CN1004842B - 高压钠蒸气灯及所用三元汞合金 - Google Patents

Abstract

工作在钠蒸气压至少为６０乇的高压钠蒸气灯，给这种灯填充三元汞合金（由汞、钠以及从铟、镓和锡的组合中选出其中一种金属组成），可以减少灯的工作电压变化的起动时间。汞合金中第三种金属的原子比例超过汞而不超过钠的原子比例，而钠的原子比例至少是汞的两倍但不超过四倍。

Description

高压钠蒸气灯及所用三元汞合金

本发明涉及的高压钠蒸气灯，它属于钠蒸气压为数十乇时在钠和汞的蒸气中发生电弧放电的高压钠蒸气灯，它特别涉及能产生为灯的工作所必需的蒸气的汞合金的组成。

钠蒸气放电灯的工作特性，大部分由蒸气的组成和压力确定，也由稀有气体，例如是氖、氩、氙或它们的混合物的组成和压力确定，加入的蒸气、气体用来起动电弧放电。低压钠灯包含的钠蒸气分压一般是几个毫乇，而起动气体压力则约20乇，这种灯提供高发光效率的单色黄光谱区。宽得多的光谱亮度可由高压钠灯获得，灯里的汞和钠蒸气的钠-汞原子比为2或3∶1。所需的蒸气是通过给灯装载钠汞合金建立起来的，其在灯的工作所得到的蒸气压特性是，汞分压约一个大气压（760乇），钠分压至少为60乇，后者通常不超80乇。但钠辐射包含很宽的色频带，而且超过了汞在其特征紫外光谱区中辐射的功率。汞蒸气使灯的工作增加，但降低其电流，从而改进工作效率。

高压钠蒸气（“HPS”）灯的工作寿命是其在商业上成功的一个重要理由，400瓦HPS灯的额定寿命约22，000小时。限制寿命的重要因素在于，灯连续使用会使灯的工作电压增加。这大部分由于每次一接通灯，电极的表面就会溅射。这种溅射的结果，使电极材料迁移，例如其上的钨和电子发射涂层溅射到电弧管管壁，使电弧管端室（endchamber）变黑。这会使管的温度上升，增加其中的汞和钠的蒸气压。申请人曾经发现，溅射现象和灯接通后要到达其稳定状态的工作电压所需的时间有关，更快达到稳态条件的那类灯，溅射减少，因而增加灯的寿命。

众所周知，放电灯中包含各种辅助金属，会使灯的工作特性产生显著的改变。例如，1971年12月21日颁发的美国专利第3，629，641公开了低压汞蒸气放电灯，如萤光灯，其中的发光效率变得较少依赖温度，方法是在管中加入铟或铟汞合金，铟-汞的比例按重量计为3∶1到12∶1。1972年7月18日颁发的美国专利第3，678，315公开了一种低压钠蒸气灯，其中包含的铟的原子浓度超过钠的原子浓度，减少灯工作期间钠蒸气压对温度的依赖性，因此，即使工作在高电流电平，也能维持高的发光效率。然而，起动高压钠蒸气灯期间电极溅射的问题至此也未解决。

按照本发明，如在灯中提供一种由钠、汞和自铟、镓和锡的组合中选出一个组成三元汞合金作为工作蒸气源，则在灯压逐渐达到稳定工作电平期间，使高压钠蒸气灯的起动时间缩短。这样一种金属，其原子比例在该汞合金中，至少等于汞的但不超过钠的原子比例，而钠的原子比例，至少是汞的两倍，但不超过四倍。和先有的HPS灯（其中的工作蒸气源是钠和汞的二元汞合金）比较起来，三元汞合金灯的起动时间大约是一半长。三元汞合金HPS灯的进一步的优点是其中的总蒸气压和汞分压，比起二元汞合金来有较少的温度依赖性。这种做法减少工作电压随温度的变化，因而，简化控制灯电压的镇流电路的设计。

图1是HPS灯的正视图，按本发明，它包括三元汞合金。

图2是含钠的二元和三元汞合金的HPS灯中，钠和汞蒸气压随温度变化的曲线图。

图1中的灯由一密封透光的细长玻璃，例如抗高温的硼硅玻璃，套管1组成，套管1的底端有一管座装置，其狭长颈部2封以凹腔心柱3，心柱3上覆以夹具4。按常规的做法，固定在颈部2的是螺纹外壳5和一标准大型螺纹管座的绝缘的中部接触6。一对刚性引入线导体7，8通过心柱3伸入管内，并接到外壳5和接触6。放入套管1的是一根细长的高压蒸气电弧放电管9，用烧结的多晶氧化铝陶瓷做成，能经受得起钠蒸气的高度腐蚀的浸蚀。放电管9包含压力不足时的起弧媒介物，由钠和汞的蒸气以及起动气体，例如氙组成。放电管9的端部用套筒形的铌金属端盖10，11封住，通过这些盖的是焊接过的铌管12，13。围绕着管12和13并延伸超过12，13管两端的是钨丝螺状线圈14、15，其中是支承的钨电极16，17。为了得到加强的电子发射，金属氧化物可以保留在钨丝线圈14、15匝间缝隙。底部铌管13用以抽空放电管并在制造期间引进必需的钠和汞装填量以及其中的起动气体氖。之后，用封焊18密封管13，并用作过剩汞合金的储存器，在灯工作期间形成液池。

电弧管9用一金属框19支承在管套1里，金属框架将引入线导体8电连到上铌管12。下铌管13则电连到引入线导体7。框架19和铌管12间的连接由有弹性的导体编织物20做成，以便电弧管9的伸缩。框架19由有弹性的弹簧薄片构件21支承在套管1的狭窄圆顶处。灯也包括含钡的吸气坏22，它在灯工作期间急速蒸发，以便得到电弧管9的真空工作环境。

电极16，17间电弧放电的起动，需要2至3千伏的起始电压脉冲。这使氙气发生电离，激发起电流，使电弧管9中的温度上升并蒸发其中的钠和汞。电弧放电由于离子化的钠和汞蒸气而持续下去，400瓦灯的电弧管的工作电压稳定在90-100伏。在本发明之前，一种典型的电弧管9放电持续填料是含有21%钠（以重量计）和压力在20乇的氙气体的钠汞合金，对于400瓦的灯来说，汞合金的重量典型值是33毫克。在电弧放电起动之后，灯的工作电压一开始就会比稳定状态的工作电平低得多，但当电弧管的温度增加时，工作电压则会随汞蒸气压的增加而增加。这个过程一般会继续约15-30分钟的一个时间间隔，直到汞蒸气压稳定为止，必然伴随着灯工作电压的稳定。电极16，17间的变化电压，引起来自电极和线圈14，15的钨和电子发射涂层的溅射。溅射物淀积在电极邻近的端室区中的电弧管壁上。这种溅射继续到工作电压稳定为止，而电弧管9管壁的变黑，会增加灯工作时的温度，这也增加其中的汞蒸气压，从而必然增加灯的工作电压。因每次灯接通时，该过程就重复，工作电压最后到达一个超过可从镇流电路（灯的功率由它供给）得到的电平。于是，灯将停止工作，必须用新灯替换。

图2中的粗曲线P_Hg说明使用二元钠汞合金的400瓦HPS灯起动期间汞蒸气压的增加，图中压力以对数尺度标出，单位为乇，而电弧温度以其倒数1/K乘以10³的线性尺度标出。灯里装有33毫克的二元汞合金，钠的含量以重量计占21%（钠/汞原子比为2.32）。显然，当温度从大约630℃增加到720℃时，汞压从大约100增至400乇。相应的钠蒸气压粗曲线P_Na也增加，但较汞蒸气的要小得多。从总压力粗曲线P_T显而易见它非常接近平行于P_Hg曲线。因此，灯的工作电压大部分由汞蒸气压确定，电弧管起动后，后者随温度增加的大变化不可避免地导致管工作电压的显著改变，一直到温度稳定为止。如上所述，这会引起电极材料的广泛溅射。

二元钠汞合金HPS灯的发光效率也显示出用标准商业生产线制造的同样功率额定值的灯的显著变化。例如，使用如上所述的重量相同组成相同的二元汞合金，发现额定值为400瓦的五个这样的灯在流明/瓦的比例标尺上的相对发光效率为100，95，108，109和96。平均发光效率值为102，平均偏差为5.6。它阐述出重要的制造问题，因为灯的性能，对于相同的结构和功率额定值的所有灯来说，应该是基本上相等的。

按照本发明，在图1中代替HPS灯的汞和钠二元汞合金的包括汞、钠和铟、锡或镓金属中的一个组成的三元汞合金。这些金属都共拥有二个重要的特性。首先是低熔点;例如，远低于近650℃的温度，在此温度下，钠的蒸气压达到约60乇的HPS灯的最小工作电平。其次，很低的蒸气压，例如，和灯的工作温度时的钠蒸气压比较起来是可以勿略的，特性值如下：

金属（原子量） 熔点（℃） 650℃的蒸气压（乇）

镓 （70） 30 10^-6

铟 （115） 156 10^-4

锡 （118） 232 10^-8

钠 （23） 98 60

用三元汞合金本身给电弧管填充，或用二元钠汞以及第三金属所需重量给它填充，可供应第三金属。在后一种情况中，灯中的电弧放电起动后，就形成液态的三元汞合金。上述两情况下，汞合金中的汞和钠的分数比例蒸发，过剩的汞合金将积累成电弧管9底部铌管13中的液体。如上所述，用三元汞合金或用二元汞合金给电弧管9填充，经由管13产生第三金属。

汞合金中的第三金属的比例，必须足以稳定汞的蒸气压，但又不要高到使钠的蒸气压有实质性的减少。三元汞合金中的第三金属的原子比例至少和汞的相等，但不超过钠的原子比例，钠的原子比例至少是汞合金中汞分量的原子比例的两倍，但又不超过4倍，这样的设计比例是符合标准的。以重量的百分比来表示三元汞合金，相应的铟是30%至70%，锡是28%至65%，镓是17%至34%，而以钠对汞的重量比表示，这相应于0.20和0.46之间。上极限相应于钠的原子比例的上极限。

用含21%重量的钠的33毫克二元钠汞合金、22毫克的铟和压力为20乇的氙气填充后，测试图1中400瓦HPS灯的性能。该灯达到其约100伏的稳定工作电压所需时间，接近于只用二元汞合金的相同的灯的所需时间的一半。在标准生产线上制造五个这样的三元汞合金灯，并测量其发光效率。在上述二元汞合金灯的相似测试中所用过的相同相对标尺上，它们的效率为110、111、106和108。发光效率的平均数值为109，具有1.8的平均偏差。故这效率远大于相应的二元汞合金灯，而且在生产的所有灯中有好得多的均匀性。

图2中一虚线曲线说明图1中三元汞合金HPS灯的总蒸气压（P_T），汞蒸气分压（P_Hg）和钠蒸气分压（P_Na）随温度变化的曲线。显而易见，钠蒸气压受影响小，但三元汞合金里的汞压在低温时高出二元汞合金中的汞压很多，并且，随着温度增加，差别就较小。因为总压力主要由汞蒸气压确定，结果是，在接通灯后工作温度到达稳定的工作条件前，灯的工作特性的变化要小得多。工作压力的强化稳定性，是灯的工作电压到达其稳定状态的工作电平，要比二元汞合金灯的有关性能快得多的理由。

因为三元汞合金中的第三金属有比较高的比例，电弧管9邻近电极17及其线圈15外的端室处的侧壁，会被该金属或其中的二元汞合金的薄膜覆盖上。这层薄膜，对于所有同功率额定值的三元汞合金灯来说，有助于维持管13中的储藏温度接近均匀。结果，使该种灯与灯之间的工作电压有小得多的变化，它们有助于在相同功率额定值的二元汞合金灯的平均工作电压稍高的均一电压时工作。

虽然，用某些最佳实施例作为参考叙述本发明，显然对于那些精通这种技术的人来说，可以作出这方面的各种修改，其修改并不脱离随后的权利要求中确定的本发明的实质及范围。

Claims (15)

1、一个工作在钠蒸气压至少为60乇的高压钠蒸气灯，此灯包括一个电弧放电管，放电管内充有汞和钠组成的汞合金，其特征在于，汞合金是三元汞合金，含有选自铟、镓和锡的组合中的一个第三种金属，而且

-如铟是第三种金属，则铟对汞的重量比至少为0.58，铟对钠的重量比最多为5，而铟在三元汞合金的重量百分比在30和70之间;

-如镓是第三种金属，则镓对汞的重量比至少为0.35，镓时钠的重量比最多为3，而镓在三元汞合金的重量百分比在17和34之间;

-如锡是第三种金属，则锡对汞的重量比至少为0.59，锡对钠的重量比最多为5.1，而锡在三元汞合金的重量百分比在28和65之间;

以及钠对汞的重量比在0.21和0.46之间。

2、一种工作在钠蒸气压至少为60乇的高压钠蒸气灯，此灯包括一个电弧放电管，放电管内充有（ⅰ）含汞和钠的二元汞合金，其特征在于，该放电管也充有（ⅱ）第三种金属，选自铟，镓和锡的组合，这个第三种金属在放电灯工作时与汞和钠形成一个三元汞合金;

-如铟是第三种金属，则铟对汞的重量比至少为0.58，铟对钠的重量比最多为5，而铟在三元汞合金的重量百分比至少为30;

-如镓是第三种金属，则镓对汞的重量比至少为0.35，镓对钠的重量比最多为3，而镓在三元汞合金的重量百分比在17和34之间;

-如锡是第三种金属，则锡对汞的重量比至少为0.59，锡对钠的重量比最多为5.1，而锡在三元汞合金的重量百分比在28和65之间;

以及钠在二元汞合金的重量百分比为20和31.4之间。

3、一种汞合金，用以在高压钠蒸气灯（其中的钠蒸气压至少为60乇）中产生工作蒸气，此汞合金包括汞和钠，其特征在于，该汞合金具有从铟、镓和锡组成中选出的第三种金属，而且

-如铟是第三种金属，则铟对汞的重量比至少为0.58，铟对钠的重量比最多为5，而铟在三元汞合金的重量百分比在30和70之间;

-如镓是第三种金属，则镓对汞的重量比至少为0.35，镓对钠的重量比最多为3，而镓在三元汞合金的重量百分比在17和34之间;

-如锡是第三种金属，则锡对汞的重量比至少为0.59，锡对钠的重量比最多为5.1，而锡在三元汞合物的重量百分比在28和65之间;

以及钠对汞的重量比在0.21和0.46之间。

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