CN101681789A - 具有包括硫属元素的气体填充物的气体放电灯 - Google Patents

Abstract

一种气体放电灯(1)，装备有密封气体填充物的气体放电容器(2)，并且装备有包括设置在该放电容器中的电极组件(6－9)的用于点燃和维持气体放电的装置，其中所述气体填充物包括选自硫、硒或碲或者其化合物的组的硫属元素，所述电极组件的电子发射材料(9)包括铱或铱的合金，从而为诸如普通和专业照明的应用提供经久耐用、高效、紧凑以及高强度的白光源。

Description

具有包括硫属元素的气体填充物的气体放电灯

技术领域

本发明涉及气体放电灯，具体地涉及高压气体放电灯，其装备有密封气体填充物的气体放电容器以及装备有包括电极组件的用于点燃和保持气体放电的装置，所述气体填充物包括硫属元素(chalcogen)，所述硫属元素选自硫、硒或碲或者其化合物的组。

背景技术

由于高压气体放电灯良好的照明性质，使得它们已变得广泛普及。这些灯一般包括放电容器和两个电极组件，每个电极组件包括延伸到由放电容器密封的放电空间中的电极。当灯处于工作状态时，在这些电极的自由端之间点燃电弧放电。

放电容器一般包含气体填充物，该气体填充物包括诸如氩气之类的起动气体、诸如一种或多种金属卤化物(诸如碘化钠和/或碘化钪)之类的放电气体，其形成实际发光材料，气体填充物还包含汞作为缓冲气体，该缓冲气体的主要功能是通过提高温度或压力来促进发光物质的汽化以及提高灯的效率和燃烧电压(burning voltage)。

但是，汞是高毒性的并且是对环境有害的物质。只要可能，就完全不再用它或者仅仅在缩小的范围使用它，因为它的使用、生产和处理会对环境造成威胁。由于人们对环境问题的警觉度与日俱增，因此市场需要汞含量减少的灯。这为新产品创造了机会。

在这些新产品中，包括气体放电灯，在其气体填充物中包括硫或含硫化合物，该气体放电灯一般称为“硫灯”。

硫灯通常完全不包含汞。硫灯由球形石英封壳(envelope)构成，其填充有几毫克硫和诸如氩气的惰性稀有气体。当加热到气态时，硫形成双原子硫分子或二聚物。当所述二聚物退回到低能态时，它们发出宽的连续区的能量-被称为分子发射的过程。分子硫发射电磁波谱的几乎整个可见光部分，产生类似于日光但是具有极少的不期望的红外或紫外辐射的均匀可见光谱。发射的辐射的多达73％处于可见光谱，这远远多于其它类型的灯。该可见光输出比任何其它人工光源都更好地模仿日光，并且没有有害的紫外辐射可能特别有益于博物馆。

但是，存在一些与作为灯填充物的硫有关的困难。主要困难之一是它与公共电极材料(诸如钨)的化学反应。

从US 5404076中已知一种弧光灯，包括光透射材料的封壳，所述灯包括电极，在所述封壳中的填充物(其中元素硫是主要辐射成分)，该填充物在工作温度下具有至少大约1大气压的压力，所述灯还包括激发装置，其用于将电压施加到所述电极上以将能量耦合到所述填充物。电极由特定材料(诸如铂)构成或者镀有该特定材料，以防止与填充物气体发生化学反应，此化学反应可能导致电极劣化。

不管此公开如何，通常认为不可能使用铂电极来维持硫放电，因为铂的2042.1K的熔点对于用于硫灯的电极材料来说太低了。因此，在当前实施中，选择无电极放电设计来避免此问题。

与电弧放电灯不同，无电极灯不依赖于电极，而是通过将灯气体暴露于强烈的微波或者射频辐射使得在包含在灯泡中的气体中产生等离子体放电，来产生光。

硫灯的激发需要微波发生器。因而，需要将微波辐射耦合到灯泡的单独的机构。对于这样的单独的耦合机构的需要是无电极硫灯的问题所在，因为耦合的低效率以及微波发生器相应地抑制了无电极硫灯的总效率。在实践中，此方法由于耦合低效率而可能导致总功率损耗高达40％。另外，所得到的结构在物理上不是紧凑的，因为RF结构是与灯泡分开的。

硫灯还具有深槽(quirk)，其与对流有关。灯泡需要被连续地旋转以分配硫/氩混合物，因此还包括马达。在不存在灯泡旋转的情况下，产生孤立的或丝状放电，其基本上不填充在灯泡之内。

旋转的需要引入了某些复杂情况。如果灯泡不得不由马达旋转，则这存在出现故障的可能性，并且可能是对灯的寿命的限制因素。此外，附加的部件是必需的，从而使得灯更复杂并且需要更多备用部件的储存。

发明内容

本发明的目的是提供改善的光源，其避免发生在已知的硫光源中的这些及其它问题，并且本发明针对这些目的。

该目的是通过气体放电灯来实现的，该气体放电灯装备有密封气体填充物的气体放电容器，所述气体填充物包括选自硫、硒或碲或它们的化合物的组的硫属元素，以及还包括设置在该放电容器中的电极组件，电极的电子发射材料包括铱或铱的合金。

与已指出的预期相反，已经发现在适当设计的电极组件中的包括铱或铱合金的材料在硫属元素放电中非常令人满意地工作。通过使用铱或铱合金作为电子发射材料，避免了与气体填充物中的硫属元素的化学反应。因而，这样的灯的效率、预期寿命和保养是非常好的。

优选地，铱的合金选自钌铱合金、锇铱合金、铑铱合金、钯铱合金或铂铱合金的组，具有小于100％且大于80％的铱成分。纯铱是脆且硬的材料，特别是在退火状态下，这妨碍了电极处理。将铱材料与例如钌、锇、铑、钯或铂合金化提高了所获得的材料的延展性，这有益于电极处理，例如拉丝和电极成形(诸如磨制、焊接)，也有益于工作中的电极的机械强度。应当注意，这样的材料的熔点对于用在硫属元素放电中的电极材料而言仍然足够高。

在根据本发明的灯的优选实施例中，电极包括杆(rod)和附接于所述杆的头。

可替换地，该电极可以包括杆和缠绕所述杆的线圈。该电极的此结构在电极上提供适当的热分布。

电子发射材料可以被形成为固体或者可替换地形成为涂层。

优选地，电极组件还包括馈送体(feedthrough)。常规的灯部件典型地包括钼或钼合金以用于石英放电容器的馈送体，或者包括铌或铌合金以用于陶瓷放电容器。但是，这些馈送体材料同样不提供足够的抗腐蚀性以用于抵抗硫属元素灯气氛的适当的保护。因而，在本发明的实施例中，灯部件包括由选自铱或铱合金的组的材料构成的馈送体。

关于根据本发明的实施例的气体填充物，包括硒或碲的化合物优选地选自硒的四卤化物SeCl₄、SeBr₄、SeI₄或者碲的四卤化物TeCl₄、TeBr₄或TeI₄的组。

优选地，硫属元素或其化合物的总摩尔元素浓度在1E-11和1E-04mol/cc之间。

气体填充物还可以包括选自锡和锗的组的金属。

气体填充物另外可以包括金属卤化物。通过将金属卤化物添加到填充物来显著地改善放电灯的显色指数(CRI)，所述金属卤化物特别是选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨或汞的卤化物或其混合物的组的金属卤化物。这样的灯的高能量效率和亮度以及它们的高CRI(显色指数)使它们在照明质量方面与日光同等，减去了大大减少的有害紫外光的成分。

优选地，硫属元素或其化合物、该金属和卤素的总摩尔元素浓度在1E-11和1E-04mol/cc之间。

附图说明

在图中：

图1是根据本发明的实施例的气体放电灯的横截面图；

图2是根据本发明的另一个实施例的气体放电灯的横截面图；

图3示出根据本发明的第一灯的分子和连续发射光谱的计算机模拟；

图4示出根据本发明的第一灯的发射光谱的测量结果；

图5示出根据本发明的第二灯的发射光谱的测量结果。

具体实施方式

图1用图解法示出根据本发明的灯的实施例的构造。图1所示的灯是AC灯，但是DC灯也落入本发明的范围内。

灯1具有光透射放电容器2，其具有相对的密封体3并且包围放电空间4。放电容器优选地由石英或另一种适当的材料制成，诸如钇铝石榴石、镱铝石榴石、微晶粒多晶氧化铝、多晶氧化铝、蓝宝石或氧化钇的多晶陶瓷材料。

应当提及，放电容器的形状可以是灯设计中的设计元素。如图1所示，灯的形状优选地是细长的并且包括两个圆柱形部分作为颈部分，在颈部分之间布置通常基本上是椭圆体形状的放电容器4。可替换地，本发明在中心处可以使用不同形状的放电容器，例如，具有基本上球形、圆柱形、扁球形、卵形等等的部分。

典型地，灯包括两个电极组件，每个电极组件包括该电极本身和馈送体(feedthrough)。典型地，每个电极包括前部和后部，它们形成为电极头和电极杆。馈送体包括馈送部分和引入(lead-in)线，其中电极通过馈送体延伸到由放电容器密封的放电空间中。当灯处于工作状态时，在电极头之间点燃电弧放电。

电极突出到放电容器4的内部中，在此处它们被设置为彼此相距距离d。

在一个实施例中，如图1所示，电极由杆和附接于它的端部的线圈组成。馈送体和引入线被布置在杆的延伸到放电空间之外的另一端处，在工作中，馈送体和引入线连接到电流源。

在图1的实施例中，每个电流馈送体由金属箔6和引入线7组成，金属箔6完全位于相应的密封体3内，引入线7从放电容器1伸出。

馈送体嵌入到放电容器的各个颈区域中。为了保证放电容器的在电极组件伸入到放电空间中的位置的真空密封封闭性，通过将容器体的端部局部地捏缩在一起来形成放电容器的颈区域，该容器体最初被形成为玻璃管。因此这些区域3被表示为“捏缩部分(pinch)”。

将电极组件气密地密封到放电容器中的过程有利地是收缩密封方法，在该方法中，例如具有放电容器部分和密封部分的石英玻璃管的内部受到负压力。在此状态下，此石英玻璃管的相应密封部分的外围通过焊炬之类的装置被加热。包括此密封部分的封壳的石英玻璃的直径通过软化而减小。这样，形成被气密密封的部分。

另外，为了将电极密封到封壳中，在电极所设置的端部加热玻璃，并且当其变软时，制成了压密封体(press-seal)。

当制成密封体时，电极组件被刚性地设置在封壳中。在石英玻璃管的另一端处设置类似的电极组件，然后按照比如如上所述的方式进行密封。

图2用图解法示出了气体放电灯的可能的替换实施例，其可以利用根据本发明的电极工作。

再一次地，该灯包括石英玻璃放电容器2，其中存在作为放电气体的硫属元素或包括硫属元素的化合物，并且提供包括铱的电极来点燃放电。通过电流供给馈送部分提供电流，所述电流供给馈送部分穿过在放电容器2的彼此相对的端部的相应的捏缩部分3并且连接到包括铱的电极。

灯1由外部封壳12围绕，外部封壳12在一端具有真空密封的捏缩部分10，连接端子11通过该捏缩部分10延伸。这些导线经由焊在外部电极上的金属条将电极连接到外部封壳12处的常规螺丝灯座13。另外，放电容器2在外部封壳12内通过处于灯1端部的金属带构件被支撑，所述金属带构件围绕灯的每一端中的凹座(dimple)。

在工作期间，放电容器的最冷区域是端部，并且为了确保它们不会下降到期望的温度以下，反射入射的红外辐射的红外反射涂层可以应用于端部以及捏缩密封体的相邻部分。此外，作为热量保存措施，可以将内外封壳之间的空间、封壳之中的空间抽空。在较大尺寸的灯中，这样的抽空不是必需的。

放电空间4中的填充物一般首先包括放电气体。此物质作为灯泡填充物的主要辐射成分而存在。

在根据本发明的灯中，放电气体包括元素硫、硒或碲，或者适当的硫、硒或碲化合物。例如，可以使用硒四卤化物SeCl₄，SeBr₄，SeI₄或者碲四卤化物TeCl₄，TeBr₄或TeI₄。

除放电气体之外，一定量的惰性气体通常被引入放电空间4中，这增强放电过程的点燃和起始。例如，少量氩和/或氙可以用于此目的。也可以使用氦、氖、氪和氙或者其组合。

通过进一步添加选自锡和锗的组中的金属，关于(再)点燃性能、放电的稳定性和灯寿命方面的工作特性受到非常积极的影响。

还期望的是将可能改善颜色再现的成分添加到填充物中。

没有颜色改善添加剂的硫灯与黑体源相比略呈绿色。因而，通过将某些添加剂包括在填充物中，可以在光谱的各种区域中增加由灯提供的照明。

例如，可用于加强光谱的不同区域的这样的添加剂可以包括金属卤化物，其选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨或汞或其混合物的卤化物的组。

另外提出，气体填充物不含汞。然而，在某些实施方式中，一些汞的添加可以通过减小灯的再点火时间来改善操作。尽管本发明的一个优点是它提供能够在不使用汞的情况下工作的灯，但是少量汞的添加可以帮助灯开始放电并且稳定放电。另外，对于不认为汞的存在是问题的那些应用来说，已经发现更大量的汞的添加显著地提高效率。

还应该理解，用在灯泡中的固态形式的主要填充物成分的绝对量可以依赖于所使用的物质(例如，硫、硒、碲或其化合物)以及依赖于放电灯的类型(例如，放电灯、低压放电灯或电介质阻挡放电灯)而变化。无论如何，针对各个元素计算的摩尔浓度的和将总是在1E-11和1E-04摩尔每立方厘米(cc)之间。

类似地，在将过渡金属和卤化物添加到硫属元素的实施例中，在气体放电容器中，针对元素计算的卤素、过渡金属和硫属元素的摩尔浓度的和优选地在1E-11和1E-04mol/cc之间。

根据本发明的放电灯的电极组件的设计十分类似于本领域中常用的设计。典型地，电极组件由用于外部接触的引入线7、馈送体6和电极8、9组成。第二电极组件被类似地构造。

电极可以是典型设计中的任何一种。根据本发明的一个实施例，电极包括头部分和杆部分。这些部分可以由不同的材料制成。可替换地或附加地，头部分和杆部分也可以具有不同的直径。

根据本发明的一个实施例，电极头是固体并且具有基本圆形的横截面。在不同直径的情况下，电极的头部分和杆部分可以由相同的材料制成。则电极可以被制造成整块，例如通过磨制或刻蚀形成不同直径的部分。

在本发明的另一个实施例中，电极的设计包括涂有铱或铱合金的杆，它的内端部由铱或包括铱的材料的螺旋线圈围绕。

如前所述，根据本发明，电极的电子发射材料由包括铱或铱合金的材料形成。

铱是贵金属，铱比已知的电极材料(特别是难熔金属钨和钼)，更抗氧化以及其它形式的化学侵蚀。因而，如果电极暴露于包括硫、硒、碲或其化合物的灯的侵害性气氛下，该电极将不容易被烧坏。

铱的显著性质是它的熔点在2446±3℃，这比铂的熔点高得多，铱在0℃时的电阻率为4.71microohm.cm，热电子发射功函数为5.5eV，热导率为1.48W/cm。

2446℃的熔化温度仅仅被难熔族金属的熔化温度所超越。因而，在超过2000℃的温度下的侵害性气氛中，铱能够无防护地用作电子的热电子源。即使在这些温度下，铱也显示出对硫、硒或碲或者其化合物的出色的抵抗力。

应当注意，标准纯度的铱包括至少99.8％的铱。纯铱是脆且硬的材料，其很难机械性地工作，特别是在退火状态下，这妨碍了电极处理。将铱材料合金化提高了所获得的合金的延展性，这有益于电极处理，例如拉丝、电极成形(诸如磨制和焊接)以及装配，也有益于工作中的电极的机械强度。

因此，铱优选地与选自钌、锇、铑、钯和/或铂的铂族的另一种金属合金化，选自钌铱合金、锇铱合金、铑铱合金、钯铱合金或铂铱合金的组。

优选地，合金包括按重量计算至少0.01％的选自钌、锇、铑、钯和/或铂的铂族成分和按重量计算至少80％的铱以提供具有适当熔点的材料。有益的例子包括按重量计算5％、10％或15％的铂族成分。

这里公开的合金应当被理解为使得仅仅指出了在确定各个性质时起主要作用的成分。其它元素可以以例如小于1％的低浓度存在而没有单独地指出。

此外，应当注意，电极可以包括少量不可避免的杂质或添加剂，诸如由于例如在制造期间冶金过程中引入的氧、碳和氮。在定义用于电极的合金成分的量时不考虑氧、碳和/或氮的量。

在优选实施例中，内电极由单片铱制造，并且使用包括氧化铝、金刚石和立方氮化硼的已知的硬研磨剂通过标准磨制技术来使其成形，以形成内电极头和杆。激光烧蚀(ablation)也可以用来机械加工电极头。

粉末形式体的烧结是另一种制造方法，但是可能需要另外的压缩步骤，诸如热等静压制(HIP)，以实现足够高的密度用于微结构的稳定性。

但是，电子发射材料不必被设置为固体。它可以可替代地用作基底上的涂层以形成电极。

基底主要用于提供对电子发射材料的支撑，因此可以是导电材料，但也可以是非导电或半导电材料。

然而，基底应该由对它所使用的环境有抵抗性的材料所形成。基底可以是例如阀用金属(valve metal)。

特别是，电极杆的材料可以是涂有铱或铱合金的阀用金属基底，因为电极杆的要求设置不那么苛求并且它的工作温度较低。在被应用于电极材料时，术语“阀用金属”被定义为高熔点的、耐腐蚀的、导电的金属，其在某些腐蚀性环境下钝化，即形成保护膜，这样的金属例如钛、钽、铌、锆、铪、钼、钨、铝以及它们的合金。钨是优选的基底材料，由于它相对于具有相当性质的其它材料的电和化学性质、它的可用性、以及它的成本。

涂层可以通过任何标准技术来制备。因而，可以使用任何物理或化学方法，诸如蒸镀、化学和/或物理分解、离子聚簇、电子束或溅射工艺。涂层可以是粉末或薄膜形式。

涂层厚度不重要，其范围可以很宽，例如高达大约100微米，尽优选的厚度小于10微米。不必排除其它厚度，只要它们对于它们的预期用途而言是可行的。

应当理解，期望的厚度有些取决于电极的制备工艺并且有些取决于预期的用途。因而，可以通过将粉末形式的电子发射材料压成预定形状来制备电极，并且电极可以足够厚以自支撑。如果采用溅射工艺，则可以沉积相对薄的各层，并且这些层优选地由适当的基底支持，如上所述。因而，应当理解，本发明的实际电子发射材料是铱或铱合金，无论是被支撑还是未被支撑。

在根据本发明的放电灯的某些实施例中，期望也从铱或铱合金的组中选择馈送材料。

与电极的材料类似，它可以被用作固体或常规馈送部分上的涂层。

在灯的工作状态下，在电极的尖端之间点燃电弧放电(光弧)。根据本发明的灯预期利用电子镇流器、磁镇流器、或其它便利的镇流器来操作。镇流器必须能够以足够的电压和电流提供电功率，从而击穿用于电弧放电的填充物气体，并且提供足够高的开路电压以在启动期间保持辉光放电。镇流器还应在稳态工作期间施加固定的或经调控的rms电流，从而使得灯以期望的功率运行。波形可以是直流(DC)或交流(AC)或者其各种已知的变化。精确的AC波形形状不被认为对电极工作是关键性的；但是，特别地，方波工作与正弦波工作相比在电弧附着和保持方面可能具有某些优点。DC工作在一些应用中可能具有甚至更进一步的优点。

本发明的具体实施例

通过举例而不是限制性的方式，具有包括硫属元素的气体填充物的气体放电灯可以按照以下详细说明来构造。

如图1所示的旋转椭圆体形式的石英放电容器具有15mm的外径、18mm的外长度和2mm的壁厚度，该容器装备有铱电极，所述铱电极以14到16mm的间距设置。

铱杆电极具有1000μm的直径，并且被焊在常规的钼箔/石英馈送体上。

作为气体填充物，可以使用包括硫属元素的各种混合物。

根据第一实施例，包括硫属元素的混合物包括1.5mg硫、10.0mg汞和0.13mg氯化(II)汞。作为启动气体，还包括4μmol氩。

在此实施例中，为该灯提供218V的工作电压，361W的功率，从而产生大约2.56A的灯电流。在图4中，示出了依据此实施例的灯的光谱输出。此光谱示出了汞的发射谱线，而且显示了明显的可见连续光谱，其在蓝色光谱范围中可以被解释为S₂B³∑_u ^--X³∑_g带系统的发射，以及在绿色光谱范围中可以被解释为HgCl B²∑⁺-X²∑⁺带系统的发射(参见图3)。特别是在400nm以下S2 B-X系统的带结构在吸收中是可见的事实表明，工作的灯的外部较冷的气体带包含S₂分子的高的分压(＞1bar)。这证明铱电极不与灯填充物的气态硫发生反应。

在第二实施例中，两个电极头具有2000μm直径，其缩小至600μm直径的杆，该杆又被焊在常规的钼箔/石英馈送体上。灯填充物包含0.8mg硫和4μmol氩。该灯在27.12MHz频率的90W的输入功率下工作，发出如图5所示的光谱。

贯穿此说明书，描述了实施例和各种变化以用于说明本发明的用途和实施方式的目的。说明性的说明书应该被理解为呈现本发明的例子，而不是限制本发明的范围。

Claims (13)

1.一种气体放电灯(1)，装备有密封气体填充物的气体放电容器(2)，所述气体填充物包括选自硫、硒或碲或者其化合物的组的硫属元素，并且还包括设置在该放电容器中的电极组件(6，7，8，9)，其中该电极组件的电子发射材料包括铱或铱的合金。

2.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该铱的合金选自钌铱合金、锇铱合金、铑铱合金、钯铱合金或铂铱合金的组，该铱的合金具有小于100％且大于80％的铱的成分。

3.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该电极组件包括杆(8)和附接到所述杆的头(9)。

4.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该电极组件包括杆(8)和缠绕所述杆的线圈(9)。

5.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该电子发射材料被形成为固体。

6.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该电子发射材料被形成为涂层。

7.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该电极组件包括馈送体(6)，并且该馈送体的材料也选自铱或铱合金的组。

8.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中所述包括硒或碲的化合物选自硒的四卤化物SeCl₄、SeBr₄或SeI₄或者碲的四卤化物TeCl₄、TeBr₄或TeI₄的组。

9.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该硫属元素或其化合物的总摩尔元素浓度在1E-11和1E-04mol/cc之间。

10.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该气体填充物还包括选自锡和锗的组的金属。

11.根据权利要求1所述的气体放电灯，其中该气体填充物还包括金属卤化物。

12.根据权利要求11所述的气体放电灯，其中该金属卤化物选自钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼、钨或汞的卤化物或者其混合物的组。

13.根据权利要求11所述的气体放电灯，其中该硫属元素或其化合物、该金属和卤素的总摩尔元素浓度在1E-11和1E-04mol/cc之间。

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