光伏照明的最佳光源——小功率陶瓷金卤灯[3]

　　决定陶瓷金卤灯寿命的关键是陶瓷管壳与电极引线（铌杆）之间的封接质量，其间的密封依赖陶瓷—玻璃焊料，这种焊料有很好的密封性能，但不耐高温，更不能承受热冲击和高温下液态酸性金属卤化物或其蒸汽的腐蚀，因此陶瓷金卤灯都是在中心电弧管泡壳二端对称设计二根细长陶瓷袖管作为电极引线道(Fig.2，如右图)，使得陶瓷—铌杆的封接部位远离高温电弧区域，以保证封接部位的低温(<800℃)和灯的长寿命。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　陶瓷金卤灯的另一有创意的设计在于其电极结构，广东雪莱特陶瓷金卤灯的电极设计[1]示如Fig.3，在电极引线铌杆1之后与一根较细的钨杆电极2连接，2的直接接受和发射离子和电子的顶端设置有钨丝螺旋3，3的作用是接收电子和离子，调节电极温度，保证电极的最佳工作状态和长寿命。在钨杆的靠近铌杆的适当段落密绕或疏绕钼、钨、镍等金属材料制成的螺旋4，其外再涂敷一层适当厚度的Al2O3、SiC或BC等高温陶瓷材料涂层5，对之进行适当处理使陶瓷化。当然也可在钨杆2外不绕金属螺旋4而直接涂敷陶瓷材料或套以陶瓷或石英套管。陶瓷袖管中铌杆与袖管内壁之间为陶瓷—玻璃封接材料6所融封。这种复杂的电极结构可以保证有很好的导电率，但确具有较大的轴向和径向热阻。较长的电极引线和袖套管以及大的热阻保证了封接处的低温。这种结构的电极填满了电弧管袖管中的绝大部分空间，余留的空隙甚少，并有一定柔性，不致因热冲击或膨胀而撑破陶瓷袖管。

　　制成的电弧管第一次点燃时首先是汽化点较低的汞大量蒸发，当放电使电弧管加热后金属卤化物继之蒸发，这些蒸汽随即进入温度较低的袖套管与电极系统之间的细微缝隙并凝聚其中，数分钟后将基本平衡。市售陶瓷金卤灯的电极结构均为GE专利结构[2]，该三段式结构电极的中段钼杆外的钼螺旋外不加陶瓷涂层，直接插入袖管中，这样不仅有较多的热量传给陶瓷袖管，而且电极中轴的钼杆与钼螺旋之间以及螺旋与陶瓷袖管之间存在较大缝隙，不仅点灯初期较多的汞和金属卤化物渗入并凝聚其中，而且在较长的时间中袖管内外物质将相互置换，需较长的时间才能达到平衡状态。这一过程造成了早期灯光电参数的漂移。由于该电极引线与陶瓷袖管间缝隙较大，渗入物较多，因此早期的漂移较大、持续时间也长。雪莱特电极与陶瓷袖管间的缝隙小得多，渗入其中的物质很少，最后渗入其中的是汽化点较高、蒸发较迟的金属卤化物。这些物质凝结在电极与陶瓷袖管之间的缝隙的最外端，并渗入到陶瓷的孔隙中，阻断了放电空间与袖管内部的通道，灯的运转过程中较少产生袖管内外物质的置换，因而灯的光电参数在整个寿命期间非常稳定。

　　雪莱特陶瓷金卤灯的另一特点是其陶瓷管壳的壁厚不是均匀的[3]，如Fig.3、Fig.4（如右图）所示，在电弧管球泡的中部正对电弧的光辐射的主体部分是厚度薄而均匀透光率很高的多晶氧化铝陶瓷薄壳，向二端陶瓷袖管过渡时泡壳的厚度逐渐增加。这样的结构虽然增加了泡壳制造的难度，但由于向二端的逐渐加厚提高了保温效果，该处内壁温度相应上升，从而降低了电极根部附近的冷端效应，有利于光电参数的提高和稳定。

　　我们采用的这种一体式球形、椭圆形或橄榄形陶瓷电弧管壳结构，虽然在制造上难度较　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　大，成本较高，但是这种泡壳结构的光辐射均匀，没有接头机械温度高，温度场均匀，运转时电弧管内部的高温、高压、高腐蚀性气流在泡壳内回旋时均匀顺畅，不产生热冲击力（Fig.4），因此泡壳内部腐蚀较轻微，寿命过程中从泡壳逸散到放电空间或泡壳从放电空间吸收的物质很少，对灯参数的稳定和寿命的延长颇有助益，陶瓷金卤灯的长寿命记录主要是此种圆形一体式电弧管创造的。

　　2、部分测试结果

　　测试了39W陶瓷金卤灯及电弧管裸管的管壳温度场及光电参数。Fig5 a、b、c为同一只39W陶瓷金卤灯电弧管在完全相同的点灯条件下的热象图照片。Fig.5 a是竖直点燃的电弧管的温度场图，Fig.5 b、c则为水平点燃时的电弧管热象照片。其中b是横向侧面拍摄、而c则是顶部俯视拍摄的热象照片。Fig5三幅照片中都标注了电弧管外表面各特征点的实际温度。由图可见电弧管运转时外表面温度在900~1100℃之间。由于电弧管裸露在大气中与周围环境温差很大，从下部快速上升的气流对电弧管强烈冷却（Fig6）。参照陶瓷管材料的热导率可以估计在所述状态下陶瓷管内壁温度比表面要高100℃左右，高温部位内外壁温差更大一些，但低温部位尤其下冷端则相差稍小。

　　对比Fig5中的a、b、c可以看出竖直点燃时管壳外表面最高温度区域为在电弧中心部位偏高处的电极附近的一圈。这是由于电弧中向上的高温气流形成的。最低温度点则在电弧管的下电极根部，该处温度为792.6℃，而上电极根部则高出80℃达到872.6℃。这一差异也是由电弧管中沿灯轴上升的高温气流形成的。可以想见在6000K的高温热电弧的作用下，上电极要比下电极温度要高出100℃或更多。这对电弧管的稳定性、光衰和寿命不能没有影响。Fig5 a所示电弧管温度表明，裸电弧管竖直点燃时下冷端的温度太低了，其内壁温度不会超过900℃，这一温度下各种金属卤化物的蒸汽密度太低，因此表I所示竖直点燃的电弧管光电参数很差。

　　Fig5 b、c的热象图及各点标定的温度表明在这样的运行状态下管壳温度比竖直点燃时高而且更为均匀，这时泡壳顶部温度达1094℃（Fig5 c），底部温度866℃，比电极根部的冷端温度835℃更高。可见这样点燃时灯的冷端位于两根电极的根部，而非球泡低部。但是这一温度比竖直点燃时下电极根部（冷端）高出33℃。这两种状态下，冷端温度的差异造成了放电参数的不同，表I所示实测数据表明了冷端温度的影响。该数据还表明陶瓷金卤灯电弧管裸露工作时性能很不理想。