陶瓷金卤灯中存在的问题及改进方法资料

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一、概述陶瓷金卤灯受到照明业界的格外重视并非偶然，经过十余年的实践考验，其超群性能如高光效、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消灭不少瑕疵，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构造正在不断开发，无论生产或是应用近期内在我国必有大的突破。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、装备简单昂贵、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进展。近年来，陶瓷金卤灯在欧美已逐步普及，我国的应用也开头扩大，很多照明界的科技人员和企业家已把留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到达应有水平。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、甚至严峻质量问题，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亮材料，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%，所以就成了半透亮了。这种陶瓷材料能承受比石英高2001200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缘由。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响，又不存在钠渗漏问题，因此灯性能稳定、光衰小、寿命长。1-陶瓷泡壳几种根本构造外形经过20中心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)。其管体存在二种根本构造，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，他承受的是五件或三件装配(c)，此外还有多种圆柱状的二件及三件组装构造的电弧管(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穿插生长而结成一体的。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。整体构造泡壳虽然成型较为简单，但具有较好的质量保证。陶瓷金卤灯的另一构造上的特点是电极，GE、飞利浦的电极构造示如图2。2-GE及飞利浦的电极构造其构造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。此种构造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牢靠性。上述电极构造虽然格外奇异牢靠但制造简单，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、色温顺显色指数的稳定性。雪莱特电极改为二段式构造(图3)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掩盖层。这样的电极制作较为简洁、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。3-雪莱特陶瓷金卤灯电极4-雪莱特陶瓷金卤灯的几种根本构造为进展比照，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。欧美家庭现在仍旧大量承受无紫外、低色温、高显色的白炽灯，而该地区国家已公布2012年将全面制止使用白炽灯，所以在这一方面小功率陶瓷金卤灯将会有极为宽阔的市场。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，因此必需承受能吸取紫外线的石英或玻璃材料作外罩壳。外罩壳的另一个格外重要的作用是保温，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。如将电弧管暴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外表温度分布。2-39W陶瓷金卤灯电弧管光电参数测试结果3-39W陶瓷金卤灯成品灯光电参数测试结果(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206-某公司泡壳数千小时后的晶界外表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说明白某著名公司的品牌产品在使用数千小时后的陶瓷壳壁内外表晶界因腐蚀而产生的沟槽及子晶外表蚀洞，该图所示状况还是好的案例。国内一些陶瓷泡壳研制单位承受国产材料并完全依据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挡碱性气体的腐蚀而设计的，用这种配方黑等现象，同时还减弱管壳的强度，在使用过程中灯色温较大的转变，电弧管漏气和炸裂自然也就可7-78。8-炸断的灯照片原材料纯度将直接影响到陶瓷的子晶的构造和性能，其中特别是Fe、Ca、Mg、Si、Na等的含量必需予以掌握，由于这些杂质含量超标时将破坏Al2O3陶瓷的六方晶系的正常生长，影响陶瓷的透光9给出了因Ca污染而造成的Al2O3子晶不能正常发育的照片。9-Ca污染Al2O3子晶图Fig.4超纯并且杂质含量、粒径和粉粒外形均符合要求且受到掌握的Al2O3粉体是制成好的陶瓷泡壳必不行少的前提。目前国产陶瓷粉的问题是厂家给出的成份与实际差异很大，他们给出的杂质含量往往比相近牌号进口粉还少得多，而实际恰恰相反。国产粉料的形态均呈絮状而非颗粒形，图10a，调配时分散性很差，用这样的粉很难制成质地均匀、透亮度高的多晶氧化铝陶瓷壳，其晶粒尺寸亦难掌握。作为10b示出了国外某厂的颗粒状Al2O3粉体。a国产粉b国外粉〔10〕除了杂质含量和粒径符合要求的超纯氧化铝外，严格定量的用以掌握晶粒生长和抗酸性腐蚀的各种掺杂添加材料也是格外重要的，否则晶粒过分长大将导致陶瓷机械强度大幅下降。11-大晶粒陶瓷晶体构造图图11给出了大晶粒陶瓷晶体构造图。正常状况下陶瓷晶粒尺寸要求均匀并以20-30μm为佳，这既能保证有足够机械强度、透光率也好。当陶瓷晶粒生长到数百微米即接近于陶瓷管壁厚度时其机械强度将大幅度降低，这样的陶瓷管壳是不能用的。a陶瓷中气泡引起的光折射b陶瓷中的气泡〔12〕适宜的工艺装备是制造陶瓷泡壳的又一难点，各公司均有自己的工艺和方法，但不外等静压法、挤压法、压铸法、注浆法、热等静压法等。这涉及到大量技术机密问题，没有任何公司公开他们的方法细节。12透亮度将明显下降，固然这时间的总透过率也将相应降低。多组件泡壳各组件之间的密封完全依靠于烧结时的各组件不同收缩率，外套件紧箍内件，二者界面二侧晶体相互生长而成一体，但如匹配不当，其间存有气泡气线则可能放气漏气而造成早期发黑，如收缩过紧则可能断裂，这种构造常常严峻影响灯的质量。5只某著名公司“迷你”2080lm/W，显色指数85～90，10018～23%150小时，与025%以上严峻发黑，停顿试验。分析其缘由为电弧管中杂质太多，并且可能存在H2O，所以大量钨蒸到泡壳内壁引起明显光衰。对于此类超小型灯其电弧管内部容积<0.1cm3，面积/容积比>10cm-1，因此内壁释放的少量杂质可能在灯中形成格外高的杂质浓度，对灯寿命产生致命性影响，所以小功率、超小功率灯的制作难度很大，需要对生产环境赐予格外重视，对全部原材料的成分和处理工艺必需格外严格。一些公司的光源产品参数很差，例如某大公司生产的400W陶瓷金卤灯，以名牌同功率电感镇流器81.2V335.6W31431.2lm85.1，其光效仅为93.7lm/W此类大功率陶瓷金卤灯的光效应在110lm/W250W陶瓷金卤灯以上述同一公司生产的同规格电感镇流器点灯，灯压降为99.4V，灯功率250W，其辐射光通量仅为18494.5lm，显色指数84.3，实际光效只有73.98lm/W，该灯的电参数完全正常，但光参数如此之差则是令人惊异的。后者的问题不仅在于泡壳设计，其工艺材料也存在严峻缺陷，这些缺陷完全破坏了灯的正常工作条件，以致不能正常高效发光了。但惊异的是，这样的产品竟然在市场上广泛流通，一些其他规格的名牌产品的性能参数和寿命也是名实不符的。四、陶瓷金卤灯运用领域的拓宽陶瓷金卤灯以其优异性能和高技术含量而为人重视，其昂扬的价格更使得人们认为此种光源只适用于高级商业照明，如豪华酒店、宾馆、高档服装专卖店、珠宝首饰店、高级会议厅等。但是随着人们对事物生疏的展宽和加深，很多观点在快速变化，陶瓷金卤灯的应用领域也在不断拓展。(一)道路照明13-高压钠灯光谱图近50555nm蓝移到510nm，因此高压钠灯辐射光谱的实际视觉效果大幅下降。按人眼白天视见函数校正的照度计或光测系统所测试的高压钠灯光通数据实际上是远远高于夜晚人眼视觉神经的实际感受。其状况由图13所示高压钠灯的实际光谱和人眼明、暗视见函数相对位置的比较可以清楚了解。该图显示高压钠灯的辐射谱带与人眼暗视觉视见函数曲线的相互重叠的面积很小，从而证明夜晚时高压钠灯的实际的流明效率是不高的。必定加深视觉模糊，可能导致因对物体、物体的位置及与观看者之间的距离区分不清而招致事故。明显陶瓷金卤灯用于道路照明是有很大优越性的。飞利浦公司与复旦大学合作对此进展了特地争论，2008年已得到确定结论。2007年初雪莱特公司已和无锡尚德公司在小功率陶瓷金卤灯光伏道路照明方面进展了大量试验，结论也是确定的。14-陶瓷金卤灯光谱图承受陶瓷金卤灯作道路照明的实际效果比预期更好，主要得益于陶瓷金卤灯的高显色性和特定的光谱分布，图143000K陶瓷金卤灯光谱。该光谱的特点是在可见光谱区能(>90)和光效均很高(>110lm/W)。此种根本对称光谱分布使得明、暗视见函数曲线与光谱曲线的重叠面积接近，因此在此种光源照耀下，人眼白天和夜晚对物体的视感差异较小。15-飞利浦道路照明实影最典型的实例是飞利浦在南京、上海所完成的实际道路照明样板工程和雪莱特完成的假设干道路照明、光伏照明样板工程。图15所示的是飞利浦在南京环陵路的照明实影照片，他们以140W的陶瓷金卤灯代替了原来250W16说明白雪莱特在广东南海狮山誉洞村以150W250W高1739W小功率陶瓷金卤灯的光伏照明样板。16-雪莱特陶瓷金卤灯道路照明实影17-雪莱特陶瓷金卤灯的光伏照明样板实影全部道路照明工程都是格外成功的，由图15、图16可见与原高压钠灯道路照明工程相比，换灯后不仅节约能源40%17显示的以雪莱特小功率(39W)陶瓷金卤灯实施的光伏照明，也具有格外好的效果。(图18)及相应的多种构造道路照明用陶瓷金卤灯。此种细管径、长极距陶瓷金卤灯的电弧管为管壁稳定型，因此放电及光辐射格外稳定。与短极距灯相比，长管灯的光效提高5%以上，显色指数不低于80，这种管状灯可以匹配原高压钠灯的格外成熟的灯具设计，并可顾及宽阔道路中心的照明。双电弧管构造的道路照明陶瓷金卤灯(图19)，可用于调光，解决热启动问题以及多种其他设定的特定用途。18-柱形陶瓷金卤灯电弧管19-双电弧管构造的道路照明陶瓷金卤灯(二)厂房照明20-雪莱特陶瓷金卤灯厂房照明实影通常认为厂房照明只需照亮，对光色质量要求不高，因而照明光源大多承受光效中等、价廉的管形日光灯、大功率紧凑型荧光灯、石英金卤灯，有的甚至还在用自镇流汞灯。此类照明设计，虽然一次投资较少，但实际是很铺张的，这不仅在于常年累月的大额电费的支付，而且由于光明、温馨、颜色清楚的照明可使工作人员精神更为集中、活泼、乐观、从而使生产效率提升、产品质量提高、企业20显示了雪莱特公司紫外线事业部生产厂房的照明状况，该车间面积为3600M2(60×60M2)，总共安装陶瓷金卤灯106支，厂房主体局部灯功率为70W，二侧少量办公室灯功率39W120W40%该灯的高显色性，使得设备及产品的颜色更为逼真。该照明设计对提高生产率、成品率及安全生产均大为有益。(三)家用照明有荧光涂层一款家用小功率自镇流器荧光陶瓷金卤灯的构造示图21，这种灯是在一般白炽灯的芯柱上安装小(或磨砂，亦可承受明泡)并与电子镇流器安装在一起形成一体化荧光陶瓷金卤灯。较薄的荧光粉涂层吸取了电弧辐射的紫外光，紫光并转化为波长更长的可见光，从而进一步降低色温并提高显色指数，其剩余紫外022示出了同一电弧管用滤除紫外光的石英外罩壳及换用内涂荧光粉的一般灯泡泡壳的辐射能谱分布。由二者比较可见，经荧光粉的光子90以上的显色指数、3000K