小功率鈉高壓燈的製作方法

2023-05-29 04:03:21 1

專利名稱：小功率鈉高壓燈的製作方法
技術領域：
本發明涉及放電管至少含有鈉和氙的小功率鈉高壓放電燈。
它尤其涉及功率最大為100W，而氙壓極高的鈉高壓放電燈。在通常情況下，這類燈泡擁有氧化鋁製成的圓筒形放電管，放電管安裝在透明的外殼中。
鈉高壓放電燈構造的基本要點已久為人知。很久以來，也已人所共知的是，為提高這類燈泡的發光效率，應採用相對高壓的氙。例如，在有關專著，德格羅和萬福霖(De Groot/Van Vliet)的「高壓鈉燈」(TheHigh-Pressure Sodium Lamp)(菲利普技術叢書Philips TechnicalLibrary，Deventer，1986)的第299和300頁上講到，如果-對所謂超級燈泡-採用20至40kPa(200至400mb)的氙冷充填壓取代大約30mb的常用標準充填壓，發光效率可以提高10％至15％。
同時在該書第299頁上指出，鈉高壓放電燈的發光效率隨燈泡功率減小而大幅度下降。在增高氙壓後，功率50W燈泡的發光效率最高也只有85lm/W，而功率400W的燈泡發光效率卻可以達到約138lm/W。
在DE-PS2600351中描述了一種專門適用於所謂自穩定工作狀態的無汞鈉高壓放電燈，其鈉工作壓為PNaB＝4至93mb，氙工作壓為PXeheiss≥800mb，壓力比為PNaB/PXeK(heiss)≤1/20。考慮到氙工作壓和氙冷充填壓PXeK間的常用換算係數為8(見DE-AS2814882，Sp.2，中間)，則由此得出壓力比為PXeK/PNaB≥2.5。在自穩定工作狀態時應儘量讓鈉高壓燈在沒有預啟動器的條件下工作。在這種工作狀態下長的等離子體衰變時間是必須的，等離子體由充填氣形成。為了獲得長衰變時間，如所周知，採用相對高的氙壓，以及相對大的放電管內徑(見上述德格羅和萬福霖專著第126和154頁)。依據德格羅和萬福霖第155頁所述，鈉高壓燈的自穩定工作狀態由於在點燃和電網電壓突然變化時出現問題而未能找到實際應用。
在DE AS2600351中用實例描述的鈉高壓放電燈有400W的大功率和7,6mm的極大內徑。氙冷充填壓為260mb，壓力比PXeK/PNaB大約為3,5。從而在400W大功率時僅僅得到110lm/W的較低的發光效率。在該文中既沒有努力，也沒有獲得相對於其他鈉高壓燈特別高的發光效率。依據德格羅和萬福霖的

圖10.18(第299頁)在400W功率時可以得到更高的發光效率，直到138lm/W。為了進行比較，在這裡把發光效率與燈泡功率的原理相關性再次用圖3加以表示(見下文)。
在DE-AS2814882中描述一個不能自穩定的無汞鈉高壓燈。此處，參照鈉工作壓，當PNaB＝150至500mb(PNaB＝鈉工作壓)時，建議氙冷充填壓取1.25＜PXeK/PNaB＜6之間的一個值。此外，該壓力比PXeK/PNaB之值又與DE-PS2600351中描述的相符合。但是，在DE-AS2814882中(Sp.3，Z.41f)對進一步提高氙壓，使之超過這一上限持否定態度，因為會產生點火困難的缺點，而同時並不能提高發光效率。在70和100W小功率燈泡的實例中，PNaB＝230mb，氙冷充填壓大約為500mb。這相當於壓力比PXeK/PNaB大約為2～2.5。於是在功率為70或100W時，可以得到97或105lm/W的發光效率。這些數值在圖3(見下文)中用叉號標出，以作比較。
本發明的任務是，提供一種本文開始所述類型具有高發光效率的小功率鈉高壓放電燈。
該任務通過適當控制鈉的工作充填壓和氙的冷充填壓得到解決。在從屬權利要求中可以見到特別優異的設計。
依據本發明的小功率鈉高壓放電燈具有一個放電管，它至少含有鈉和氙。這裡，尤其把功率小於和等於100W理解為小功率。
此處，PNaB為鈉工作充填壓，PXeK為氙冷充填壓。令人驚訝的是，在小功率時，當選擇PNaB＝20至100mb，PXeK＝1至5bar，而且當同時保持PXeK/PNaB≥10條件下，與至今的學術觀點不同，可以典型地進一步提高發光效率20％。壓力比PXeK/PNaB處於10～30之間是有利的。
為了提高點燃電壓可在燈泡充填物中加汞。
氙壓超出至今已知的高氙壓鈉高壓放電燈(如奧斯拉姆(OSRAM)公司的NAV超級燈泡)的常用數值的3～10倍。此處，得到典型地超出NAV超級燈泡20％的發光效率。
前面提到的藉助增高氙壓(見德格羅和萬福霖專著第153和299-300頁)提高鈉高壓放電燈發光效率已在所謂NAV超級燈泡上得到商業利用。然而，本發明藉助進一步提高氙壓得到的發光效率的增大，與NAV超級燈泡的數值相比，卻是出乎意料的高，而且達到這種程度尚不為人所知。例如，在德格羅和萬福霖專著第300頁上講到，把氙充填壓提高到200～400mb時，發光效率比所謂標準燈泡(30mb氙冷充填壓)增加10～15％。而由於存在點火困難不可能進一步增壓。
本發明燈泡的令人驚訝的特性基於利用一種技術界至今沒有注意到的事實。雖然已經知道，鈉高壓放電燈的發光效率在燈泡功率小時明顯下降(德格羅和萬福霖專著第299頁，見下文圖3)。該處解釋，造成這一規律的原因在於，燈泡功率小時輻射效率比燈泡功率較大時要低，電極損耗也較大，然而，這個解釋不是正確的。主要原因更多地在於，對於燈泡功率而言放電電弧中的熱損耗的相對份額隨燈泡功率減小而增大。但是，當氙以足夠高的壓力用作緩衝氣體時，熱損耗由於氙的低導熱性而減少。燈泡功率越小，這一效應對發光效率的作用越有利。此時，有決定意義的是鈉和氙的壓力比，因為與氙不同，鈉具有高導熱性。氙壓相對於鈉壓越高，越能更多地減少熱損耗。其最終效應是，在小功率時，導致觀察到的發光效率的額外增加。
至少1bar(冷)的甚高氙壓，除提高發光效率外，還有其他一些優點1.因較小的熱損耗，可以得到較低的放電管外壁溫度。這例如可以用於延長壽命。替代的做法是，也可以縮小放電管，以至又達到原有的外壁溫度。因較高的功率密度而更進一步提高發光效率。
2.高氙壓阻止擴散。這在點火過程中能減少電極成分的蒸發，從而減緩由此產生的在電極範圍內的放電管壁發黑現象。從質的角度看，這一效應已從NAV超級燈泡那裡為人所共知。在甚高氙壓時，這一效應更加突出，由此，也進一步增加壽命。
3.在本發明的燈泡中氙因其甚高的壓力對點燃電壓作出很大貢獻。
由於氙不同於鈉，在室溫下也是氣體狀態，其貢獻與放電管的溫度無從屬關係。它對電網電壓的波動或製造離散分布起穩定作用。與此相反，在所有已知的燈泡中(例如依據DE-AS2814882)氙原子對點燃電壓的貢獻是微不足道的。那裡的點燃電壓幾乎只是由鈉原子數決定的，而鈉原子數極大地受最冷點(cold spot)溫度的影響，從而也受電網電壓的起伏或加工離散分布的影響。在添加汞的情況下，汞對調整點燃電壓也產生影響。
4.由於甚高的氙壓，燈泡在運行中有特別低的再點火峰值。它由於電極較小的負荷而延長燈泡壽命，並能較好地防止電網電壓突然波動產生熄火的可能性。
5.氙在鈉光譜中對受壓擴展而在中心自吸收的鈉共振譜線(D-譜線)的光譜分布起擴展峰值距離(Kuppenabstand)的作用。原則上這一效應是已知的(見德格羅和萬福霖專著，尤其是第16a頁，Plate1c)。藉此，可以在同樣色溫和顯色性時降低鈉壓。該效應在至少1bar(冷)的甚高氙壓時有極強的作用。在本發明中鈉壓與氙壓相比尤其需要調得很低，使共振譜線兩翼的峰值距離典型地保持為10nm，最多12nm。此時的一個重要前提是，要選擇比值PXeK/PNaB≥10和PNaB＝20～100mb。已經證實，在這些條件下產生最佳發光效率。與此相反，在DE-AS2814882給出的條件下，鈉的D-譜線兩翼的峰值距離至少有15～20nm，因為那裡PNaB相對而言是高的(見上文)。這可以藉助德格羅和萬福霖專著第87頁上給出的公式(3.28)加以估算。
從第3和第5點可以為選擇本發明典型的鈉蒸汽低的工作壓力20～100mb得出附加的理由。該低鈉壓有其多個優點1，在鈉蒸汽壓為20～100mb時，放電管的溫度在最冷點(coldspot)僅為840～950K。這個最冷點總是處於熔化點的附近。因此，該熔化點現在比已知的燈泡(見DE-AS2814882)典型地冷150K，由此減少因熔化點區域內滲漏造成的燈泡損壞。
2，由鈉造成的放電管壁的腐蝕，該腐蝕多半發生在容器中部，因鈉的分壓低而減緩。由此進一步改善壽命。
對於小燈泡功率(≤100W)，恰好可以通過利用商業中常見的改進型底座、支架和點火器有效地對付在DE-AS2814882中提到的更難點燃的缺點，只要氙壓不選得過高(超過5bar)。氙壓限制在3bar以內是有利的。這些改進部件已在奧斯拉姆公司的商用金屬滷素燈(例如HQI-E100W/NDL和WDL)中得到應用。與此相反，通常用於小功率NAV-燈泡的點火器在本發明燈泡上是不可能點燃的。
與DE-PS2600351相反，此處描述的燈泡既沒考慮也不適用於自穩定工作狀態。並且依據本發明達到的8～24bar的氙工作壓也大大地高於那裡給出的1.8bar的典型值。
在DE-PS2600351中描述的放電管的加熱對其啟動是必需的(也可用一臺常規預啟動器替代)，而這對本發明的放電管是不必要的。本發明的放電管傾向於擁有一個輔管(初期開口的鈮管)，通過該輔管可以用已知方法以高壓充填氙氣，並在充填過程結束後封閉輔管。
依據本發明的燈泡除鈉和氙以外，尤其可以在充填物中額外含有汞。對附加或不附加汞的燈泡，發光效率的增加幾乎一樣大。典型的加汞燈泡充填物採用含鈉為18％重量百分數的汞化物。
放電管的內徑優先為2.3～5mm，尤其最高4mm。在此尺寸時自始即已排除自穩定。與此相比較DE-PS2600351中給出的內徑要整整大一成。一般而言，放電管雖然是圓筒形的，但是它也可以有其他的幾何形狀，例如在中段是凸起的。
鈉高壓放電燈附加電容點火輔助措施是具有優點的，例如，沿放電管的一根導線。然而，與DE-PS2600351相反，依據本發明的燈泡不需要預熱。
這些燈泡常常有一根鈮輔管，如在德格羅和萬福霖專著第251頁圖8.30中描述的那樣。
這類燈泡可以藉助常規的或也經常藉助電子的預啟動器運行。
這裡描述的放電管優先考慮安裝在圓筒形或橢圓形外殼裡。
下面藉助幾個實施例詳細敘述本發明。現展示圖1鈉高壓放電燈圖2具有不同氙壓(含和不含汞)的不同鈉高壓放電燈(功率均為50W)之發光效率比較圖3具有不同燈泡功率和不同氙壓的不同鈉高壓放電燈之發光效率比較在圖1展示的功率為50W的鈉高壓放電燈有一個氧化鋁製成的放電管1。它安裝在一個圓筒形硬質玻璃外殼2中，外殼的一端用螺旋底座封死，另一端用圓頂9封死。外殼2抽成真空。
在內徑為3.3mm的放電管1中有兩個相對而立的電極4，電極距離EA為30mm。遠離底座的第一個電極4通過帶輔管6的管狀鈮導體5與饋線7相接，饋線接在一根結實的外置電流引線8上，外置電流引線沿放電管接到螺旋底座3的一個接點上。
第二個電極4也經過一個鈮導體5(然而無輔管)與金屬導線15連接。它經過另一根導線16接在底座3的第二個接點上。
放電管裝備有電容點火輔助措施，它由順著放電管的點火導線17組成。點火導線17在電路上是和第二個電極4接通的。
燈泡，例如，經過燈泡底座中的點火線路接在220V交流電網上。點火電壓為4kV。
放電管2中有充填物，充填物僅含有鈉和氙。氙冷充填壓(PXeK)為3bar，鈉工作充填壓(PNaB)為100mb，於是PXeK/PNaB＝30。
該燈泡達到5100lm光通量和102lm/W發光效率(見圖2，#1實心三角形測量點，在3000mb氙冷充填壓時)。與此相比較，迄今的氙冷充填壓為300mb的50W燈泡(超級型)僅達到4200lm光通量，相當於81lm/W的發光效率(見圖2，三角形框測量點)。在圖2中也給出了其他燈泡的發光效率，這些燈泡只有通常的最高100mb的低氙壓(標準型)。它在30mb時大約為70lm/W(見圖2，三角形框測量點)。
在圖3中參照德格羅和萬福霖繪出發光效率和燈泡功率的相關曲線。由以上實施例得到的數值(102lm/W，在50W燈泡功率時)用菱形測量點標出。它明顯地高出現有技術水平。
在第二個實施例中讓一個同樣結構的燈泡工作，它只有1bar氙壓和50mb鈉壓。此處比值PXeK/PNaB＝20。95lm/W(見圖2，#2實心三角形測量點，在1000mb氙冷充填壓時)的發光效率還是明顯高於熟知的燈泡。由於較低的氙壓，點火要比第一個實施例容易。點火電壓為3kV。
兩種燈泡尤其適用於備有較強點火器的新裝置。
在第三個實施例中同樣結構的50W燈泡附加充汞。此處採用含鈉18％重量百分數的汞化物，其餘為汞。這個燈泡在2bar氙冷充填壓、80mb鈉工作壓和壓力比PXeK/PNaB＝25.0時，顯示其發光效率為105lm/W(圖2中#3實心圓形測量點)。
與此相應，第四個實施例(50W)在1bar氙冷充填壓和同樣的鈉/汞比的情況下，顯示93lm/W發光效率(圖2中#4實心圓形測量點)。
作為比較，也給出了低氙冷充填壓(超級型和標準型)的含汞鈉燈的相應發光效率(圖2中圓形框測量點，在30～300mb時)。
在第五個實施例中運行的是一個基本相似的63W功率燈泡。充填物含有1bar氙和50mb鈉，但是不含汞。壓力比為PXeK/PNaB＝20。發光效率為98lm/W。這個燈泡用來直接替代具有相同光通量的125W汞高壓燈。它在燈泡底座中有一個功率減縮電路(相位截取控制)和一個點火電路。
在第六個實施例中，一個35W燈泡只用鈉和氙充填放電管，其內徑為3.3mm，電極距離為23mm。氙冷充填壓為PXeK＝2bar，鈉工作壓為PNaB＝90mb。與此相應，壓力比為PXeK/PNaB＝22.2。發光效率為98lm/W(見圖3，#6菱形測量點)，從而比這種功率的燈泡到目前為止期望的要高很多。
在第七個實施例中，一個70W燈泡用鈉/汞化物(見上文)和氙充填放電管，其內徑為3.3mm，電極距離為36mm。氙冷充填壓為PXeK＝2bar，鈉工作壓為PNaB＝75mb。與此相應，壓力比為PXeK/PNaB＝26.7。發光效率為115lm/W(見圖3，#7菱形測量點)，從而也比這種功率燈泡到目前為止所期望的明顯地更高。
在第八個實施例中，一個70W功率燈泡用鈉/汞和氙充填放電管，其內徑為3.7mm，電極距離為37mm。氙冷充填壓為PXeK＝1.5bar，鈉工作壓為PNaB＝85mb。與此相應，壓力比為PXeK/PNaB＝17.6。發光效率為108lm/W。
權利要求
1.帶有放電管的小功率鈉高壓放電燈，放電管至少含有鈉和氙，該處PNaB是鈉的工作充填壓，PXeK是氙的冷充填壓，其特徵在於，PNaB＝20～100mb，PXeK＝1～5bar，PXeK/PNaB≥10。
2.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，燈泡功率小於和等於100W。
3.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，PXeK/PNaB≤30。
4.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，PXeK≤3bar。
5.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，充填物另含有汞。
6.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，放電管是圓筒形的。
7.根據如權利要求6所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，放電管的內徑為2.5～5mm。
8.根據如權利要求7所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，內徑最大為4mm。
9.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，燈泡有電容點火輔助措施。
10.根據如權利要求1所述的鈉高壓放電燈，其特徵在於，在工作狀態下，鈉D-譜線兩翼的峰值距離最大為12nm。
全文摘要
本文描述的小功率鈉高壓放電燈以至少1bar的甚高氙冷充填壓為特徵。相對於鈉工作壓的壓力比處於10和30之間。從而在50～100W燈泡功率時達到大約100lm/W和更大的發光效率。
文檔編號H01J61/30GK1178388SQ9711980
公開日1998年4月8日 申請日期1997年9月30日 優先權日1996年10月2日
發明者W·格雷薩, D·施密特 申請人:電燈專利信託有限公司