CN102859640A - 用于荧光灯的汞的定量给料方法 - Google Patents

Abstract

一种荧光灯，包括具有形成放电腔的内壁的放电管。一个或多个盘绕电极(200)布置在放电管内。含汞组合物(260)布置在至少一个盘绕电极上。

Description

用于荧光灯的汞的定量给料方法

发明背景

概括地讲，本发明涉及一种低压汞蒸气放电灯，且更具体来讲，本发明涉及一种包括汞定量给料装置和方法的热阴极荧光灯。

荧光灯的大量应用已在市场中得到广泛认可，且已有各种可用的形状和形式。例如，正如本领域普通技术人员所熟知，灯可为直线型、曲线型、U-弯曲型或紧凑型。典型地，荧光灯包括带有为放电管内部提供放电的装置(例如电极)的透光玻璃放电管。通常施用在放电管内壁表面的荧光物质层包含灯发出的光的光源。填充气和汞被密封在放电管内，且汞以本领域普通技术人员所熟知的方式用于激发荧光物质的电子导致灯光的产生。

一种已知的用于放电管的汞定量给料方案包括通过具有窄直径的排气管直接向灯的放电管中加入液体汞。不利的是，此种方法需要向灯中定量给料过量的汞，因为汞液滴可能遗留在生产设备和排气管中。

用于给放电灯定量给料的其它方案包括使用可防止生产过程期间损失的填充有液体汞的“胶囊”。不利的是，在灯内部使“胶囊”破裂从而使汞可用的技术较为困难，且需要在生产过程中增加机器，从而带来更多的成本考虑。还有其它方案包括在荧光灯中使用金属汞合金。然而，汞合金定量给料需要专门的定量给料设备以及将汞合金置于灯内部的装置。另一种方案包括在金属支座上使用固体汞化合物。不利的是，这种方法需要额外生产零件，从而提高灯的成本。

此外，汞是危险材料，因此各种政府规章控制使用汞的行为，所述汞包括例如荧光灯的商品中所包含的汞。使用过的或失效的包含汞的灯会被丢弃。因此，限制加入最终被丢弃物品中的汞的量是有益的。

因此，存在对具有改进的汞定量给料装置和方法的改进的低压汞蒸气放电灯的需求。

发明简述

在一个方面，本发明涉及一种包括具有形成放电腔的内壁的放电管的荧光灯。一个或多个盘绕电极布置在放电腔内。至少一个所述盘绕电极具有布置在其上的含汞组合物。

在另一个方面，本发明涉及一种用于荧光灯的在盘绕电极上将汞定量给料的方法，所述方法包括提供具有一个或多个布置于其中的盘绕电极的放电管和布置在至少一个盘绕电极上的含汞组合物。

本发明的主要好处是能够生产具有低汞含量的荧光灯。

本发明的另一个好处是不需专门的附加灯零件。

本发明还有另一个好处为最小地改变(如果有的话)灯的生产过程。

本发明的另一个好处是可降低灯的成本，原因是消除了汞分配器。

在阅读和理解优选实施方案的以下具体描述后，其它的进一步的优点对本领域普通技术人员来说是显而易见的。

附图简述

图1是传统荧光灯的横截面图；

图2-4是根据一个示例性实施方案的盘绕电极的示意性透视图，所述盘绕电极包括含汞组合物；以及

图5是对于根据一个示例性实施方案的复合混合物Ba₂CaWO₄ + HgWO₄涂布的电极，其流明输出相对于温度的图。

优选实施方案的详细描述

本创造性的用于荧光灯的汞定量加料装置和方法在很低的水平下提供更精确的汞定量加料，同时不使用额外专门的灯零件，不必(如果有的话)改变生产过程，且不经受可能在较高处理温度下发生的含汞组合物的分解。这在本文公开的创造性系统中通过在包括在灯中的电极组件的表面上且优选在盘绕电极上布置含汞组合物与电子发射组合物的某些组合(in some combination with)实现。所述电子发射混合物施用于电极，且通常为钡、锶和钙碳酸盐的混合物。碳酸盐电子发射组合物需要加热至约1200℃的分解步骤，以在布置含汞组合物到盘绕电极上之前形成所需的活性氧化物。采用电阻加热完成分解，电阻加热为电流通过电极的通路(passage)。在碳酸盐电子发射组合物分解期间形成二氧化碳。所述二氧化碳通过经排气管将灯持续排气而从灯内部去除。通过选择对于空气稳定的电子发射组合物，可消除分解步骤。

图1示出了荧光灯100。灯100包括密封放电管或透光罩102，优选由可透过可见范围辐射且也可透射红外范围辐射的材料构成。适合构成罩102的材料包括透明材料如钠钙碳酸盐玻璃，以及其它玻璃质材料，尽管透明材料如陶瓷材料也是可考虑的。该灯具有放电腔106。如图1所示，放电管102为具有基本上平直的末端或端部(end section)108、110的单管。在放电管通路的末端108、110，为该管提供了电极112、114及连接至电极的引入线116、118。电极112、114具有盘绕形状。然而，如现有技术中已知，其它构造可能证明是适合的。放电管的引入线连接至镇流器单元（未示出），用于控制放电管中的电流。

已知的荧光灯构造，例如平直型、U型、螺旋型以及包括在需要时连接以允许连续弧形通路的多个管的构造等，适合于本申请中公开的创造性的汞定量给料方法的应用。

为提供可见光，放电管的内表面覆盖有荧光性荧光物质层120。该荧光物质层120处于密封的放电体积内。这样的荧光物质层120的组成本身是已知的。该荧光物质层120将短波(主要是UVC辐射)转化为可见光谱内的较长波辐射。荧光物质层120在放电管被密封前施用于该放电管的内表面。

放电填充气包含于放电腔106内。该填充气典型地包括例如氩气的惰性气体或氩气和其它惰性气体如氙气、氪气或氖气的混合物，且是造成电弧电压的原因，也就是说，该填充气的参数决定电子的平均自由程。因为惰性气体对灯100的汞蒸气压力仅有间接的、较小的影响，所以该气体填充不是本发明的关键特征。

荧光灯的工作，例如在本发明中，需要汞的存在，汞可在灯的生产过程中布置在放电腔106的内部。正如本领域技术人员所能理解的，汞原子被放电过程中的电子激发后会发射紫外光子，紫外光子继而激发荧光物质层120，导致光的产生，产生的光透过放电腔106。

引入荧光灯的放电腔106的汞的量是许多变量的函数，所述变量包括灯的尺寸和其他考虑因素。使用的汞的量应在荧光灯基本上整个寿命中足以在灯内提供饱和汞蒸气压。本领域技术人员知道要使荧光灯工作最少须使用多少汞。本创造性的系统涉及减少汞的分配量至低于目前市售灯的水平。基于该想法，本创造性的系统以沉积涂层的形式提供了更精确的汞量，无论是直接涂布于电极表面上、还是涂布在电极表面上的发射组合物上方、或是作为复合混合物的一部分直接涂布在电极表面。因为所需量因灯的设计（尺寸、功率、荧光物质）而异，本领域技术人员能够计算出支持灯的寿命所需的量且限制汞的定量给料至此量，而不必包括额外的汞以补偿工艺偏差。

用电子发射组合物（“发射混合物”(“emission mix”)）涂布荧光灯中的电极是众所周知的。需要放电管电极上的发射混合物在使用的管工作电压下确保电子通过热离子发射进入气体。在一个示例性实施方案中，所述电子发射组合物为对于空气稳定的组合物，该组合物选自Ba₂CaWO₆、Ba₄T₂O₉、Ba₅Ta₄O₁₅、BaY₂O₄、BaCeO₂、Ba_xSr_1-xY₂O₄、Ba₂TiO₄、BaZrO₃、BaxSr_1-xTiO₃、Ba_xSr_1-xZrO₃，其中x=0至1，钡、锶、钙、其氧化物、及其与一种或多种选自钽、钛、锆系列的金属和/或与若干稀土元素如钪、钇和镧中的一种或多种的混合物。

所述电子发射组合物可通过“活化”电极所需的其热处理温度（T_e）表征。在一个示例性实施方案中，所述电子发射组合物的热处理温度（T_e）小于约900℃。

所述含汞组合物可通过分解温度（T_m）表征。组合物的分解温度为该物质分解为更小的物质或其组成原子的温度。因此，所述含汞组合物应为在通常大于约500℃的生产过程温度下稳定的汞化合物，以避免因分解而造成汞的损失的风险。所述含汞组合物选自HgWO₄ (钨酸汞(II))、HgMoO₄ (钼酸汞(II))、HgSb₂O₄ (亚锑酸汞(II))、HgZrO₄ (锆酸汞(II))、HgTiO₃ (钛酸汞(II))、HgSiO₃ (硅酸汞(II))、Hg₂P₂O₇ (焦磷酸汞(II))、HgAl₂O₄ (铝酸汞(II))、Hg₂Nb₂O₇ (铌酸汞(II))、Hg₂Ta₂O₇ (铊酸汞(II))、和钛、锆、铜、铝、钯、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、铪、其汞合金、和其组合。前述化合物和汞合金可能需要还原性材料例如铝、硅和锆的存在。在一个示例性实施方案中，所述含汞组合物的分解温度（T_m）通常大于约500℃。

在一个示例性实施方案中，电极活化温度T_e低于含汞组合物的分解温度T_m，其中T_e<T_m。

图2-4示出了盘绕电极200的示意性透视图。在该示例性实施方案中，提供了布置在盘绕电极112上的含汞组合物，该盘绕电极出于示出含汞组合物涂层的目的表示为平直型。盘绕电极112可由导电材料如钨形成。尽管如此，可以理解在不偏离本发明的范围和目的前提下可使用其它适合的导电材料。

在图2中，含汞组合物260布置在电子发射组合物262上，电子发射组合物262直接布置在盘绕电极212上。在图3中，含汞组合物260直接邻近电子发射组合物262安置而不是在后者上方，从而汞层直接布置于盘绕电极212的表面上。在图4中，复合组合物布置在盘绕电极上。盘绕电极涂有通过混合电子发射组合物和含汞组合物形成的组合物，从而只需要一个电极涂布步骤。在一个实施方案中，所述含汞组合物为HgWO₄且所述电子发射组合物为Ba₂CaWO₆。在另一个实施方案中，所述含汞组合物为HgWO₄(钨酸汞(II))、HgZrO₄(锆酸汞(II))或HgTiO₃(钛酸汞(II))中的至少一种，且所述电子发射组合物为钡、锶、钙、其氧化物、和其混合物、Ba₂CaWO₆或钡、锶、钙、其锆酸盐、和其混合物中的至少一种。

可设定布置于电极上的含汞组合物和电子发射组合物的各种组合以定量给料或提供蒸气态游离汞。所述含汞组合物设定为定量给料一定量的汞，例如，从0.1mg至约5.0mg，也就是(i. e.)从0.2至约3.0mg。在一个实施方案中，所述含汞组合物设定为定量加料大于约0.3mg的汞。在另一个实施方案中，所述含汞组合物设定为定量加料小于约1.0mg的汞。

以下实施例说明使用改进的汞定量加料方法形成荧光灯，而无意限制本发明的范围。

实施例

材料

购自Sigma-Aldrich®公司的氯化汞(II)、钨酸钠、（钡、锶和钙的碳酸盐）、氧化锆(ZrO₂)、钡钙钨氧化物(Ba₂CaWO₆)、乙酸丁酯、无水乙醇。所有材料为试剂级且使用时未经进一步纯化。

汞钨氧化物（HgWO₄ ）的制备

汞钨氧化物使用根据Run-Ping Jia等发表在《纳米粒子研究杂志》（Journal of Nanoparticle Research）2008年第10卷第215-219页的《使用水热法结合超声技术的HgWO₄纳米棒的制备和光学性质》（Preparation and Optical Properties of HgWO₄ Nanorods by Hydrothermal Method Coupled with Ultrasonic Technique）制备。在玻璃安瓿瓶中混合钨酸钠（Na₂WO₄)）0.025摩尔（7.35克）和氯化汞(II)粉末。加入25毫升蒸馏水以溶解混合物并密封安瓿瓶。该混合物经180℃下加热两小时处理从而得到红褐色沉淀。然后将反应混合物在室温下过滤并用蒸馏水洗涤三次，然后用无水乙醇洗涤。虽然在以下实施例中使用上述方法，但其它产生汞化合物的方法也可使用。

制备经汞定量加料的盘绕电极（图2-4 ）

实施例1

虽然在以下实施例中使用与图2一致的盘绕电极200，应理解的是，该盘绕构造与汞和/或发射涂层的布置或功能没有关键性联系。图2用于表示布置在电子发射组合物层上方的含汞组合物。在这个实施例中，碳酸盐电子发射组合物为原始制备的。该盘绕电极涂有钡、锶或钙的碳酸盐化合物与至多约5%的氧化锆（ZrO₂）添加剂以形成碳酸盐电子发射组合物层。将电子发射材料的组分悬浮于乙酸丁酯中。将少量硝化纤维（通常为电子发射材料的1 m/m%）也加入悬浮液以确保电子发射材料恰当地粘附于线圈上。将该涂好的盘绕电极加热至约1200℃以将碳酸盐组合物分解为其活性氧化物状态和二氧化碳。该分解在无水且无二氧化碳的环境中进行。在冷却至500℃以下后，该涂好的盘绕电极随后被涂布以含汞组合物，例如汞钨氧化物(HgWO₄)，以在电极上形成附加层。本文公开的或相关技术领域中已知的任何适合的含汞组合物可采用实施例1-4中类似的方式施用。涂好的电极密封入放电腔中。在密封过程中保持涂好电极的温度低于500℃。电流经过涂好的电极以加热至约300℃但不高于500℃以去除连接料和杂质，如二氧化碳、氮气等。通过排气管向灯的放电腔填充惰性气体并将灯封闭（封端），这点是本领域众所周知的。对涂好的盘绕电极施用电阻加热以加热该电极至高于定量给料汞化合物的分解温度，从而在放电腔中释放游离汞。在另一个实施方案中，盘绕电极可被涂布以对于空气稳定的电子发射组合物，以消除加热至约1200℃的碳酸盐分解步骤。

实施例2

虽然在以下实施例中使用与图3一致的盘绕电极200，应理解的是，该盘绕构造与汞和/或发射涂层的布置或功能没有关键性联系。在图3中，含汞组合物涂层邻近电子发射组合物涂层布置且直接在电极线圈上。在这个实施例中，盘绕电极涂有实施例1中描述的碳酸盐电子发射组合物。涂好的盘绕电极加热至约1200℃以使混合物分解为其活性氧化物状态与二氧化碳，如实施例1所述。该涂好的盘绕电极然后被直接涂布以含汞组合物，例如汞钨氧化物(HgWO₄)，邻近碳酸盐发射组合物布置。该涂好的电极密封入放电腔。在密封过程中保持涂好电极的温度低于500℃。电流经过涂好的电极以加热至约300℃但不高于500℃以去除杂质，如二氧化碳、氮气等。通过排气管向灯的放电腔填充惰性气体并将灯封闭（封端），这点是本领域众所周知的。对涂好的盘绕电极施用电阻加热以加热该电极至高于定量给料汞化合物的分解温度，从而在放电腔中释放游离汞。在另一个实施方案中，盘绕电极可被涂布以对于空气稳定的电子发射组合物，以消除加热至约1200℃的碳酸盐分解步骤。

实施例3

虽然在以下实施例中使用与图4一致的盘绕电极200，应理解的是，该盘绕构造与汞和/或发射涂层的布置或功能没有关键性联系。在图4中，盘绕电极被涂布以通过混合对于空气稳定的电子发射组合物和含汞组合物形成的组合物，从而只需要沉积一个汞定量给料层。汞钨氧化物和钡钙钨氧化物(一种对于空气稳定的电子发射组合物)二者的细粉以分别为14:86的质量比混合。将所得的混合物悬浮于乙酸丁酯中。然后用所形成的组合物涂布盘绕电极。涂好的电极密封入放电腔中。在密封过程中保持涂好电极的温度低于500℃。电流经过涂好的电极以加热至约300℃但不高于500℃以去除杂质，如二氧化碳、氮气等。通过排气管向灯的放电腔填充惰性气体并将灯封闭（封端），这点是本领域众所周知的。对涂好的盘绕电极施用电阻加热以加热该电极至高于定量给料汞化合物的分解温度，从而在放电腔中释放游离汞。

分析

图5是对于根据实施例3给出的方法涂布在电极上的复合混合物Ba₂CaWO₄ + HgWO₄的流明输出相对于温度的图。该图示出了灯的游离汞含量可由光输出与温度相关性的拐点(break-point)算出，即在此点所有游离汞都已处于蒸气形式。在配备了如上述实施例3中所述的电极涂布结构的通用电气F32 T8 4’灯的情况下，在约80℃下放电管内形成约1mg汞蒸气。该HgWO₄定量给料灯的流明输出相对于温度的曲线表明，在放电过程期间或灯工作期间接近全部量的定量给料的汞(也就是说1mg)是可利用的。如前文所述，灯内必须维持持续的约1mg汞蒸气。参考曲线（虚线）取自包含接近0.15mg汞的液体定量给料灯。在室温至55℃范围观察，实施例3中形成的HgWO₄定量给料灯的流明输出-温度关系非常类似于该液体汞定量给料灯。

本发明已参照优选实施方案进行描述。显然，在阅读和理解前文的详细描述之后，其他人会想到对其的改进和改变。本发明意欲解释为包括所有这些改进和改变。

Claims (24)

1.一种荧光灯，所述荧光灯包括：

具有形成放电腔的内壁的放电管；和

一个或多个布置在放电腔内的盘绕电极，其中至少一个盘绕电极具有布置于其上的含汞组合物。

2.权利要求1的灯，其中所述盘绕电极进一步具有布置在其上的电子发射组合物。

3.权利要求2的灯，其中所述含汞组合物布置在所述电子发射组合物上方。

4.权利要求2的灯，其中所述含汞组合物具有分解温度（T_m）且所述电子发射组合物具有热处理温度（T_e）。

5.权利要求4的灯，其中T_e<T_m。

6.权利要求4的灯，其中T_m大于约500℃且T_e小于约900℃。

7.权利要求1的灯，其中所述含汞组合物选自HgWO₄(钨酸汞(II))、HgMoO₄(钼酸汞(II))、HgSb₂O₄(亚锑酸汞(II))、HgZrO₄(锆酸汞(II))、HgTiO₃(钛酸汞(II))、HgSiO₃(硅酸汞(II))、Hg₂P₂O₇(焦磷酸汞(II))、HgAl₂O₄(铝酸汞(II))、Hg₂Nb₂O₇(铌酸汞(II))、Hg₂Ta₂O₇(铊酸汞(II))、和钛、锆、铜、铝、钯、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、铪、其汞合金和其组合。

8.权利要求1的灯，其中所述含汞组合物包含HgWO₄。

9.权利要求2的灯，其中所述电子发射组合物为选自Ba₂CaWO₆、Ba₄T₂O₉、Ba₅Ta₄O₁₅、BaY₂O₄、BaCeO₂、Ba_xSr_1-xY₂O₄、Ba₂TiO₄、BaZrO₃、Ba_xSr_1-xTiO₂、Ba_xSr_1-xZrO₃，其中x=0至1，和钡、锶或钙的碳酸盐组合物的对于空气稳定的组合物。

10.权利要求2的灯，其中所述含汞组合物邻近所述电子发射组合物布置。

11.权利要求2的灯，其中所述含汞组合物布置在盘绕电极的第一表面上且所述电子发射组合物布置在盘绕电极的第二表面上。

12.权利要求2的灯，其中所述含汞组合物为包含所述电子发射组合物的复合材料，且布置在盘绕电极的表面上。

13.权利要求12的灯，其中所述含汞组合物包含HgWO₄ (钨酸汞(II))、HgZrO₄(锆酸汞(II))或HgTiO₃(钛酸汞(II))中的至少一种，且所述电子发射组合物包含钡、锶、钙、其氧化物、和其混合物、Ba₂CaWO₆和钡、锶、钙、其锆酸盐、和其混合物中的至少一种。

14.权利要求1的灯，其中所述含汞组合物设定为汞的定量给料量约0.3mg至约1.0mg。

15.一种用于荧光灯的在盘绕电极上将汞定量给料的方法，所述方法包括：

提供具有一个或多个布置于其中的盘绕电极的放电管；及

在至少一个盘绕电极上布置含汞组合物。

16.权利要求15的方法，所述方法进一步包括在盘绕电极上布置电子发射组合物。

17.权利要求16的方法，其中所述含汞组合物布置在所述电子发射组合物上方。

18.权利要求16的方法，其中所述含汞组合物邻近所述电子发射组合物直接布置在盘绕电极上。

19.权利要求16的方法，其中复合组合物布置在盘绕电极上，所述复合组合物至少包含所述含汞组合物和所述电子发射组合物。

20.权利要求19的方法，其中所述复合材料包含HgWO₄且所述电子发射组合物包含Ba₂CaWO₆。

21.一种荧光灯，所述荧光灯包括：

具有形成放电腔的内壁的放电管；和

布置于放电管内的一个或多个盘绕电极，至少一个盘绕电极至少具有具有分解温度（T_m）的含汞组合物和布置于其上的具有热处理温度（T_e）的电子发射组合物，且其中T_e<T_m。

22.权利要求21的灯，其中T_m大于约500℃且T_e小于约900℃。

23.权利要求21的灯，其中所述含汞组合物包含HgWO₄且所述电子发射组合物包含Ba₂CaWO₆。

24.权利要求21的灯，其中汞的定量给料量介于约0.03mg至约1mg。

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