CN86106082A - 高压水银蒸气放电灯 - Google Patents

Abstract

高压水银蒸气放电灯具有一个能密封气体、能透射辐射的陶瓷材料所制的放电壳，它装有包括一种稀有气体、水银、钠卤化物以及铊卤化物的充气物。其壁负荷值(电源消耗除以放电壳的外壁表面积)至少为一个25W/cm²。其放电壳的有效内径ID对电极间的间距EA的比值在0.4≤ID/EA≤0.9范围内。

Description

本发明涉及一种在工作期间具有给定电源消耗的高压水银蒸气放电灯，它有一个放电壳，其壳壁由能密封气体，能透射辐射的陶瓷材料制成;所述的放电壳围成一个放电空间，并装有一种包括稀有气体、水银、卤化钠以及卤化铊的可离子的充气物;在两个端壁部分的每一部分附近，一个电极被配置于所述的放电壳中，这两个互相面对着的电极顶端相互隔开一个距离EA（互距a    mutual    distance）。

例如，从美国3，363，133号专利说明书中可得知这种放电灯，该专利指出的一种放电壳由陶瓷材料，就是由密集地被烧结的多晶体氧化铝所组成。这种已知灯除包括有水银和卤素外，还包括有一种或多种诸如铊等的金属，此外还可包括有一种诸如钠的碱性金属。

把金属卤化物（在大部分情况下是金属碘化物）加到高压水银蒸气放电灯的可电离充气物中去的方法，对于具有石英玻璃放电壳的灯来说已使用了相当一段时期。其目的是要通过利用金属卤化物比金属本身更容易挥发的特性而在放电空间中得到更大密度的金属原子，因而金属对于由灯发射出的辐射来说有更大的作用。这就导致相对光通量的改进，并特别对灯的彩色再现性能有改进。因为诸如钠和锂的碱性金属本身对放电壳的石英玻璃壁非常容易腐蚀，所以用这些金属的卤化物。

在包含有金属卤化物的灯中，卤化物的压力是由放电壳内的最冷点的温度Tkp所决定的。Tkp的最大容许值是受放电壳的材料所限制的。在石英玻璃放电壳的情况下，Tkp大致不会高于800℃。人们已在早期就认识到利用能承受比较高热负荷的材料作放电壳的壁就可产生较高的卤化物压力。美国第3，234，421号专利说明书已经阐述了使用密集地烧结的氧化铝作为放电壳材料的可能性。

一种经常被用于石英玻璃灯中的卤化物充气物包括多半是添加铟卤化物的铊和钠的卤化物。实验指出，如果在上面指出的第3，363，133号美国专利说明书所述的陶瓷灯中使用了这样一种充气物，则和石英玻璃灯对比来说，可对相对光通量，同时也稍对彩色再现性能是有改进的。但是，这样的灯有某些显著的缺点而使它不能在实际中满意地使用。首先，其彩色再现性能对许多用途来说仍是不足的，而且这些灯本身之间在它们的色点方面有一种强的离散，因而在它们的使用寿命期间有变化。其次，可发现这些灯的色点在很大程度上取决于灯的电源消耗的变化。这些变化是由于在实践中不可避免的设备电压变化的结果。

美国第3，334，261号专利说明书中提到了包括稀土金属卤化物的充气物。已经发现，特别是带有镝、钬、铒、铥和/或镧等的灯是可以有满意的彩色再现性能的。这些灯的一个缺点是它们具有很高的色温（4000K或更高）。对实际使用来说，较低的色温常常是很需要的。如果要降低这些灯中的色温，则一般需用比较大量的钠卤化物。这就导致大大降低稀土金属对辐射（由灯发射的辐射）的作用，以致使灯的彩色再现性能受到不利影响。

本发明的一个目的的是提供在低的色温范围（约2600至4000K）中既能得到高的相对光通量，又能得到满意的彩色再现性能的灯。

按照本发明在开头段落中所描述的那种灯的特征在于其壳壁负荷（它可定义为电源消耗除以位于电极尖端之间的放电壳的壳壁部分的外表面面积之商）至少要有一个为25瓦/平方厘米的值;其特征也在于其放电壳的有效内径ID与EA间之比值在0.4≤ID/EA≤0.9范围内，其中ID定义为电极尖端间的放电空间的体积除以EA的商数的平方根值;以及其特征还在于放电壳的最大内径φi和EA的比值最多等于1.1。

本发明是基于对事实的认识，这种事实就是：如果在灯工作期间，在很低的钠分压下（at    very    low    partial    Na-pressures）位于589.0和589.6毫微米的Na-D谱线中的钠的放射有强的加宽和反向，则当钠的卤化物被用于灯的充气物中时就可得到满意的彩色再现性能。Na-D谱线可通过加宽和反向来决定频带所取的形状，随着放射被反向得越多，短波段被移到更短波长，而长波段被移到更长波长。所以反向的度量是以毫微米为单位的Na-放射频带的最大值之间的距离值△入。钠的长波发射带被移到频谱的红色部分，这对彩色再现性能是很有利的。已经发现更好的彩色再现性能，亦即更高的平均彩色再现指数Ra8可以在△入有更高值时得到。深红色的彩色再现指数R9，它在放电灯中常常是很大的负值（Which    is    often    negative    to    deeply    in    discharge    lamps），而在本发明的灯中可以呈现为正值（如果△入是相对高的话）。在得到所给定的彩色再现性能时的△入值还取决于灯的型式和内部充气物。因此，在具有低的电源消耗（例如小于100瓦）的灯中，较低的△入值一般就足以得到与具有更高电源消耗的灯同样的彩色再现性能，因为在这些低功率灯中，更高的水银压力是占优势的，所以增加范德瓦尔斯（Vander    Waals）加宽突出地对Na-D谱线的长波边（long    wave    side）是一个附加的贡献。

已经发现：对于Na-D谱线的强的加宽和反向来说，应当满足两个条件;第一，Na-D的放射作用要大。这涉及高的钠卤化物的压力并且因此也涉及最冷点Tkp的高温，例如900℃或更高。对Tkp的这种要求使石英玻璃不能用于放电壳。所以在本发明灯中使用一种能密封气体，能透射辐射的陶瓷材料来作放电壳的壳壁。一种很适宜的材料是呈密集地烧结的多晶体状、也可以是单晶体状（蓝宝石）的氧化铝。其他可用的材料是诸如密集烧结状的氧化钇和钇铝柘榴石。可获得本发明灯中的上述Tkp的高的值，其方法是通过对工作期间给定电源消耗的放电壳规定这样一个尺寸，以使其壳壁的负荷具有至少为25瓦/平方厘米的值。壳壁负荷的定义是电源消耗除以放电壳表面积的商数，这里仅考虑处于两电极顶端之间的放电壳外表面面积的部分。

第二个为获得足够高的△入而要满足的条件是在放电壳中的实际放电电弧应被足够厚的基态钠原子层所包围。这意味着放电壳必须满足一定几何尺寸的需要，特别是需要一种相当宽的放电壳。在本发明的灯中放电壳的有效内径ID与电极距离EA间的比值的范围为0.4≤ID/EA≤0.9。其中ID可理解为两电极顶端之间的放电空间体积除以EA的商数的均方根值。已经发现在拥有与圆筒形不同的放电壳的灯中，如果可满足上述ID/EA的条件，则围绕放电电弧也就形成一厚的基态钠原子外层，这样就可使Na-D谱线具有强的反向。如上面已经提到过的第3，363，133号美国专利说明书中指出的一种灯的ID/EA值为近于0.25。已经发现，对于ID/EA值小于0.4来说，所得到的△入就会太小，因而Ra8就会太低。大于0.9的ID/EA值是不用的，这是因为在这个值时，Tkp容易呈现太低的质。实验也已表明，对于具有诸如椭球形、球形或近似球形的弯度大的放电壳壳表面来说，就最大内径φi而言，需要另外加一个条件。实际上，φi与EA的比值必须不大于1.1，这是因为该比值为较高值时，即使ID/EA满足要求，所得到的Tkp太低。对于圆筒形放电壳来说，ID基本等于0.89φi，因此如果ID/EA满足条件时，则φi/EA的条件总是可满足的。

在本发明灯的一个最佳实施例中，放电壳的电极尖端及其邻近端壁部件之间的距离不大于最大内径的一半（即0.5φi）。在该情况下，灯内所需的最冷点高值就更容易达到，一般不需在灯端部采取额外的隔措施。

本发明的灯具有的优点是：对给定充气物来说，它们在其使用寿命期间只有少量被放射辐射的色点离散，以及很少的色点变化。这些灯的显著优点是：当电源在正当的电流范围内变化时，这些灯基本上不呈现任何彩色变化。已经发现，在某种意义上说，由于相当高的钠压和所用灯的几何形状的结果，使电源变化的影响互相抵消。

根据本发明对灯考虑所用的水银量，类似于已知的包含有金属卤化物的高压水银蒸气放电灯。通常，水银量主要是由灯内所希望的电弧电压来确定的。大功率的灯中的水银量经常是较少的（例如功率为2，000瓦量级时，每立方厘米的放电空间中至少有1毫克），并且是随功率降低而增加的（例如功率约为10瓦时，为每立方厘米100毫克）。

本发明灯中的充气物包括一些卤化物，最好是钠和铊的碘化物。钠的卤化物是过量的，也就是说，在灯工作期间还存在有未气化的钠的卤化物。在实践中，灯中的钠的卤化物的量一般是每立方厘米放电空间中至少有10微摩尔（对较高功率的灯来说）并随着功率的降低而采用较大的量值（例如对最小功率的灯，每立方厘米放电空间中可增到500微摩尔）。在灯中，铊的卤化物主要提供绿色铊辐射，以便与钠辐射复合成白色或基本上是白色的光。所选取的灯的特征在于铊的卤化物与钠的卤化物的摩尔的比值至少为0.05和最多为0.25。按照这个最佳实施例的灯可以以比较低的色温放射出光，这种光在某些用途中是很理想的（例如起居室所用的和装饰用的光）。色温取决于选用的Tl∶Na比值，此值从约为2500K（色点在黑色辐射体谱线以下一点而略有一点黄色的样子）。至约为3000K（色点在黑体谱线以上一点而略有一点绿色的样子）。带有基本上在黑色辐射体谱线上的色点的灯，其色温约为2700K。

本发明的灯的另一个有利的实施例的特征在于其放电壳还包括至少一种可辐射基本上是光谱的蓝色或紫色部分的金属卤化物，这种卤化物比钠的卤化物更易挥发，并且其中这种卤化物与Na和Ti复合的卤化物之间的摩尔的比值最高可达0.1。使用蓝色或紫色辐射体就可得到具有更高色温（被放射辐射的）的灯（高于约2700K）。为了维护满意的彩色再现性能，就要求比较少量地使用蓝色或紫色辐射体的卤化物，因为否则钠卤化物就会太稀薄而使△入受到不利影响。所以要选用挥发性的卤化物（在900℃时的饱和蒸气压力至少是比碘化钠的蒸气压力高10倍），其中这些卤化物对钠（Na）和钛（TI）复合的卤化物之间的摩尔的比值不大于0.1而最好约为0.01。这样就可得到具有高效的、满意的彩色再现性能的、以及色温可高达近于3200K的灯。这种被选取的灯包括至少一种由铟（In）、锡（Sn）、和镉（Cd）中至少一种元素所构成的卤化物，这是因为用这种卤化物可得到最好的效果。

另一个本发明灯的最佳实施例的特征在于其放电壳也包括至少一种由钪（Sc）、镧（La）、以及镧系元素中至少一种元素所组成的卤化物，其中这些卤化物对Na和TI复合的卤化物之间的摩尔的比值至少为0.02。该Sc、La、以及镧系元素可放射出包括许多分布在整个的光谱线，其谱线的中心一般是在光谱的蓝色部分，因此，如果这些元素只用在一只灯内，则可产生大于5000K的被放射辐射的色点。所以，这个实施例的灯与只包括有Na和TI的灯相比，可获得更高的色温而仍维持高的光通量和很满意的彩色重现性能。于是，Sc、La和/或镧系元素的卤化物对Na和TI复合的卤化物之间的摩尔的比值至少被选为0.02，这是因为这样就可使色温达到至少3000K。实际上，对于色温低于300K来说，以上所述的各种带有挥发性的蓝色辐射体的各实施例被发现是更有利的。在这些带有3000K或更高色温的灯中最好使用镝（Dy）、铥（Tm）、钬（Ho）、铒（Er）、以及镧（La）中的至少一种元素的至少一种卤化物。含有Dy的灯可有很高值的Ra8和R9，并有高达约为3600K的色温。于是镝的卤化物对钠、铊的卤化物的摩尔的比值最好是0.03或更大。含有Tm、Ho、Er、以及La之一种或一种以上元素可使灯具有高达约为4500K的色温，这里，这些镧系元素的卤化物对钠和铊的卤化物之间的摩尔的比值最好选为0.04或更大。

现在要参考附图和许多测量实例对本发明灯的各实施例进行说明。

附图表示根据本发明的一个高压水银蒸气放电灯的截面图，其功率消耗被指定为160瓦。

图中代号1表示本发明的灯的放电壳，其额定功率为160瓦。放电壳1具有圆筒形壳壁部分2，它是由密集烧结的多晶氧化铝制成的，它的总长度为19毫米，外径为8.45毫米，以及内径为6.85毫米。壳的端壁部件3、4和5、6也是由密集烧结的氧化铝制成的，它们被以密封气体的方式烧结到部件2的相应端。这些端壁部件分别为圆盘3和5（其厚度为2毫米），以及凸出的管子4和6。管子4、6的凸出部分的长度为8毫米，外径为3毫米而内径为2.05毫米。钨丝接脚7和8，其直径为0.2毫米，对应地与氧化铝密封件17和18一起，借助于以代号为9、10的抗卤化物的熔化玻璃而封装入管子4，6内。位于放电壳1里面的接脚7、8的末端组成电极11和12，对应地，带有互相面对的尖端13和14，并对应地装有钨电极灯丝15和16（每个灯丝由二层、5圈0.3毫米线径的导线组成）。在尖端13和14之间的距离EA为10毫米。放电壳1的有效内径ID为6.07毫米。因此ID/EA比值等于0.6（最大内径φi是6.85毫米，因而φi/EA＝0.685）。电极尖端13和14与端壁部件3、4和5、6之间的距离分别为2.5毫米。壳1的容积为0.55立方厘米。对于160瓦的这种灯的壁负荷是60瓦/平方厘米。在壳1中的放电空间容有包括可电离的水银、作为点燃气体的氩、以及各卤化物等的充气物。灯的放电壳1一般是装在一个外壳中的（未在附图中示出）。

例1：

一种具有如附图所示结构的灯装有12毫克的水银（放电壳1的每立方厘米容积中约有21.8毫克的Hg）以及压力高达200毫巴的氩。该灯还含有9.2毫克的碘化钠和碘化铊的混合物，其Na和TI之间的摩尔的比值为Na∶Tl＝92.5∶7.5。在灯工作期间，在电源消耗为160瓦时测得其相对光通量为93流明/瓦（lm/W）被放射辐射的色点座标是：X＝0.465，Y＝0.403，而色温Tc为2565K。其平均彩色再现系数Ra8被测得为89，而测得彩色再现系数R9为+20。测得各钠放射频带的最大值之间的间距△入为145毫微米。灯的电源消耗变化被证实为对色点影响小。灯功率为150瓦时，X＝0.466而Y＝0.404（Tc＝2560K）;以及在功率为175瓦时，X＝0.464而Y＝0.403（Tc＝2570K）。

例2至10：

9种具有如例1结构的灯装有一种碘化物的混合物，该混合物除包含Na和Ti的碘化物外，还含有一种蓝色辐射体（铟、镧或一镧系元素）的碘化物。与例1的灯相同，这些灯内装有12毫克的水银（例2的10.1毫克Hg和例9的10毫克Hg除外）。

下表指出每一例子的碘化物混合物的总质量M、所用的蓝色辐射体以及碘化物的摩尔的比值（the    modar    ratio）。此外，该表还指出在电源消耗为150瓦时的各种测量结果。其测得的数值为：相对光通量η（lm/W）、色点X和Y、色温Tc（K）、彩色再现系数Ra8和R9、以及间距△入（毫微米）。

例11

一种具有如附图结构而其功率被指定为110瓦的灯已被制成。该灯外径为6.0毫米，（最大）内径为4.8毫米（有效内径ID为4.25毫米）电极距离EA为8毫米。所以ID/EA比值为0.53。其端壁部件是由具有厚度为3毫米的圆盘和具有外径为3毫米的凸出管子所组成（凸出长度部分为7毫米）。电极尖端与对应端壁部件之间的距离为1.5毫米。放电壳的容积为0.2立方厘米。在功率为110瓦时时，壁负荷为73W/cm。该灯装有5毫克的水银（每立方厘米有25毫克水银）和压力高达200毫巴的氩。此外，该充气物中还加有4.9毫克的碘化钠和碘化铊的混合物（摩尔的比值是Na∶Tl＝92.87.2）。在该灯上可量得其相对光通量η＝88lm/W，色度座标X＝0.444，Y＝0.414;色温Tc＝2970K，Ra8＝84，R9＝-19以及△λ＝91毫微米。

例12及13

两种具有类似附图所示结构、而功率被指定为40W的灯已被制成。这两种灯的外径为4.4毫米，（最大）内径为3.5毫米。（ID＝3.1毫米）以及电极距离EA为3.5毫米。因此其ID/EA＝0.69。其端壁部件拥有一个厚度为3毫米的圆盘以及外径为2毫米、凸出部分的长度为3毫米的凸出管子。在电极尖端和端壁部件之间的距离为1.25毫米。其放电壳的容积为0.058立方厘米。在功率为40瓦时，其壁负荷为82W/cm²。该两种灯装有压力高达800毫巴的氩、水银（例12为2.89毫克，例13为3.63毫克）以及Na、TI和In的碘化物混合物。例12的灯含有2.4毫克的这种混合物，其摩尔的比值Na∶TI∶In＝84.95∶14.50∶0.54。例13的灯含有2.74毫克的这种混合物，其摩尔的比值Na∶T/∶In＝80.80∶18.67∶0.52。下表是在电源消耗为40瓦时的测量结果：

例12    例13

η（lm/W）    78.5    70

X    0.441    0.436

Y    0.378    0.399

Tc（K）    2715    2965

Ra8    89    92

R9    24    47

△λ（nm）    129    141

Claims (7)

1、一种在工作期间具有给定电源消耗的高压水银蒸气放电灯，它有一个用能密封气体、能透射辐射的陶瓷材料做外壁的放电壳，所述的放电壳围成一个放电空间，并被装有包括一种稀有气体、水银、钠的卤化物以及铊的卤化物的充气物，该放电壳内两个端壁部件的每一个附近配置一个电极，两个电极尖端被相互隔开一个距离EA而互相面对着，本发明的特征在于其壳壁负荷具有至少为一个25W/cm²的数值，壁负荷被定义为电源消耗除以位于两个电极尖端之间的放电壳的壁部分的外表面积之商数；其特征还在于放电壳的有效内径ID对EA的比值在0.4≤ID/EA≤0.9的范围内，ID被定义为两个电极尖端之间的放电空间的体积除以EA的商数的平方根值；以及其特征还在于放电壳最大内径Φ1对EA的比值最多等于1.1。

2、一种如权利要求1中所要求的灯，其特征在于在电极尖端与放电壳的邻近端壁部件之间的距离不大于0.5φi。

3、一种如权利要求1或2中所要求的灯，其特征在于其铊的卤化物与钠的卤化物之间的摩尔的比值至少为0.05而最多为0.25。

4、一种如权利要求1、2或3中所要求的灯，其特征在于其放电壳还包含至少一种基本上放射在光谱的蓝色或紫色部分中的一种金属的卤化物，所述的卤化物与钠卤化物相比更易挥发，而且所述卤化物对Na和Tl复合的卤化物之摩尔的比值不大于0.1。

5、一种如权利要求4中所要求的灯，其特征在于其放电壳包含至少一种由至少是由In、Sn和Cd元素之一所组成的卤化物。

6、一种如权利要求1、2或3中所要求的灯，其特征在于其放电壳还包含至少一种由至少是由Sc、La和镧系元素之一所组成的卤化物，所述的卤化物对Na和Tl复合的卤化物的摩尔的比值至少为0.02。

7、一种如权利要求6中所要求的灯，其特征在于其放电壳包含至少一种由至少是由Dy、Tm、Ho、Er以及La元素之一所组成的的卤化物。