陶瓷金卤灯中存在的问题及改进方法

陶瓷金卤灯中存在的问题及改进方法

陶瓷金卤灯

杨正名、何文馨、张玉生、高光义

广东雪莱特光电科技股份有限公司

一、概述

陶瓷金卤灯受到照明业界的十分重视并非偶然，经过十余年的实践考验，其高超性能如高光效、高显色和长寿命已为人们所认同。虽然市售陶瓷金卤灯中即使最著名品牌也出现不少瑕疵，但这并不能掩盖其优点。近年来，陶瓷金卤灯的应用正在各个领域开拓和普及，相应的各种与专用功能相适应的灯型结构正在不断开发，无论生产或是应用近期内在我国必有大的突破。

陶瓷金卤灯的开发和应用在我国起步较晚，一则是由于这是一种高技术被垄断的产品、产量不多、售价奇贵，人们常常不敢问津。由于这种灯生产技术要求很高、装备复杂昂贵、投资巨大也使很多投资者望而却步，这些因素延缓了陶瓷金卤灯在我国的发展。

近年来，陶瓷金卤灯在欧美已逐步普及，我国的应用也开始扩大，很多照明界的科技人员和企业家已把注意力集中到这一产品上。然而由于这确实是一种技术难度很大的产品，与我国当前的技术与装备水平有较大差距，对原辅材料和工艺的了解不多，一些开拓者也常常只是套用高压钠灯装备、材料和技术来制造陶瓷金卤灯，因而其产品的性能参数和寿命很难达到应有水平。

事实上不只我国企业，甚至某些最著名的大型跨国公司的产品也仍存在不少问题、甚至严重质量问题，由此可以说明其质量与技术确实不易掌控。

二、陶瓷金卤灯

陶瓷金卤灯是多晶氧化铝陶瓷制造电弧管管壳，这种陶瓷是一种半透明材料，其实他的透光率高达96～98%，超过玻璃和石英，但由于直线透光率不超过30%，所以就成了半透明了。这种陶瓷材料能承受比石英高200℃以上的高温，制成电弧管后正常运转温度可以高达1200℃，加以其导热率较高，电弧管本身温度分布较为均匀，即使冷端也在900℃以上，因此充入其中的金属卤化物能充分蒸发，

这是陶瓷金卤灯的光效和显色指数高而稳定的原因。陶瓷泡壳的热稳定性和化学稳定性很高，与充入电弧管的材料不发生化学反应，又不存在钠渗漏问题，因此灯性能稳定、光衰小、寿命长。

图1- 陶瓷泡壳几种基本结构形状

经过20年的研发和改进，目前灯的基本结构已经定型，虽然专利繁多结构也略有差异，但基本是中央为一个较大的电弧管管体和二端对称设置一对支托电极的袖管(图1)。其管体存在二种基本结构，即圆柱形(a)和球形(椭球或类似球形)泡壳(b)，前者为飞利浦和GE的专利，他采用的是五件或三件装配结构，后者为整体球形结构，欧司朗使用的则是中间有接缝的二件组装球形结构(c)，此外还有多种圆柱状的二件及三件组装结构的电弧管(d)。

多件组装电弧管壳是利用烧结时外套件收缩率大而使各组件紧箍在一起，并在交界面晶粒相互交错生长而结成一体的。但如材料、工艺及烧结温度等略有偏移则结合部可能产生气线、气泡，制成灯后难以承受运转时反复的热冲击而导致放气漏气或炸裂。整体结构泡壳虽然成型较为复杂，但具有较好的质量保证。

陶瓷金卤灯的另一结构上的特点是电极，GE、飞利浦的电极结构示如图2。

图2- GE及飞利浦的电极结构

其结构是在铌杆前端为一绕有钼螺旋的较细钼杆，钼杆前端则为一段更细的钍钨丝杆，其前端绕有数圈钨丝。此种结构的电极直径较粗能填满电弧管的袖管，但又有相当柔性，不致因温度变化而给陶瓷袖管过大应力使之撑裂;这种电极有足够好的电导率，而热阻较大，从电极尖端或电极引线传向陶瓷袖管的热量较少，不致引起过高升温而影响封接可靠性。

上述电极结构虽然十分巧妙可靠但制造复杂，而且在电极与陶瓷袖管之间存在较大空隙，运转时大量金属卤化物渗入并沉积其中，影响灯参数如灯压降、光通量、色温和显色指数的稳定性。

雪莱特电极改为二段式结构(图3)，在封接处铌杆之后采用较粗的钍钨电极杆，其靠近铌杆的一端外绕有较细的钼螺旋，在钍钨丝前段则绕有数圈纯钍丝，并且在中段钼螺旋外涂有陶瓷覆盖层。这样的电极制作较为简单、电导率很高，而热导率则不大。其优点是电极能承载更大的电流，而且电极引线与陶瓷袖管之间的空隙大部份为陶瓷涂层填满，灯参数的稳定性得到进一步的提高。

图3- 雪莱特陶瓷金卤灯电极

图4-雪莱特陶瓷金卤灯的几种基本结构

为进行对比，几种有关光源的主要参数示如表1，从陶瓷金卤灯的主要参数可以看出陶瓷金卤灯是一种性能优越的灯种，由于它的高显色性和较低的色温使之成为唯一的可以替代白炽灯和卤素灯的灯种。欧美家庭现在仍然大量采用无紫外、低色温、高显色的白炽灯，而该地区国家已公布2012年将全面禁止使用白炽灯，所以在这一方面小功率陶瓷金卤灯将会有极为广阔的市场。

表1-几种有关光源的参数

由于陶瓷金卤灯的壁负荷、运转温度均高于石英金卤灯，运转时紫外辐射较强，因此必须采用能吸收紫外线的石英或玻璃材料作外罩壳。外罩壳的另一个非常重要的作用是保温，由于陶瓷电弧管材料的热导率很高，电弧管温度分布均匀，壁温度很高且壁内外温度差较小。如将电弧管裸露在大气中运转则上升气流将带走大量热量，使电弧管温度下降200℃左右，使电弧管的正常运转条件破坏，灯参数大幅下降，其优越性能完全丧失，图5给出了实际测量的裸电弧管及整灯的表面温度分布。

表2- 39W 陶瓷金卤灯电弧管光电参数测试结果

表3- 39W 陶瓷金卤灯成品灯光电参数测试结果(与表2为同一电弧管)

图5-裸电弧管及成品灯的温度分布照片

三、陶瓷电弧管管壳是灯质量的关键

在陶瓷金卤灯的实际工作条件下，灯中电弧温度高达6000K，而管壁温度达1500K，工作气氛在20个大气压以上。点灯时含有大量金属卤化物分子、金属原子以及强腐蚀性的卤素原子的高温气流图6- 某公司泡壳数千小时后的晶界表面

不断冲刷电弧管内壁，即使高度稳定的陶瓷壳也难以承受。图6表明了某著名公司的品牌产品在使用数千小时后的陶瓷壳壁内表面晶界因腐蚀而产生的沟槽及子晶表面蚀洞，该图所示情况还是好的案例。国内一些陶瓷泡壳研制单位采用国产材料并完全按照高压钠灯的配方和工艺制作陶瓷金卤灯泡壳，这是一个原则性错误。高压钠灯陶瓷管的材料配方是为抵御碱性气体的腐蚀而设计的，用这种配方制造陶瓷金卤灯泡壳必然难以抵御高温、强腐蚀酸性气流的冲刷，结果不但污染灯中气氛造成光衰、发黑等现象，同时还削弱管壳的强度，在使用过程中灯色温较大的改变，电弧管漏气和炸裂自然也就可以找到。图7- 某公司炸裂泡壳原因了，图7、图8。