陶瓷金卤灯的发展及关键技术

陶瓷金卤灯的发展及关键技术陶瓷金卤灯的发展及关键技术 引言引言陶瓷金卤灯是当前各类光源中功能最为完善，性能最为优越的灯种，其光效可达 110lm/W，甚至更高，即使小功率灯亦可达 85lm/W 以上；其显色性通常不低于 85，并且很容易达到 95 以上；目前最好的灯的寿命能达到 15000 小时，即使常规产品也不难达 12000 小时；灯功率范围则多在 20W 400W 之间。由于此种灯目前只在欧美市场大面积推广，按用户需要色温多在 4000°K 以下，通常不会超过 5000K，如在亚洲得到普及，亚洲人种可能更喜爱较高色温，那时色温范围可能扩展为 3000K6000K。陶瓷金卤灯是在高压钠灯和石英金卤灯的基础上发展起来的，然而其用途已远超二者。其高显色性使之可以大量取代白炽灯和卤素灯，特别是小功率类型如 20W、35W（39W）、50W、70W 等亦已广泛用于室内甚至家庭照明。而中功率灯种由于其高显色性、高光效和长寿命，虽成本较高但亦已较广泛用于室内外，举如机场、车站、商场、旅店大堂、餐厅等，在欧洲处处可以看到陶瓷金卤灯的使用。目前陶瓷金卤灯的生产和使用主要集中在欧洲及北美洲，世界陶瓷金卤灯产量正以每年 30%以上的速度增加，但仍有供不应求之势。由于技术难度很大，加以知识产权问题，目前仍然只是 GE、Philips 和Osram 三大公司生产。我国多处都在研发但均未成功，研发此种光源所面临的不只是很难攻克的材料和技术关键，还有更难处理的知识产权问题，目前我国政府正在大力整顿和保护知识产权，这使陶瓷金卤灯的专利问题变得更为复杂而困难。 陶瓷金卤灯的研发陶瓷金卤灯的研发20 世纪 60 年代中期 GE 首先研发出半透明陶瓷管，并成功用于高压钠灯生产，当时虽然金卤灯的研发尚未完成，但已有人试图将这种半透明陶瓷用之于早期的金卤灯研发。80 年代初期，金卤灯已经成熟，很多研究者也已发现石英金卤灯电弧管壳的诸多缺点并试图以半透明陶瓷管代替，从而改进金卤灯性能，因此加紧了陶瓷金卤灯的研发。石英玻壳金卤灯的主要缺点是：1、钠的渗漏造成的色温和光效漂移。2、石英管壳的极限温度为 1000，冷点温度约为 900，而多数灯用金属卤灯物的汽化温度在1200左右(NaI 1300、TlI 824、InI 711、DyI3>1300、ScI3>1300)。在正常工作状态下管壳温度不足以使金属卤化物全部蒸发，总有多种熔融态金属卤化物在泡壳中沉积，并随环境及使用情况（如水平点燃或垂直点燃等）而变化，这使灯的光效和色温不能稳定。3、在使用条件严酷时（如壁负荷过高）则易失透而造成鼓泡或炸裂。所以石英金卤灯特别是小功率型（99.99%，其中某些杂质含量应受严格限制（见表），平均粉径以 0.5m 为佳，分散度宜小，此外还必须有一定含量的某些必须掺杂，以保证陶瓷管壳的抗腐蚀能力和阻止晶粒的过度生长。试验结果证实一个好的管壳其晶粒大小不宜超过 30m，且粒径分散度不宜过大（见图 2），否则不仅影响光透射率，机械强度亦将大幅下降。表 I子晶粒径(m) 密度(g/cm3) 热导率(1200)(cal/cm. s.) 热胀系数(%C-1) 硬度 屈折强度(Mpa) 透光率(%) 直线透光率(%) 30 3.99 7×10-2 8.10-6 9 370 >98 >30表杂质含量 ppm 粉体平均粒径面积/重量(m) m2/g Ga Fe Ca La Si Y Mg Zr Na 0.5 3.5 <5 <10 <4 <2 <10 <1 <2 <1 5图 3如所周知，光在六方晶系的多晶 Al2O3陶瓷的子晶（折射率 1.76）界面之间的光折射、反射较小，但当遇到折射率低得多的气泡（n=1）时将产生较强的光折射和反射，而使光透过率和直线透过率大幅下降。半透明陶瓷管壳中的气泡引起的光散射情况示如图 3。因此陶瓷管壳的另一个重要指标是气泡含有率。气泡不仅将降低光透过率和直线透过率，更将严重降低管壳机械强度。陶瓷管壳中的气泡体积不能超过总体积的 0.1%。如何去除泡壳中的气泡是陶瓷金卤灯管壳制造中的关键之一。 图 4陶瓷原材料的质量与配料情况，所用粘结剂，素烧及烧成过程温升规律等对泡壳中的晶体颗粒、分散度、气泡尺寸及数量、机械强度、透光率等均有重要影响。2 2、管壳结构、管壳结构图 5我们所看到的早期专利表明陶瓷金卤灯管壳为由高压钠灯逐步演进而来，图 1 及图 4 分别代表了第一代和第二代陶瓷金卤灯的电弧管壳形状及演进趋势。由于金卤灯的壁负荷大，管壳温度高，铌管或铌帽均难承受高温下的酸性蒸汽腐蚀，即使图 4 结构也难承受如此工作条件。其后发展了一种金属陶瓷塞用以对灯的二端进行密封（图 5），这种金属陶瓷塞为由近似等量的高纯 Al2O3粉与钼粉混合均匀后烧结形成的导电陶瓷。其膨胀系数在钼与陶瓷之间，既能与中心的钼杆又能与四周的陶瓷管壳实现很好的匹配密封。但事实上由于灯的高工作温度与强烈的熔融金属卤化物及蒸汽的腐蚀，此种封接方式也难提供长期可靠的密封和长的寿命，因此此种部件并未能推广，如今已看不到了。为了降低封接处的高温，目前的电弧管壳基本结构均已演进成中段为粗的圆柱形或球形放电容器，二端具有细长的支撑电极用的陶瓷套管（图 6、7、8、9），这种结构可以大幅降低铌丝与陶瓷封接处的温度，从而保证了稳定可靠的封接质量和长寿命。上一世纪 90 年代中后期，陶瓷金卤灯已基本成熟并初步定形时，其电弧管壳均为五段式结构（图6），即中部为较粗的放电容器，二端用陶瓷塞封口，陶瓷塞中央再各封接一细陶瓷管用以支撑电极。此种结构明显降低了二端电极引线封接处的温度，提高了铌杆与陶瓷套管密封的可靠性。但这种结构不仅制造工艺复杂，成品率低，成本高，而且陶瓷塞与管壳、电极引线与陶瓷套管封接处的高温及熔融或气化的金属卤化物的腐蚀作用仍然对焊料具有较大威胁，很难满足长寿命要求。特别是在陶瓷塞中心电极的周边，温度较高且有大量电荷积累及复合，腐蚀较为严重。1997 年出现了的三段式结构（图 7），即将陶瓷塞与电极引线瓷套管制成一体或将放电陶管二端管径收细（图 7b），使与支撑电极的细陶套管直接封接，从而大大缩短了低熔点陶瓷玻璃焊料封接的周边长度，封接部位被腐蚀的几率减少，灯寿命得以明显延长。 但是三段式陶瓷管的加工工艺仍然复杂，成品率低、成本高且陶瓷塞与陶瓷管封接部的温度仍然很高，对焊料的腐蚀依然严重，仍然限制着陶瓷金卤灯寿命的提高。在此基础上本世纪初到 2003 年间又发展了种类繁多的二段式电弧管结构，其结构示如图 8。早期的这种二段式结构的电弧管的封接部位通常处在电弧管的一端，塞的内端面有的设计为平面，也有设计为圆锥形凹面的（图 7d）。目前五段式结构已经消失，三段式、二段式电弧管结构仍在使用，但封接方式已出现了根本改变，各段间的封接已不再使用任何焊料，而是在素烧前就将各陶瓷组件装配在一起，烧结时靠控制收缩率的差异使各陶瓷件紧密箍接，并由封接部位二侧晶粒的交叉生长而结合成整体结构。目前三段式的圆柱形电弧管的使用最为普遍，而二段式的典型代表则是 Osram 仍在使用的接缝处于电弧管中部的球形 35W 陶瓷金卤灯(图 8c)。随着电弧管原材料配方的优化、处理及陈化过程的改进，成形技术和烧制技术的提高，目前小功率电弧管结构快速向球形一体化发展（图 9），这种一体化的高质量陶瓷管是高光效、高的光透过率、高的光直线透过率，低光衰和长寿命的最重要的保证。陶瓷金卤灯管壳的重要专利大部分是 GE 公司在近 25 年的研发中积累开发的。 陶瓷金卤灯的电极陶瓷金卤灯的电极对于陶瓷金卤灯，电极是另一个和陶瓷管壳同样重要的关键，四分之一世纪以来陶瓷金卤灯电极经过非常多的改进，最后定形的是如图 10 所示的电极结构，这种电极亦为 GE 所设计，目前 GE、Philips 和Osram 几乎毫无例外地采用此种结构的电极。35W 灯的种结构电极系统的最前段为 0.18mm 的钍钨丝电极，其前端绕制直径约 0.13mm 的钨螺旋 4 圈，钨杆电极后为直径约 0.4mm 的钼杆引线，其上密绕直径 0.13mm 的钼螺旋，最后一段则是用以与陶瓷袖管密封的铌杆，铌杆与陶瓷袖管之间由陶瓷玻璃焊料密封。此种很细的钨杆电极以及细长钼芯丝导线保证了电极系统的低热导率，这是保证铌杆密封部位低温的重要措施之一，钼杆外的钼丝螺旋几乎填满了钼杆导线与陶瓷袖套管之间的空间，既可保证电极系统处于灯的轴线位置，又使得电弧管二侧陶瓷袖套中的冷空间减到最小，保证而不会使封接端温度明显升高。图 10这种设计巧妙的细长电极系统及陶瓷袖管能非常好地适应当前陶瓷金卤灯的特点，既使得封接部位远离电弧，温度降低，而且整个封接范围很小，极为可靠，不易损坏、又能保证电极位置的精确，从而保证了灯的高性能和长寿命。此种貌似复杂的电极结构性能极为可靠，是一种非常成功的设计，也是 GE 公司重点保护的知识产权。其中不至凝结太多金属卤化物，引起过大的色温和光效的漂移。这样的钼螺旋对热传导的作用不大，因而不会使封接端温度明显升高。这种设计巧妙的细长电极系统及陶瓷袖管能非常好地适应当前陶瓷金卤灯的特点，既使得封接部位远离电弧，温度降低，而且整个封接范围很小，极为可靠，不易损坏、又能保证电极位置的精确，从而保证了灯的高性能和长寿命。此种貌似复杂的电极结构性能极为可靠，是一种非常成功的设计，也是 GE 公司重点保护的知识产权。 我国陶瓷金卤灯的研发我国陶瓷金卤灯的研发陶瓷金卤灯的优越性能和前景已日益为人们所认识，国内很多同行正在跃跃欲试，部分人已开始研发，对此我们的几点建议如下：1 1、灯型规格的选择：、灯型规格的选择：目前陶瓷金卤灯大多在 400 瓦以下，35W 以上，再大功率则较少见。如所周知灯功率越小、体积愈小，制灯技术难度愈大。150W400W 之间的灯型相对技术难度较小可以优先考虑。2 2、电弧管壳形状的选择、电弧管壳形状的选择 圆柱形管壳较易成形，三段式较为普遍，工艺简单，成品率高，成本亦低，使用很广，最为普及，但陶瓷金卤灯种多为竖直点燃，圆柱形下端为冷端，熔融态金属卤化物及气流的腐蚀作用较大，下端底部常形成蚀箍（图 11），而导致灯参数漂移，光维持率下降，寿命缩短，所以电弧管形状还是以球形或椭球形为佳。这种结构使得等温分布壁负荷更为均匀，这也是灯性能和寿命得以近一步提高的重要原因。图 11：3 3、陶瓷电弧管尺度要求、陶瓷电弧管尺度要求陶瓷壳尺寸要求非常严格，而原料配方烧制过程等对陶瓷收缩影响至大，控制不好造成的尺寸误差也常形成大量废品。某些规格球形电弧管管壳的允许误差示如表，这些数据可以作为其他规格结构电弧管的参考。表尺寸 最大(mm) 最小(mm) 公差(%) 总长 TL 200 10 ±0.51 球壳外径(BOD) 50 2 ±13 图 12上表的尺寸公差是必须保证的，否则将引起很大的光电参数另散，而失去了陶瓷金卤灯参数一致的优点或造成大量废品。4 4、半透明陶瓷电弧、半透明陶瓷电弧管材料管材料Al2O3粉的纯度、材料配方、掺杂、所用粘结剂、润滑剂，配制浆料及陈化过程、烧制过程、升温规律等均对晶粒直径、分布范围、透光率、机械强度、收缩率、抗腐蚀性能等有重要影响，极难掌握和控制。这是制造陶瓷管常常失败，质量和成品率不高的主要原因，最好不要尝试自己做电弧管壳，建议购买质量符合要求的管壳，自己做灯（目前国内研制的陶瓷金卤灯管壳，以及所用材料都是不符合要求的）。球壳内径(BID) 49 0.5 ±13 毛细管外径(COD) 10 2 ±13 毛细管内径(CID) 5 0.5 ±13 毛细管长度(CL) 50 ±13 过渡弧度(CR) 无限制 1 偏心度(CCT) <0.2 表尺度符号含意参见图 125 5、制灯工艺、制灯工艺通常均认为陶瓷金卤灯制造工艺与高压钠灯相近，将其设备稍加改造即可应用，这是一种极其有害的观念。高压钠灯是一种