CN1947218A - 高压钠灯 - Google Patents

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CN1947218A
CN1947218A CNA2005800121541A CN200580012154A CN1947218A CN 1947218 A CN1947218 A CN 1947218A CN A2005800121541 A CNA2005800121541 A CN A2005800121541A CN 200580012154 A CN200580012154 A CN 200580012154A CN 1947218 A CN1947218 A CN 1947218A
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C·B·A·斯图尔
J·詹扎克
H·M·L·E·赫雷曼斯
J·C·M·亨德里克西
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    • H01J61/82—Lamps with high-pressure unconstricted discharge having a cold pressure > 400 Torr
    • H01J61/825—High-pressure sodium lamps

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Abstract

本发明涉及具有标称功率P1a的高压钠灯。这一设计为工作在甚高频(VHF)下的灯具有带有陶瓷壁且内管径为Dint的放电管，该放电管封闭出放电空间，在该放电空间内具有相互电极间距离为ed的一对电极，并且用具有纳摩尔份数(smf)的纳汞合金填充该放电空间。按照本发明，放电管具有最多为7的ed/Dint比率，最好介于大约5.5和4.0之间。

Description

高压钠灯
技术领域
本发明涉及一种适于在甚高频(VHF)下工作的具有尽可能高的发光效能的高压纳(HPS)灯。在工作时，该灯是由全电子驱动器(亦称作全电子镇流器)来驱动的。最好取会在灯中发生声共振的区段上的频率。
本发明还涉及一种包括用于操作所述高压钠(HPS)灯的全电子VHF驱动器的照明系统。
已知的PHS灯配备有带有陶瓷壁的放电腔或放电管。在本文中，陶瓷指的是由像单晶蓝宝石或高密度烧结多晶金属氧化物这样的晶体金属氧化物(例如多结晶氧化铝(PCA)和YAG)制成的壁或者象AIN这样的金属氮化物制成的壁。这些材料在本领域中是众所周知的，因为它们具有被制备成具有良好半透明特性(translucent)的性能。
在本说明书和这些权利要求中，放电腔、放电管和灯头(burner)是相互间等同的。
将灯设计成得以在不会发暗的稳定状态下工作时所对应的功率称为标称灯功率(Pla)或灯的标称功率额定值。
背景技术
标准的HPS灯除了其它用途外主要是供象公共照明这样的一般照明用的，并且因此将其设计成具有尽可能高的发光效能。这样做的结果是这些灯的彩色特性相当差。尤其是，对于这些灯而言，平均演色性指数(general color rendering index)Ra具有很低数值，通常不超过大约20。这些灯是针对靠常规镇流器工作而设计的，常规镇流器大多数具有感性元件作为稳流装置。靠这样的镇流器，标准HPS灯，称为SON Plus 50、70、100和150W灯，分别具有83、90、105和1171m/W的效能。这些灯的灯电压(Vla)在大约90到100V的范围内。为了在灯效能和场强之间达到可接受的折衷，选用钠摩尔份数(smf)在0.663和0.739之间的汞合金化合物。对于SON Plus 50、70、100和150W灯而言，结果得到的电极距离分别为37、39、45和59mm。对于目前已知的灯，要求灯电压为大约100V(在市电为220至240V的情况下)会对灯长度造成不利的后果，并且因此会对系统发光效能造成不利的后果，因为在象例如街道照明这样的一般照明应用中，较长的灯会表现出比较短的灯低的光学效能。针对相对较低的110至130V电源设计的灯的灯电压大约为50V。这些灯的缺点是因造成灯的发光效能总体较低的高电流值引起的相对较大的损耗。另一个缺点是由仅限于对低压电源的应用而形成的。
在已知灯的灯寿命期内，灯电压增长，并且在靠常规镇流器进行工作的情况下，灯功率也要增长，这会导致灯的放电管的壁温度升高。除此之外，市电电压也可能改变，这会导致较高的灯功率并且因此导致壁温度升高。为了达到可接受的使用寿命，将SON Plus灯设计以成能够在很大的程度上承受这些较高的壁温度。因此，将该灯设计成，在以标称功率进行工作期间，初始(100h)壁温度将会相对较低(低于1500K)。鉴于此，需要将PCA壁的厚度选择得相对较高(0.6-1.1mm)。相对较厚的壁需要相对较小的管径，以便补偿热损耗并且达到对壁温度的期望值(＞1400K)。壁温度的值太低会导致灯效能的损失，并且从而导致上述灯的发光效能的值低得不能接受。
除了限制壁温度之外，相对较厚的壁也将降低热应力，并且因此消除了在灯的起动和冷却期间PCA壁破裂的危险。
用于可靠地启辉灯的启动气体的压力相对较低。在SON-Plus灯中，使用Xe作为启动气体，其具有低于300mbar的低温压力(在室温下)。为了进一步有助于启辉，放电管一般配备有天线。Xe压力(pXe)低是为了在电极距离相对较大的前提下保证启辉电压低于2800V(由IEC标准确定)。
在灯靠常规镇流器进行起动的阶段中的某个时期内，灯电流是稳定操作条件下的大约2倍。需要针对这个较高的初始电流对电极加以设计。这样，对于在标称工作期间显著较低的电流而言，这些电极就相对过重了，这对灯效能是有害的。
标准的SON Plus灯是依靠镇流器损耗相对较高并且在寿命期内灯功率会发生改变的常规镇流器来进行工作的。这些都构成了已知灯的缺点。不过，当今的发光体都针对这些灯和镇流器的组合得到了优化。
不过，满足镇流器功能的新型全电子甚高频(VHF)驱动器在小型化、设计和节能方面提供了很多新的系统机会，它还能够实现成本的节省。可是，这些新的机会不能用目前已知的灯来达到，不论这些灯是依靠常规感应性镇流器来操作的时候，还是与依靠全电子VHF镇流器结合在一起，都不能实现这些新的机会，这被认为是已知系统的缺点。
发明内容
本发明的目标是提供适合操作于甚高频(VHF)的灯，并因此开拓全电子VHF镇流器的机会。
在第一实施例中，通过具有标称功率Pla、适合操作于甚高频(VHF)的高压钠灯来实现该目标，该灯具有带陶瓷壁且内管径为Dint的放电管，该放电管封闭出放电空间，在该放电空间内具有相互电极间距离为ed的一对电极，并且用具有纳摩尔份数(smf)的纳汞合金填充该放电空间，其中放电管具有介于大约5.5和4.0之间的ed/Dint比率。
根据本发明目的的灯的重要优点是在灯电压选择和因此电极距离选择上的自由。
在根据本发明目的的灯的进一步实施例实施例中，为全部灯的类型而选择的陶瓷放电管的壁的壁厚度(wt)尽可能较小：0.4≤wt≤0.6mm，以便在为了最优的发光效能而与较大的管径相结合下，保持壁温度足够高(≥1400K)。
在根据本发明目的的灯的进一步实施例中，灯的壁负载最多为30W/cm2。
在根据本发明目的的灯的再进一步实施例中，填充物是保持0.6＜smf＜0.75的汞合金化合物。这产生出最大效能和场强最佳化之间最优的折衷。
在根据本发明目的的灯的再进一步实施例中，选择较大的内管径(Dint)(例如，5-7.5mm对于标称功率额定值在90-140W范围的HPS灯；3-5mm对于在40-65W范围的HPS灯)相对于标称灯功率Pla要满足以下关系：0.045≤Dint/Pla≤0.08。以此，灯的发光效能得到优化。
在根据本发明目的的灯的再进一步实施例中，选择较短的电极距离(ed)(粗略地是对于相同的标称功率额定值的已知灯的ed的大约一半)相对于标称灯功率Pla要满足以下关系：0.2≤ed/Pla≤0.35。对于灯功率额定值较宽的范围，尤其在大约40至140W的范围，这导致灯电压Vla的值在大约40V至大约65V的范围。
在根据本发明目的的灯的再另一个实施例中，填充物还包括具有在常温下压力在400mbar≤pXe≤1000mbar范围的Xe。借助上述范围内的pXe，产生了灯效能和维护上的改进，同时能够维持足够低的突破电压。
在根据本发明目的的灯的再另一个实施例中，电极具备发射器，并且各个电极的电极棒相对于施加的额定和起动电流来说直径较小，其将电极损耗减到最少并且避免发射器和/或电极的溅射或熔化。电极的直径能够在额定灯功率下相对于平均灯电流(I1a)由下式确定：0.2＜(Delectrode)2/I1a＜0.45(较宽的范围)，最好0.25＜(Delectrode)2/I1a＜0.35(较窄的范围)。
对于使用全电子VHF镇流器来操作的本发明的灯可能带来的机会和相关的优点在此后作更详细地阐明。
灯功率Pla和壁温度Twa11的控制。提供镇流器功能的全电子驱动器借助于灯功率控制，最好借助功率稳定，提供了克服由于电源电压的改变和/或由于在灯寿命期内Na的损失而引起的功率改变(和因此产生的壁温度改变)的可能性。与相对较小的管径相结合的相对较厚的壁(0.6-1.1mm)的被迫使用由此终结了。在最优化的灯和/或系统效能中，对这些灯的参数能够进行新的最优的选择。具有较薄的壁和较大的管径的较高的灯效能(灯的发光效能)成为可能。如果灯的光通量要保持相同，这能够转化为较低的灯功率。
起动期间电流和/或功率的控制。如果最大的起动电流保持大约等于额定灯电流(在稳定状态下操作)，则起动期间浪费的功率显著地低于在使用常规镇流器来操作的已知的灯情况下的，在启辉和起动期间灯的电流能够达到工作于稳定状态期间的灯电流的两倍高。为了避免在起动期间破裂，对于最小化温度梯度作为时间的函数的较厚的壁不再是必要的。
在使用全电子VHF驱动器来操作的情况下，较短的电极距离可能产生较高的Xe压力。而且，VHF驱动器易于实现的谐振启辉导致启辉电压水平的降低，并且因此导致使用Xe的较高的填充压力的可能性。在本发明的灯中，天线对于灯的可靠启辉不再是必不可少的。没有天线，可获得略微较高的灯效能。此外，Xe压力的增大对数种灯的特性有积极的影响：电压、效能和维护。
使用全电子VHF镇流器，能够控制起动电流。通过保持最大的起动电流大约等于或低于额定电流，对于额定操作能够优化电极，其意味着电极直径能够非常小。然而，导致较低的灯电压Vla和因此较高的电流的较短的电极距离需要较大的电极直径。在本发明的灯中，得到的电极直径因此在事实上针对起动和额定操作都进行了优化，其意味着溅射或熔化机会较低，其导致电极的较好的维护和因此灯的较好维护。
70W的传统镇流器内大约14W和150W的镇流器内大约18W的相对较高的镇流器损耗能够借助全电子VHF镇流器的使用而有效的降低。根据本发明的用于65W和140W灯的VHF镇流器显示出分别仅有6和12W的损耗。这导致较高的系统效能。
根据本发明的灯是小型化的灯，其在小型化照明器具中得到有利地应用。灯是以在最优的系统发光效能、小型化和节能之间找出折衷的方式来设计的。得到的系统在像街道照明应用的普通照明中比现有的系统更有吸引力。
本灯依靠VHF镇流器来操作，最好构造成单级VHF镇流器以便将镇流器损耗减到最小。另外，VHF镇流器最好具有谐振启辉装置，其在启辉灯时应用谐振启辉，并且因此保持最大的启辉电压低于2kV。
附图说明
如在以上所提及的实施例所介绍的本发明的方面和本发明的进一步方面将参照附图作进一步阐明，其中：
图1示出了灯效能作为电极距离ed的函数的一些计算结果；
图2示出了在常数ed和在符合ΔλNa＝10nm的纳的压力下，放电电弧的效能(非灯效能！)作为smf的函数；
图3示出了计算出的灯效能作为放电管外径(dt)的函数；
图4给出了对于根据本发明的灯，脉冲启辉电压作为氙压力的函数，和
图5示出了根据本发明的灯实施例。
具体实施方式
与依靠常规的CuFe镇流器进行工作的情况相反，依靠电子镇流器，可以自由地选择灯电压。较短的光源(较短的电极距离)给出了更加有效地汇集(bundle)从发光体发射的光的可能性，结果使得所照射表面上的光通量更高。
较短的电极距离的结果是灯电压较低和因此灯电流较高。较高的灯电流会导致镇流器中的功率损失较高，这反过来会导致灯的效能降低(特别是在使用富汞汞合金来限制电压降的情况下)。最优的系统效能因此是灯、镇流器和发光体效能之间的折衷。
因此较低的电极距离(因此较高的灯电流)与较高的镇流器效能(＞90％)组合只有在使用VHF镇流器的时候才是可能的。VHF镇流器中的损耗明显低于常规镇流器中的损耗：按照本发明的66和140W的灯在Vla＝55V的情况下分别为6和12W，相比较而言，公知的70和150W SON Plus灯在Vla＝100V的情况下分别为14和18W。
发光体设计的实验表明，显著的较短的ed(短50％)导致被照射表面上的光通量增长至少5％。由于较短的ed而造成的灯效能的损耗因此应当至少保持在这个范围，但是最好灯的光通量应相等或甚至稍高，以在同等光通量下达到节能。
图1示出了对于66W和140W的灯，灯效能作为ed的函数的一些计算结果。如果相对于已知的灯的理想设计，10％的灯效能损失是可接受的，那么对于66W的灯，在计算出的壁厚度为0.56mm的情况下，ed应当具有大约为22mm的最小值，对于140W的灯，在计算出的壁厚度为0.5mm的情况下，ed应当具有大约为32mm的最小值。
这些根据本发明的66W和140W的灯头的计算出的效能分别为100和1241m/W，这两个计算结果与实际的实施例的测量值对应得非常好。
与用公知的70W和150W SON Plus灯实现的效能(分别为90和1171m/W)相比，这很明显是提高了，尽管ed很短。
对于根据本发明的这种66W和140W的灯，ed/Pla等于：
22/65＝0.34(66W)
32/140＝0.23(140W)。
对于可比较的公知SON Plus 70W和150W的灯，ed/Pla等于：
40/73＝0.54(70W)
64/154＝0.41(150W)，这两个值显著的较高。
对于这些计算，对所有的电极距离使用了800mbar的Xe压力，在剧烈减小电极距离的情况下得到了可比的效能。不过，在实际的实施例中，所需的启辉电压倾向于随着电极距离的减小而降低。从而在恒定的启辉电压的前提下，允许的Xe填充压力要比按照本发明的灯中高，导致较高的发光效能，并且具有类似的启辉性能。
在smf介于0.6和0.75之间的情况下，能够实现最优的电弧发光效能。较低的smf导致较高的灯电压，这将导致较低的电流和由此的电损耗减少，然而要以电弧效能较低为代价。高于0.75的smf值将导致较低的电弧电压，其伴有在电弧效能上可忽略不计的差别，但是同时总体电损耗的增加。在图2中，在ed恒定和Na压力与ΔλNa＝10nm相对应的情况下，放电电弧的效能(非灯效能！)表现为smf的函数。这里，Δλ定义为由放电管产生的光的频谱中自回归钠D线的最大值之间的波长间隔。从图2可以推论：如果要避免电弧效能下降超过10％，smf就要大于0.6。介于0.6和0.75之间的smf值建议作为电弧效能和灯电压之间的折衷。
较大的内径会得到更有效的HPS灯。如果这些直径与较薄的管壁结合，灯效能会有更大的增长。当然，最小的壁厚度受到最大允许的壁温度的限制。依靠全电子镇流器，灯功率不依赖钠的损失和电源的改变而得到稳定。通过灯功率的稳定，壁温度得到控制。这意味着与已知的依靠传统镇流器工作的灯比较，最初的较高的壁温度得到允许，其导致较高的灯效能。相反，较高Twa11的较薄的壁增加了加快钠损耗的风险。因此，建议壁温度保持低于1550K。这些要求导致最优的壁厚度为：0.4mm≤wt≤0.6mm。
图3示出了所求得的作为放电管外径(dt)的函数的灯的发光效能。电极距离ed以及对于Twall的值保持恒定。结果，对于壁厚度的值沿着所示的各自的曲线来变化。在框中的沿各自曲线上多个点上示出了wt和Dint的结果得到的值。这些曲线表明，对于140W灯，在放电管具有0.4mm较薄的壁、7.5mm的较大的外径的的情况下，效能大约为1251m/W。按照本发明的90W的灯，在对应6.5mm的内径Dint的7.3mm的外径dt的情况下，能够达到大约1141m/W的发光效能。
按照本发明的灯的Dint/Pla的相应的值为：
6.5/90＝0.07，对于100W的灯
6.7/140＝0.048，对于140W的灯。
对于已知的SON Plus 70、100和150W的灯，这些值分别为3.8/73＝0.052、4.0/100＝0.04和5.0/154＝0.032(这个区域的明显偏离)。
在ed恒定并保持Twall恒定的情况下，采用减小15％的Dint导致按照本发明的灯的发光效能发生显著的损失，这对进一步降低Dint设置了界限。
140W灯的0.6mm的壁厚度对应于大约5.2mm的Dint。计算出的发光效能下降到大约1201m/W。对90W灯，当壁厚度增加到与大约4.5mm的Dint和大约5.7的dt相应的0.6mm时，计算出的效能降低到大约1111m/W。
以上介绍的测算导致本发明的灯的ed/Dint比率介于大约5.5和4.0之间。对于已知的SON Plus灯，该比率大于10，并且随着标称功率的增加而增加到大于12的值。
本发明的灯的壁负载在15至25W/cm2的范围，最好在18至23W/cm2的范围，不过不应超过30W/cm2。壁负载在此定义为灯的标称功率的额定值(额定灯瓦数)与电极距离ed上的管内表面之间的比率。
较高的pXe有利于灯的数个参数：灯效能、灯维护和壁温度。对于较高的氙压力最重要的限制是要增大所需的启辉电压。
在图4中，对于按照本发明的灯，给出了作为氙压力函数的脉冲启辉电压。
如果使用谐振启辉器，即使启辉电压很低也足以保证可靠的启辉。对于按照本发明的140W灯，在氙压力为550mbar的情况下，选择2kV的启辉电压。将谐振启辉电压保持得相对较低，以便保持镇流器的价格和尺寸较低。
在使用全电子镇流器的情况下，能够使电极尺寸最小化(最小的导电损耗)。起动电流能够得到控制(保持在大约或低于稳定状态下相同的水平)，并且灯功率能够得到稳定(市电电压变化和纳的损失不会影响灯电压和功率)。因此针对标称操作得到了优化的电极在起动期间不会过热。可以针对起动和稳定状态的操作期间流经灯的电流来定义电极的尺寸。由于热传导与电极的横截面有关这一实际情况，选择了(De1)2/I1a作为规定对电极尺寸加以限制的参数。对于按照本发明的66和140W灯，测试了数种电极直径。在De1为0.6和0.9mm的情况下，得到了最佳结果，对应的电流分别为1.2和2.55A。
对于比率(De1)2/I1a，这意味着：
0.36/1.2＝0.3(66W)
0.81/2.55＝0.32(140W)
在比值介于0.2和上至0.45之间的情况下，达到了可接受的结果。
对于可比的SON Plus的70和150W灯，(De1)2/I1a为：
0.36/0.7＝0.51(70W)
0.81/1.5＝0.54(150W)，明显不同。
按照本发明的得到优化的灯最好具有处于从40到140W的范围内的标称功率的额定值。
制造和测试了数种灯的实施例。更多相关的数据在下表中示出。
  标称灯功率Pla(W)   66W   140W   90W
  PCA尺寸
  内径(mm)   4.50   6.31   5.2
  Dint/Pla(mm/W)   0.068   0.045   0.58
  壁厚度(mm)   0.54   0.51   0.51
  填充物
  汞合金化合物   15mg Na/Hg(smf＝0.630)   20mgNa/Hg(smf＝0.684)   20mg Na/H(smf＝0.680)
  Xe压力(常温下)(mbar)   568   442   442
  电极
  电极距离(ed)(mm)   22.6   32   27.8
  电极棒直径(mm)   0.600   0.900   0.730
  ed/Pla   0.34   0.23   0.31
  灯操作数据
  光输出(1m)   6711   17439   9816
  灯效率(1m/W)   102   125   109
  灯电压(V)   53.4   53   52
  灯电流(A)   1.24   2.6   2
  壁负载(W/cm2)   20.7   22.1   19.8
  Twall   1450   1550   1500
  色温TC(K)   1934   2014   2032
  演色性指数Ra8/Ra14   30/12   31/14   28/-
由各个实施例产生的光谱与大约为10nm的ΔλNa的值相对应。
使用单级的VHF镇流器会具有较高的效能(90％)。频率由140W的150kHz改变到65W的200kHz。应选择高于声谐振的操作频率。使用2kV的谐振启辉器。在启辉处理期间，最好利用VHF灯的操作频率的三次谐波频率。
起动电流大约等于或者稍微大于标称电流。允许选用相对较薄的电极。
本灯配备有封闭放电管的外灯泡，并且配备具有用于连接电源的电连接线的灯座。外灯泡与放电腔之间的封闭空间最好是真空的。用氮气或其它任何惰性气体填充这个该空间，在本领域中是公知的技术。尽管放电管的壁负载有可能较高，但是实验表明，终归总是会有效能损失的。
图5示出了本发明的灯的实施例。该图不是按比例绘制的。图中，1表示外灯泡，其配备有灯帽2。外灯泡封闭了具有陶瓷壁30和封闭着放电空间10的放电管3。在放电空间内，以相互电极距离ed安排一对电极对4、5。电极4借助引入元件40和导电体80、81和8与灯帽的电触点2b进行电气连接。电极5借助引入元件50和导电体90和9与灯帽的触点2a进行电气连接。

Claims (9)

1.高压钠灯，其具有标称功率Pla，所述高压钠灯适合于在甚高频(VHF)下工作，具有带有陶瓷壁且内管径为Dint的放电管，该放电管封闭出放电空间，在该放电空间内具有相互电极间距离为ed的一对电极，并且用具有纳摩尔份数(smf)的纳汞合金填充该放电空间，其特征在于放电管具有介于大约5.5和4.0之间的ed/Dint比率。
2.根据权利要求1的灯，其特征在于壁厚度(wt)为0.4≤wt≤0.6mm。
3.根据权利要求1或2的灯，其特征在于所述灯具有最多为30W/cm2的壁负载。
4.根据权利要求1、2或3的灯，其特征在于：
0.2≤ed/Pla≤0.35；
具有0.6＜smf＜0.75的汞合金化合物；
放电管内径Dint与标称灯功率Pla的比率为0.045≤Dint/Pla≤0.08；
壁厚度(wt)为0.4≤wt≤0.6mm。
5.根据权利要求1、2、3或4的灯，其特征在于填充物还包括在室温下压具有处于400mbar≤pXe≤1000mbar的范围内的压力的Xe。
6.根据权利要求1、2、3、4或5的灯，其特征在于电极配备有发射器，并且各个电极具有电极直径，所述电极直径在标称灯功率下相对于平均灯电流(I1a)被规定满足以下关系：0.2＜(Delectrode)2/I1a＜0.45，最好0.25＜(Delectrode)2/I1a＜0.35。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6的灯，其特征在于灯发出在标称操作条件下具有色温TC最多为2500K的光。
8.照明系统，其包括用于操作根据权利要求1至7中任意一项所述的灯的全电子VHF驱动器。
9.根据权利要求8的系统，其中VHF镇流器配备有谐振启辉装置，借助该谐振启辉装置在启辉所述灯的过程中应用谐振启辉。
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