金属卤化物灯的现状及研究进展

期
电压大大升高， 增 加 了 灯 启 动 的 困 难 程 度 。 图 10 所 示为灯内水蒸气 气 压 与 灯 的 击 穿 电 压 的 关 系 。 从 图 中可以看出， 水蒸气的增加会使灯的击穿电压成倍的 增长 。
图8
采用不同化合物保护钼箔及钼杆后其损坏情况比较
［ 5］
钼线圈杆 上 线 圈 腐 蚀 情 况
图3
我国金属卤化物灯的年度产量
趋成熟 。 无论泡壳 外 形 、 电 极 设 计、 封接工艺等都有 了长足的提高 。 陶瓷金属 卤 化 物 灯 作 为 HID 灯 大 家 族的新成员， 其性能 等 各 方 面 还 有 很 多 提 高 的 潜 力， 因此吸引了很多研究者的目光 。 3. 1 非饱和陶瓷金属卤化物灯 Hendricx 等人最 近 研 制 成 功 了 非 饱 和 卤 化 物 陶 瓷金属卤化物灯
［ 1］
图1
金属卤化物灯原型
—多 晶 氧 化 铝 — 了 灯 性 能 的 提 高。 而 陶 瓷 材 料— ( PCA ) 的耐受温度可 以 达 到 1 200℃ 以 上， 并且陶瓷 材料有许 多 石 英 材 料 不 具 备 的 优 点， 所 以 使 用 PCA 作为电弧管泡壳的 金 属 卤 化 物 灯 将 具 有 更 加 优 异 的 性能 。 这也是目前陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 受 到 广 泛 关 注 的原因 。 图 2 所示 为 几 种 不 同 的 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 电弧管的泡壳构 造 。 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 电 弧 管 从 最 初的 5 件套逐步向一体化过渡， 封接技术和工艺难度
图2
几种不同的陶瓷金属卤化物灯电弧管泡壳构造
陶瓷金属卤化物灯电弧管进行小批量整灯装配销售， 与国际上先进水平相比， 还有较大的差距 。 目前急需 对陶瓷金属卤化物灯进行攻关研究， 在陶瓷电弧管材 料与成型 、 电极与电 弧 管 泡 壳 焊 接 材 料 、 高性能的金 属卤化物发光体系 、 陶 瓷 管 壁 腐 蚀 改 进、 电弧管的热 应力分布和灯的生 产 工 艺 与 设 备 等 方 面 需 要 更 多 的 投入， 以尽快赶上国际先进水平 。 陶瓷金属卤化物灯 有高显色性和高光效的优势， 其应用领域除传统的大 型空间照明外还可以向室内照明过渡， 将来还可能进 入家庭照明， 因此具有更广阔的发展前景 。 3 金属卤化物灯最新进展 石英金属卤化物灯经过近几十年的发展， 已经日
图7
饱和及非饱和陶瓷金属卤化物灯 启动后光通量的增长情况
3. 2 灯
［ 3］
节能中功率陶瓷金属卤化物灯 Tu 等人 报 告 了 一 种 中 功 率 的 陶 瓷 金 属 卤 化 物 。 这种金 属 卤 化 物 灯 的 光 效 可 以 达 到 123 lm /
注: Sat × × 表示饱和陶瓷金属卤化物灯; UnSat × × 表示非饱和陶瓷金属卤化物灯 。
。图 8 所示为采用不同化
合物保护钼箔及钼杆后， 其在工作过程中损坏情况的 比较 。 从图中不难看出， 没有任何保护的钼箔及钼杆 损坏得极为迅速;而有保护的则损坏的较为缓慢 。 特 别是采用 BN 和 K 2 SiO 3 保 护 的 钼 箔 及 钼 杆 在 工 作 5 000h 以后才出现明显的损坏 。 3. 4 与钼线圈腐蚀程度有关的因素研究 Takahara 等人研 究 了 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 电 极 的
［ 6］
3. 7
冷却测试法 Kasuya 等 人 采 用 液 氮 对 HID 灯 进 行 冷 却， 以此
［ 8］
。陶瓷金属卤化物灯随着燃点时
作为加速 衰பைடு நூலகம்减 测 试
。 他 们 发 现， 采用冷却测试法
间的增加， 其 管 壁 会 因 电 极 蒸 发 而 发 黑 。 CeO 2 是 金 属 Ce 的一种高氧化 物， 它可以与氧化铝反应释放出 释放出的氧可以 与 管 壁 上 的 钨 反 应 氧而变成 Ce 2 O 3 ， 形成透明的氧化物， 从而改善灯的光衰情况 。 图 9 所 示为添加 不 同 剂 量 CeO 2 后 灯 的 光 衰 情 况 。 从 图 中 不难看出， 添加合适 剂 量 的 CeO 2 有 利 于 降 低 陶 瓷 金 属卤化物灯的光衰 。
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金属卤化物灯的现状及研究进展
陈育明 刘 洋
200433 ） （ 复旦大学电光源研究所 ， 上海
摘
要
简要介绍金属卤化物灯的发展历程及我国金属卤化物灯的 现 状 ， 重点介绍国内外相关研究的最 新进展 ， 可以看出 ， 金属卤化物灯尤其是陶瓷金属卤化物灯还有很大的发展空间 。 关键词 金属卤化物灯 现状 研究进展
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图5
饱和及非饱和陶瓷金属卤化物灯相关 色温随燃点时间的变化情况
( 2 ) 光效高， 显色性好 图 6 所示为饱 和 及 非 饱 和 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 的 光效及显色指数的对比情况 。 从图中可以看出， 在相 同的功率下， 非饱和陶瓷金属卤化物灯具有更高的光 效及显色指数 。 ( 3 ) 启动后光通上升快 图 7 所示为饱 和 及 非 饱 和 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 在 启动后 150s 内 光 通 量 的 变 化 情 况 。 从 图 中 不 难 看 出， 非饱和陶瓷金属卤化物灯在启动后约 30s 光通输 出就基本达到稳定了， 而饱和陶瓷金属卤化物灯在灯 启动 150s 时光通输出依然没有达到稳定 。
。与过去的陶瓷金属卤化物灯相
比， 这种金属卤化物灯的最大不同在于缩短了陶瓷管 两端的长度， 消除了 卤 化 物 凝 结 现 象， 使灯在稳定工 作时其内部的金 属 卤 化 物 得 以 完 全 挥 发 。 电 极 引 线 采用铱 、 钌等与钼 、 钨等的合金， 封接部位与氧化铝烧 结。图 4 所 示 为 烧 结 后 引 线 与 氧 化 铝 的 粘 结 情 况。 据测量， 粘结部位可以承受 200MPa 的气压 。 研究证明， 非饱和陶瓷金属卤化物灯与饱和陶瓷 金属卤化物灯相比， 具有以下优点: ( 1 ) 色温稳定， 不随时间变化 图 5 所示为饱 和 及 非 饱 和 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 的
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金属卤化物灯简介 最早的金属卤化物灯是由 Gilbert Reling 在 1961
年发明的， 其基本结构如图 1 所示 。 该研究的突破在 于发现可以在汞蒸 气 放 电 中 加 入 某 些 金 属 卤 化 物 以 提高灯的显色性， 并能提高灯的光效 。 金属卤化物灯 经过半个世纪的发展， 因其发光效率高 、 显色性能好 、 寿命长等特点， 已经广泛应用于体育场馆 、 展览中心 、 大型商场 、 工业厂 房 、 街 道 广 场、 车 站、 码头等场所的 照明 。 随着电子和材料技术的不断提高， 金属卤化物 灯不但在大型空间照明中得到广泛使用， 还逐渐在小 型空间和照明要求高的环境得到使用 。 通过选择合适的 金 属 卤 化 物 并 使 电 弧 维 持 在 较 高温度， 可以使金属卤化物灯获得较高的效率及显色 性， 但电弧 管 会 因 此 承 受 更 多 的 热 负 载 从 而 缩 短 寿 命， 因此在金属卤化 物 灯 中， 效率和显色性与寿命是 矛盾的
W， 而且调 光 时 色 温 偏 移 小 于 900K 。 根 据 他 们 的 实 330W 和 205W 的 这 种 类 型 的 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 验， 可以替代 400W 和 250W 的 石 英 金 属 卤 化 物 灯， 节能 率高达 21% 和 22% 。 3. 3 采用硼的氮化物保护钼箔及钼引线的技术 Voggenauer 等人报 告 了 一 种 采 用 硼 的 氮 化 物 保 护钼箔及钼引线的 技 术
。 研 究 发 现， 钼线圈的
图 10 灯内水蒸气气压与灯击穿电压的关系
腐蚀程度与线圈的 直 径 以 及 电 极 伸 出 的 长 度 有 很 大 关系 。 通过理论计 算， 他 们 还 发 现， 上述腐蚀过程与 电极连接部位的温度也有关系 。 3. 5 CeO 2 作为陶瓷金属卤化物灯释氧剂的研究 He 等 人 研 究 了 以 CeO 2 作 为 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 的释氧剂的情况
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我国金属卤化物灯的现状 从上 世 纪 90 年 代 起， 我国的金属卤化物灯开始
逐步走上快速发展轨道 。 随着对金属卤化物灯原理 、 工艺 、 材料和设备的 不 断 突 破， 我国的金属卤化物灯 开始了规模化生产， 特别是进入 21 世纪后， 我国金属 卤化物灯的产量得到迅猛发展， 如图 3 所示 。
［ 2］
虽然我国金属卤化物灯的产量很高， 但主要是传 统的石英金属卤化物灯 。 最近 10 年我国石英金属卤 化物灯的发展进入了成熟期， 不论是产品数量 、 质量 、 规格 、 技术与装备等 皆 有 较 高 的 提 升 并 日 趋 完 善， 逐 渐占领了国际市场 。 在工艺技术方面， 石英金属卤化 物灯也已经取得了很大的突破， 特别是中功率石英金 属卤化物灯的质量已经接近国际水平;小功率和大功 率石英金 属 卤 化 物 灯 的 性 能 提 高 也 很 快， 光源的寿 命、 光效已经可以满 足 国 际 市 场 的 需 要， 色温一致性 也有较大的改善 。 石 英 金 属 卤 化 物 灯 的 产 品 规 格 在 我国也比较齐全， 因此在国际上的竞争力在加强 。 这 主要得益于产业界对石英金属卤化物灯研究的积累， 一方面使工艺技术有很大的提高， 如对电弧管脱羟工 艺的改进 、 泡壳设计 和 装 配 控 制 的 精 细 化 、 排气系统 和启动气体的改进;另一方面灯用材料和相关设备的
。 石英金属卤 化 物 灯 由 于 石 英 材 料 特 性 的
限制， 其耐受的最高工作温度为 1 000℃ 左右， 这限制
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Dy 2 O 3 ， SiO 2 的 混 合 越来越 高， 目 前 多 采 用 以 Al 2 O 3 ， 物为主体的玻璃焊料， 其对金属卤化物有更强的抗腐 蚀能力 。
技术也提高很快， 如国产石英玻管的羟基含量大幅度 降低已可以进行普通产品的生产 、 电极材料已经能够 满足生产 要 求 、 金属卤化物发光体系逐步完善和提 高、 生产设备和测试 仪 器 已 经 能 够 国 产 化， 这对降低 对进口产品的依赖和生产成本有很大的帮助 。 但我们也必须认识到， 国际上的金属卤化物灯逐 步向陶瓷金属卤化物灯发展， 国外主要的大光源公司 已经进行了 20 年 的 研 究， 目前陶瓷金属卤化物灯产 品已经 系 列 化， 并 批 量 生 产 投 放 市 场， 产品功率从 20W 到 400W 。 我 国 陶 瓷 金 属 卤 化 物 灯 研 究 及 生 产 起步较晚， 目前也有 一 些 产 品 面 世， 但主要依靠进口
陈育明 等:金属卤化物灯的现状及研究进展
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1 － 饱和卤化物灯的光效;2 － 饱和卤化物灯的显色指数; 3 － 非饱和卤化物灯的光效;4 － 非饱和卤化物灯的显色指数 。
图6
饱和及非饱和陶瓷金属卤化物灯的 光效及显色指数对比情况
图4
电极引线与氧化铝的粘结情况
相关色温随燃点时间的变化情况 。 从图中不难看出， 饱和陶瓷金属卤化 物 灯 的 相 关 色 温 在 燃 点 过 程 中 呈 现周期性的振荡， 而非饱和陶瓷金属卤化物灯则不会 出现该现象 。
Status and Research Advances of Metal Halide Lamp
Chen Yuming Liu Yang
200433 )
( The Institute for Electric Light Sources ，Fudan University ，Shanghai
Abstract : This paper descripes briefly the development process and the status of the metal halide lamp and highlight the latest research advance at home and abroad. We can see that metal halide lamp especially ceramic metal halide lamp still has huge space for development. Key words : metal halide lamp ; status ; research advances