亮度可变的金属卤化物灯和照明方法

专利名称：亮度可变的金属卤化物灯和照明方法
技术领域：
本发明涉及金属卤化物灯和用于该金属卤化物灯的照明方法。
背景技术：
金属卤化物灯包括由放电容器形成的电弧管，放电容器中具有放电空间，并且该放电容器由主管和两个从主管的每一端部延伸的细管以及一对电极电感构成，该电极电感中的每一个密封在每一细管中，以便该电感的相应端部在放电空间中相面对。发光材料、缓冲气体、和启动稀有气体封装在电弧管中。发光材料由例如碘化镝(DyI3)、碘化铥(TmI3)、碘化钬(HoI3)、碘化铊(TlI)等的卤化物形成，缓冲气体由汞形成，启动稀有气体由氩等形成。
放电容器由半透明的陶瓷材料形成，这是因为其使得电弧管的热阻高于由石英玻璃制成的常规电弧管的热阻，并且因为可获得例如高灯功效、高显色性指数、和长寿命的有利的灯特性。
最近几年，考虑到减少能量消耗，对使用陶瓷放电容器的金属卤化物灯在亮度降低的情况下的工作进行了研究。然而，当带有陶瓷放电容器的金属卤化物灯以低的灯功率在亮度降低的情况下工作时，与灯在高功率下工作相比，灯特性明显地恶化，这使得该灯是不实用的。注意到，在本发明中，如果在亮度降低的情况下最小和最大灯功率时的色温差或者Duv(黑体轨迹偏差×1000)差分别≥750K和≥7，则该灯被定义为不实用的。
也就是说，封装在电弧管内的发光材料、缓冲气体、氩等的浓度设计成在高的灯功率下亮度降低地照明。因此，构成发光材料的卤化物(DyI3、TmI3、HoI3、TlI)的蒸气压力在以高灯功率工作时是良好平衡的，这可获得理想的发射光谱。然而，当该灯以低功率工作时，与稀土金属碘化物(DyI3、TmI3、HoI3)的蒸气压力显著降低相反，TlI的蒸气压力仅稍微降低。因此，对于T1发射而获得的强发射光谱使得色温改变，同时对于稀土金属获得较弱的发射光谱使得灯功效明显降低。
因此，已经提出了一种金属卤化物灯以便平衡在低的灯功率工作中的卤化物蒸气压力的降低，其中使用MgI2(碘化镁)来代替TlI，(在灯功率低的情况下TlI展示出的蒸气压力仅稍微降低)，碘化镁的蒸气压力改变几乎与稀土金属碘化物例如DyI3、TmI3、HoI3相同。这使得即使该灯以低灯功率工作时仍可获得非常好的显色性，(例如见公开的日本专利申请No.2002-42728)。
然而，使用具有MgI2封装在其中的金属卤化物灯时，由于MgI2与构成放电容器的半透明陶瓷材料的强反应性而使得该灯寿命缩短，这使得这种灯在亮度可变的照明应用中不太实用。

发明内容
基于上述的问题，本发明的目的在于提供一种金属卤化物灯和一种使用该灯的照明方法，即使在亮度降低的状态下工作时该灯的灯特性只展示出非常小的改变。
为了实现该目的，本发明提供了一种亮度可变的金属卤化物灯，其构造有电弧管，该电弧管包括半透明的陶瓷放电容器和两个保持在放电空间内的电极，该放电空间位于该放电容器内并具有封装在其内的多种卤化物；和向该电极提供电力的灯头。另外，当灯功率在亮度降低状态下设定在由最大灯功率Wmax[W]和最小灯功率Wmin[W]限定的范围内时，该放电容器的内表面的表面面积S[cm2]满足Wmax/60≤S≤Wmin/20。
这种结构限定了该放电容器的内表面的表面面积的预定范围。在这种金属卤化物灯中，即使在亮度降低的状态下工作时该灯的灯特性只展示出非常小的改变，这使得该灯可以完全用于亮度降低的情况。
其中，满足0＜Wmin/Wmax≤0.7。
其中，该放电容器包括主管和两个细管，每一细管从该主管的每一端部延伸，该电极均包括在不同的电极电感内，该电极电感由密封材料部分地密封在所述细管的相应一个细管中，和当灯以Wmax工作时，每一细管的对应于设置该密封材料的部段的放电空间端部具有≤900℃的外表面温度。
其中，除了汞之外，卤化物是发光材料，并且以一浓度封装在该放电空间内，该浓度满足0.9≤(Htotal-3)/V≤5.2，其中Htotal[mg]是卤化物的浓度，V[cm3]是放电空间的容积。
其中，该卤化物包括卤化钠、卤化铈、卤化铊、以及从以下一组包括卤化镝、卤化钬、卤化铥、卤化钆、卤化铒中选择的至少一种物质。
其中，满足1.0≤MT/C≤3.5，其中MT/C是卤化铊的浓度[mol]与卤化铈的浓度[mol]的比率。
其中，该卤化铈的浓度与总的卤化物浓度的比率＜4.0mol％。
其中，该金属卤化物灯用做白光源。
其中，Wmin是90W，Wmax是150W。
以上目的还通过以下方式实现，即，提供一种用于使金属卤化物灯在亮度降低的状态下工作的照明方法，该灯包括电弧管，两个电极彼此面对地保持在半透明的陶瓷放电容器中，和向该灯提供灯功率，以便满足WLmin≥20且WLmax≤60，其中，Wlmin和Wlmax分别是以最小和最大灯功率在亮度降低的状态下该电弧管的泡体壁负荷[W/cm2]。


下面参考附图进行说明，由此技术人员可以明显看出本发明的其它一些目的、特征和优点，在附图中图1是依据实施例1的金属卤化物灯的局部截面图；图2是依据实施例1的金属卤化物灯的电弧管的纵向截面图；图3示出了当实施例1的灯在亮度降低的状态下工作时的特征变化；图4示出了实施例1的灯在不同灯功率时进行寿命测试获得的光通量保持因数；图5表明了对于不同泡体壁负荷可获得的灯特征和寿命特征；图6是依据实施例2的金属卤化物灯的局部截面图；图7是实施例2的金属卤化物灯的电弧管的纵向截面图；图8示出了当实施例2的灯在亮度降低的状态下工作时的特征变化；图9示出了实施例1的灯在不同灯功率时进行寿命测试获得的光通量保持因数；图10是依据实施例3的金属卤化物灯的局部截面图；
图11示出了当实施例3的灯在亮度降低的状态下工作时的特征变化；图12示出了实施例3的灯在不同灯功率时进行寿命测试获得的光通量保持因数；图13示出了当实施例3的灯在亮度降低的状态下工作时的特征变化；图14示出了等同于实施例3的灯的亮度降低特征；图15示出了等同于实施例3的灯的亮度降低特征；图16示出了对于不同数值的MT/C的(在100小时之后的)亮度降低特征；图17示出了在亮度降低的状态下与卤化物浓度相关的特征改变；和图18示出了在亮度降低的状态下与卤化物浓度相关的特征改变。
具体实施例方式
以下参照附图来描述本发明的实施例的金属卤化物灯。
实施例1图1是依据实施例1的金属卤化物灯的局部截面图。
金属卤化物灯100(以下简称为“灯100”)在150-225W的灯功率范围内亮度可变，并且该灯可用于例如商店的室内照明、展示、展览等等。在这些应用中，重要的是结合灯功效和颜色特征，并且优选地采用所谓的白光源(显色性指数(CRI)≥80，优选为≥90；Duv+2～-10)。
1.结构在灯100中，如图1所示，电弧管150容纳在泡体120中，泡体还包括灯头110(例如E26灯头)。石英屏蔽管130包围电弧管150并保护泡体120免受损坏，该石英屏蔽管130设置在泡体120内。
泡体120由例如硬玻璃制成，并且具有封装在其中的例如氮气。注意在泡体内的空间可以是真空的。
灯100在接通时由灯头110来提供电力，由于(以下描述的)馈电线183和188，每一个馈电线从电弧管150的每一端部导出，电连接到连接金属丝141和142上，它们与灯头110连接。注意金属丝141和142总体上包括整数数量的连接的金属丝。
以下描述电弧管150。
图2是电弧管150的纵向截面图。
如图2所示，电弧管150具有主管160、设置在主管160的端部162、163处的细管170和175、以及一对电极电感180和185，在主管中形成放电空间161。注意，细管170和175设置在主管160中，以便细管的中心轴线与主管的中心轴线大致对准。
主管160和细管170、175由半透明的多晶氧化铝(97％总透光率)整体地形成。半透明的多晶氧化铝具有大约1200℃的热阻，这比通常使用的石英玻璃的热阻(大约1000℃)高200℃。
细管170、175烧结到主管160的端部162、163中。主管160和细管170、175一起构成放电容器155。如图2所示，主管160的中部164具有圆柱大直径，从中部164的末端朝向端部162、163该直径逐渐减小。细管170、175均具有直圆柱的形状。
电极电感180和185由电极杆181和186、围绕电极杆181和186在放电空间侧上盘绕的线圈182和187、以及连接到电极杆181和186的与放电空间侧相对的端部上的馈电线183和188而形成。注意，在电极杆181和186以及线圈182和187中可使用钨，而在馈电线183和188中可使用导电的金属陶瓷。
其中，电极杆181与线圈182以及电极杆186与线圈187的组合称为电极，电极的端部设置在放电空间161中，以便彼此大致相对。
电极电感180和185从设置线圈182和187的端部插入到细管170、175中并且通过使用密封材料(例如玻璃料191、192)在细管170、175中气密密封馈电线183和188的一部段从而保持在细管170、175中。注意，在玻璃料密封中使用的玻璃料191、192具有Dy2O3-Al2O3-SiO2的成分。
钼线圈193、194用于防止(以下描述的)发光材料侵蚀到电极杆与细管之间的相应间隙中，该钼线圈插入到该间隙中，以便围绕电极杆181和186盘绕。
由卤化物(例如DyI3、TmI3、HoI3、TlI以及碘化钠或NaI)、汞(作为缓冲气体)、和氩(作为启动稀有气体)形成的发光材料165的预定浓度物质封装在电弧管150的放电空间161内。
在此给出了具有上述结构的电弧管150的特定示例。
首先，在电弧管150中，泡体壁负荷WLmax和泡体壁负荷WLmin设定为落在(以下给出的)预定范围内。在此，WLmax是当灯100以最大灯功率Wmax在亮度降低状态下工作时的泡体壁负荷，而WLmin是当灯100以最小灯功率Wmin在亮度降低状态下工作时的泡体壁负荷。泡体壁负荷WL通过使用等式WL＝Wi/S，其中Wi[W]是灯功率，而S[cm2]是放电容器161的内表面的表面面积。
电弧管150的测量基于放电容器161的内表面的表面面积S来确定，其本身如此确定，即，使得泡体壁负荷WL采用的数值满足预定的范围。注意，泡体壁负荷WLmax(WLmin)是由灯功率Wmax(Wmin)除以表面面积S所获得的数值。
以下给出电弧管150的测量示例。
电弧管150容纳在泡体120中，在泡体中封装有56.5kPa的氮气。
在电弧管150中，在Wmax(在此为225W)时的泡体壁负荷WLmax设定为41W/cm2，而在Wmin(在此为150W)时的泡体壁负荷WLmin设定为27W/cm2。其内形成放电空间161的放电容器155的测量如此确定，以便使得这时放电容器161的内表面的表面面积S大约为5.5cm2。
放电容器155的总长度是44毫米。在主管160中，中部164的内径和外径分别是10毫米和11.4毫米，在主管160的每一侧上的细管170、175之间的距离(图2中的L1)是15毫米。细管170、175均具有3.0毫米的外径、1.0毫米的内径、和14.5毫米的总长度。
注意，在本实施例的放电容器155中，在主管160内，放电空间161由细管170、175的端面之间的距离(图2中的L1)来限定，放电空间不包括在细管170、175中的孔。
以下将描述电极电感180和185的主要测量。电极电感180和185保持在细管170、175中，以便使得放电空间161内的电极杆181、186之间的距离为10毫米。电极杆181、186具有0.5毫米的外径和12.5毫米的总长度，而馈电线183、188具有0.9毫米的外径和12毫米的总长度。电极电感180和185的玻璃料密封部段(即对应于设置玻璃料191、192的部段)均具有沿相应细管的4.5毫米的总长度。
发光材料165以5mg封装在放电空间161内。以下给出了构成发光材料165的卤化物，以及以摩尔百分比表示的相应浓度
DyI3∶TmI3∶HoI3∶TlI∶NaI＝6.6∶4.8∶6.5∶8.5∶73.5mol％2.亮度降低特性以下的描述涉及灯100，其包括具有以上特定结构的电弧管150，以最小灯功率150W和最大灯功率225W限定的范围内在亮度降低的状态下工作。
图3示出了当灯100在150-225W的范围内在亮度降低的状态下工作时对于总光通量、灯功效、色温、CRI(普通显色性指数)、Duv(黑体轨迹偏差×1000)的测量结果。
如图3所示，总光通量随灯功率的波动而波动(增加/降低)，而无论灯功率如何变化，灯功效大致保持恒定(90.1-91.5lm/W)。
在常规的金属卤化物灯中，当灯在亮度降低的状态下工作时由于灯功率的改变而引起色温(≥750K)的明显变化。然而，在具有上述结构的灯100中，图3清楚地示出了无论灯功率如何变化色温保持大致恒定。具体地说，在灯以Wmax(3555K)和Wmin(3615K)工作之间的色温差为60K，这意味着对现有技术有显著的改进。
即使在低的灯功率下，CRI(86-93Ra)和Duv(-1.9～-2.8)均保持大致恒定，CRI保持在86Ra或更高，Duv数值非常小。
注意，严格意义上讲，对于灯功效和色温分别随灯功率的改变波动大约1.5％和1.7％。然而，在这种程度的波动下，该灯是完全可以使用的，在实际使用中不会出现问题。另外注意，波动范围是由灯功率数值之间的差值除以基准值而获得的绝对值，在这种情况下基准值是灯以最大功率(Wmax)工作的状态。
这些测量结果表明，通过使灯100设定成上述的泡体壁负荷WL，在灯功率150-225W的范围内可实现灯在亮度降低的状态下良好地工作，同时灯特性(例如灯功效、色温、显色性等等)展示出最小程度的改变。
以下将描述当灯以灯功率150-225W的范围内在亮度降低的状态下工作时该灯的寿命特征。
图4示出了使用以上结构的灯100在灯功率数值为150W、180W、210W、225W时进行寿命测试获得的燃弧时间与光通量保持因数之间的关系。
注意，灯寿命的测试涉及分别开灯5.5小时和关灯0.5小时的开/关循环，在点亮100小时之后的光通量数值用作初始数值，以便计算光通量保持因数。在开/关循环的测试中灯寿命限定为光通量保持因数达到该初始数值的70％的开灯累计时间。
如图4所示，测试结果表明，对于所有的灯功率数值，光通量保持因数保持非常好的程度，同时没有观察到常规的金属卤化物灯以低的灯功率在亮度降低的状态下工作时的灯寿命缩短。
以上的测试表明，通过使用具有以上结构的灯100，在不改变发光材料165的情况下，可防止在灯功率范围内在亮度降低的状态下(即在150W时泡体壁负荷WL为27.3W/cm2，而在225W时泡体壁负荷WL为40.9W/cm2)工作时的色温降低，而且，在灯功率数值的整个范围内在亮度降低的状态下工作时光通量保持因数没有明显地降低。因此，灯100被认为完全可用作亮度可变的灯。
3.管壁负荷随着用于亮度可变的照明的金属卤化物灯发展到现今，公认的是，当该灯以Wmax在亮度降低的状态下工作时，泡体壁负荷WLmax最大，而灯寿命最短。即，常规的想法是降低泡体壁负荷WL以便降低灯功率并延长灯寿命。
然而，通过试图增加泡体壁负荷WL以缩短寿命测试的过程时，本申请的发明人灯寿命没有缩短而是增加了。发明人由此通过应用金属卤化物灯的该原理实现了即使在亮度降低的状态下减小了色温的变化。
由于进行了这些研究，发现了通过使用具有以上结构的灯100，优选的是，当在亮度降低的状态下Wmax≤250W时，将泡体壁负荷WL设定在泡体壁负荷WLmin≥20W/cm2、泡体壁负荷WLmax≤60W/cm2的范围内。
以下解释它原因。
首先，作出十个不同的试样，在试样中放电容器161的内表面的表面面积S可调节，以便当灯以135-225W的灯功率范围内在亮度降低的状态下工作时，泡体壁负荷WLmax在Wmax下以5W/cm2的增加率在25-70W/cm2的范围内增加。每一试样在亮度降低的状态下工作，并且对灯功效、灯特征(例如亮度降低特征等等)和寿命特征进行测试。注意，涉及试样的灯特征和寿命特征的测试以与对灯100的其中放电容器161的内表面的表面面积S为5.5cm2的上述测试相同的方式来进行。
十个试样的测试结果在图5中示出。
图5示出了首先，在泡体壁负荷列中示出了两个数值，第一个数值是Wmax时的泡体壁负荷数值，而括号中的数值是Wmin时的泡体壁负荷数值。
使用四个等级“×”“△”“○”“◎”来评判灯特征和寿命特征×差△不好(存在问题)○良好(完全可以使用)◎非常好(a)灯特征首先描述灯特征。
图5表明了即使灯在亮度降低的状态下工作，对于范围40(24)-55(33)的泡体壁负荷可获得非常好的灯特征(“◎”)。即使灯在亮度降低的状态下工作，即使对于范围33(20)-65(39)内的泡体壁负荷，灯特征不存在问题，可以实际使用(至少是“○”)。
然而，在33(20)-65(39)的范围之外(即泡体壁负荷≤30(18)或者≥70(42))，不能获得实用的灯特征，(即“×”“△”)。
以下将简要讨论其原因。
首先，泡体壁负荷≤30(18)时的结果“×”和“△”是由于当灯以低于Wmax(225W)的Wmin(135W)工作时放电空间161中的温度造成的。因为封装在放电空间161中的卤化物的不同蒸气压力特征，所以这加强了灯特性(灯功效、色温等等)在以Wmax和Wmin工作之间的差别。
另一方面，当灯以Wmax工作时，导致在泡体壁负荷70(42)或更高时出现结果“△”的原因是由于负荷过高而导致灯功效、色温恶化。
(b)寿命特征以下描述寿命特征。
图5表明了对于范围在33(20)-50(30)内的泡体壁负荷可获得非常好的寿命特征(“◎”)。即使对于30(18)-60(36)范围内的泡体壁负荷，寿命特征不存在问题，可以实际使用(至少是“○”)。
然而，在30(18)-60(36)的范围之外(即泡体壁负荷≤25(15)或者≥65(39))，不能获得实用的寿命特征，(即“×”或“△”)。
以下将简要讨论其原因。
首先，当灯以Wmin工作时，在泡体壁负荷25(15)或更低时出现结果“△”的原因是放电容器155的管壁的低温。这抑制了卤素的循环并导致管壁严重的变黑。
另一方面，当灯以Wmax工作时，在泡体壁负荷65(39)或更高时出现结果“×”的原因是电弧管150的温度升高。这使得放电容器155和发光材料165在放电容器155内的反应性增加，并且在寿命测试中，在3000小时内在电弧管150的主管160中出现裂纹，这导致由于泄漏而形成灯工作的故障。
(c)总结以上的效果表明，在33(20)-60(36)的泡体壁负荷的范围内，灯100的灯特征和寿命特征是满意的。注意，该范围称为“在亮度降低的状态下最佳的泡体壁负荷范围”。
具体地说，在亮度降低的状态下当Wmax≤250W时，在亮度降低的状态下的泡体壁负荷WL设定在由Wmin时的泡体壁负荷WLmin≥20W/cm2和Wmax时泡体壁负荷WLmax≤60W/cm2限定的范围内。
注意，当氮气封装在泡体120内或者当泡体内形成真空时，该测试已经确认对于以上泡体壁负荷范围可获得大致相同的结果。
因此，在电弧管150中，如果设定亮度降低的照明状态(即Wmax、Wmin)，放电容器161的内表面的表面面积S优选为如此确定，即，使得泡体壁负荷WL满足以上的条件，并且其不限于上述的5.5cm2的内表面的表面面积。
实施例2图6是依据实施例2的金属卤化物灯的局部截面图。
金属卤化物灯200(以下简称为“灯200”)在270-400W的灯功率范围内亮度可变，并且该灯可用于例如街道灯的室外照明、或者例如机构建筑、体育馆等等的高屋顶照明应用。在这些应用中，重要的是灯功效而不是颜色特征，(CRI大约50-70；Duv+10～+20)。
1.结构在灯200中，如图6所示，电弧管250容纳在泡体220中，泡体还包括灯头210(例如E39灯头)。石英屏蔽管230包围电弧管250，该石英屏蔽管设置在泡体220内。
泡体220由例如硬玻璃制成，并且在其中形成真空。注意，薄膜221(例如Teflon)围绕泡体220的外侧形成，以防止玻璃碎片在破裂时散开。
借助馈电线283和288，由灯头210来向电弧管250提供电力，每一个馈电线从电弧管的每一端部突伸出来，电连接到连接金属丝241和242上。
以下描述电弧管250。
图7是电弧管250的纵向截面图。
如图7所示，电弧管250具有主管260、从主管260的每一端延伸的细管270和275、以及一对电极电感280和285，在主管中形成放电空间261。
主管260和细管270、275由半透明的多晶氧化铝(97％总透光率)整体地形成。主管和细管一起构成放电容器255。
如图7所示，主管260是圆柱形的并且在中部264处具有大直径，该直径以弧形朝向端部逐渐减小。细管270、275均具有直圆柱的形状。
与实施例1相似，电极电感280和285由电极杆281和286、线圈282和287、以及馈电线283和288而形成。注意，这些部件的材料与实施例1相同。
与实施例1相似，在电极电感280和285中，馈电线283和288的一部分使用例如玻璃料291、292气密密封在细管270、275中，以便在放电空间中电极杆281和286之间的距离为30毫米。
与实施例1相似，钼线圈293、294设置在电极杆与细管之间的相应间隙中。
由汞、氩和卤化物(例如碘化铈或CeI3、碘化铟或InI3、TlI、NaI)形成的发光材料265封装在电弧管250内。
以下描述具有上述结构的电弧管250的特定示例。
在电弧管250中，在Wmax(在此为400W)时泡体壁负荷WLmax设定为37W/cm2，而在Wmin(在此为270W)时泡体壁负荷WLmin设定为25W/cm2。其内形成放电空间261的放电容器255的测量如此确定，即，以便使得这时放电容器的内表面的表面面积S大约为10.8cm2。
放电容器255的总长度是80毫米。主管260在中部264的内径和外径分别是12毫米和14.5毫米。细管270、275均具有4毫米的外径、1.4毫米的内径、和20毫米的总长度。
注意，在本实施例的放电容器255中，如图7所示，放电空间261由细管270、275的放电空间-端部开始弯曲的位置之间的距离(即图7中的L2)来限定。
以下将描述电极电感280和285的主要测量。电极杆281、286具有0.75毫米的外径和20毫米的总长度，而馈电线283、288具有1.3毫米的外径和10毫米的总长度。电极电感280和285的玻璃料密封部段均具有沿相应细管的5毫米的总长度(即对应于设置玻璃料的部段长度)。
发光材料265以18mg封装在放电空间261内。以下给出了构成发光材料265的卤化物，以及以摩尔百分比表示的相应浓度CeI3∶InI3∶TlI∶NaI＝14.5∶0.9∶2.6∶82.0mol％2.亮度降低特性以下的描述涉及灯200，其包括具有以上特定结构的电弧管250，该灯在最小灯功率Wmin270W和最大灯功率Wmax400W限定的范围内在亮度降低的状态下工作。
图8示出了当灯200在270-400W的范围内在亮度降低的状态下工作时对于总光通量、灯功效、色温、CRI(普通显色性指数)、Duv(黑体轨迹偏差×1000)的测量结果。
如图8所示，总光通量随灯功率的波动而波动(增加/降低)，而无论灯功率如何变化，灯功效大致保持恒定(131.1-135.0lm/W)。
图8清楚地表明了无论灯功率如何变化色温保持大致恒定。具体地说，在灯以Wmax(4155K)和Wmin(4095K)工作之间的色温差为60K，这意味着对现有技术有显著的改进。
如图8所示，即使在灯功率降低的情况下，CRI(72-78Ra)和Duv(18～23)均保持大致恒定，CRI保持在72Ra或更高。
这些测量结果表明，通过使灯200设定成上述的泡体壁负荷WL，在灯功率270-400W的范围内可实现灯在亮度降低的状态下良好地工作，同时灯特性(例如灯功效、色温、显色性等等)展示出最小程度的改变。
以下将描述当灯以灯功率270-400W的范围内在亮度降低的状态下工作时该灯的寿命特征。
图9示出了使用以上结构的灯100在灯功率数值为270W、300W、350W、400W时进行寿命测试获得的燃弧时间与光通量保持因数之间的关系。
注意，灯寿命的测试与实施例1的测试相同。灯寿命等等的定义与实施例1相同。
如图9所示，测试结果表明，随着灯功率增加，光通量保持因数趋向增加，寿命特征趋向于得到改善，同时没有观察到常规的金属卤化物灯以低的灯功率在亮度降低的状态下工作时的灯寿命缩短。
以上的测试表明，通过使用具有以上结构的灯200，在不改变发光材料265的情况下，可防止在亮度降低的状态下工作时的色温变化(差别)，而且，在灯功率数值的整个范围内在亮度降低的状态下工作时光通量保持因数没有明显地降低。因此，灯200被认为完全可用作亮度可变的灯。
3.管壁负荷依据测量的以上特定描述，在亮度降低的状态下电弧管250的泡体壁负荷WL设定25-37在W/cm2的范围内。然而，在亮度降低的状态下泡体壁负荷WL设定在Wmin时泡体壁负荷WLmin≥20W/cm2、在Wmax＞250W时泡体壁负荷WLmax≤60W/cm2的范围内。
这是因为对于灯200(即实施例2的灯)进行实施例1所述的3部段的测试从而获得与实施例1相同的结果。因此，在此省去了实施例2的测试结果的图表。
当然，在电弧管250中，如果设定亮度降低的照明状态(即Wmax、Wmin)，放电容器261的内表面的表面面积S优选为如此确定，即，使得泡体壁负荷WL满足以上的条件，并且其不限于上述的10.8cm2的内表面的表面面积。
注意，当氮气封装在泡体120内或者当泡体内形成真空时，对于以上泡体壁负荷范围可获得大致相同的结果。
实施例3图10是依据实施例3的金属卤化物灯的局部截面图。
金属卤化物灯300(以下简称为“灯300”)在90-150W的灯功率范围内亮度可变，并且该灯可用于例如商店的室内照明、展示、展览等等。在这些应用中，重要的是结合灯功效和颜色特征，并且优选地采用所谓的白光源(显色性指数(CRI)≥80，优选为≥90；Duv+2～-10)。
1.结构在灯300中，如图10所示，电弧管350保持在泡体320中，泡体还包括灯头310(例如E26灯头)。如实施例1和2，石英屏蔽管330包围电弧管350，该石英屏蔽管设置在泡体220内，以便保护泡体防止其损坏。泡体320由例如硬玻璃制成。
借助馈电线383和388，由灯头310来向电弧管350提供电力，每一个馈电线从电弧管的每一端部突伸出来，电连接到连接金属丝341和342上。
以下描述电弧管350。
如实施例1和2，电弧管350具有主管360、从主管360的每一端延伸的细管370和375、以及一对电极电感380和385，在主管中形成放电空间361。
主管360和细管370、375由半透明的多晶氧化铝(97％总透光率)整体地形成。如实施例1和2，主管和细管一起构成放电容器。
如图10所示，主管360是圆柱形的并且在中部处具有大直径，该直径朝向端部逐渐减小。细管370、375均具有直圆柱的形状。
如实施例1和2，电极电感380和385由电极杆、线圈、以及馈电线383和388而形成。电极电感380和385通过使用玻璃料部分地密封在细管370、375中。如实施例1和2，钼线圈293、294设置在电极杆与细管之间的相应间隙中。
由汞、氩和卤化物(例如DyI3、TmI3、HoI3、CeI3、TlI、NaI)形成的预定浓度的物质封装在电弧管350内。
以下描述具有上述结构的电弧管350的特定示例。
在电弧管350中，在Wmax(在此为150W)时泡体壁负荷WLmax设定为40W/cm2，而在Wmin(在此为90W)时泡体壁负荷WLmin设定为24W/cm2。构成放电空间的放电容器的测量如此确定，即，以便使得这时放电容器的内表面的表面面积S大约为3.75cm2。
放电容器的总长度是48毫米。主管360在中部的内径和外径分别是10毫米和11.4毫米。细管370、375均具有3毫米的外径、1.0毫米的内径、和15.5毫米的总长度。
以下将描述电极电感的主要测量。电极杆均具有0.45毫米的外径和13.5毫米的总长度，而馈电线均具有0.9毫米的外径和12毫米的总长度。注意，氮气以50kPa封装在泡体320内。
2.灯特征使用具有不同卤化物成分的发光材料的两种类型的电弧管来进行各个灯特征的测量。除了卤化物成分不同之外，两个类型的电弧管在例如度量等等方面中是相同的。注意以摩尔百分比表示的以下成分类型1DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝9.6∶9.6∶9.5∶1.8∶3.7∶65.7mol％类型2DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝2.1∶2.1∶2.1∶1.3∶3.9∶88.5mol％2-1.类型1(a)亮度降低特性以下的描述涉及灯300，其包括具有类型-1的电弧管350，该灯在最小灯功率Wmin90W和最大灯功率Wmax150W限定的范围内在亮度降低的状态下工作。
图11示出了当灯300在90-150W的范围内在亮度降低的状态下工作时对于总光通量、灯功效、色温、CRI(普通显色性指数)、Duv(黑体轨迹偏差×1000)的测量结果。注意，图11中的数据在灯工作100小时之后获得。
如图11所示，在灯功率90W时的总光通量(7859lm)与在灯功率150W时的总光通量(13967lm)的比率(即7859/13967＝0.56)大致等于最小与最大灯功率的比率(即具体而言是90.5/147＝0.62)，这表明如实施例1和2，通过改变灯功率可实现亮度降低的照明。
灯功效在90W时(86.8lm/W)和150W时(95.4lm/W)保持较高，尽管前者稍微低于后者。
无论灯功率如何变化色温保持大致恒定(4248K，4298K)。即使在低的灯功率(90W)的情况下，CRI(96.4Ra，85.9Ra)和Duv(-3.5，-4.0)均保持大致恒定。
这些测量结果表明，通过使灯300设定成上述的泡体壁负荷WL(在最大和最小灯功率时分别为40W/cm2和24W/cm2)，在灯功率90-150W的范围内可实现灯在亮度降低的状态下良好地工作，同时灯特性(例如灯功效、色温、显色性等等)展示出最小程度的改变。注意，类型-1的灯还落在实施例1所述的在亮度降低的状态下最佳的泡体壁负荷范围内。
(b)寿命特征以下将描述当灯以灯功率90-150W的范围内在亮度降低的状态下工作时该灯的寿命特征。
图12示出了使用以上结构的灯300在灯功率数值为90W、120W、150W时进行寿命测试获得的燃弧时间与光通量保持因数之间的关系。
注意，灯寿命的测试与实施例1的测试相同。灯寿命等等的定义与实施例1相同。
如图12所示，测试结果表明，随着灯功率增加，光通量保持因数趋向增加，寿命特征趋向于得到改善，同时没有观察到常规的金属卤化物灯以低的灯功率在亮度降低的状态下工作时的灯寿命缩短。注意，这种趋向与实施例1和2所观察到的相同。
以上的测试表明，通过使用具有以上发光材料成分的灯300，可防止在亮度降低的状态下工作时的色温变化(差别)，而且，在灯功率数值的整个范围内在亮度降低的状态下工作时光通量保持因数没有明显地降低。因此，灯300被认为完全可用作亮度可变的灯。
2-2.类型2(a)亮度降低特性以下的描述涉及灯300，其包括具有类型-2的电弧管，该灯在最小灯功率Wmin90W和最大灯功率Wmax150W限定的范围内在亮度降低的状态下工作。
图13示出了当灯300在90-150W的范围内在亮度降低的状态下工作时对于总光通量、灯功效、色温、CRI(普通显色性指数)、Duv(黑体轨迹偏差×1000)的测量结果。注意，图13中的数据在灯工作100小时之后获得。
如图13所示，在灯功率90W时的总光通量(8521lm)与在灯功率150W时的总光通量(14358lm)的比率(即8521/14358＝0.59)大致等于最小与最大灯功率的比率(即具体而言是90.5/147＝0.62)，这表明如实施例1和2，通过改变灯功率可实现亮度降低的照明。
灯功效在90W时(94.1lm/W)和150W时(97.7lm/W)保持较高，尽管前者稍微低于后者。
尽管不影响使用，但是在灯功率90W时色温(2875)与在灯功率150W时色温(3084K)之间稍有差别。CRI数值在灯功率90W时(77Ra)与在灯功率150W时(93Ra)之间也稍有差别。Duv(-4.0，-5.2)保持大致恒定。
3.灯特征(a)灯功效图14示出了等同于类型-1灯的灯(以下称为“类型-1的等同形式”)的亮度降低特征。类型-1的等同形式具有4300K的色温，并且不包括CeI3。另一方面，图15示出了等同于类型-2灯的灯(以下称为“类型-2的等同形式”)的亮度降低特征。类型-2的等同形式具有3000K的色温，并且不包括CeI3。注意，图14和15所示的亮度降低特征是当该灯以90-150W功率范围在亮度降低的状态下工作时相应灯的特征，形式上如图11和13。
类型-1的等同形式DyI3∶TmI3∶HoI3∶TlI∶NaI＝10∶10∶10∶12∶58mol％类型-2的等同形式DyI3∶TmI3∶HoI3∶TlI∶NaI＝2∶2∶2∶10∶83mol％本发明的类型-1和类型-2的灯的灯功效(见图11和13)高于不包括CeI3的类型-1等同形式和类型-2等同形式的灯的灯功效。
更具体地说，以150W工作时类型-1的灯的灯功效是95.4lm/W，而类型-1的等同形式的灯的相应数值是91.9lm/W。因此，类型-1的灯的灯功效比类型-1的等同形式的灯提高了3.8％。
相似的，以150W和90W工作时类型-2的灯的灯功效是97.7和94.1lm/W，而类型-2的等同形式的灯的相应数值是92.5和92.1lm/W。因此，类型-2的灯的灯功效比类型-2的等同形式的灯分别提高了5.6和2.2％。
以上的效果表明，当CeI3包括在发光材料中时，可提高灯功效。
(b)亮度降低特征如上所述，除了该发现之外，本申请的发明人发现当CeI3包括在发光材料中时，可提高灯功效，另外还注意到CeI3的浓度的变化导致在亮度降低的状态下色温和Duv的变化。
因此，发明人对于发光材料的成分比例进行了研究，并且成功地降低了色温和Duv的变化，同时通过优化铈和铊的浓度从而可保持灯在亮度降低状态下工作时的高的灯功效。
也就是说，如果MT/C满足1.0≤MT/C≤3.5，则在亮度降低的状态下可获得非常好的亮度降低特征，其中MT/C是TlI的浓度[mol]与CeI3的浓度[mol]的比率。
以下将解释其原因。
图16示出了对于不同数值的MT/C的(在100小时之后的)亮度降低特征。
其中，图16中的不同灯类型用于在色温3000K和4300K下使用，并且在这些灯中使用的发光材料由以下卤化物和成分比率构成。
类型3DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝6.3∶6.3∶6.2∶3.9∶1.5∶75.8mol％MT/C＝0.4类型4DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝8.4∶8.4∶8.3∶4.1∶4.1∶66.1mol％MT/C＝1.0类型5DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝8.8∶8.8∶8.7∶1.6∶4.3∶67.8mol％MT/C＝2.6
类型6DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝2.2∶2.2∶2.1∶1.1∶3.8∶88.6mol％MT/C＝3.5类型7DyI3∶TmI3∶HoI3∶CeI3∶TlI∶NaI＝2.2∶2.2∶2.0∶1.1∶6.4∶86.3mol％MT/C＝5.8类型3-类型7的灯以两个灯功率90W和150W工作。其中，以90-150W工作的灯可用于例如室内的商店照明。在这种情况下，优选的是，当灯亮度变暗时，该灯的发光颜色只有非常小的变化，并且通常在亮度降低的状态下Duv偏差≤2.5是商店照明所需的。
从图16中，我们认识到当MT/C满足1.0≤MT/C≤3.5时，可实现商店照明所需的Duv偏差≤2.5，其中MT/C是TlI的浓度与CeI3的浓度的比率。
注意，尽管参照图16对于灯类型描述了两个色温(3000K和4300K)，即使对于不同的色温，以上的情况也应当是适用的。另外，在室外照明的情况下，可允许有大量的颜色变化，并且Duv偏差不限制为≤2.5。因此，MT/C应当依据灯的使用场合、输出等等因素来适当的确定，以便使得Duv偏差＜7，如本说明书的背景技术部分的描述。
(c)相关事项如上所述，本申请的发明人通过其研究发现当CeI3包括在发光材料中时，可提高灯功效，并且优化CeI3和TlI的浓度有助于减小在亮度降低的状态下色温和Duv的变化。此外，发明人还发现，如果CeI3的浓度小于总的卤化物浓度(除汞之外)的4.0mol％，则可获得适合于商店照明的白光源(即高灯功效、高显色性、和极佳的Duv)。
换言之，尽管在CeI3的浓度大于4.0mol％时灯功效得到提高，但是铈的绿色特性的发射强度将增加，这导致难以获得高的显色性和极佳的Duv(+2到-10)。因此，优选的是，封装的CeI3的浓度小于4.0mol％，以便获得适合于商店等照明的白光源。
变型和其它事项1.灯功率本发明尽管参照实施例1-3来描述，但是本发明可应用于优选实施例所述之外的灯功率。例如，本发明可应用于在范围200-300W内亮度可变的灯。
2.发光材料尽管在优选实施例的发光材料中使用了DyI3、TmI3、HoI3、CeI3、TlI、NaI，但是可使用其它的卤化物，例如，卤化镨、卤化铈、卤化钆、卤化镥、卤化镱、卤化铽、卤化铒。注意，这些卤化物不能于构成放电容器的材料(即氧化铝等)易于发生反应。
另外，尽管在优选实施例中使用碘化物作为卤化物，但是可使用溴化物等。
3.发光材料的浓度通常，在金属卤化物灯中，灯特征的改变取决于封装在放电空间内的发光材料的浓度。发明人发现，由于他们进一步的研究，当获得极佳的亮度降低特征时，发光材料的浓度[mg]是Htotal，并且放电空间的容积[cm3]是V，对于在亮度降低的状态下工作的灯，等式“0.9≤(Htotal-3)/V≤5.2”是优选满足的。以下将描述设定该范围的原因。
(a)测试首先，在测试中，制备具有不同发光材料浓度的灯，并且在灯功率范围90-150W内在亮度降低的状态下评判亮度降低特征。注意，在此使用的灯具有大致与实施例3相同的结构。
(b)灯对于在该测试中使用的灯，不同的卤化物以不同的比率(mol％)包含在发光材料中，采用了以下两种发光材料的成分。
类型8DyI3∶TmI3∶HoI3∶TlI∶NaI＝10∶10∶10∶9∶61mol％类型9DyI3∶TmI3∶HoI3∶TlI∶NaI＝3∶3∶3∶7∶84mol％(c)发光材料的浓度六种不同浓度的全部的发光材料封装在放电空间内，这些浓度为4.3mg、5.7mg、7.1mg、8.6mg、10.0mg、11.1mg。
注意，本发明导出的转换表达式可应用于不同的金属卤化物灯，该等式是“(Htotal-3)/V”。使用该表达式将六种不同的发光材料浓度转变为-0.5、0.9、2.4、3.8、5.2、6.3。
(d)测试结果对于由具有六种不同的发光材料浓度的类型-8和类型-9的灯在亮度降低的状态下工作获得的亮度降低特征的结果在图17和18中分别示出。
图17和18示出了首先，“(Htotal-3)/V”列列出了转换后的浓度。注意用于评判灯在亮度降低的状态下工作获得的亮度降低特征的符号是×差△不好(存在问题)○良好(完全可以使用)◎非常好图17和18示出了两种类型的灯即使在亮度降低的状态下工作时对于(Htotal-3)/V≥3.8可获得非常好的灯特征(“◎”)。此外，图17和18示出了两种类型的灯即使在亮度降低的状态下工作时对于(Htotal-3)/V≥0.9可不影响灯使用的灯特征(“○”)。
接着考虑灯功效。对于给定成分和成分比率的发光材料，灯功效的改变取决于封装在放电空间内的发光材料的浓度。通常，该浓度设定成大于使用该发光材料可获得的最大灯功效的95％。
对于类型-8的灯的卤化物成分，最大灯功效被认为是大约91lm/W。该数值的95％大约是86lm/W，给出(Htotal-3)/V的数值是5.2。如果(Htotal-3)/V的数值增大超过(例如6.3)，灯功效终止于低于最大灯功效的95％。
图18示出了对于类型-9的灯可以作出与类型-8的灯作出的结论相似的结论。为了参照，注意，对于实施例1的灯100，(Htotal-3)/V＝2.2，而对于实施例2的灯200，(Htotal-3)/V＝2.0。
4.电弧管的形状在实施例1中，电弧管的主管的直径沿从其中部朝向端部的直线减小，而在实施例2中，相应的直径以弧形形式朝向其端部减小。然而，在主管可采用其它形式。例如，主要部段和端部可以是柱形的，具有大致相同的直径。
5.Wmin与Wmax的比率在实施例1和2中，最小灯功率与最大灯功率的比率(即Wmin/Wmax)分别是0.66和0.675。注意，在Wmin与Wmax之间存在较大差别(即Wmin/Wmax≤0.7)的亮度降低的状态下，灯特征的改变被特别地抑制。
6.电弧管泄漏在实施例1中，参照以下进行描述，当泡体壁负荷超过特定水平时，从电弧管的主管中出现泄漏。泄漏可以发生在其它部分中。使用实施例1的灯100作为示例，当电弧管150温度升高时，泄漏例如在电极电感180、185由玻璃料191、192密封在细管170、175内的部段处出现。
发明人经研究发现，当细管的部段的设置玻璃料的放电空间-端部的外部温度超过900℃时，从这些密封部分中出现泄漏。因此，如果降低密封材料的放电空间-端部(即优选实施例中的玻璃料)的温度则可避免这种泄漏，这可以通过延长细管以便增加放电空间与密封材料之间的距离来实现。
7.灯在优选实施例中所述的灯头是Edison(螺口式)灯头(例如E26灯头)，当然可使用其它类型的灯头，例如包括单头PG式灯头和双头灯头。
不脱离权利要求限定的本发明的范围和构思，本领域普通技术人员可以对上述的技术方案作出各种改变和改型。因此，本发明不由上述的说明限定，而是由下面的权利要求限定。应当理解，本文所使用的措辞和术语仅仅是示意性的而不是限定性的。因此，本发明旨在包括落在后附权利要求限定的精神和范围内的所有替换、变型、等同形式和改变。
权利要求
1.一种亮度可变的金属卤化物灯，其包括电弧管，该电弧管包括半透明的陶瓷放电容器和两个保持在放电空间内的电极，该放电空间位于该放电容器内并具有封装在其内的多种卤化物；和向该电极提供电力的灯头，其中，当灯功率在亮度降低状态下设定在由最大灯功率Wmax[W]和最小灯功率Wmin[W]限定的范围内时，该放电容器的内表面的表面面积S[cm2]满足Wmax/60≤S≤Wmin/20。
2.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，其中0＜Wmin/Wmax≤0.7。
3.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该放电容器包括主管和两个细管，每一细管从该主管的每一端部延伸，该电极均包括在不同的电极电感内，该电极电感由密封材料部分地密封在所述细管的相应一个细管中，和当灯以Wmax工作时，每一细管的对应于设置该密封材料的部段的放电空间端部具有≤900℃的外表面温度。
4.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，除了汞之外，卤化物是发光材料，并且以一浓度封装在该放电空间内，该浓度满足0.9≤(Htotal-3)/V≤5.2，其中Htotal[mg]是卤化物的浓度，V[cm3]是放电空间的容积。
5.如权利要求2所述的金属卤化物灯，其特征在于，除了汞之外，卤化物是发光材料，并且以一浓度封装在该放电空间内，该浓度满足0.9≤(Htotal-3)/V≤5.2，其中Htotal[mg]是卤化物的浓度，V[cm3]是放电空间的容积。
6.如权利要求1所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化物包括卤化钠、卤化铈、卤化铊、以及从以下一组包括卤化镝、卤化钬、卤化铥、卤化钆、卤化铒中选择的至少一种物质。
7.如权利要求4所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化物包括卤化钠、卤化铈、卤化铊、以及从以下一组包括卤化镝、卤化钬、卤化铥、卤化钆、卤化铒中选择的至少一种物质。
8.如权利要求5所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化物包括卤化钠、卤化铈、卤化铊、以及从以下一组包括卤化镝、卤化钬、卤化铥、卤化钆、卤化铒中选择的至少一种物质。
9.如权利要求6所述的金属卤化物灯，其特征在于，1.0≤MT/C≤3.5，其中MT/C是卤化铊的浓度[mol]与卤化铈的浓度[mol]的比率。
10.如权利要求7所述的金属卤化物灯，其特征在于，1.0≤MT/C≤3.5，其中MT/C是卤化铊的浓度[mol]与卤化铈的浓度[mol]的比率。
11.如权利要求6所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化铈的浓度与总的卤化物浓度的比率＜4.0mol％。
12.如权利要求7所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化铈的浓度与总的卤化物浓度的比率＜4.0mol％。
13.如权利要求9所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化铈的浓度与总的卤化物浓度的比率＜4.0mol％。
14.如权利要求10所述的金属卤化物灯，其特征在于，该卤化铈的浓度与总的卤化物浓度的比率＜4.0mol％。
15.一种如权利要求7所述的金属卤化物灯用做白光源。
16.如权利要求15所述的金属卤化物灯，其特征在于，Wmin是90W，Wmax是150W。
17.一种用于使金属卤化物灯在亮度降低的状态下工作的照明方法，该灯包括电弧管，两个电极彼此面对地保持在半透明的陶瓷放电容器中，和向该灯提供灯功率，以便满足WLmin≥20且WLmax≤60，其中，Wlmin和Wlmax分别是以最小和最大灯功率在亮度降低的状态下该电弧管的泡体壁负荷[W/cm2]。
全文摘要
一种亮度可变的金属卤化物灯，其中电弧管容纳在泡体中，该泡体在其一端具有灯头。该电弧管包括主管和从主管的端部延伸的细管、以及一对电极电感。主管和细管由半透明的多晶氧化铝制成，并且构成在其中具有放电空间的放电容器。其中，当灯功率在亮度降低状态下设定在由最大灯功率Wmax[W]和最小灯功率Wmin[W]限定的范围内时，该放电容器的内表面的表面面积S[cm
文档编号H01J61/20GK1591765SQ200410074848
公开日2005年3月9日 申请日期2004年8月30日 优先权日2003年8月29日
发明者竹内延吉, 马庭隆司, 西浦义晴 申请人:松下电器产业株式会社