水银、作为辅助起动的、例如是氙气的惰性气体。进而，该发光管5的管壁负荷是21.1W/cm²，这时的管壁温度变成1240℃。

外围器具11由以氧化铝(Al₂O₃)作为其母体并分别添加了500ppm的氧化镁(MgO)、400ppm的氧化锆(ZrO₂)和50ppm的氧化钇(Y₂O₃)的多结晶体氧化铝陶瓷构成。这里，作为外围器具11的材料的多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径因后述的理由而设在10μm～150μm的范围内，例如是30μm。

电极14由钨制的电极棒14a和缠绕在该电极棒14a的前端且充填了电子放射性物质(未图示)的同样是钨制的电极线圈14b构成。电极14间的距离L是85mm。

如图3所示，电极保持部9由长度T3为20mm、外径R3为4.0mm的有底桶状的铌管构成。利用熔接等连接电极保持部9的前端(底部)和电极棒14a。

再有，作为电极保持部9，除了有底的筒状铌管之外，还可以使用例如中空状或棒状等众所周知的各种电极保持部。

陶瓷密封材料13厚度为30μm～70μm，其成分至少含有钇(Y)。陶瓷密封材料13中的钇也可以以复合氧化物或磷酸化合物的形态出现，但是，最好以氧化钇(Y₂O₃)的形态出现。通过以氧化钇的形态出现，可以抑制陶瓷密封材料13和发光管5内的钠起反应。结果，可以抑制钠的消失，提高光束的维持率，同时，可以防止因钠的消失而使灯电压上升从而不亮灯的情况的发生。

然后，进行确认作为如上所述的本发明的实施方式的灯输入功率360W的高压钠灯1的作用效果用的试验。

首先，使用具有图4所示那样的的组成的各种不同的陶瓷密封材料，分别制作出各100根将电极保持部9气密封在外围器具11中的灯输入为360W的高压钠灯(实施例1～实施例8、比较例1～比较例3和现有例1)。使用灯输入400W的高压水银灯用的众所周知的铜铁稳定器，像通常那样点亮各个制作出来的灯，考查了点灯初期时的灯效率(lm/W)、点灯初期时的光束(lm)、显色评价指数Ra和有无裂缝的发生。对外围器具11的端部、特别是由陶瓷密封材料密封电极保持部9的部分进行了有无裂缝发生的考查。

并且，实施例1～实施例8以及比较例1～比较例3除了陶瓷蜜蜂材料的组成分别不同这点以外，具有与如上所述的灯输入360W的高压钠灯1相同的结构。

再有，现有例1除了使用由在作为母体的氧化铝中只添加了为0.1重量％～0.2重量％的氧化镁的多结晶体氧化铝陶瓷构成的内径为7.5mm的外围器具、管壁负荷设定为18.0W/cm²、管壁温度设定为1120℃的点之外，是具有和比较例3的灯同样的结构的灯输入为360W的高压钠灯。

此外，这里所说的‘点灯初期’表示点灯经过100小时的期间。此外，后述的点灯初期的灯效率(lm/W)、点灯初期时的光束(lm)、光束维持率(％)和显色评价指数Ra的各值分别是各样品的平均值。

进而，作为点灯条件，将点灯5.5小时再熄灯0.5小时作为1个循环，反复进行该循环。

实施例1～实施例8和比较例1～比较例3的点灯初期的灯效率都是136(lm/W)，与现有例1的点灯初期的灯效率132(lm/W)相比，提高了3％。此外，点灯初期的光束是48800(lm)，与现有例1的点灯初期的光束47500(lm)相比，提高了3％。实施例1～实施例8、比较例1～比较例3和现有例1的平均显色评价指数Ra都是25。

此外，在实施例1～实施例8中，对于任何一个样品，点灯经过24000小时之后外围器具11的端部没有出现裂缝。另一方面，在比较例1～比较例3中，点灯经过14000小时之后外围器具11的端部开始出现裂缝且灯点不亮，点灯经过18000小时之后18％的灯的外围器具的端部出现裂缝，灯点不亮。再有，虽然在现有例中点灯经过24000小时之后也不发生裂缝，但是，这是因为像上述那样，现有例的管壁负荷(18.0W/cm²)比实施例1～实施例8和比较例1～比较例3的管壁负荷(21.1W/cm²)小。

对出现这样的结果的原因进行讨论，可以像下面那样来考察。

首先，在比较例1～比较例3中，通过分析裂缝发生的主要原因，可知该裂缝沿着多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界发生，且特别在该结晶粒边界偏析出作为多结晶体氧化铝陶瓷的一种成分的钇。若据此进行推测，钇越偏析，越产生缺乏钇的部分，因该钇的缺乏而使多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界的结合力变弱，从而产生微小的裂缝。进而，在外围器具11的端部，灯开关时的温度差显著增大，对该部分施加很大的热冲击，因此，所述微小裂缝逐渐增长，成为真正的裂缝。

另一方面，在实施例1～实施例8中，陶瓷密封材料13包含的钇在点灯中向多结晶体氧化铝陶瓷扩散，难以产生像上述那样的钇缺乏的部分，所以，可以认为多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界的结合力不会变弱，能够维持很强的结合力。

再有，具有由对作为像现有例1那样的母体的氧化铝中只添加0.1重量％～0.2重量％的氧化镁的多结晶体氧化铝陶瓷构成的外围器具的高压钠灯，即使陶瓷密封材料不包含钇，其外围器具的端部也不会发生裂缝。

在实施例1～实施例6中，当对在和上述同样的点灯条件下进行点灯且点灯经过24000小时为止的光束维持率(％)进行考察时，得到了图5所示的结果。

再有，光束维持率(％)是将点灯经过100小时后的光束设为100时的比例。

由图5可知，在实施例1～实施例6中，点灯经过24000小时后的光束维持率大于等于86.5％。在现有例1中，点灯经过12000小时后的光束维持率是87.5％，此外，通常，若光束维持率大于等于85％，认为实用上没有问题，所以，该值在实际使用时是足够的。

如上所述，若按照本发明实施方式的高压钠灯的结构，可以提高灯的初期特性(灯效率和光束)，而且，即使点灯经过24000小时，也可防止外围器具11的端部发生裂缝，可以实现高效率和长寿命。而且，管壁负荷设定在21.1W/cm²(稳定点灯时的管壁温度是1240℃)，与现有的高压钠灯的管壁负荷(15W/cm²～19W/cm²)相比，设定值提高了10％以上，尽管如此，即使在点灯经过24000小时之后也可以得到足够的光束维持率。

此外，制作了一种灯输入为360W的高压钠灯，除了通过改变外围器具11的内径使管壁负荷改变这一点之外，具有和实施例1同样的结构，当和上述同样对制作的各个灯考查灯的各种特性时，可以确认若管壁负荷在大于19W/cm²、小于等于23W/cm²(稳定点灯时的管壁温度大于1200℃、小于等于1300℃)的范围内，能够得到和上述同样的效果。

这里，为了通过可靠地抑制多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界的结合力变弱来可靠地防止裂缝的发生、并且提高电极保持部9的密封工序中的作业效率，氧化钇的含量最好是大于等于1重量％、小于等于20重量％。当氧化钇的含量不满1重量％时，陶瓷密封材料13包含的钇向多结晶体氧化铝陶瓷的扩散量不足，恐怕不能很好地维持多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒边界的结合力。另一方面，当氧化钇的含量超过20重量％时，陶瓷密封材料13的熔点过高，在电极保持部9的密封工序中，必须将陶瓷密封材料13的加热温度设定得很高，有使作业效率降低之虞。

此外，作为外围器具11的材料的多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径最好设定在10μm～150μm的范围内。由此，可以防止外围器具11的透光率的下降，同时，可以利用多结晶体氧化铝陶瓷的结晶粒阻止多结晶体氧化铝陶瓷中的钇在多结晶体氧化铝陶瓷中移动。因此，可以进一步抑制钇的偏析，此外，结晶之间的接触表面积变大，可以增加外围器具11的机械强度。因此，可以进一步防止外围器具11的端部发生裂缝，进一步延长使用寿命。

另一方面，当多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径超过150μm时，结晶之间的接触表面积变小，外围器具11的机械强度变弱，可能容易在外围器具11的端部发生裂缝。相反，当多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径不到10μm时，结晶粒边界过多，因放电发出的光在通过外围器具11时被该结晶粒边界吸收，结果，有使外围器具11的透光率降低之虞。

再有，在上述实施方式中，以灯输入为360W的高压钠灯为例进行了说明，但是，对于例如灯输入为70W～1000W的高压钠灯，也可以得到和上述同样的效果。

此外，在上述实施方式中，作为外围器具11的材料，说明了使用对氧化铝母体分别添加了氧化镁、氧化锆和氧化钇的多结晶体氧化铝陶瓷的情况，但是，即使使用添加了除上述添加物之外还添加氧化钪、氧化镝、氧化铽和氧化铪等的外围器具，也可以得到和上述同样的效果。当然，氧化锆不是必需的，也可以只添加氧化镁和氧化钇，此外，使用取代氧化锆而将氧化钪、氧化镝、氧化铽和氧化铪等和氧化镁、氧化钇一起添加的外围器具，也可以得到和上述同样的效果。

对于各添加物的添加量，可以根据添加物的种类或数量等适当决定，但是，例如，当作为添加物分别添加氧化镁、氧化锆和氧化钇时，最好分别添加100ppm～800ppm的氧化镁、200ppm～1200ppm的氧化锆和10ppm～300ppm的氧化钇。特别是氧化钇的添加量最好设定在10ppm～150ppm的范围内。这样，可以进一步抑制上述钇的偏析量，同时，可以减小封入的钠因与多结晶体氧化铝陶瓷的反应或向发光管5的外部扩散而消失的比例。因此，可以防止光束维持率的下降。进而，为了进一步抑制钇的偏析量，最好将氧化钇的添加量设定在100ppm以下。

工业上利用的可能性

本发明对于具有包括由特别添加了MgO、ZrO₂和Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷形成的外围器具的发光管的高压钠灯，可以防止在外围器具的端部发生裂缝，可以应用于必需要高效率且长寿命的用途。

Claims

1、一种高压钠灯，其特征在于，

具有发光管，该发光管在由分别至少添加了氧化镁MgO和氧化钇Y₂O₃的多结晶体氧化铝陶瓷构成的外围器具的两端部，利用陶瓷密封材料对前端部设有电极的电极保持部进行密封，而且，在其内部至少封入作为发光物质的钠，上述陶瓷密封材料包含钇。

2、如权利要求1记载的高压钠灯，其特征在于，

上述陶瓷密封材料包含氧化钇。

3、如权利要求2记载的高压钠灯，其特征在于，

上述陶瓷密封材料的上述氧化钇的含量大于等于1重量％、小于等于20重量％。

4、如权利要求1～3的任何一项记载的高压钠灯，其特征在于，

上述多结晶体氧化铝陶瓷的平均结晶粒径是10μm～150μm。

5、如权利要求1～4的任何一项记载的高压钠灯，其特征在于，

上述多结晶体氧化铝陶瓷的上述氧化钇的添加量是10ppm～150ppm。