CN102832089B - 荧光灯制造中的微量汞注入方法 - Google Patents

Abstract

荧光节能灯制造中的微量汞注入方法。所述方法包括步骤：按照荧光节能灯制造工艺形成待注汞的荧光节能灯的灯管；测量在所述灯管形成步骤形成的荧光节能灯的灯管相关参数；根据所述测量步骤中测量的灯管相关参数来计算出最佳汞注入量；将所述计算步骤中计算出的所述最佳汞注入量与一个预定的期望汞注入量相比较。当所述最佳汞注入量小于或等于所述预定的期望汞注入量时，则以等于或大于所述最佳汞注入量但小于或等于所述预定的期望汞注入量来执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入；而当所述最佳汞注入量大于所述预定的期望汞注入量时，则不执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入而返回灯管形成步骤，重新再处理待注汞的荧光节能灯的灯管。

Description

荧光灯制造中的微量汞注入方法

技术领域

本发明涉及一种在荧光灯制造过程中的微量汞注入方法。尤其涉及根据在荧光节能灯制造过程中的产品参数而实现汞的注入量的优化控制的方法。

背景技术

节能荧光灯是一种低气压汞放电灯。节能荧光灯在发光过程中是将汞原子激发和电离产生253.7nm紫外线，从而通过紫外光子再激发荧光粉发出可见光。所以，在节能灯中，在把电能高效转化为光能的过程中，汞材料的作用是其它材料不能替代的。

然而我们都知道的事实是，汞材料无论对于环境、包括人在内的动物和几乎全部植物来说都是有害物质。这是因为，汞的熔点和沸点相对较低，在常温下就可蒸发，并常以蒸汽形式存在于空气中，会通过呼吸道、皮肤及消化道侵入人和动物体内。大气中的汞蒸汽或流离散落在大地的汞会随雨水冲刷进入江河湖海，最后通过鱼类进入人体和食鱼类动物。而且汞是一种重金属，对人体和动物的毒性是慢性积累作用，影响人和动物的神经中枢系统。

鉴于上述情况，我们自然面临一个不能回避的任务，即在保证制作高质量的节能荧光灯的同时，尽量少地使用汞材料并且对于废弃的荧光灯中的汞材料进行回收以便避免其对于环境的污染。

然而，在目前的节能荧光灯的制作过程中，这一问题并没有得到高度重视，对于如何在荧光灯制造中尽量减小汞注入的问题，措施不多。

本发明的申请人从以下事实来说明这个问题。

在目前的节能荧光灯生产过程中普遍使用的是定量汞的注入方法。例如参见消费日报2010年9月16日的文章“节能灯低汞工艺的实现”，以及出版物《节能灯技术与低碳照明》(2011年4月由河南科技出版社出版，书号为IBBM978-7-5349-4918-0，其作者之一即为本申请的发明人)。上述文章和出版物作为已有技术结合在本申请中参考。

本领域技术人员都清楚，定量汞的注入是在真空灯管形成工序之后进行的。注入的定量汞材料的一部分会被消耗掉，而只有没有被消耗的部分才能完成节能荧光灯的工作放电的汞材料的使命。被消耗的原因主要有：被荧光粉吸收、被杂质气体消耗、与其他使用的材料(例如钡Ba，钠Na)结合形成汞齐等等。

我们从真空灯管形成过程中的上述这种定量汞的注入工序可以看到至少两个问题。

第一是直接的问题：为了保证在注入的汞被消耗之后仍然能够实现正常的汞原子激发和电离，选择的定量汞的量必需取为高值。这样，超出实际需要的剩余的汞材料必然造成日后的环境污染。

第二个是间接的问题：由于过量的定量汞的注入，在客观上“掩盖”了制成的节能荧光灯可能存在的质量问题，或者说是无从考量所生产的节能荧光灯的质量。这是因为，如上所述的那些消耗注入汞的因素也正是影响制成节能荧光灯的寿命的因素。虽然所剩余的汞能够使得制成的荧光灯能够正常发光，但是，这些被掩盖的缺陷将使得其寿命大大缩短。

因此本发明的目的是提供一种能够克服已有技术中的上述问题的方法。具体地说，本发明旨在提供一种能够根据在荧光节能灯制造过程中的产品参数而实现汞的注入量的优化控制的方法，从而使得注入的汞量被恰到好处地达到最低量，最大程度上避免日后的环境污染。同时，能够根据通过对于待注汞的荧光节能灯的灯管的预定参数的测量来确定最佳汞注入量，并且通过预定的期望汞注入量来实际地控制整个批量制成的荧光灯的质量。

作为本申请的配合使用的回收汞的专利申请，可参见申请号为200810172240.4的已授权的中国专利申请。

发明内容

根据本发明的一个方案，提供一种荧光节能灯制造中的微量汞注入方法，包括步骤：灯管形成步骤，按照荧光节能灯制造工艺形成待注汞的荧光节能灯的灯管；测量步骤，测量在所述灯管形成步骤形成的荧光节能灯的灯管相关参数；计算步骤，根据所述测量步骤中测量的灯管相关参数来计算出最佳汞注入量；比较步骤，将所述计算步骤中计算出的所述最佳汞注入量与一个预定的期望汞注入量相比较；其特征在于，当所述最佳汞注入量小于或等于所述预定的期望汞注入量时，则以等于或大于所述最佳汞注入量但小于或等于所述预定的期望汞注入量来执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入；并且当所述最佳汞注入量大于所述预定的期望汞注入量时，则不执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入而返回灯管形成步骤，重新再处理待注汞的荧光节能灯的灯管。

本发明的方法可以应用到各种形式的节能灯的制造，例如用直型管、U型管和螺旋型管制作的节能荧光灯。

在根据本发明的微量汞注入方法中，其中所述计算步骤中测量的灯管相关参数涉及管壁负载、真空度、光色指标等，并且根据实验公式或总结表格获得所述最佳汞注入量。

为了保证制造的节能荧光灯的质量，在根据本发明的微量汞注入方法中，将预定的期望汞注入量设置为≤0.1毫克/瓦(0.1mg/W)。换句话说，当计算步骤中计算出的所述最佳汞注入量大于0.1毫克/瓦时，则根据本发明方法实施加工生产的流水线将认为是在灯管形成步骤中形成的节能灯管是不合格的，并将导致最终生产的荧光节能灯不合格，从而停止执行随后的对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入，提示整个生产过程重新考虑或调整灯管的形成工序的加工处理，直到当计算步骤中计算出的所述最佳汞注入量不大于0.1毫克/瓦为止。

可以显见的是，预定的期望汞注入量被设置得越低，则对灯管形成步骤中形成的节能灯管的质量要求越高，而生产出的荧光节能灯的质量也就越高。

因此，采用根据本发明的荧光节能灯制造中的微量汞注入方法，能够清楚地掌控所要生产的荧光节能灯的质量/寿命，同时能够准确地控制微量汞注入的量，在最大程度上避免对于环境的污染。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明的实施例。其中：

图1是一个处理流程图，说明根据本发明的荧光节能灯制造中的微量汞注入方法；

图2是一个示意图，说明灯管形成处理过程；

图3是预测灯管的有效寿命的预测曲线图；

图4是汞注入量与节能灯质量判定表。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的具体实施过程。

图1示出了根据本发明的荧光节能灯制造中的微量汞注入方法处理流程图。如本专业技术人员所知，对于在荧光节能灯制造中的微量汞注入的控制的程度，首先是取决于形成的灯管的质量，即说明灯管形成处理过程的水平。在本申请中，把在执行对于灯管的充汞之前的全部处理都称之为灯管形成处理步骤，在此，本申请把该灯管形成处理步骤作为本发明技术方案的第一步骤。

虽然灯管形成处理10是本申请的发明的技术方案的重要部分，是实现汞注入“微量”的基础条件，但并不是本申请的核心内容。由于这一处理步骤是决定最终产品的质量以及是否能够实现微量汞注入的基础，所以在本申请中将此灯管形成处理步骤10用图2详细示出。

在图2示出的灯管形成处理过程10中，对于不同类型的灯管(目前主要采用螺旋型和U型)来说，有些处理是有区别的。例如在图2中示出的弯管工序、烤管工序和涂粉工序。这些工序处理的区别将会影响到下一步骤的测量和计算的取值。

以螺旋型荧光灯制造的流程为例，如图2所示，包括上述的明管工艺和毛管工艺两大部分；U型以及其他类型需要弯管的灯管在上图2中已经指出有较大差别的三道工序，当然直管型荧光灯不需要弯管，裁管后直接进入清洗、烘干，检验后直接进入毛管工艺程序，但是，在涂粉与烤管工序上与U型管以及螺旋灯管的工艺都有差别。

应该指出，属于低压气体放电节能荧光灯系列的不同管型的节能荧光灯，在灯管形成步骤处理的各个工序虽有差异，但大体上还是共性为主，即是大同小异。尤其是在排气工序即将完成之前的汞注入方面，而且和汞注入灯管后的作用、机理以及汞注入量对灯管的正负相关性方面的差别是不大的，这对于在后续的处理中降低这些因素的考虑的权重提供了根据。

还应该指出，图2所示的每道处理工序的质量控制对最佳汞注入量的确定起到关键的基础作用。换句话说，在根据图2的流程得到成品的待充汞灯管之后，能够实现的最低的(或者称为最佳的)汞注入量(或者称给汞量)的量值已经客观地由制成的该待充汞的灯管的内在物理参数所确定。

本发明的核心任务就是在于准确地评估待充汞的灯管的质量，从而准确地确定一支/一批制成的待充汞的灯管的最佳给汞量，进而仅对于那些满足预定的期望汞注入量的一支/一批制成的待充汞的灯管执行汞注入操作。这样，既可以避免已有技术中过量充汞造成的环境污染的压力，又可以保证批量生产的节能荧光灯产品在高质量方面的一致性。

下面参照附图1来描述本发明技术方案的测量步骤20。

在说明本发明技术方案的测量步骤20之前，需要说明上文提到的最佳给汞量Q_B的含义，并且给出期望汞注入量(或称期望给汞量)Q_D的定义，而且进一步说明在实际操作中取得这些量值的方式和过程。

灯管的最佳汞注入量(或称最佳给汞量)Q_B是指一支/一批待注汞的灯管，为了实现正常发光而必需注入的汞的多少。以一支灯管为例，当该灯管被制成之后，该灯管的最佳汞注入量Q_B实际上已经客观存在并且唯一确定。以一支灯管的测定来推知一批灯管的质量的依据是，通常同批次的灯管产品的质量的差别会落在一个不大的裕量范围内，特别是如下所述的那样，将计算出的灯管的最佳汞注入量Q_B在不大于期望汞注入量Q_D的条件下适度增大时，通常是能够既满足注入的汞量低而同时保证节能荧光灯产品质量。

从理论上说，该灯管的最佳汞注入量Q_B可以由理想气体克拉伯龙方程来确定：

pV＝nRT                 (1)

其中p为汞蒸汽压，V为灯管的容积，n为物质的摩尔量，R为普通气体常量，T为冷端温度。

在此公式中，汞蒸汽压p，即最佳饱和汞蒸汽压p是给汞量的大小的关键参数。实际上这是通过实验试制可以得到的经验参数。而灯管的饱和蒸汽压p取决于灯管的冷端温度T。

对于一个既定管径和形状的成型待充汞的灯管来说，设计的冷端温度T和最佳汞蒸汽压p是有经验数据可查的，而灯管的容积V是可计算测量的，如此就可以计算出最小的给汞量的摩尔量n。根据计算所得的摩尔量n，以该n值乘以汞的原子量就可以计算出所需注入液汞的质量(或是汞齐的质量)。如此便可计算理想状态的最小给汞量，即最佳汞注入量Q_B。但是对于实际使用情况来说，由于具体管型、材料使用的因素使得各参量均存在误差，因此实际存在的最佳汞注入量Q_B要比根据理想公式计算的值大一些，甚至大许多。通常，需要考虑的影响因素例如有管壁负载、真空度、光色指标等。

在生产实践中，尤其是针对批量生产的灯管汞注入的操作，并不是针对上述影响汞注入的因素直接进行测量的，而是将这些因素的影响集总效果来考虑产品的效果表现。即，把包括上述管壁负载、真空度、光色指标等影响因素作为一个“杂质源”考虑，直接从制成的成品节能荧光灯的光衰曲线测量来得知最佳汞注入量Q_B。如此可以理解到，当我们试验性地充入定量的汞之后，在光衰测量中的那些较快光衰的一支/一批灯管中所含的杂质源显然要比那些较慢光衰的一支/一批灯管中所含的杂质源要多。

参考图3所示出的灯管的有效寿命的预测曲线图，简要说明估算出一支样品灯管平均寿命的过程。

如图所示，我们假设一个良好的节能荧光灯在初始100小时之内没有明显的光衰，而如果100小时的光衰变化大于2％的话，则认定其该支/批灯管不合格，即其中包含过多的杂质源，需要重新考虑排气分解处理或者烤管处理中存在问题。

如果初始100小时光衰很小，而后它的光衰很平滑的，在初始的几百小时内有明显的下降趋势，之后光衰就缓慢地停止下来，则表示灯管的充汞已经过量，汞蒸汽是在向涂粉层表面扩散，并沉积在管壁上，阻挡了光的输出。等到扩散结束之后，这种光衰的增加就会缓慢下来，但是这种光衰一般不会产生色偏移。如果光衰伴随着色坐标的偏移那么有可能是荧光粉的衰减作用的结果。

由此可见，在节能荧光灯的点燃过程中，充入的汞在维持正常运行(发光)之外，会有一部分汞原子由于上述灯管制造过程中而在灯管内残留了不等量的杂质源的原因而被无偿地消耗掉。为了保证灯管的长寿命及时补充点燃过程中消耗的汞原子，必需“多”注入一定量的汞来中和掉这些杂质源。可以理解到，所需要“多”注入的这一部分汞的量越少，说明该支/批节能灯管所含的杂质源越少，节能灯成品的寿命就越长，需要注入的汞的量也就越小，造成的环境污染的程度就越低。

由此可见，步骤20中所要测量的参数，实际上就是杂质源的含量，由上面的分析可知，这一杂质源的含量在实践中又可以由必需“多”注入的汞量来反推得知，即“多”注入的汞量≈杂质源量。

下面说明节能荧光灯制作中的另外一个重要指标“期望汞注入量(或称期望给汞量)Q_D”的确定。这里的期望汞注入量Q_D实际上是一个工业产品的门槛标准，更准确地说，是一个市场准入必需满足的标准。例如在目前出口到欧盟国家的节能荧光灯的最大的汞含量一般不能大于0.1毫克/瓦(mg/W)。也就是说，一支10瓦的节能荧光灯中所注入的汞量，不能超过1毫克，这是一个较高的强制标准。在本申请的描述中，将0.1毫克/瓦(mg/W)作为期望汞注入量(或称期望给汞量)Q_D。

下面结合附图4来说明如何在步骤20的原理上来进行步骤30，即获得最佳汞注入量Q_B。

通过大量的实践，申请人获得了图4所示的汞注入量与节能灯质量判定表。表中列举了几种典型节能荧光灯的不同管径(T，其中1T＝1/8英寸，即3.175mm)、不同功率的情况下其产品质量的测定列表。

以T5直管节能荧光灯为例，依据上述公式(1)以及图4的实验数据的核查来得知最佳汞注入量Q_B。T5直管节能荧光灯在给定参数是最佳汞蒸汽压p是1.2Pa、冷端温度是在T是在45℃、以及管长是1149mm、内径14.5mm的条件下，计算出一支28W的T5直管节能荧光灯的最佳给汞量为0.75mg/支灯管(≈0.028mg/w)，这是灯管理论工作应该有的预期的最佳光效，暂且将此灯管的最佳汞注入量Q_B定为0.028mg/w。再参照图4的质量判定表，如果此时把该支节能灯管点燃20000小时，其中的光效流明仍然在95％以上，则说明此灯管是一个合格甚至是优良的产品。如果我们预先确定0.1mg/w作为期望汞注入量(或称期望给汞量)Q_D，则可以大致确定与此灯管同批地待充汞的灯管是合格产品(Q_B＝0.028mg/w＜Q_D＝0.1mg/w)，即在步骤40中的比较结果为“是”，则可以进行整批节能荧光灯管的汞注入操作。

相反，如果在上述的实验中发现被测灯管在仅24小时的点燃之后，其光效流明就小于97％，则说明此灯管是一个不合格产品。因为此现象说明注入其中的汞已经被可能劣质的灯管中的“杂质源”消耗掉了大部分。为了保证长时间点燃后的光效，可以尝试加大注入的汞量。但是如果当注入的汞量超过Q_D＝0.1mg/w时，则应该考虑放弃这批灯管的成品制作，即执行步骤40的结果为“否”的处理，重新执行灯管的形成处理，一般消除/降低其中的“杂质源”。

从图4的表格中可以看出，对于不同类型(直管、U管、螺旋管、带罩灯)的灯管和在不同的条件下的设计(如管径的大小、功率设计的高低、裸灯还是带罩等)，计算并且实验修正得出了一个最佳给汞量。这些量值虽有差异，但是差异是不大的，而且是在同一个数量级上。由此可知，图4可以帮助从事节能荧光灯制作的技术人员快速对应查找一支/一批灯管的给汞量，并且快捷有效判断其灯管制作工艺质量控制水平的高低，从而改进工艺或者设备，保证把每支每批灯管的汞含量压到最低但灯管达到高质量的水准。

更通俗地讲，对于批量生产的节能荧光灯来说，通过本发明的方法对于一支取样的灯管进行实验处理，当进行到封口处理之前就必须依据上述的最佳给汞量的计算步骤所计算出来的理想状态的最佳汞注入量进行取样灯管的测试。例如从一批n支T3管径24W螺旋节能灯取样出一支，计算出来的理想状态的最小给汞量是0.25mg/支，可以按照GB2828的一般要求或者更高的水平对抽样出来的灯管进行封口、排气和给入汞0.25mg。再进行燃点老炼和光效流明维持率的测试，然后依据图4的表格中给出的“灯管光效流明维持率(％)及工艺质量水平等级的判定”一栏来判断。

例如，从图4的表格中的T3/24W一栏对应查找可以看到，24小时之后，与初始测试光效比较，如果抽样灯管的汞注入实验测试的灯管的光效流明的维持率达到大于99％以上，则判断这批灯管合格，可以放心投入批量生产；如果抽样灯管的汞注入实验测试的灯管的光效流明的维持率达到大于99.5％，则判断这批灯管达到优良水平；如果抽样灯管的汞注入实验测试的灯管的光效流明的维持率小于97％，则认定此批灯管是不合格的，一定要重新检查或返工灯管形成步骤的10的处理。

在生产实际中，可以采用液汞注入，但如本专业技术人员所知，更常用的是汞齐或钛汞来实现汞的注入。它们之间的替代关系和量的换算属于本专业的常识。

从上面的描述可知，可以通过一支灯管的充汞过程的测定来实现汞注入的最佳量的确定，同时通过汞注入的最佳量的确定保证批量生产的灯管的质量，实现了把对环境的污染降到最低的程度。

对于本领域技术人员来说显见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种修改和变形。本领域技术人员可以理解的是，所描述的实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明；本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求所限定。

Claims (4)

1.荧光节能灯制造中的微量汞注入方法，包括步骤：

灯管形成步骤，按照荧光节能灯制造工艺形成待注汞的荧光节能灯的灯管；

测量步骤，测量在所述灯管形成步骤形成的荧光节能灯的灯管相关参数；

计算步骤，根据所述测量步骤中测量的灯管相关参数来计算出最佳汞注入量；

比较步骤，将所述计算步骤中计算出的所述最佳汞注入量与一个预定的期望汞注入量相比较；其特征在于，

当所述最佳汞注入量小于或等于所述预定的期望汞注入量时，则以等于或大于所述最佳汞注入量但小于或等于所述预定的期望汞注入量来执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入；并且，

当所述最佳汞注入量大于所述预定的期望汞注入量时，则不执行对于待注汞的荧光节能灯的灯管的汞注入而返回灯管形成步骤，重新再处理待注汞的荧光节能灯的灯管。

2.根据权利要求1的微量汞注入方法，其中所述灯管形成步骤中形成的灯管包括直型管、U型管或螺旋型管。

3.根据权利要求1的微量汞注入方法，其中所述计算步骤中测量的灯管相关参数涉及管壁负载、真空度、光色指标，并且根据实验公式或总结表格获得所述最佳汞注入量。

4.根据权利要求1的微量汞注入方法，其中所述预定的期望汞注入量≤0.1毫克/瓦。