小功率钠高压灯

本发明涉及放电管至少含有钠和氙的小功率钠高压放电灯。

它尤其涉及功率最大为100W，而氙压极高的钠高压放电灯。在通常情 况下，这类灯泡拥有氧化铝制成的圆筒形放电管，放电管安装在透明的外 壳中。

钠高压放电灯构造的基本要点已久为人知。很久以来，也已人所共知的 是，为提高这类灯泡的发光效率，应采用相对高压的氙。例如，在有关专 著，德格罗和万福霖(De Groot/Van Vliet)的“高压钠灯”(The High-Pressure Sodium Lamp)(菲利普技术丛书Philips Technical Library，Deventer，1986)的第299和300页上讲到，如果-对所谓超级灯 泡-采用20至40kPa(200至400mb)的氙冷充填压取代大约30mb 的常用标准充填压，发光效率可以提高10％至15％。

同时在该书第299页上指出，钠高压放电灯的发光效率随灯泡功率减小 而大幅度下降。在增高氙压后，功率50W灯泡的发光效率最高也只有85 lm/W，而功率400W的灯泡发光效率却可以达到约138lm/W。

在DE-PS2600351中描述了一种专门适用于所谓自稳定工作状态的无 汞钠高压放电灯，其钠工作压为PNaB＝4至93mb，氙工作压为PXeheiss≥800 mb，压力比为PNaB/PXeK(heiss)≤1/20。考虑到氙工作压和氙冷充填压PXeK 间的常用换算系数为8(见DE-AS2814882，Sp.2，中间)，则由此得 出压力比为PXeK/PNaB≥2.5。在自稳定工作状态时应尽量让钠高压灯在没 有预启动器的条件下工作。在这种工作状态下长的等离子体衰变时间是必 须的，等离子体由充填气形成。为了获得长衰变时间，如所周知，采用相 对高的氙压，以及相对大的放电管内径(见上述德格罗和万福霖专著第126 和154页)。依据德格罗和万福霖第155页所述，钠高压灯的自稳定工作 状态由于在点燃和电网电压突然变化时出现问题而未能到实际应用。

在DE AS2600351中用实例描述的钠高压放电灯有400W的大功率和 7,6mm的极大内径。氙冷充填压为260mb，压力比PXeK/PNaB大约为3,5。 从而在400W大功率时仅仅得到110lm/W的较低的发光效率。在该文中 既没有努力，也没有获得相对于其他钠高压灯特别高的发光效率。依据德 格罗和万福霖的图10.18(第299页)在400W功率时可以得到更高的发 光效率，直到138lm/W。为了进行比较，在这里把发光效率与灯泡功率 的原理相关性再次用图3加以表示(见下文)。

在DE-AS2814882中描述一个不能自稳定的无汞钠高压灯。此处，参 照钠工作压，当PNaB＝150至500mb(PNaB＝钠工作压)时，建议氙冷充填 压取1.25＜PXeK/PNaB＜6之间的一个值。此外，该压力比PXeK/PNaB之值又 与DE-PS2600351中描述的相符合。但是，在DE-AS2814882中(Sp.3， Z.41f)对进一步提高氙压，使之超过这一上限持否定态度，因为会产生点 火困难的缺点，而同时并不能提高发光效率。在70和100W小功率灯泡 的实例中，PNaB＝230mb，氙冷充填压大约为500mb。这相当于压力比 PXeK/PNaB大约为2～2.5。于是在功率为70或100W时，可以得到97或 105lm/W的发光效率。这些数值在图3(见下文)中用叉号标出，以作比 较。

本发明的任务是，提供一种本文开始所述类型具有高发光效率的小功率 钠高压放电灯。

该任务通过适当控制钠的工作充填压和氙的冷充填压得到解决。在从属 权利要求中可以见到特别优异的设计。

依据本发明的小功率钠高压放电灯具有一个放电管，它至少含有钠和 氙。这里，尤其把功率小于和等于100W理解为小功率。

此处，PNaB为钠工作充填压，PXeK为氙冷充填压。令人惊讶的是，在小 功率时，当选择PNaB＝20至100mb，PXeK＝1至5bar，而且当同时保 持PXeK/PNaB≥10条件下，与至今的学术观点不同，可以典型地进一步提 高发光效率20％。压力比PXeK/PNaB处于10～30之间是有利的。

为了提高点燃电压可在灯泡充填物中加汞。

氙压超出至今已知的高氙压钠高压放电灯(如奥斯拉姆(OSRAM)公司 的NAV超级灯泡)的常用数值的3～10倍。此处，得到典型地超出NAV 超级灯泡20％的发光效率。

前面提到的借助增高氙压(见德格罗和万福霖专著第153和299-300 页)提高钠高压放电灯发光效率已在所谓NAV超级灯泡上得到商业利用。 然而，本发明借助进一步提高氙压得到的发光效率的增大，与NAV超级 灯泡的数值相比，却是出乎意料的高，而且达到这种程度尚不为人所知。 例如，在德格罗和万福霖专著第300页上讲到，把氙充填压提高到200～ 400mb时，发光效率比所谓标准灯泡(30mb氙冷充填压)增加10～15 ％。而由于存在点火困难不可能进一步增压。

本发明灯泡的令人惊讶的特性基于利用一种技术界至今没有注意到的 事实。虽然已经知道，钠高压放电灯的发光效率在灯泡功率小时明显下降 (德格罗和万福霖专著第299页，见下文图3)。该处解释，造成这一规 律的原因在于，灯泡功率小时辐射效率比灯泡功率较大时要低，电极损耗 也较大，然而，这个解释不是正确的。主要原因更多地在于，对于灯泡功 率而言放电电弧中的热损耗的相对份额随灯泡功率减小而增大。但是，当 氙以足够高的压力用作缓冲气体时，热损耗由于氙的低导热性而减少。灯 泡功率越小，这一效应对发光效率的作用越有利。此时，有决定意义的是 钠和氙的压力比，因为与氙不同，钠具有高导热性。氙压相对于钠压越高， 越能更多地减少热损耗。其最终效应是，在小功率时，导致观察到的发光 效率的额外增加。

至少1bar(冷)的甚高氙压，除提高发光效率外，还有其他一些优点：

    1.因较小的热损耗，可以得到较低的放电管外壁温度。这例如可以

用于延长寿命。替代的做法是，也可以缩小放电管，以至又达到原有

的外壁温度。因较高的功率密度而更进一步提高发光效率。

    2.高氙压阻止扩散。这在点火过程中能减少电极成分的蒸发，从而

减缓由此产生的在电极范围内的放电管壁发黑现象。从质的角度看，

这一效应已从NAV超级灯泡那里为人所共知。在甚高氙压时，这一效

应更加突出，由此，也进一步增加寿命。

    3.在本发明的灯泡中氙因其甚高的压力对点燃电压作出很大贡献。

由于氙不同于钠，在室温下也是气体状态，其贡献与放电管的温度无

从属关系。它对电网电压的波动或制造离散分布起稳定作用。与此相

反，在所有已知的灯泡中(例如依据DE-AS2814882)氙原子对点燃

电压的贡献是微不足道的。那里的点燃电压几乎只是由钠原子数决定

的，而钠原子数极大地受最冷点(cold spot)温度的影响，从而也受

电网电压的起伏或加工离散分布的影响。在添加汞的情况下，汞对调

整点燃电压也产生影响。

    4.由于甚高的氙压，灯泡在运行中有特别低的再点火峰值。它由于

电极较小的负荷而延长灯泡寿命，并能较好地防止电网电压突然波动

产生熄火的可能性。

    5.氙在钠光谱中对受压扩展而在中心自吸收的钠共振谱线(D-谱

线)的光谱分布起扩展峰值距离(Kuppenabstand)的作用。原则上

这一效应是已知的(见德格罗和万福霖专著，尤其是第16a页，Plate

1c)。藉此，可以在同样温和显性时降低钠压。该效应在至少1bar

(冷)的甚高氙压时有极强的作用。在本发明中钠压与氙压相比尤其

需要调得很低，使共振谱线两翼的峰值距离典型地保持为10nm，最

多12nm。此时的一个重要前提是，要选择比值PXeK/PNaB≥10和PNaB

＝20～100mb。已经证实，在这些条件下产生最佳发光效率。与此

相反，在DE-AS2814882给出的条件下，钠的D-谱线两翼的峰值距

离至少有15～20nm，因为那里PNaB相对而言是高的(见上文)。这

可以借助德格罗和万福霖专著第87页上给出的公式(3.28)加以估

算。

从第3和第5点可以为选择本发明典型的钠蒸汽低的工作压力20～100 mb得出附加的理由。该低钠压有其多个优点：

    1，在钠蒸汽压为20～100mb时，放电管的温度在最冷点(cold

spot)仅为840～950K。这个最冷点总是处于熔化点的附近。因此，

该熔化点现在比已知的灯泡(见DE-AS2814882)典型地冷150K，

由此减少因熔化点区域内渗漏造成的灯泡损坏。

    2，由钠造成的放电管壁的腐蚀，该腐蚀多半发生在容器中部，因

钠的分压低而减缓。由此进一步改善寿命。

对于小灯泡功率(≤100W)，恰好可以通过利用商业中常见的改进 型底座、支架和点火器有效地对付在DE-AS2814882中提到的更难点燃 的缺点，只要氙压不选得过高(超过5bar)。氙压限制在3bar以内是 有利的。这些改进部件已在奥斯拉姆公司的商用金属卤素灯(例如HQI- E100W/NDL和WDL)中得到应用。与此相反，通常用于小功率NAV- 灯泡的点火器在本发明灯泡上是不可能点燃的。

与DE-PS2600351相反，此处描述的灯泡既没考虑也不适用于自稳定 工作状态。并且依据本发明达到的8～24bar的氙工作压也大大地高于 那里给出的1.8bar的典型值。

在DE-PS2600351中描述的放电管的加热对其启动是必需的(也可用 一台常规预启动器替代)，而这对本发明的放电管是不必要的。本发明的 放电管倾向于拥有一个辅管(初期开口的铌管)，通过该辅管可以用已知 方法以高压充填氙气，并在充填过程结束后封闭辅管。

依据本发明的灯泡除钠和氙以外，尤其可以在充填物中额外含有汞。对 附加或不附加汞的灯泡，发光效率的增加几乎一样大。典型的加汞灯泡充 填物采用含钠为18％重量百分数的汞化物。

放电管的内径优先为2.3～5mm，尤其最高4mm。在此尺寸时自始 即已排除自稳定。与此相比较：DE-PS2600351中给出的内径要整整大 一成。一般而言，放电管虽然是圆筒形的，但是它也可以有其他的几何形 状，例如在中段是凸起的。

钠高压放电灯附加电容点火辅助措施是具有优点的，例如，沿放电管的 一根导线。然而，与DE-PS2600351相反，依据本发明的灯泡不需要预 热。

这些灯泡常常有一根铌辅管，如在德格罗和万福霖专著第251页图8.30 中描述的那样。

这类灯泡可以借助常规的或也经常借助电子的预启动器运行。

这里描述的放电管优先考虑安装在圆筒形或椭圆形外壳里。

下面借助几个实施例详细叙述本发明。现展示：

图1钠高压放电灯

图2具有不同氙压(含和不含汞)的不同钠高压放电灯(功率均 为50W)之发光效率比较

图3具有不同灯泡功率和不同氙压的不同钠高压放电灯之发光效 率比较

在图1展示的功率为50W的钠高压放电灯有一个氧化铝制成的放电管 1。它安装在一个圆筒形硬质玻璃外壳2中，外壳的一端用螺旋底座封死， 另一端用圆顶9封死。外壳2抽成真空。

在内径为3.3mm的放电管1中有两个相对而立的电极4，电极距离EA 为30mm。远离底座的第一个电极4通过带辅管6的管状铌导体5与馈线 7相接，馈线接在一根结实的外置电流引线8上，外置电流引线沿放电管 接到螺旋底座3的一个接点上。

第二个电极4也经过一个铌导体5(然而无辅管)与金属导线15连接。 它经过另一根导线16接在底座3的第二个接点上。

放电管装备有电容点火辅助措施，它由顺着放电管的点火导线17组 成。点火导线17在电路上是和第二个电极4接通的。

灯泡，例如，经过灯泡底座中的点火线路接在220V交流电网上。点火 电压为4kV。

放电管2中有充填物，充填物仅含有钠和氙。氙冷充填压(PXeK)为3 bar，钠工作充填压(PNaB)为100mb，于是PXeK/PNaB＝30。

该灯泡达到5100lm光通量和102lm/W发光效率(见图2，#1实心 三角形测量点，在3000mb氙冷充填压时)。与此相比较，迄今的氙冷充 填压为300mb的50W灯泡(超级型)仅达到4200lm光通量，相当于81 lm/W的发光效率(见图2，三角形框测量点)。在图2中也给出了其他 灯泡的发光效率，这些灯泡只有通常的最高100mb的低氙压(标准型)。 它在30mb时大约为70lm/W(见图2，三角形框测量点)。

在图3中参照德格罗和万福霖绘出发光效率和灯泡功率的相关曲线。由 以上实施例得到的数值(102lm/W，在50W灯泡功率时)用菱形测量点 标出。它明显地高出现有技术水平。

在第二个实施例中让一个同样结构的灯泡工作，它只有1bar氙压和50 mb钠压。此处比值PXeK/PNaB＝20。95lm/W(见图2，#2实心三角形 测量点，在1000mb氙冷充填压时)的发光效率还是明显高于熟知的灯泡。 由于较低的氙压，点火要比第一个实施例容易。点火电压为3kV。

两种灯泡尤其适用于备有较强点火器的新装置。

在第三个实施例中同样结构的50W灯泡附加充汞。此处采用含钠18 ％重量百分数的汞化物，其余为汞。这个灯泡在2bar氙冷充填压、80mb 钠工作压和压力比PXeK/PNaB＝25.0时，显示其发光效率为105lm/W(图 2中#3实心圆形测量点)。

与此相应，第四个实施例(50W)在1bar氙冷充填压和同样的钠/汞 比的情况下，显示93lm/W发光效率(图2中#4实心圆形测量点)。

作为比较，也给出了低氙冷充填压(超级型和标准型)的含汞钠灯的相 应发光效率(图2中圆形框测量点，在30～300mb时)。

在第五个实施例中运行的是一个基本相似的63W功率灯泡。充填物含 有1bar氙和50mb钠，但是不含汞。压力比为PXeK/PNaB＝20。发光效率 为98lm/W。这个灯泡用来直接替代具有相同光通量的125W汞高压灯。 它在灯泡底座中有一个功率减缩电路(相位截取控制)和一个点火电路。

在第六个实施例中，一个35W灯泡只用钠和氙充填放电管，其内径为 3.3mm，电极距离为23mm。氙冷充填压为PXeK＝2bar，钠工作压为 PNaB＝90mb。与此相应，压力比为PXeK/PNaB＝22.2。发光效率为98lm/W (见图3，#6菱形测量点)，从而比这种功率的灯泡到目前为止期望的 要高很多。

在第七个实施例中，一个70W灯泡用钠/汞化物(见上文)和氙充填放 电管，其内径为3.3mm，电极距离为36mm。氙冷充填压为PXeK＝2bar， 钠工作压为PNaB＝75mb。与此相应，压力比为PXeK/PNaB＝26.7。发光 效率为115lm/W(见图3，#7菱形测量点)，从而也比这种功率灯泡 到目前为止所期望的明显地更高。

在第八个实施例中，一个70W功率灯泡用钠/汞和氙充填放电管，其内 径为3.7mm，电极距离为37mm。氙冷充填压为PXeK＝1.5bar，钠工 作压为PNaB＝85mb。与此相应，压力比为PXeK/PNaB＝17.6。发光效率 为108lm/W。