CN103988280A - 含有改进的起始汞合金的灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含改进的起始汞合金的放电灯，并且涉及在放电灯启动期间增加汞蒸气压力的方法。

Description

含有改进的起始汞合金的灯
本发明涉及含有改进的起始汞合金以便在启动期间增加汞压力的灯，并且在其第二个方面中涉及依靠改进的起始汞合金(amalgam)在启动期间增加灯中的汞蒸气压力的方法。
本发明有利地用于所谓的低压汞灯，即在其中在运行期间汞的压力远低于1巴的灯。特别地，已知在许多这些灯中，例如在大多数线型和紧凑型荧光灯中，为了获得最好的性能，优选在灯运行期间汞的压力处在0.5和1.5Pa之间。
该领域的一个主要问题是正确投放(dose)汞量以及控制在灯的运行期间建立的汞压力。在实际过低的压力值下，不可能实现来自激发的汞原子的辐射发射的有效机制，因为这些为小数目，然而气相中过大的汞浓度导致受激原子通过诸如发射辐射的自动吸收和非辐射能量传递的机制彼此相互作用，从而导致灯的光通量减少。
通过可以在灯内部或外部的主源(有时也被称为主要源)将汞添加至灯。在灯内初始投放汞的方式不是本发明的目标并且在本领域中通常以不同方式实施汞投放。例如，以液滴形式、以来自灯外部的源的蒸气形式投放汞，或者通过在低温下插入释放汞的汞合金来投放汞。将汞引入一些类型灯的特别有利的另一方案利用灯自身的部件之一(例如电极罩)以承载适合在高温下释放汞的合金。
较精致的灯可以具有附加元件，例如控制汞合金和起始汞合金，因为随时间控制汞的压力至恰当值以便优化灯的光通量和光视效率是非常重要的。本领域中所用的一种权宜之计是使用控制汞合金或工作汞合金(后一术语应参照灯来理解，其中通过投放汞合金或其它合适的“主要”源来进行汞的初始引入)。与使用控制汞合金相关的优点和改善在本领域中是众所周知的并且记载于例如专利US4157485中并且本申请人的国际专利申请号WO2011/092349中描述了近期的进一步发展，其涉及使用具有铋和铟作为主要成分的汞合金并且其最佳操作温度处在60和95℃之间。
起始汞合金，在本领域中也被称为术语辅助汞合金(在本发明的上下文中，这两个术语意图是等同的)，其目的与控制汞合金相当不同并且它们在灯启动期间应当容许少量汞的快速释放以便确保足量的汞尽可能快地存在于气相中以便显著减少启动时间(即，实现充分接近在灯运行期间所实现的最大输出的光输出所必需的时间)。因此起始汞合金的目的是在灯关闭之后捕获Hg原子并且然后在开启之后立刻将它们快速释放。起始汞合金的捕获性能也是重要的，实际上没有它们的话，汞将倾向于积聚到灯的最冷的部分/部件(典型为玻璃壁)上，并且因此仅在相应的延迟之后以足够的水平产生其以气态形式的释放：通常需要几分钟来达到足够高的Hg压力水平以获得灯标准输出的80％的光输出。起始汞合金可以与控制汞合金一起使用或者作为独立的方案，始终考虑到在两种情形中通过主源(其在某些情况下也能担当控制元件，即主源是控制汞合金)来产生汞的初始投放。
对于控制汞合金和起始汞合金的不同功能要求意味着用作控制汞合金的元素通常不适合用作起始汞合金。
与温度相关的方面是特别关键的，实际上将起始汞合金放置在接近于灯的最热部分(即在每次灯开启时受热的灯电极)以确保快速的汞释放从而在非常短的时间内在气相中达到最佳的Hg浓度，但同时应使汞合金保持在一定温度使得其不会熔化和从载体上移去，即使在长久使用之后或者在几个循环之后。关于熔化的限制可以是对于汞合金，但是更加严格地是对于所谓的母合金(在本领域中所述母合金是指源自汞合金并且除去汞部分的组合物)，因此是在已经释放汞之后(在加热阶段期间)或在与汞合金化之前(在冷却期间)对于汞合金自身。关于母合金熔点的严格条件是由于如下事实：对于合适的起始汞合金，在汞合金熔点条件之前使汞释放，所以与承受高温的能力相关的要求转移到母合金。
特别地，好的起始汞合金，但特别是其母合金，应当能够经受相对高的温度，即至少200℃，而没有材料移位或者形状改变，并且关于该约束条件在上文提到的国际专利申请WO2011/092349中所示的方案(涉及关于改良的控制汞合金)明显不满足这样的需求，因为在超过100℃的温度下可能已经存在关于将母合金保持在其载体上的问题。美国专利US7,408,295中描述了能够承受更高温度(在100-170℃范围内)的铟基汞合金。
此外，起始汞合金(或更准确地是其母合金)的另外期望性质是要在加热和真空下在机械稳定性方面维持更严格的需求，因为灯生产工艺意味着非常高的温度。特别地，灯阴极转化过程预想使用合适的发射糊料以及在真空泵吸下通过加热至1200℃持续约1分钟的其随后转化，并且因此起始汞合金的最好母合金(其位于电极的邻近)应当能够承受真空泵吸条件下在约500-600℃下持续约一分钟的加热。
美国专利US4,636,686是提到使用紧邻电极的螺旋灯丝的由铟制成的辅助/起始汞合金的最早文献之一。
美国专利申请2002/180,340显示了意图在放电灯中在运行期间引入(主源)和控制(控制汞合金)汞水平的Bi-In-Ag的三元汞合金。
美国专利6,734,616中描述了含有不同类型汞合金的灯，其使用Bi-Pb汞合金，优选添加金。将那些合金用作控制汞合金。也提到了这些灯也能受益于附加的辅助汞合金的使用，在更快的起动时间方面。
欧洲专利号EP756756中描述了通过辅助汞合金束缚并释放的汞量的问题，公开了使用Sn-Pb、Pb-Si-Sn和Bi-In作为合适的辅助汞合金。
美国专利7,053,554描述了用作辅助汞合金的合适金属，其中一些能够承受高达200℃的温度，而美国专利申请2009/322,223中描述了能够在250℃和400℃之间运行的结构，其设想以汞合金化金属和非汞合金化涂层作为启动元素。所述的优选显示方案设想使用具有低熔点的铟作为汞合金化金属。类似地，美国专利US5,686,788公开了用以在灯的最热部分保持辅助汞合金的方案，例如使用铟获得的辅助汞合金。
本发明的目的是提供一种具有改进的起始汞合金的灯，所述起始汞合金能够承受高温、能够确保更快的启动并且还适合于使用而无需特定形状或限定装置的支持器(holder)，并且在其第一个方面由包含如下的灯构成：第一阴极、第二阴极、用于所述第一阴极和第二阴极的载体、以及处在所述灯的高温部分中的至少一个起始汞合金，其中所述起始汞合金包含母合金和相对于起始汞合金总重量为0.1重量％至10重量％的量的汞，其特征在于所述母合金包含：
-在由Ag、Cu、Au、Ni、Ti构成的组A中选择的一种或多种元素；和
-在由Bi、Sn、Ga、Zn构成的组B中选择的一种或多种元素，
其中：
·A是所述母合金的至少50重量％；
·B是所述母合金的至少15重量％；并且
·A+B是所述母合金的至少95重量％。
在优选的方案中，A+B是所述母合金的至少99重量％。
起始汞合金中的汞量优选在0.8重量％和8重量％之间。
包含根据本发明的改进的起始汞合金的灯的另一优点是它们与导致其在泵吸下加热的灯阴极转化过程相容。
将在如下附图的帮助下进一步说明本发明，其中：
·图1示出了特别适合于承载根据本发明的起始汞合金的具有孔的金属结构的简要图示，
·图2示出了其中安装了根据本发明的具有孔的金属结构的灯的细节。
在附图中，特别是指图2，各元件的大小和尺寸比例并不准确，但已经过更改以便提高附图的易理解性。
在本说明书中和权利要求书中，灯的高温部分是指这样的灯部分，例如阴极附近的部分，其中在灯开启后达到的更高温度是至少200℃并且优选地至少250℃。要强调的是典型地在灯启动后几秒达到这样的温度条件(通常在触发后10秒内)。正如所述，优选地将起始汞合金放置在所述更高的到达温度是至少250℃的区域中；这样的条件相对于200℃是优选的，因为其确保更快的汞释放并且因此更有效率的启动过程。
在优选的汞合金中，以上给出的可能组合中存在其母合金是基于Ag–Bi、Cu–Bi和Ag-Cu-Bi的组合的汞合金。这些合金是优选的，因为它们具有特别好的能力以束缚相当大量的汞并且在高于200℃的温度下它们能确保最快速的来自形成的起始汞合金的汞释放。
用于将其上形成起始汞合金的母合金(传统上将其简称为起始汞合金)插入灯中的优选方式是通过具有孔的金属结构，优选地具有表面面积不大于0.16mm2的孔。术语具有孔的金属结构还意图指其最常见并且在功能上等效的变体，即诸如金属网、金属网栅和打孔的金属带材。具有孔的金属结构的厚度优选在0.1和0.5mm之间，并且关于其制造材料，优选使用镍或镀镍的铁。
在更加优选的实施方案中，将辅助汞合金设置在金属结构上的可用表面面积的至少50％上。在一些情形中优选使一部分没有起始汞合金/母合金的沉积物使得其存在不妨碍金属结构在灯内的固定操作。
根据本发明的改进的起始汞合金的载体的这种优选方案示于图1中。T形网10包含充当柄的较薄部分11以及具有较大表面积的部分12，该部分12被划分成两个部分，即：根据本发明的改进的起始汞合金沉积在其上的部分13以及其上没有沉积汞合金的部分14。图1的目的是显示用以将将起始汞合金插入根据本发明的灯中的载体的可能构造，但是其它实施方案是可能的并且完全等效。例如，在另一实施方案中带孔载体的几何形状可以是不同的，在该情形中最令人感兴趣的替代形状有I形和L形，并且所述网可以具有不必是圆形的孔，而是可以具有完全等效的其它几何形状，例如菱形、矩形或六边形。
此外，将起始汞合金插入灯内的其它合适方法是例如通过汞合金沉积在其上的金属小板或小片(切割至希望的尺寸和形状有利地安装在灯内)，或者在另一种特别有利的方案中将起始汞合金本身成形为带材、标记或线材的形式并且在该情形中“汞合金标记或线材”最有利地被固定到两个电极载体上。标记和带材意图是具有大致矩形外观的元件，在带材的情形中,该矩形的最大尺寸和最低尺寸之间的比例大于2，而在标记的情形中，这样的比例在1(正方形形状)和2之间。
与所用载体的类型或者辅助汞合金是无支持的事实(原样使用)无关，其初始形式是母合金，由于其与主源相互作用的结果而仅在安装于灯内之后形成汞合金。
图2中显示了根据本发明的灯局部的实施方案的示意图。灯20包含玻璃柄21，在其上放置了支持阴极的两根线22、22'，和典型地覆盖有涂层(未示出)的钨丝23，所述涂层由基于氧化物的发射材料制成。当两个部件22、22'用于支持钨丝并且向钨丝提供电流以便使其发射电子时，第三金属部件24也从所述柄延伸。该部件在本领域中通常被称作“第三电极”并且仅具有支持其它部件的目的，在图2中所例示情形中，有孔的金属结构25承载所述起始汞合金。
可以接近于第一阴极和第二阴极之一安置所述起始汞合金，但出于与更均匀的建立汞压力有关的理由，提供两个起始汞合金(优选地在组成、大小、位置方面彼此相同)，一个紧邻所述第一阴极定位并且另一个紧邻所述第二阴极定位。
可以在灯内使用起始汞合金并且将其置于合适的位置，例如靠近阴极(例如在引线上)也以由母合金粉末和适当粘合剂的混合物构成的糊料的形式。粘合剂可以是有机粘合剂例如典型用于灯中的基于硝化纤维素的粘合剂，或者无机粘合剂如铝基粘合剂或铝-硅酸盐粘合剂。
粉末可具有在0.5μm和300μm之间的平均粒度(granulometry)(在非球形粉末的情形中，粒度意图指最大的横向尺寸)，但粉末的最大容许粒度不超过500μm。
在本发明的第二方面，本发明涉及一种在根据本发明的放电灯的启动期间增加其中的汞压力的方法，其中所述起始汞合金温度在触发后10秒内达到至少200℃。
优选地，所述起始汞合金在灯触发后10秒内达到至少250℃。
在不同的优选方式中，将起始汞合金插入灯中靠近阴极，其为具有粉末形式的母合金的糊料的形式，其中使合金分散在合适的粘合剂中。粉末可以具有在0.5μm和300μm之间的平均粒度(在非球形粉末的情形中，粒度意图指最大的横向尺寸)，但粉末的最大允许粒度不超过500μm。
将通过以下实施例进一步说明本发明。
实施例1
将不同的母合金沉积在有孔的金属网上；通过如下方式制备每种母合金的样品：在具有网格的5mm2网状标记上压制约5mg的量，其中每个网格开孔中的内切圆直径是0.28mm；然后将这样的样品在约1*10-3毫巴的真空中于500℃加热2分钟。
表1示出了根据本发明制备的四种样品S1-S4的母合金组成，和三种比较样品C0-C2的母合金组成，以及在真空下于500℃加热2分钟之后载体的目视检查结果。正如所述，该处理对应于在阴极转化处理期间作用到母合金上的最严格的条件，由于合金和灯丝之间的近距离，这是由需要将起始汞合金放置在灯的最热部分所决定的。
表1：样品组成
由表1可观察到，根据本发明的母合金(S1-S12)能够承受最严格条件下的阴极转化处理。
通常用作起始汞合金的元素铟(比较样品C0)以及包含大量该元素的所有母合金(比较样品C1)并不具有这样的性能。还显示了违背关于A元素存在wt％数量的条件的钼合金(低于50％)不能够成功地维持测试条件，例如比较样品C2。
实施例2
为测试根据本发明的一些母合金的汞结合特性方面的性能，制造小的母合金锭。在将所述锭缩减成小块之后，将5mg每种母合金放入包含几十毫克汞的灯泡中；在除去空气后，使灯泡从机械泵隔绝。随后将含样品的灯泡部分在约1Pa的Hg蒸气压力存在的情况下在115℃下加热并且使每种母合金暴露于汞蒸气5小时。
在该步骤之后将母合金从灯泡中取出并且通过重差法测量在上述条件下吸收汞的能力。结果汇总在下表中，其中依照表1使用样品编号来识别组成(即表1中的样品S1与表2中的样品1具有相同组成)。
表2：汞结合表征
样品号 捕获的Hg(wt％)
S1 8
S4 6
S6 1
S7 2.5
S8 3
S9 1.5
S10 2.5
S11 2
S12 2
根据本发明的所有汞合金都具有在低温下结合足够量的汞并且在灯开启后立即发生的加热期间释放汞的能力，以这样的方式该汞能够有助于减少灯的启动时间。
形成根据本发明的汞合金、具有承受灯条件而无渗漏问题的所述特征的一些母合金是优选的，因为它们具有结合相对大量汞的特别良好的能力，其允许引入较低量的材料以便在灯的关闭期间俘获足够的汞。如表2中所示，BiAg(S1)、BiCu(S8)、BiAgCu(S4)是优选的组成，因为具有优异的捕汞能力。

Claims (16)

1.灯，其包含第一阴极、第二阴极、用于所述第一阴极和第二阴极的载体、以及处在所述灯的高温部分中的至少一个起始汞合金，其中所述起始汞合金包含母合金和相对于起始汞合金总重量为0.1重量％至10重量％的量的汞，其特征在于所述母合金包含：
-在由Ag、Cu、Au、Ni、Ti构成的组A中选择的一种或多种元素；和
-在由Bi、Sn、Ga、Zn构成的组B中选择的一种或多种元素，
其中：
·A是所述母合金的至少50重量％；
·B是所述母合金的至少15重量％；并且
·A+B是所述母合金的至少95重量％。
2.根据权利要求1的灯，其中A+B是所述母合金的至少99％。
3.根据权利要求1的灯，其中所述起始汞合金包含从0.8重量％至8重量％的汞。
4.根据权利要求1的灯，其中所述高温部分预期在灯开启之后达到等于或高于250℃的温度。
5.根据权利要求1的灯，其中所述母合金选自于由Ag–Bi、Cu–Bi和Ag-Cu-Bi合金构成的组中。
6.根据权利要求1的灯，其中所述起始汞合金是粉末在粘合剂中的分散体形式。
7.根据权利要求6的灯，其中所述粉末具有在0.5μm和300μm之间的平均尺寸和等于或小于500μm的最大尺寸。
8.根据权利要求1的灯，其特征在于其包含两个起始汞合金，其中一个被邻近于所述第一阴极放置并且另一个被邻近于所述第二阴极放置。
9.根据权利要求1的灯，其中所述起始汞合金被沉积到具有孔的金属结构上，所述孔具有不大于0.16mm2的面积。
10.根据权利要求9的灯，其中起始汞合金沉积在所述金属结构的至少50％上。
11.根据权利要求9的灯，其中所述金属结构是T形的或L形的或I形的。
12.根据权利要求1的灯，其中所述起始汞合金沉积在金属片材上。
13.根据权利要求1的灯，其中所述起始汞合金是一个或两个标记、带材或线材的形式。
14.根据权利要求13的灯，其中所述一个或两个标记、带材或线材各自被放置在所述阴极附近并且固定至所述阴极载体。
15.在根据前述权利要求之一的放电灯的启动期间增加汞压力的方法，其中所述起始汞合金温度在触发后10秒内达到至少200℃。
16.根据权利要求15的方法，其中所述起始汞合金温度在触发后10秒内达到至少250℃。
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