道路照明和汽车照明用金属卤化物灯.doc

道路照明和汽车照明用金属卤化物灯复旦大学周太明2009.11.11北京，工人之家道路照明用金属卤化物灯很多研究表明：在道路照明中采用白光光源时，达到同样的视亮度的条件下，其要求的照度水 平可以比采用高压钠灯时低。英国国家标准 BS5489-1:2003规定，当采用显色性好（Ra在60 以上）的光源时，允许将照度降低。Stephan Volker在“短波丰富的光源能够提升安全性吗？”的一文中调侃说：“其他欧洲国家的照明工程师们会问：为什么我们就不能用这同样的方 法来节能呢？难不成英国人的生理与其他欧洲人不一样吗？”。他当然相信采用白光光源路灯能够节能，因为他的研究证明短波丰富的光源的确能够提 升安全性。现在白光LED和牌号为CosmoPolis/White(以下简称Cosmo)的光源是道路照明的热门人 选。Cosmo光源是飞利浦公司专门为 道路照明开发的， 它实际上也是一种 陶瓷金属卤化物 灯，左图是它的光谱功率分布。Cosmo灯不同于一般的金属卤化物灯（CDM）。一般的金属卤化物灯的电弧管是粗短形的，而它的电弧管是细长 形的。Cosmo灯的电弧管的直径与长度比例适合于道路照明灯具，可以获得最佳的配光效果。由下图可以看到， 采用高压钠灯时的光束太宽，采用一般金属卤化物灯时光 束又太窄，而采用Cosmo灯时正合适。SON 光束太宽CDM光束太窄Cosmo最均匀A.R.： 1:81:1.51:5采用Cosmo 灯时光 束宽窄 合适另外，Cosmo灯采用新的PGZ12卡口灯头/灯座，精确地将光源限制在灯具中要求的光学位置上。由于以上原因， 与高压钠灯的灯具相比，Cosmo灯的灯具尺寸小了很 多，更加紧凑（见下表）。反射器尺寸长宽高高压钠灯反射器240mm190mm95mm Cosmo灯反射器145mm130mm55mm 缩小的比例40%30%45%在LS-11会上，松下公司的专家介绍了一种高光效的陶瓷金属卤化物灯，与Cosmo一样，也是 细长形的（见下页图）。这两种灯的设计原理基本上是相同的，主要目的是提高光效，适当牺牲一些显色性。飞利浦常规的150W陶瓷金属卤化物灯的显色指数较高，约为85；但光效仅约为80lm/W。表 列出了松下细长形陶瓷金属卤化物灯与Cosmo灯的一些参数。不难看出，Cosmo灯的光效比同功率的一般陶瓷金属卤化物灯要高得多。Cosmo灯的显色指数尽管有所降低，但用于道路照明，这样的显色性也已经足够好了。 Cosmo灯与松下高光效陶瓷灯的性能对比 灯种功率（W）管压（V）光效（lm/W）色温（K）显色指 数管径（mm）弧长（mm）松下细 长型Cosmo白光15090125380065内4321409411828006070外825采用细长型电弧管的另一个十分重要的优点是汞的用量少了很多！由下页图可以看出，140WCosmo白光灯，用汞量只有常规情况的五分之一。而松下公司的150W细长型陶瓷金属卤化物灯的用汞量还要少！这是因为它的管径更 细，弧长更长。这是这两种灯的一个非常杰出的优点。我 们的光源不仅要有很高的光效，以利于节能；我们还要求光源是环保的，在灯生产过程中以及寿终后的处理上都不 对环境造成污染。现在，几乎所有的常用气体放电灯中都含有汞。汞是对环境十分有害的物质，我们要努力将它从 灯中去除。然而，这又是一个世界难题。要完全将它完全 去除，将需要长期的努力。在目前的情况下，尽可能减少汞的用量以及处理好废旧灯的回收处理则是刻不容缓的 事。Cpsmo灯与一般陶瓷金属卤化物灯(CDM)用汞量的比较据说,现在Cosmo灯已经在上海，北京，南京，重庆，深圳，广 州等近20个城市得到应用.下两页的图是最早采用Cosmo灯 的上海七浦路和其他采用Cosmo灯 的道路的情景。上海七浦路中国第一条采用Cosmo的路深圳沙湾路苏州南环高架宁波甬江大桥广州中山大道东东莞体育北路对Cosmo灯照明的效果,林燕丹教授等进行了实地调研,采集了很多数据进行分析。他们发现,与高压钠灯相比,在同样的照度水平下,Cosmo灯能在更远的距离处达到同样的辨认水平。也就是说,要达到同样的辨认水平,采用Cosmo灯时照度水平可以适当降低。他们还发现,在Cosmo灯照明之下,人们能更正确地辨认颜色和细节,而人的面色也更自然。因此,道路照明采用Cosmo灯,不仅可以节能,而且能营造更加友好的城市环境。什么样光谱的灯对低亮度照明时的视觉有利？在世界范围内对这一问题展开热烈的讨论已有相当长的时间。讨 论中的关键词是“中间视觉”和“暗视觉”。对于道路和居民 区的照明，此一讨论是很重要的，因为在这些地方亮度水 平较低。在我国,对于“道路照明是采用白光光源还是高压 钠灯好?”以及“是高色温白光还是低色温白光适合于道路 照明?”等问题,也有广泛的讨论。这些讨论是很有意义 的。最近,上届CIE主席Wout Van Bommel教授就这些问题写了一篇文章。他是世界公认的权威人士,但是非常谦虚,他在文章的最后并未做结论;然而他相信读者在充分理解的基础上,会得出正确的结论。汽车照明用无汞金属卤化物灯现在，一般的汽车前照灯都还是采用卤钨光源。新的HID汽车前照灯则是采用高强度放电（HID-High Intensity Discharge）光源。之所以在汽车前照灯中要采用比卤钨光源更亮、寿命更长的HID光源,是为了节能和安全,也是适应驾驶人员老龄化的趋势以及流线型车身的需要。现在汽车前照灯用的金属卤化物灯有D1、D2、D3和D4等型 号。它们的统一代号是Xenon。这是因为这些HID光源的外形或结 构虽然有些不同，但它们最基本的放电腔体的结构都是相同的，而 且都充有约几个大气压的高压氙气（Xenon）。该电弧管由石英玻 璃制成，尺寸极小。腔体内的容积只有33微升；二电极间距离也 短，只有4.2毫米，近似为点光源；且无排气口，故该光源的加工精 度要求很高。在电弧管内除充有高压氙气外，还充有汞（指含汞 灯）和金属卤化物（碘化钪ScI3和碘化钠NaI）。该光源所发的光 主要来自于卤化物中的金属原子。光谱如下页图所示，呈密集线状, 灯的显色性较好。前面已经说过汞是有毒的物质, 会造成对 环境的严重污染。虽然在汽车金属卤化物灯中汞的用量只有0.55mg,仅为温度计用汞量的千分之一(见图), 但是汽车对环保的要求非常高，即使 这么小的量也是不允许的。汽车照明用的金属卤化物灯必须是 无汞的。研究发现,在金属卤化灯中，锌是一种可 能的汞的替代物，它基本上能满足要求。为了提高蒸汽压,在灯中是充入ZnI2。试 验发现ZnI2的充入量 增加时,灯的管压升 高,然而光效要降低 (见图)。因此ZnI2充 入量要适中。考虑到灯的光学性能,最后 灯的管压选定为45V。下页表给出含汞的D2和无汞的D4的灯参数的对比。含汞的D2和无汞的D4的灯参数的对比ECE R 99D2（典型）D4（典型）灯的管压D2S:8517VD4S:429V85V456V光通量3200450lm3400lm3050lm电弧弯曲D2S:0.50.4D2R:0.50.250.55mmD4S:0.75mmD4R:0.65mm含汞汽车前照灯用HID光源无汞汽车用HID光源灯封接处的保护D4灯中,用ZnI2取代汞后,灯的管压为45V,只有D2管压85V的一 半。为了维持灯的光输出不变,灯的电流就必须成倍地增加,所有电 流传导部件(导线,变压器,灯的封接处和电极等)的热负载也就相应地 增加。为承受更大的热负载，电极可以适当放粗。但是封接处钼箔 的厚度的增加受到限制,因为钼和石英的膨胀系数差很多,只有当钼 箔非常薄时才能实现气密封接。 当封接处的温度很高时,卤化物分解产生的碘会与钼反应生成MoI2:Mo+I2MoI2腐蚀封接处,使得封接性能变差。故而将封接处的温度控制在一个合理的范围内是至关重要的。降低封接处的温度的一个可行的方法是 如下页图所示的那样将钼箔稍微远离电弧一些。但是,这就使得钨电极埋在石英管中的长度增加。钨和石英的热膨胀系数相差约一个数 量级。为了防止钨受热膨胀时将石英管胀裂,一个简易可行的办法是用人发般细的钨丝绕在钨电极之上。人发般细的钨丝绕在 电极上增加钼箔与 电弧的距离 (x2大于x1), 从而将钼箔 处的温度由7500C降低到6250C.灯的电极和电弧的稳定含汞的汽车金属卤化物灯的工作电流为0.4A,启动电流为2.6A;而无汞的汽车 金属卤化物灯的工作电流升到0.8A,启动电流则升为3.2A。显然在无汞灯中电极 的负载增加了很多,电极的热应力也成倍地增加。众所周知,逸出功低的材料具有良好电子发射性能。钍钨电极的逸出功只有2.7eV,比钨的逸出功4.5eV低得多。通常在钍钨电极中是掺入固态的ThO2,灯工作 时,在钨表面的形成钍原子的薄膜层,有效地降低了逸出功。Norbert Lesch等认 为ThO2会在灯中释放出氧,而氧会与ScI3起反应,从而使碘化钪减少,并且产生游离 的碘,造成启动困难(在含汞灯中,会生成碘化汞,对启动影响不大)。因此他们觉得 应该从灯中去除钍。他们认为灯工作时,钪原子会在钨电极上形成原子薄层,也能将逸出功有效降低。 应该说如能将钍去除，灯对环境就更加友好了。因为钍会产生射线,尽管不强,毕竟可能对人体有伤害。Norbert Lesch等对电极进行重新设计,并且注意电极的燃点过程的处理。他们在灯第一次燃点时, 让电极的尖部形成一个圆球状。这一形状增大了表面,通过热辐射将热量有效地耗散出去,保证了不会由于发黑而影响灯的寿命。Dr. Dietmer Ehrlichman等对此有不同 的看法。他们认为电极材料的逸出功是非常重要的。相比之下钍钨电极具有更低的逸出功。这样电极的工作温度也就 相应地降低,灯的电极尖因烧熔而后缩的 距离就小(见左图)。相应地,灯的极间距 离的增加和灯管电压的上升就小,如下面 的图所示。钍的放射性较弱,很难穿透灯 管,对人的伤害不大。因此,他们认为从维 持放电的稳定性来看,还是应该采用参杂 ThO2的钍钨电极好。灯的启动特性的改进汽车前照灯的启动要快,必须在很短的时间之内亮起来。在含汞的汽车金属卤化物灯中,灯启动后,高压氙气建立起一定的管压,加上启动电流比较大,使得灯有比较大的功率,促使汞很快蒸发,建立起高气压放电,在灯管高温的作用下金属卤化物蒸发,钪和钠原子取代汞成为发光的主角。在在启动后的4秒钟内,灯的光输出就能达到H4卤钨灯的水平(见图)。但是,在无汞的金属卤化物灯中,替代汞的ZnI2的蒸发速度远不如汞那样快。这样,尽管灯的启动电 流非常大,但灯的功率还是不够大,灯的管壁温度也不够高到使ZnI2很快蒸发的程度。所以, 如果不采取措施,灯很难在启动后的4秒钟时的光输出达到H4卤钨灯的水平。为此,在无汞 灯内,将氙气的充气压比含汞灯提高了一倍。加上启动电流的增大到3.2A,使灯的启动速度能够达到了要求。 氙气气压高了,灯的引燃就变得困难。在含汞的灯中,游离的碘原子生成碘化汞,不会对灯的引燃造成大的影响。然而,在无汞灯中, 游离的碘原子则要对灯的引燃产生负作用。这 两个原因都使无汞灯的引燃非常困难。为了有效降低灯的着火电压, Dr. Dietmer Ehrlichman等采用了两种办法。他们在电弧管上涂了一条透明的导电带,既可以帮助引燃, 又不会影响灯的光学性能。另外,他们在电弧管的边杆上做了个小空腔,在其中充了易于电 离的气体。该空腔在较低的电压之下就能产生放电,产生的紫外线辐照到灯的电弧管上,促 使灯击穿,形成放电。灯石英管再结晶的防止灯的光通维持特性是光源的重要指 标.在汽车金属卤化物灯中,石英电弧管 的再结晶将会恶化灯的这一特性。因此, 必须尽可能防止,或者至少要限制到最 低的程度。除了选用最高纯度的石英玻 璃外,还必须对电弧管进行最佳化的热通过外套温度的测量来验证 热设计的优劣 (上部的照片外套温度高,表 明灯的热设计好)性能设计。工作时灯承受最大的热负载 的部位是电弧管的顶部,应该尽可能的 降低该区域的温度。灯的电弧管的外面还有一个密封的外套,它的一个作用是阻止紫外线向外辐射,另一个作用是帮助固定电弧管到灯座上。通过改变外套和电弧管之间的距离以及变化其间所充的气体的热导率,就可以达到改变电弧管顶部温度的目的。No