CN101310354B - 铋-铟汞齐，荧光灯及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及荧光灯及制造方法，其中以包含汞、铋、铟和另一种金属的固体材料将汞配给到所述灯中。在一个实施方案中，所述金属选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰。优选地，铟与铋的原子比范围是约0.4∶0.6至0.7∶0.3。锌相对铟和铋组合的原子比范围优选是约0.01∶0.99至0.20∶0.80，并且汞相对铟、铋及锌的组合的原子比范围优选是约0.01∶0.99至0.15∶0.85。

Description

铋-铟汞齐，荧光灯及制造方法
本发明要求于2005年9月26日提出的美国临时申请No.60/720,037的优先权，这里通过引用将其说明书整体并入本文。
发明背景
本公开一般涉及低压汞放电灯。更具体地，本公开涉及具有包括汞、铋和铟的灯填充物的这样的灯，以及向灯中配给该填充物材料的方法，该方法使用基本上为固态的高纯度、均匀尺寸和均匀组成的含汞丸粒(pellet)。
荧光灯是众所周知的并且包含包括汞在内的可蒸发的灯填充物。在这样的灯的制造中，必须向灯的发光室中引入极少量的汞。例如，一些荧光灯仅包含约0.1mg至约10mg的汞，取决于灯的尺寸。尽管能够向灯中直接引入液态汞，然而由于汞的高表面张力极难获得如此小量汞的精确配给。因此通过使用液态汞配给的灯通常包含多于灯工作所需的汞，这导致灯处置(disposal)中的环境顾虑。为了解决这些顾虑，使汞与其它元素结合形成基本为固态的灯填充物材料，从而易于处理和分配该材料同时提供用于向灯中配给精确量汞的装置。
另一顾虑是将汞蒸气压维持在一定水平使得灯在一定温度范围内有效工作。汞蒸气原子将电能转变成紫外线辐射。汞蒸气压的优选范围是约2×10-3至2×10-2托，且最佳约6×10-3托。紫外线辐射进而被灯壁内部上的发光体涂层吸收并转变成可见光。随着灯的工作温度提高，汞蒸气压增加从而更多的紫外线辐射被汞自吸收，从而降低灯的效率并减少光输出。因此，必须控制汞蒸气压。常规上，在一种类型的荧光灯中，通过控制灯的温度来控制汞蒸气压。在另一类型的荧光灯中，通过向灯中添加汞蒸气压调节材料来控制汞蒸气压。
其中利用汞蒸气压调节材料用于汞蒸气压控制的灯典型以高于75℃的冷点温度工作并且通常具有小的直径。这样的灯被称为“小型灯”，并且除灯填充物中的汞之外一般需要汞齐化的金属以便汞蒸气压的控制。美国专利No.4,157,485公开了一种铟-铋-汞的汞齐，该汞齐用于在宽的温度范围内控制低压汞蒸气放电灯(即荧光灯)中的汞蒸气压。汞齐的目的是在尽可能宽的温度范围内将汞蒸气压维持在6×10-3托(荧光灯的最佳蒸气压)。尽管铟-铋汞齐在室温下维持比纯汞更低的汞蒸气压，然而该汞蒸气压足以使灯起动。在高于约40℃的温度下(其是具有纯汞的灯的最佳蒸气压)，仅包含汞的灯的效率降低，然而包含铟-铋汞齐的灯对于高达约130℃的温度仍保持大于90％的可能光输出。温度上限主要由汞齐的化学组成和汞含量决定。美国专利No.4,157,485公开了一种铟-铋汞齐，其中铋原子与铟原子的比例是0.4∶0.6至0.7∶0.3，并且汞原子相对铋和铟原子之和的比例是0.01∶0.99至0.15∶0.85。
商业上典型使用的铟-铋-汞丸粒的组成是28-32重量％铟、64-69重量％铋和1.5-5.0重量％汞。然而，使用具有这种组成的汞齐制造和生产灯是困难的，因为少量的液体汞齐存在于丸粒中。这些丸粒在基本为室温下团聚并且难以分离。因此，这些丸粒不再是“自由流动的”，即当接触时这些丸粒易于粘在一起并且将不再相对于其它丸粒滚动。自团聚可能在制造丸粒之后即发生或者其可能在经过数周之后发生。上述汞齐组成的不良流动性质引起关于操作、配给和灯制造的严重问题。这些汞齐的自团聚可能在灯制造环境中引起浪费并且限制了这些汞齐的使用。
因此，本公开的一个目的是解决上述的问题并提供新型的灯填充物材料、配给荧光灯的方法和改良含汞的灯填充物材料的操作特性的方法。本公开的另一个目的是提供形成自由流动固体的新型灯填充材料。本公开的又一个目的是提供组成为汞、铋、铟和其它金属的丸粒，其中所述丸粒可自由流动并且包括调节荧光灯工作期间的汞蒸气压的材料。本公开的另一个目的是使用铟-铋-汞汞齐调节低压汞放电灯内的汞蒸气压。本公开的又一个目的是使用铟-铋-汞汞齐改善低压汞蒸气放电灯的制造。本公开的再一个目的是提供向汞齐控制的荧光灯内引入精确量汞的新型方法。
本发明所属领域的技术人员通过阅读权利要求、附图和下面的说明书，将易于清楚本公开的这些和许多其它目的和优点。
附图说明
图1是根据本公开一个实施方案的荧光灯的示意图解。
图2说明了根据本公开一个实施方案的球状丸粒。
图3是铋、铟和锌的相图。
图4对比显示了根据本公开一个实施方案的组成的蒸气压。
发明详述
图1是根据本公开一个实施方案的汞蒸气放电灯的示意图解。灯100可以具有适合安装以及用于常规天花板固定装置的标准尺寸。灯100的内壁可以包括发光体涂层120。热电极130和140位于放电空间的端部。灯100可以包括一个和多个灯填充物丸粒200，所述丸粒具有根据本公开的组成。
图2说明了根据本公开一个实施方案的丸粒。在图2中，显示典型的灯填充物丸粒200通常为球状。应当注意的是，本文所公开的原理不局限于球形丸粒并且可以包括其它几何形状而不背离本公开。丸粒200可以具有包含如下成分的组成：汞，铋，铟以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属。
根据本公开的丸粒可以是四元的。即它可以仅由汞，铋，铟和选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属组成(具有在制造过程中引入的少量杂质)。在一个实施方案中，该丸粒可以包含汞，铋，铟以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的两种或更多种金属。在一个实施方案中，汞齐的纯度是约99％且通常不含氧和水。
根据本公开的丸粒的适宜组成的实例包括约20-70重量％铟、30-80重量％铋、0.1-20重量％锌和0.1-40重量％汞。在另一个实施方案中，该汞齐组成包括约28.8重量％铟、67.4重量％铋、0.85重量％锌和2.9重量％汞。
由于根据本公开的汞齐在室温下可基本为固态，因此可容易地量化和分配用于灯中的汞齐量。例如，可以使用适合于制造工艺的任何形状形成通常均匀质量和组成的小丸粒，然而球状丸粒的操作最为容易。典型的球状丸粒直径可以是约200-3500微米。
通常球状的丸粒可以具有基本上均匀的质量和组成并且可以通过快速凝固和淬火汞齐熔体制成，例如通过美国专利No.4,216,178中公开的方法和设备，通过引用将该专利公开并入本文。所述丸粒可以具有约0.05-200毫克的预定且基本上均匀的质量(±15％)。用于使汞齐熔体丸粒化的其它常规技术可以包括铸造或挤压。可以对丸粒称重、计数或进行体积测量并通过常规的技术引入灯中。例如，需要5mg汞的灯可以使用4个丸粒，每个具有2.5重量％汞并且重量为约50毫克，或者其可以使用类似组成的一个200毫克的丸粒。
根据本公开一个实施方案的方法包括：形成包含汞、铋、铟和另一种金属的熔融混合物，和将该混合物快速淬火。得到的淬火丸粒的显微组织可以是非平衡状态的，类似于美国专利5,882,237中所公开的材料，通过引用将该专利的说明书并入本文。汞可以以液体汞齐、固体汞齐或它们两者存在于混合物中。该材料可以自由流动，即使汞以固体汞齐存在。在一个实施方案中，加入金属锌并且其可以以锌固溶体或以金属间化合物Zn3Hg或以这两者存在于这些材料中。
图3是铋、铟和锌的相图。根据一个实施方案的Bi-In-Zn组成可描绘为如下点所限定的不规则四边形：点A(20重量％铟、80重量％铋)，点B(70重量％铟、30重量％铋)，点C(20重量％锌、50重量％铟、30重量％铋)和点D(20重量％锌、20重量％铟、60重量％铟)。该不规则四边形ADCB所限定的组成可另外包含约0.1-40重量％的汞。
根据本公开的丸粒的行为不必为平衡相图所预测的并且可以不处于平衡。相反，该汞齐可以处于亚稳、非平衡的状态。该汞齐丸粒可以包含富锌的外部部分以及富汞的内部部分。其还可以在球状丸粒内部包含富铋化铟(InBi)的区域。
图4显示了根据本公开一个实施方案的组成与常规组成相比的蒸气压。更具体地，图4的曲线A显示了具有Bi-In-Hg的现有技术组成的蒸气压，而曲线B显示具有Bi-In-Hg-Zn的根据本公开的组成的蒸气压。正如图4所示，向铋、铟和汞的汞齐中加入锌不会有害影响填充物材料的汞蒸气压调节性质，同时获得提供在室温下自由流动的填充物材料的优点。
表1中给出了由根据本发明制成的Bi-In-Hg的汞重量损失。当加热到300℃持续30分钟时，该汞齐能够释放出其中的汞。
                           表1-汞重量损失的结果
  实验编号   初始重量(mg)   最终重量(mg)   重量损失(％)   Hg量(％)
  1   6.348   6.13   3.43％   3.03％
  2   6.613   6.43   2.77％   3.03％
  3   5.961   5.79   2.87％   3.03％
  4   6.123   5.95   2.83％   3.03％
从下面的实施例可以看到本公开其它的有利实施方案。
实施例1-通过专利No.4,216,178所述的方法将包含68.2克铋、30.1克铟、0.7克锌和1克汞的样品制成1000微米的球。得到的丸粒光滑且自由流动。
实施例2-通过Anderson方法将包含67.7克铋、29.4克铟、0.3克锰和2.7克汞的样品制成1000微米的球。得到的丸粒光滑且自由流动。
虽然本文公开和/或讨论了优选的实施方案，然而应当理解所述的实施方案仅仅是说明性的并且本发明的范围仅受所附权利要求的限制，当依照完全的等同范围时，本领域的技术人员通过阅读本公开可以想到许多变化和修改。

Claims (40)

1.固体灯填充物材料，其用于向荧光灯中提供精确剂量的汞并且用于在灯的工作期间调节汞蒸气压，所述材料包含铋、铟、汞以及与汞形成一种或多种金属间相的铋和铟以外的金属，其中所述材料中的铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且其中所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
2.权利要求1的固体灯填充物材料，其中所述金属是锌。
3.权利要求1的固体灯填充物材料，其中所述金属是锰。
4.丸粒，其包含汞，铋，铟以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属，其中所述丸粒中的铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
5.权利要求4的丸粒，其中所述金属选自锌、银、铜和锰。
6.权利要求5的丸粒，其中所述金属是锌。
7.权利要求6的丸粒，其中锌处于亚稳、非平衡的状态。
8.权利要求5的丸粒，其还包含选自银和铜的另一种金属。
9.权利要求5的丸粒，其中所述金属是锰。
10.根据权利要求4的多个丸粒，其中所述丸粒是自由流动的。
11.固体灯填充物材料，该材料在室温下形成多个自由流动的丸粒，每个丸粒适合于向荧光灯中提供精确剂量的汞并且用于在灯的工作期间调节汞蒸气压，所述丸粒包含铋和铟用以在灯工作期间调节汞蒸气压，并包含汞与第四金属的一种或多种金属间相用以防止丸粒的团聚，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且所述第四金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
12.权利要求11的固体灯填充物材料，其中所述第四金属选自锌、银、铜和锰。
13.丸粒，其包含汞、铋、铟以及汞与不同于铟或铋的金属的金属间相，铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，其中所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
14.权利要求13的丸粒，其包含汞与锌的金属间相。
15.权利要求13的丸粒，其包含汞与银的金属间相。
16.权利要求13的丸粒，其包含汞与铜的金属间相。
17.权利要求13的丸粒，其包含汞与锰的金属间相。
18.权利要求13的丸粒，其中汞相对铟、铋及所述金属的组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.15∶0.85。
19.权利要求13的丸粒，其包含锌。
20.权利要求19的丸粒，其还包含选自锡、铅、银、金、铜、锰、镓、钛和镍中的一种或多种金属。
21.权利要求13的丸粒，其包含锰。
22.丸粒，其用于向荧光灯中配给汞并且用于在灯的工作期间调节汞蒸气压，所述丸粒包含铋、铟、锌和汞，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3；其中锌相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80，并且其中汞相对铟、铋及锌的组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.15∶0.85。
23.权利要求22的丸粒，其包含28.8重量％铟、67.4重量％铋、0.85重量％锌和2.9重量％汞。
24.权利要求22的丸粒，其中汞与锌的原子比范围是0.25∶1至5∶1。
25.权利要求22的丸粒，其中铋和铟占所述丸粒的50-98重量％。
26.荧光灯，其含有一个或多个丸粒，所述丸粒包含铋，铟，汞以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且其中所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
27.权利要求26的荧光灯，其中所述金属是锌。
28.权利要求27的荧光灯，其中锌处于亚稳、非平衡的状态。
29.权利要求28的荧光灯，其中所述金属是锰。
30.丸粒，其用于向荧光灯中配给汞，所述丸粒包含铋、铟、锰和汞，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3；其中锰相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80，并且其中汞相对铟、铋及锰的组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.15∶0.85。
31.权利要求30的丸粒，其包含29.4重量％铟、67.7重量％铋、0.3重量％锰和2.7重量％汞。
32.权利要求30的丸粒，其中汞与锰的原子比范围是0.05∶1至5∶1。
33.权利要求30的丸粒，其中铋和铟占所述丸粒的50-98重量％。
34.向荧光灯中配给汞和汞蒸气压调节材料的方法，该方法包括向所述灯中引入一个或多个丸粒的步骤，所述丸粒的组成包含铋，铟，汞以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且其中所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
35.改善具有包括汞、铋和铟的组成的灯填充物材料的操作特性的方法，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，所述方法包括步骤：在该材料的形成过程中添加选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属，其中所述添加的金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
36.权利要求35的方法，其中所述金属是锌。
37.权利要求35的方法，其中所述金属是锰。
38.向荧光灯中分配汞和汞蒸气压调节材料的方法，该方法包括步骤：提供具有包括汞、铋和铟的组成的多个丸粒；从所述多个丸粒中分离出一个丸粒；和将所述分离的丸粒配给到灯中，其改善在于其中所述多个丸粒的组成包含汞，铋，铟以及选自锌、锡、铅、银、金、铜、镓、钛、镍和锰的金属，其中铟与铋的原子比范围是0.4∶0.6至0.7∶0.3，且所述金属相对铟和铋组合的原子比范围是0.01∶0.99至0.20∶0.80。
39.权利要求38的方法，其中所述金属是锌。
40.权利要求38的方法，其中所述金属是锰。
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