道路照明和汽车照明用金属卤化物灯上
中国照明电器
２０１０年第３期
ＣＨＩＮＡＬＩＧＨＴ＆ＬＩＧＨＴＩＮＧ
７
道路照明和汽车照明用金属卤化物灯（上）
周太明
（复旦大学，上海２００４３３）
摘要
道路和汽车照明都是低亮度的照明，属于中间视觉的范畴，这时，人眼对于较短波长的光更敏感，故而采用白光好。本文简要介绍道路和汽车照明用的白光金属卤化物灯。实践证明，通过精心研究，开发光效高而且对环境友好的光源是完全可能的。
关键词
道路
汽车
照明
中间视觉
白光
无汞金属卤化物灯
Ｍｅｔａｌ
ＨａｌｉｄｅＬａｍｐｓＵｓｅｄｆｏｒＲｏａｄＬｉｇｈｔｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
Ｌｉｇｈｔｉｎｇ（Ｉ）
ＺｈｏｕＴａｉｍｉｎｇ
（Ｆｕｄａｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２００４３３）
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ｓｏｕｒｃｅｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏａｄ；ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ；ｌｉｇｈｔｉｎｇ；ｍｅｓｏｐｉｃｖｉｓｉｏｎ；ｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔ；ｍｅｒｃｕｒｙ－ｆｒｅｅ；ｍｅｔａｌｈａｌｉｄｅｌａｍｐ
随着城市建设的发展和高速公路网的形成，道路照明和汽车照明的作用日益突出，它们对保证夜晚行人和行车安全具有决定性的作用，能有效防范犯罪、美化城市、促进商业繁荣，为此，世界各国在这方面都进行了深入的研究。
道路照明和汽车照明都属于低亮度照明，处于中间视觉状态。这时，人眼对于较短波长的光更敏感。既然如此，在道路照明中应该采用发白光的金属卤化物灯，还是依旧采用黄色的高压钠灯？在汽车照明中，用ＸｅｎｏｎＨＩＤ灯替代原有的卤钨灯还有什么新问题？下面笔者将就所了解的有关道路照明和汽车照明用金属卤化物灯的情况作简要介绍。
１
时，达到同样的视亮度的条件下，其要求的照度水平可以比采用高压钠灯时低。英国国家标准ＢＳ５４８９—１：２００３规定，当采用显色性好（Ｒ．在６０以上）的光源时，允许将照度降低。ＳｔｅｐｈａｎＶｏｌｋｅｒＨ。在《短波丰富的光源能够提升安全性吗？》一文中调侃说：“其他欧洲国家的照明工程师们会问：‘为什么我们就不能用这同样的方法来节能呢？难不成英国人的生理与其他欧洲人不一样吗？”，他当然相信采用白光光源路灯能够节能，因为他的研究证明短波丰富的光源的确能够提升安全性。
现在白光ＬＥＤ和牌号为ＣｏｓｍｏＰｏｌｉｓ／Ｗｈｉｔｅ（以下简称Ｃｏｓｍｏ）的光源是道路照明的热广丁产品。Ｃｏｓｍｏ光源是飞利浦公司专门为道路照明开发的，它实际上也是一种陶瓷金属卤化物灯，图１是它的光谱
道路照明用金属卤化物灯
很多研究‘１－３］表明，在道路照明中采用白光光源
功率分布。但是它不同于一般的陶瓷金属卤化物灯
万方数据
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中国照明电器２０１０年第３期
（ＣＤＭ）。一般的陶瓷金属卤化物灯的电弧管是粗短形的，而它的电弧管是细长形的。高压钠灯、一般金属卤化物灯和Ｃｏｓｍｏ灯的电弧管的直径与长度的比分别约为１：８、１：１．５和１：５。Ｃｏｓｍｏ灯的电弧管直径与长度比例适合于道路照明灯具，可以获得最佳的配光效果。由图２可以看到，采用高压钠灯时的光束太宽，采用一般金属卤化物灯时光束又太窄，而采用Ｃｏｓｍｏ灯时正合适”１。另外，Ｃｏｓｍｏ灯采用新的ＰＧＺｌ２卡口灯头／灯座，精确地将光源限制在灯具中要求的光学位置上。由于以上原因，与高压钠灯的灯具相比，Ｃｏｓｍｏ灯的灯具尺寸小了很多，更加紧凑（见表１）。
葺≥Ｖ憾瓢
图１
１４０ＷＣｏｓｍｏ灯的光谱图２３种光源在道路灯具中的配光效果
表１
高压钠灯反射器和Ｃｏｓｍｏ灯反射器尺寸比较
在ＬＳ．１１会上，松下公司的专家介绍了一种高光效的陶瓷金属卤化物灯¨－，与Ｃｏｓｍｏ灯一样，也是细长形的（见图３）。这２种灯的设计原理基本上是相同的，主要目的是提高光效，适当牺牲一些显色性。飞利浦常规的１５０Ｗ陶瓷金属卤化物灯的显色指数较高，约为８５；但光效仅约为８０ｌｍ／Ｗ。表２列出了
万
方数据松下细长形陶瓷金属卤化物灯与Ｃｏｓｍｏ灯的一些参数。不难看出，Ｃｏｓｍｏ灯的光效比同功率的一般陶瓷金属卤化物灯要高得多。Ｃｏｓｍｏ灯的显色指数尽管有所降低，但用于道路照明，这样的显色性也已经足够好了。
图３松下细长形陶瓷金属卤化物灯与Ｃｏｓｍｏ灯
表２Ｃｏｓｍｏ灯与松下高光效陶瓷灯的性能对比
采用细长形电弧管的另一个十分重要的优点是汞的用量少了很多。由图４０¨可以看出，对于１４０ＷＣｏｓｍｏ白光灯，用汞量只有常规情况的五分之一。而松下公司的１５０Ｗ细长形陶瓷金属卤化物灯的用汞量还要少。这是因为它的管径更细，弧长更长。这是这２种灯的一个非常杰出的优点。我们的光源不仅
要有很高的光效，以利于节能；我们还要求光源是环保的，在灯生产过程中以及寿终后的处理上都不对环
境造成污染。现在，几乎所有的常用气体放电灯中都含有汞。汞是对环境十分有害的物质，我们要努力将它从灯中去除，然而，这是一个世界难题。要完全将汞去除，将需要长期的努力。在目前的情况下，尽可能减少汞的用量以及做好废旧灯的回收处理则是刻不容缓的工作。
据说，现在Ｃｏｓｍｏ灯已经在上海、北京、南京、重庆、深圳、广州等近２０个城市得到应用。图５是最早采用Ｃｏｓｍｏ灯的上海七浦路，图６是采用Ｃｏｓｍｏ灯照明的宁波甬江大桥。对Ｃｏｓｍｏ灯照明的效果，林燕丹教授等¨一进行了实地调研，采集了很多数据进行
分析。他们发现，与高压钠灯相比，在同样的照度水
周太明：道路照明和汽车照明用金属卤化物灯（上）
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图４
Ｃｏｓｍｏ灯与一般陶瓷金卤灯用汞量比较
平下，Ｃｏｓｍｏ灯能在更远的距离处达到同样的辨认水平。也就是说，要达到同样的辨认水平，采用Ｃｏｓｍｏ灯时照度水平可以适当降低。他们还发现，在Ｃｏｓｍｏ灯照明之下，人们能更正确地辨认颜色和细节，而人的面色也更自然。因此，道路照明采用Ｃｏｓｍｏ灯，不仅可以节能，而且能营造更加友好的城市环境。
图５最早采用Ｃｏｓｍｏ灯的上海七浦路
图６采用Ｃｏｓｍｏ灯照明的宁波甬江大桥
什么样光谱的灯对低亮度照明时的视觉有利？在世界范围内对这一问题展开热烈的讨论已有相当长的时间。讨论中的关键词是“中间视觉”和“暗视觉”。对于道路和居民区的照明，此讨论是很重要的，因为在这些地方亮度水平较低。在我国，对于“道路照明是采用白光光源还是高压钠灯好”以及
万
方数据“是高色温白光还是低色温白光更适合于道路照明”等问题，也有广泛的讨论，这些讨论是很有意义的。最近，上届ＣＩＥ主席Ｗｏｕｔ
Ｖａｎ
Ｂｏｍｍｅｌ教授就这些问
题写了一篇文章一１，他是世界公认的权威人士，但是非常谦虚，他在文章的最后并未做结论；然而他相信读者在充分理解的基础上，会得出正确的结论。２汽车照明用无汞金属卤化物灯
２．１
汽车环保要求无汞灯¨叫
现在，一般的汽车前照灯都还是采用卤钨光源。
新的ＨＩＤ汽车前照灯则是采用高强度放电（Ｈｉｇｈ
Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）光源。之所以在汽车前照灯中要
采用比卤钨光源更亮、寿命更长的ＨＩＤ光源，是为了节能和安全，也是适应驾驶人员老龄化的趋势以及流线型车身的需要。
现在汽车前照灯用的金属卤化物灯有Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３和Ｄ４等型号，它们的统一代号是Ｘｅｎｏｎ，这是因为这些ＨＩＤ光源的外形或结构虽然有些不同，但它们最基本的放电腔体的结构都是相同的，而且都充有约几个大气压的高压氙气（Ｘｅｎｏｎ）。如图７所示，该电弧管由石英玻璃制成，尺寸极小，腔体内的容积只有３３ｔｒＬ；电极间距离也短，只有４．２ｍｍ，近似为点光源；且无排气口，故该光源的加工精度要求很高。在电弧管内除充有高压氙气外，还充有汞（指含汞灯）
和金属卤化物（碘化钪ＳｃＩ，和碘化钠ＮａＩ）。该光源所发的光主要来自于卤化物中的金属原子。光谱如图８所示，呈密集线状，灯的显色性较好。
注：冷态时约６ａｔｍ，工作时约８０ａｒｍｏ
图７汽车前灯用金属卤化物灯电弧管放电腔体
在金属卤化物灯中的汞虽然对发光的贡献很小，但却扮演着十分重要的角色。灯工作时，电弧管内的气压达到几十个大气压，这主要是由汞蒸气产生的，从而形成具有极高气体温度的高气压放电；此外，电
弧的管压降主要是由汞量决定的。如果没有汞，则放
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中国照明电器２０１０年第３期
图８汽车前灯用金属卤化物灯的光谱
电的管压降得太低，要维持同样的功率，放电电流就会很大，这不仅使镇流器的电流和功耗大大增加，而且使放电发光的效率大为降低；汞还能起到很好的隔热作用，如果没有汞，金属卤化物分解、复合的速率很快，电弧的热损耗很大，造成灯的光效降低；另外，没有汞时，游离的碘蒸气会吸附电子，使灯的启动变得困难，有汞后，汞会与碘化合形成ＨｇＩ：，使得灯的启动困难减少。因此，在金属卤化物灯中，汞尽管对发光的贡献并不大，但汞却是不可或缺的材料。
前面已经说过汞是有毒的物质，会对环境造成严重污染。虽然在汽车金属卤化物灯中汞的用量只有０．５５ｍｇ，仅为体温计用汞量的千分之一（见图９），但是汽车对环保的要求非常高，即使这么小的量也是不允许的。汽车照明用的金属卤化物灯必须是无汞的。
图９汽车用金属卤化物灯的用汞■只有体温计的千分之一
万
方数据在金属卤化物中，取代汞的元素必须要满足以下３方面的要求：
（１）在放电管能承受的工作温度下有高的蒸气压，有高的中性粒子浓度；
（２）该元素的原子与平均能量为１ｅＶ的电子有大的弹性碰撞截面；
（３）该元素的激发电位和电离电位高。
研究发现，在金属卤化灯中，锌是一种可能的汞
的替代物，它基本上能满足上述３个要求。为了提高蒸气压，在灯中试充入ＺｎＩ：。试验发现ＺｎＩ：的充人量增加时，灯的管压升高，然而光效要降低（见图ｌｏ）。因此ＺｎＩ：充入量要适中。考虑到灯的光学性能，最后灯的管压选定为４５Ｖ。表３给出含汞的Ｄ２灯和无汞的Ｄ４灯的参数对比。
管压（ｖ）
３０
３５
４０
４５
５０
５５
６０
６５
‘‘謦扣÷三：．
ｏ一ｉ
ｏ■Ｎ赠＼
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＼
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图１０
ＺｎＩ：的充入量要兼顾管压和光效
表３含汞的Ｄ２灯和无汞的ＩＭ灯的参数对比
（未完待续）