CN1084046C - 低压汞蒸气放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明的低压汞蒸气放电灯包括一透辐射的玻璃放电容器(10)，它以气密方式封闭着放电空间(11)，并有汞填料(12)和稀有气体。该灯在放电空间有维持放电的装置(20；21a、21b)，排斥碱金属由例如氧化硅制成的中间层位于面向放电空间的放电容器表面(13)，中间层(15)支承保护层(14)，保护层包括从镁、铝、钛、锆和稀土类形成的系列中选出至至一种元素的至少一种氧化物，且基本上没有大于1μm的颗粒。本发明的灯具有较低的汞消耗量。

Description

低压汞蒸气放电灯
本发明涉及低压汞蒸气放电灯，它包括一透辐射的玻璃放电容器，此容器以气密方式封住电空间，容器中装有汞填料和稀有气体，而一保护层包括从镁、铝、钛、锆和稀土类形成的系列中选出的至少一种元素的至少一种氧化物，此保护层设在放电容器面向放电空间的表面处，保护层基本没有大于1μm的颗粒。这种灯还包括在放电空间中维持电气放电的装置。
保护层对于因和汞互相作用而使放电容壁劣化有纾缓的作用，因而对灯在使用寿命期间保持流明量产生有利的影响。本说明书和权利要求中所用的术语“稀土类”应理解为包括了元素钪、钇、镧和镧族元素。汞能通过由具有直径大于1μm颗粒制成的保护层，因而虽有保护层，汞还是会和壁相接触。
US4,344,016公开了一种荧光型的低压汞蒸汽放电灯，其中在玻璃壳的内壁上涂有一层二氧化硅(SiO2)颗粒的涂层，然后再覆盖一层荧光层。该二氧化硅(SiO2)涂层中的二氧化硅(SiO2)颗粒小于100纳米(nm)。但在该文件中，对于例如荧光层中的铕激活的氧化钇除了作为发光材料之外是否还有其它功能完全没有论述。因此，当本领域的技术人员根据该文件进行设计时，对于荧光层中的材料的选择就会从所需发光材料这个角度来考虑。而在这种一般理解下的选择荧光层材料时所依循的方案，对于低压放电灯来说，其颗粒尤其不会小于5μm(具体内容，可详见W.Elenbass所著《荧光灯》(《Fluorescent Lamps》)一书，1971年第二版，第42-44页，特别是第4.2.1段最后三行)，因此，该荧光层不具备本发明所述的保护层的功能。
在已知的低压汞蒸气放电灯中已发现可供灯工作的汞的量比较快就会减少、虽然在设置保护层的灯中，汞的可用量的减少，此后称为汞的消耗，比起其他已知的低压汞灯来是相对小的，从引用美国专利得知的灯为实现灯有足够长的寿命，仍然需要比较高的汞的剂量。这在灯的寿命完结时由非专业人士来处理的情况下，对环境是不好的。
高汞剂量还会妨碍在经济上合理使用掺以196Hg的汞。从US4,379,252得知，其汞填料是掺以这种同位素的灯具有相当高的发光率。然而由于这种同位素相当贵，并由于这种量所需的同位素数量的成本高，这种好处就会因高剂量的汞而消失。
本发明的目的是要提供一种在开端段落中提到的灯，这种灯消耗比较小量的汞。
根据本发明，供这种目的使用的灯其特征在于，在面向放电空间的放电容器的表面和保护层之间提供了排斥碱金属的中间层。
根据本发明的一种低压汞蒸气放电灯包括透辐射的玻璃放电容器(10)，此玻璃放电容器以气密方式封闭放电空间(11)并供有汞填料(12)和稀有气体，一保护层(14)包括从镁、铝、钛、锆和钪、钇、镧和镧系元素形成的系列中选出至少一种元素的至少一种氧化物，此保护层设在面向放电空间(11)的放电空器(10)的表面处，该保护层(14)没有大于1μm的颗粒，该灯还包括在放电空间(11)的维持放电的装置(20；21a、21b)，其特征在于，在面向放电空间(11)的表面(13)和保护层(14)之间有排斥碱金属的中间层(15)。
本发明人发现，在已知灯的使用寿命期间汞会损耗掉，对于仅仅一保护层来说，特别是碱金属，例如从玻璃壁产生的钠和钾，会扩散通过保护层，随后与来自填料的汞形成汞齐。汞因而被束缚住，只能以较少数量或全部不能供灯工作使用。根据本发明的灯中，排斥碱金属的中间层防止碱金属到达保护层。汞的消耗部分是由于汞也在放电容器壁之外的其他局部地方被束缚引起的。对于带有电极的灯所作的湿式化学分析指出在5000小时的工作期间约有150μg的汞是消耗在壁以外的局部地方。根据本发明的措施对汞的总消耗在一种这样的灯中有相对最大的效果，这种灯的放电容器具有比较大的内表面面积。本发明的措施对于大负载的灯，即壁负载是500W/cm2和更高时的灯是特别重要的。如果没有排斥碱金属的层，碱金属就会在温度的影响下通过保护层的较强的扩散经常在这种灯中发生。
在一种引人注意的实施例中，排斥碱金属的中间层是由氧化硅制成的。氧化硅形成一种反抗碱金属离子的非常良好的阻挡层。该灯的制造比较简单。只要用四乙基原硅酸盐溶液冲洗放电容器的内表面就足够了，之后留在表面上的硅化物就在空气中水解。紧接之后就可以形成保护层。热处理有利于增加层的密度以排斥碱金属。热处理可以和保护层的热处理合在一起进行。如果保护层也不需要单独的热处理，且如果发光层是以悬浮态的发光材料的形式在灯中形成，则排斥碱金属层的热处理就可以和把辅助物例如粘合剂从悬浮液驱出的热处理结合起来。
排斥碱金属的层也可以这样取得，即用酸例如柠檬酸来处理放电容器的内表面时取得。这样做可从放电容器的内表面除去钠、钾和其他离子，因此所说离子在建立的层中的浓度是在朝着内表面的方向上逐渐减少，使得有一主要是氧化硅的层保留在表面附近。在这种情况下增加层的密度的热处理是有利的。
注意，US3,544,828公开了一种低压汞蒸气放电灯，其中放电容器面向放电空间的表面形成有排斥碱金属的氧化硅层。这层是这样获得的，靠着内表面形成了溶解在有机溶剂，例如丁醇的聚硅氧烷树脂，例如聚甲基硅氧烷。将该层干燥，从而产生聚合作用，并将该层氧化。虽然排斥碱金属的层在灯的寿命期间有助于发光的维持，但汞消耗的减少只是有限的。在这灯中，没有保护层，由于汞原子在扩散通过排斥碱金属的层后部分被排斥碱金属的层束缚住，部分和来自玻璃的碱金属形成汞齐，因而在灯的工作期间损失了很大量的可用汞。
在本发明的灯中，保护层和排斥碱金属的中间层结合起来。另一方面，保护层防止汞到达排斥碱金属的层。另一方面，排斥碱金属的层妨碍碱金属朝保护层的扩散。排斥碱金属的层中的汞的吸收和碱金属汞齐化因而相抵消，使汞的消耗大大减少。重要的是保护层和排斥碱金属的中间层应按上述次序出现。如果保护层是在放电容器的表面和排斥碱金属的层之间，则在保护层的排斥碱金属层之间就不会有协作作用。
排斥碱金属的中间层和保护层可从例如溶解在有机溶剂的金属有机化合物形成。另外，保护层和/或排斥碱金属的层可以从金属化合物的水溶液或悬浮液获得。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的引人注意的实施例，其特征在于，排斥碱金属的中间层的涂层重量在5μg/cm2和250μg/cm2之间。另一方面，不管实践中发生的局部厚度变化如何，要保护中间层有足够的厚度。另一方面，中间层不要那样厚，因需要有特殊的措施以防止在中间层形成期间引起的破裂。在该灯的引人注意的实施例中，保护层的涂层重量也以同样理由而在10μg/cm2和250μg/cm2之间。
在本发明的灯的一种引人注意的实施例中，保护层包括从钪、钇、镧、钆、镱和镥形成的组合中选出的至少一个元素的至少一种氧化物。这些金属的氧化物能很好地透过UV(紫外)辐射。因而非常适用于没有发光层的灯，例如消毒用的灯和带有UV发射层的灯，例如太阳床灯。
对于一般照明用的灯来说，放电空间中所产生的辐射由发光层转化为可见辐射，此时采用特殊的实施例也是有利的，其中的保护层包括氧化钛和/或氧化锆。在这些灯中使用这些金属的氧化物的好处是它们可以比较强烈地吸收波长在350nm以下的辐射。这种做法，阻碍了不是由发光层转化来的UV辐射可能到达壁，UV辐射会有害地影响玻璃的透射率。
在以下的实施中得到了非常有利的结果，其中的保护是由平均直径为10和100nm之间的颗粒组成，而保护层具有至少25μg/cm2的涂层重量。颗粒可以悬浮液形式在排斥碱金属的层上形式。由于颗粒的尺寸比较小，又不经热处理，故对排斥碱金属的层有良好的粘着力。
在本实施例的有效修改中，保护层由氧化铝颗粒制成，虽然这种保护层起始的汞消耗量是比较高的，但和使用氧化钇层比较起来，在长期例如500小时的工作后，汞的消耗量比较低甚至是很低的。
值得注意的是，本发明的措施之所以重要，在于不论是在放电空间安置一对电极，还是采用另一措施，例如封闭在放电容器的凹槽中，放电都得以维持。
参考附图以更详尽地说明本发明的低压汞蒸气放电灯的实施例。其中灯以纵截面图示出。
附图中所示的低压汞蒸气放电灯包括一透光的石灰玻璃放电容器10，它封闭着一放电空间，其中有500μg汞填料12和稀有气体。放电容器10长120cm，内径为2.5cm。从镁、铝、钛、锆和稀土类形成的系列中选出的至少一个元素的至少一种氧化物的保护层14位于面对放电空间11的放电容器的表面上。这种情况中的保护层14是以薄膜型形成的，它基本上是涂有20μg/cm2重量的氧化钇密封层。由于该层是薄膜类的层，它基本上没有大于1μm的颗粒。灯还具有装置20，这里是以电极21a和21b的形式彼此对立安置在放电空间11中，用以在放电空间11中维持放电。在面向放电空间11的放电容器10的表面13和薄膜型保护层14之间有排斥碱金属的层15。排斥碱金属的中间层15是由具有8μg/cm2涂层重量的氧化硅层形成的。在发绿光的由铽激活的铝酸铈镁(CAT)、发蓝光的由两价铕激发的铝酸钡镁(BAM)和发红光由三价铕激活的氧化钇(YOX)组成的本实施例中，在保护层14上设置了具有2mg/cm2涂层重量的发光层16。在本发明灯的另一种施例中，没有发光层。这种实施例的灯适用于例如消毒用的UV辐射器。
制造了参考附图说明的本发明实例(AB)的五种灯和不按本发明(BB)的五种灯，后者的放电容器具有唯独的涂层重量为40μg/cm2的保护层。这些灯每一种都含有500μg汞。五种灯(BA)的制造都是将保护层设置在放电容器的内表面和排斥碱金属的层之间。这些灯(BA)的排斥碱金属的层和保护层分别具有8和12μg/cm2的涂层重量。这些灯掺以1000μg的汞。
在灯AB和BA中是这样获得排斥碱金属的层的，即用四乙基原硅酸盐溶和盐酸的乙醇溶液冲洗面向放电空间的放电容器的表面，然后使放电容器干燥。灯AB、BB和BA中的保护层是这样形成的，即以钇乙酰丙酮混以醋酸丁酯和丁醇冲洗放电容器的内表面。另一种做法是可用水溶液获得保护层。将保护层干燥随后烧结之。最后步骤是，发光层以常用方法以光材料的悬浮液制得，之后将发光层干燥并加热处理以驱出在发光层中出现的辅助物质，例如粘合剂。
灯AB、BB和BA都经受过寿命测试。在寿命测试期间，灯和电感镇流器串联在50Hz频率下工作。工作100，500和1000小时后测试中断以测量灯的汞消耗。测量时，灯在交变的直流电压下工作。表1给出测试结果。所用的测试方法根据的现象是，在直流工作时灯中的游离汞移向负电极。汞的位移可在正电极的附近端以灯所辐射光强减少的形式看出来。在测试期间实施测试方法中，DC(直流)电压的极性毗邻正极端部的发光强度下降到额定值的60％时反转过来。由这时刻到毗邻相对端部发光强度下降到额定值的60％的时刻之间的时间是游离汞仍可资利用的量的量度，也即是汞消耗量的量度。这种测量方法是通过用湿式化学分析所得的结果检查出来的。
T(h) 表1：工作期间T(小时)AB、BA和BB型灯中汞的消耗量(μg)
    AB     BA     BB
    100     110     718     142
    500     180     -     290
    1000     253     -     380
与保护层比较起来，排斥碱金属的中间层虽然比较薄，但从测量发现，如果灯(AB)的保护层与排斥碱金属的中间层结合且中间层安置在面向放电空间的表面和保护层之间，就比只有保护层的灯(BB)有较低的汞消耗。相反，在排斥碱金属的层是在保护层上的灯(BA)中，产生非常高的汞消耗，实际上，在100和500小时的工作时期灯中所有的汞都已经消耗完。
为了作进一步的寿命试验，制造了按本发明的相似的灯(I)，这时在排斥碱金属的中间层上氧化锆保护层具有22μg/cm2的涂层重量，且中间层由带有涂层重量为15μg/cm2的氧化硅制成，发光层的涂层重量为3μg/cm2。作为比较，制得的灯(II)只具有涂层重量为22μg/cm2的氧化锆保护层。在这种情况中，氧化锆层都是以氧铣基硝酸盐为基础的水溶液的形式制成的。放电空间供以1mg汞填料和稀有气体。灯的汞消耗量是在100和500小时工作后测量的。表2给出了结果。表中也给出了100至500小时工作期间的消耗。
T(h) 表2：在T小时的工作期间，类型I和II的灯中汞的消耗量(μg)，以及在100至500小时期间  汞的消耗量
    I     II
    100     73     65
    500     232     377
    100-500     159     312
虽然类型I和II的灯在短期(100小时)中具有大约相等的汞消耗，但在长期(500小时)中，本发明(I)的灯的汞消耗要小得多。本发明在100至500小时中的汞消耗大约降低了一半。
根据本发明为进一步做寿命试验而制得的相似灯(I)，现具有氧化铝的保护层及排斥碱金属用的氧化硅中间层。排斥碱金属的中间层是通过以4.1体积％的四乙基原硅酸盐和3体积％1N盐酸在乙醇中的溶液冲洗面向放电空间的表面，之后将留在表面上的硅酸盐在空气中水解而制得的。然后将氧化铝层制成Alon-C颗粒的悬浮液。悬浮液是通过将50g Degussa的Alon-C和6ml醋酸作为稳定剂在500mg水中经24小时辊台上一有冰石球的容器中的均化而制得的。此后将另外80ml水和16ml流动助剂Antarox加到悬浮液中。氧化铝悬浮液留在氧化硅层上的颗粒在冲洗后加以干燥。这之后发光层就以通常的方法以发光材料的悬浮液形式制得。然后将灯热处理，将出现在氧化铝发光层中的辅助物质驱出。保护层和中间层各有60μg/cm2和15μg/cm2的涂层重量。发光层具有3μg/cm2的涂层重量。作为比较制得了不按本发明的灯(II)，它的氧化铝保护层2带60μg/cm2的涂层重量。在所有情况下掺了400μg汞。汞的消耗量示于表3。从本寿命测试，也显然看出本发明的灯较只具保护层的灯有相对低的汞消耗量。
T(h) 表3：在T小时的工作期间，类型I和II的灯中汞的消耗量(μg)
    I     II
    100     136     167
    500     171     245
    1000     200     291

Claims (9)

1.一种低压汞蒸气放电灯包括透辐射的玻璃放电容器(10)，此玻璃放电容器以气密方式封闭放电空间(11)并供有汞填料(12)和稀有气体，一保护层(14)包括从镁、铝、钛、锆和钪、钇、镧和镧系元素形成的系列中选出至少一种元素的至少一种氧化物，此保护层设在面向放电空间(11)的放电空器(10)的表面处，该保护层(14)没有大于1μm的颗粒，该灯还包括在放电空间(11)中维持放电的装置(20；21a、21b)，其特征在于，在放电容器的面向放电空间(11)的表面(13)和保护层(14)之间有排斥碱金属的中间层(15)。
2.根据权利要求1的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，排斥碱金属的中间层(15)是由氧化硅制成的。
3.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，排斥碱金属的中间层(15)具有介于5μg/cm2和250μg/cm2之间的涂层重量。
4.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，保护层(14)具有介于10μg/cm2和250μg/cm2之间的涂层重量。
5.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，保护层(14)包括从钪、钇、镧、钆、镱和镥形成的组合中选出的至少一种元素的至少一种氧化物。
6.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，保护层包括氧化钛或氧化锆。
7.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，保护层由具有平均直径在范围10和100nm之间的颗粒组成，且保护层具有至少为25μg/cm2的涂层重量。
8.根据权利要求7的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，保护层由氧化铝制成。
9.根据权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，灯还另提供以一发光层。
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