陶瓷金卤灯、LED灯的比较和未来发展方向.ppt
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1、陶瓷金卤灯、LED灯的比较和未来发展方向,-节能减碳尽快为地球降温 是我们目前科技发展的核心,FCRI,佛 山 市 陶 瓷 研 究 所,目 录,一表征光源的重要参数二金卤灯三陶瓷金卤灯四大功率陶瓷金卤灯是未来的方向五陶瓷金卤灯关键技术六LED小功率照明将成为未来发展方向七在我国发展陶瓷金卤灯、LED灯的意义及市场八打破国外在陶瓷金卤灯垄断我方已用自己知识 产权的技术成功生产出一体化陶瓷金卤灯放电管,FCRI,1表征光源的重要参数,光强度单位cd烛光是光度量学的基本单位,即:在101325N/m2的压力下,处于纯白金凝固温度的黑体的16105m2表面的垂直方向的光强度为1cd,1cd的点光源在单
2、位立体角发射出的光通量为1lm流明。光源的特性一般用2个参数来表征:,FCRI,1表征光源的重要参数,1.发光效率即:光源所发出光通量与光源所消耗电能之比。单位lmW。此参数越高说明此光源光效越好,越利于节能。2.光源的色表和显色性;色表和显色性。色表就是人眼直接观察光源时所看到的颜色;显色性是指光源的光照射到物体所产生的客观效果光源使被照有色物体的颜色再显现出来的能力。如果一个颜色物体受照效果和标准光源黑体照射时一样则认为该光源显色性好,其值为100最大,反之受照后颜色失真,则该光源显色性差,其值小于100。,FCRI,1表征光源的重要参数,举例说明:道路灯采用高压汞灯,从远处看去发出的光亮
3、而白,但看到被照射的人的面孔时好像人的面孔是青灰色,说明高压汞灯的色表不错,但显色性不好。这里还要说明的是:色温,指:当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体对应的温度就称为该光源的色温。,FCRI,表一:主要光源的技术指标,FCRI,二、金卤灯,全卤灯就是在装有特别电极的放电管内充有金属卤化物,有时也充氙气等惰性气体。当接通电源,电极通过金属卤化物放电,产生光效应的照明器具。金属卤化物种类很多,如:镝Dy、钠Na、铊TI、铟In、钪Sc、钬Ho、锂Li,不同的金属卤化物可产生出不同颜色的金卤灯。,FCRI,二、金卤灯,从“表一”可以看出金卤灯光效高,显色性好,寿命长。多
4、种色温,多种颜色,是其它灯具品种不可比的。LED灯的光效从很低到很高,这与生产工艺,散热有关。但其光谱几乎集中在可见光频段。,FCRI,三陶瓷金卤灯,金卤灯的各种优点被人们逐步认识到,特别是在节能,体积小,兼有白炽灯和荧光灯的双重优点,为世人属目,有极大的生命力,很快在世界范围,特别欧洲发展成各种门类众多的品种,这是其它光源不可比的,被认为:是21世纪人类应用最广泛,最有前途的光源之一。,FCRI,三陶瓷金卤灯,通常金卤灯的放电管是采用石英SiO2材料制成,在放电的高温状态下,金属卤化物会与石英产生反应。生成硅酸盐和硅的化合物,造成金属卤化物减少:7SiO2+4ScI32Sc2Si2O7+3S
5、iI4 SiI4Si+4I Si+WSiW颜色产生漂移,影响透明度,分离出来的硅元素会融解于电极中,使电极发射性能变质,放电困难;有些金属离子在灯的寿命过程中逐渐通过管壁渗透,使光源性能变坏。,FCRI,三陶瓷金卤灯,为了克服这一难题,人们从20世纪60年代就开始研究新的放电管。1982年第一只透明多晶氧化铝陶瓷放电管诞生。大量实践证明采用多晶氧化铝陶瓷材料作为放电管比石英材料有如下优点:1.多晶氧化铝陶瓷在与金属卤化中的金属在1250以下不发生任何化学反应,相应陶瓷金卤灯的管壁工作温度能比石英最高950增高300,于是有效提高卤化物的蒸气压,使灯的光效和显色指数上升。2.由于钠Na+原子不会
6、因管壁电场的作用而穿透管壁损失掉,因此在整个寿命期间有很好的光电参数光效、显色性、管电压及稳定性。3.陶瓷放电管的几何参数易精确控制,从而使用同一规格灯的参数一至性好。4.电网电压变化时,灯的色温变化相对要小很多。5.灯的功率变化时光通量和显色指数的变化相对小。6.小功率灯可做成紧凑型,种类多,使用范围广。,FCRI,四大功率陶瓷金卤灯是未来照明的方向,目前人类光源通常有三大种类:(表二)通过金属导体产生光的白炽灯。光效最低,不节能。通过晶体产生光的LED灯。光效高,结温控制难度大,成本相对高。通过气体放电产生光的HID灯。光效高,显色性好,节能。LED是目前人们强烈宣传的另一种节能灯,经过几
7、年的实践人们认识到LED灯有很多优点但还需努力克服如何降低结温的问体,LED灯没有紫外和红外线,没有辐射热,这样人们就自然认为LED灯是绿色光源。其实LED灯自身没有发光的能量以结温的方式出现,要靠传导的方式散出来,结温不控制LED灯亮度就要下降。现在单只LED灯的功率都不能做高,控制结温是主要问题。,FCRI,四大功率陶瓷金卤灯是未来照明的方向,正如我国照明专家杨正名先生指出的:1.LED本身性能指标上现在还难以满足要求。2.LED光学系统还不成熟,还需要做大量工作。3.LED冷却系统昂贵。4.LED配套控制电路可靠性不高。5.整个LED照明系统成本太高。6.LED灯在人们的不断努力下会有很
8、快发展的。,FCRI,四大功率陶瓷金卤灯是未来照明的方向,表二:三种光源的对比,通过气体放电产生光的光源统称HID灯泡。HID灯有如下种类:,FCRI,表三:气体放电光源HID种类和特点,FCRI,行业及市场结论:,三种光源:白炽灯进入淘汰时期 LED 功率5W以上不成熟,成本高,未来研发。(见后祥细论述)HID是未来方向(见后详细论述)HID灯中陶瓷金卤灯最有前途是发展方向。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,1.陶瓷电弧管的材料:陶瓷金卤灯的高效率与节能是由高质量的放电管保证的,而高质量的放电管是使用陶瓷材料代替传统的石英材料,使灯工作温度从950提高到1250。陶瓷材料主要使用多晶透明氧化
9、铝,单晶透明氧化铝,透明氮氧化铝。目前主要是多晶透明氧化铝材料,原因是多晶透明氧化铝材料价格相对低,工艺容易掌控。多晶透明氧化铝材料的纯度要 99.99。其中0.0001杂质含量应严格进行控制。粉体的粒度D50值要控制在0.5m。在粉体中要加入一定含量的微量元素,以保证烧成后放电管的平均晶粒不过份长大25m同时在高温下具有较强的抗腐蚀能力,否则要影响透光率和机械强度。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,表四:多晶透明氧化铝粉体杂质含量,表五:多晶透明氧化铝陶瓷金卤电弧管的主要参数,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,多晶透明氧化铝陶瓷与单晶透明氧化铝陶瓷光通过时有很大差异,单晶透明氧化铝陶瓷几乎无反
10、射,而多晶透明氧化铝陶瓷在子晶之间存在着界面之间的光的返射,同时如果有微小气泡存在,就会发生折射和反射,使光透过率和直线透过率降低。特别是汽泡含有量是衡量陶瓷放电管壳的重要指标。一般要求陶瓷放电管壳的汽泡体积含量不能超过总体积的0.1%。汽泡不仅影响光透过率,还严重降低管壳的机械强度。故在制做陶瓷放电管壳除去汽泡是关键之一。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,多晶透明陶瓷电弧管材料制作主要工艺点:.粉体材料的纯度必须99.99%其粒经、粒度分布比表面见表四.粉体材料配料工艺“注1”.制作粉体材料洁净环境.原材料的除泡.成型工艺.坯体材料的排胶、脱腊工艺.坯体材料的烧结工艺.毛坯烧成时晶粒尺寸控制
11、。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,注1:添加剂的做用是防止烧结过程中晶粒的过分长大并得到晶粒大小均匀的结构其晶粒尺寸最好25m最常用的添加剂是MgO2,添加量适可,其他的添加剂有氧化镧、氧化钇等,其主要功用:保证烧成之后晶粒不长大,晶粒尺寸均匀且晶界尽量薄,减少反射与折射,同时尽量使MgO2扩散进入晶格内或存在于晶界中,减少尖晶石的生成,提高抗金属卤化物对陶瓷放电管的腐蚀能力。粘结剂的选取非常重要,即要使陶瓷粉体形成具有适当粘度和流动性好坯料,坯料内部绝不能存在有任何气泡,又要使坯料在素烧脱胶后,有机聚会物粘结剂充分脱净,确保烧结后晶粒均匀无气孔,且机械强度高,透光。,FCRI,五陶瓷金卤灯
12、关键技术,2.陶瓷金卤灯放电管壳形状陶瓷金卤灯的另一关键技术是放电管形状问题。陶瓷金卤灯放电管开始是采用高压钠灯一样的圆柱形,封接也雷同,这就造成了很多的问题:高压钠灯中主要填充物是钠碱性氧化铝材料,正好与之匹配。故高压钠灯上市很成功,不存在质量问题,对金卤灯却完全不一样。金卤灯是壁薄负荷大,壁温度很高,而金卤灯蒸气呈酸性。故封接工艺焊料与高压钠灯完全不一样。高压钠灯管壁负荷小,管壁温度低对形状就无非常要求。而陶瓷金卤灯的形状要求就非常高。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,早期放电管的形状:这种形状高低温端基本没有区分,封接的铌、钼、钨与高温区在一起使其很难承受在高温下的酸性蒸汽的腐蚀。为了降
13、低封接处的高温,各国生产的放电管基本演变成中心为粗圆柱形或球形放电容器,两端为具有细长支撑电极用的套管,这种结构可以大大降低铌、钼、钨与陶瓷封接处的温度,从而保证了稳定可靠的封接后质量和长寿命。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,90年代中期,陶瓷金卤灯放电管已基本定为五件式:中部较粗位置是放电容器,两端用陶瓷塞封口,陶瓷塞中间再各封接支撑电极。这种结构明显降低了两端电极引线封接处的温度,提高了铌杆与陶瓷套管封接的可靠性。但此种结构制做工艺复杂,成品率低,成本高。关键的问题是:陶瓷塞与管壳,电极与陶瓷套管封接处的高温及熔融或汽化的金属卤化物的腐蚀作用仍对焊料具有较大影响,很难满足长寿命的要求。特
14、别是在陶瓷塞中心电极的周边温度较高,且有大量电荷积累和复合腐蚀较为严重。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,90年代后期出现3件式:这种三件式即把陶瓷塞与电极引线陶瓷套管制成一体,或将放电容器两端管径变细,使与支撑电极的细陶瓷管套直接封在一起,这样就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,灯的的寿命得以延长。三件式的陶瓷放电管加工工艺还是比较复杂,成品率低,成本高。高温金卤灯蒸汽对焊料的腐蚀还是比较严重,对金卤灯的寿命影响很大。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,进入2000年以后,两件式陶瓷放电管出现了。两件式结构的放电管的封接部位在放电管的一端,陶瓷塞的内端面有设计平
15、面,有设计成弧面的。封接的方法出现了根本性的改变,各封接面不再使用焊料,而是在素烧前就将各陶瓷组件装配在一起,烧结时利用收缩率的差异,使陶瓷体紧密相接,烧结时封接部位两侧晶粒生长而结合成一个整体结构,但还是接缝。随着工艺的不断改进一体式的放电管出现了,一体式有椭球形、球形、圆柱形、橄榄形。一体式放电管壁厚均匀,没接缝是高光效,高透光率陶瓷金卤灯必不可少的。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,目前常用放电管形状基本是椭球形,这种形状接近温度线的分布形状,R为2个半径的球,L为圆柱体。这种放电管的主要几何尺寸由灯的功率而定。经验公式如下:R=0.368P0.543 A=0.544P+0.5646 A
16、=2R+LP为灯的功率,R为放电管内径,A为放电管内长度方向尺寸,L为圆心间距离。,FCRI,五陶瓷金卤灯关键技术,为了改善灯的水平工作性能,一般灯的长度不超过直径的1.5倍,一般设计成短粗形状。实践证明椭球形放电管比圆柱形放电管优点表现在如下各方面:(1)同样功率的陶瓷金卤灯放电管椭球形比圆柱形要轻。这就意味着椭球形放电管热容量小、成体低。(2)陶瓷金卤灯椭球形放电管预热时间和达到全通光所需时间短。(3)椭球形放电管可以避免液态金属卤化物聚集在冷端附近,减缓了对陶瓷放电管壳的腐蚀,使其寿命延常。(4)陶瓷椭球形放电管的表面温度要比圆柱形低,且温度梯度小,分布均匀。(5)陶瓷椭球形放电管与陶瓷
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