CN1118857C - 用于高压放电灯的氧扩散器 - Google Patents

Abstract

描述了用于高压放电灯的一种氧扩散器。本发明的氧扩散器包括一金属容器，它能保留固态材料但允许气体容易通过，包含有氧化银。提出了几种可行的扩散器。该扩散器可避免形成由灯泡内的碳氢化合物带来的黑沉积物。

Description

用于高压放电灯的氧扩散器

本发明涉及高压放电灯的氧扩散器。高压放电灯的结构包括一外玻璃壳，该玻璃壳可被抽空或者充有通常是氮的惰性气体；在该玻璃壳内侧设有一透明的放电管，所述的放电管可由石英或透光陶瓷、通常是矾土制造。外壳保护放电管，不让空气扩散到其内部，当在灯泡工作过程中其表面达到高温时，如果放电管未经保护则会发生这种空气向其内部扩散的情况。

放电管填充的气体随灯泡而不同，但这些气体通常包括至少一种惰性气体、和根据灯泡的类型还充填少量附加的钠蒸气、汞蒸气和金属卤化物(通常是碘化物)。两根金属电极装入放电管的端部：当向电极施加一电位差时，在充填于该放电管中的气态混合物内形成等离子体。该等离子体发射出波长为可见光与紫外线(UV)范围内的放射线。一些灯泡在其外壳的内表面上还具有一薄层所谓的荧光剂，其功能是至少部分地将UV放射线转换为可见光。另一些灯泡具有通常是二氧化锆(ZrO₂)的陶瓷粉末层，其涂敷在放电管的两端，有助于保持管内的工作温度。

灯泡制造商已发现在外壳内设入少量的氧可能有益于灯泡的工作。

美国专利US4918352描述了在其外壳内附加有氧气或者氧扩散器的灯泡，其中当开亮灯泡时所述氧扩散器随着加热而释放出氧气。根据该专利，其采用的这种措施是用于氧化设在壳内的电线表面，以防止充填在放电管内的气体中钠的损失。

从美国专利US4499396得知设有少量氧化气体的优点，这是由于在灯泡外壳内具有少量的氧；这种气体防止荧光剂减少和变黑，荧光剂的这种减少和变黑会导致灯泡亮度的下降。由于在外壳内具有碳氢化合物，因而可能会发生荧光剂的变黑。灯泡内的碳氢化合物可能由各种来源产生。碳氢化合物作为灯泡元件、例如电线的污垢物可能被引入外壳内；它们也可能来源于用来抽空外壳的真空泵的油；或者它们可能是在用来涂敷某些层例如在放电管端部上的ZrO₂层或者在外壳内表面上的荧光剂的软膏内使用的有机粘合剂的残渣。在灯泡的工作温度下，碳氢化合物分解，产生沉积在外壳和/或放电管上的碳，形成一碳黑层。该碳黑层不仅影响灯泡亮度的保持，也影响放电管的温度，从而使灯泡颜色发生变化。由于这些沉积物是在灯泡初期使用中所很容易形成，因此希望在灯泡的使用期限内尽可能早地防止这些沉积物的形成。

在制造灯泡后很快在外壳内充填气态氧对于灯泡制造商通常采用的方法来说难以检查外壳的气密性，因为在该壳体内会产生放电现象，称为“辉光放电”。因此如果具有一氧扩散器则是有益的，该氧扩散器只在检查完外壳的气密性后才释放这种气体(氧气)。然而所述的美国专利并未教导采用用于此目的的任何氧化合物。

位于美国伊利诺伊斯州的APL工程材料有限公司在其技术-商业广告单中建议在灯泡内采用过氧化钡BaO₂。BaO₂在由带有小的多孔盖的不锈钢容器构成的装置内被导入灯泡的外壳内。根据APL公司的目录，该装置在外壳内保持轻微氧化气氛。该装置必须被放置在灯泡的这样一位置，使得其能由放电管来加热；由于加热，BaO₂释放氧，释放出的氧根据下列反应式与碳氢化合物(CnHm)发生反应：

                (I)

    (II)

但是采用BaO₂具有某些缺陷。

首先，在最初由美国专利US3519864提出的在灯泡内采用BaO₂来吸收通常存在于灯泡内的氢具有这样的负面效果：即增大了用于启动放电管放电所需的电压。BaO₂根据下列反应式与氢反应：

    (III)

由此形成的Ba(OH)₂又将根据下列反应式分解：

     (IV)

这是很不希望的。

此外，可能会同时发生反应(I)、(II)和(III)，这样要想确定准确剂量的BaO₂就很困难。由于这样的事实，即这些不同方式的反应的速度取决于温度，因此使得这种剂量的确定更加复杂。为克服该问题，APL公司的商业广告单指出BaO₂容器的位置必须是使得BaO₂保持在大约250-325℃的温度范围内。然而这一条件并非容易实现，因为灯泡内的热曲线以复杂的方式取决于这些因素，例如工作位置(水平、垂直或中间位置)或灯泡壳体的尺寸与材料。

最后，仅仅在超过500℃的温度时可以从BaO₂中高速地释放出氧，因此325℃的最大建议温度不允许在灯泡刚开始使用时如所希望的那样快速地释放出氧。

本发明的目的是提供一种用于高压放电灯的氧扩散器，其可在相对低的温度下快速释放出氧。

由本发明的一种用于高压放电灯的氧扩散器可达到此目的，该氧扩散器包括一金属容器，所述的金属容器能保留固态材料但能使气体通过，在容器内充填有氧化银Ag₂O。

Ag₂O根据下列反应式释放出氧：

                     (V)

与使用BaO₂相比，使用Ag₂O具有一系列优点。首先，在大约300℃温度时开始释放氧。因此，可以在不释放氧的情况下完成灯泡的生产周期，包括以辉光放电方法来进行气密性检查。另外在大约340℃的温度下Ag₂O显示了快速的氧释放能力，而在大约400℃的温度下则显示了非常快的释放能力，正如以下将要描述的。因此在相当低的温度下具有相对宽的温度范围大约340-400℃，在该温度范围内Ag₂O可有效地释放出氧。这就允许将扩散器相当自由地定位在灯泡内，特别是定位在这样的区域：扩散器能从放电管接收热量而不会妨碍放电管的光线的发出，例如安装在一电线上。氧扩散器安装定位的自由度由这样的事实而进一步增大了：在完成灯泡生产后、但是在首先开亮该灯泡之前可由一启动操作来释放出氧。可由一外部热源来进行启动，例如通过射电频率、激光或其它合适的加热装置。

采用Ag₂O的氧扩散器的进一步的优点是其可在室温下在空气内存储相对较长的时间，例如10天，而对其应用的灯泡的功能没有明显的副作用。

最后，由反应式(V)得到的金属银残留物在灯泡的气体中完全是惰性的，这与例如反应式(III)和(IV)的产物正相反。

下面结合附图详细描述本发明，其中

图1表示本发明所一可行的氧扩散器；

图2表示本发明的另一可行的氧扩散器；

图3表示本发明的又一可行的氧扩散器；

图4表示本发明的再一可行的氧扩散器；

图5表示了本发明的氧扩散器与现有技术的扩散器的氧释放特性的两条曲线。

Ag₂O的总量不是关键的，其取决于灯泡尺寸、灯泡的生产方法以及是否存在ZrO₂和荧光剂沉积物，并且如上所述，荧光剂沉积物可能是碳氢化合物杂质的来源。任何类型的灯泡所需Ag₂O的量都可通过试验而容易确定。Ag₂O超过严格所需的量通常不会对灯泡质量构成问题，因为正如所引用的美国专利US4918352所述过量需由例如电线的表面氧化所固定。通常Ag₂O的量可以是这样的：当存在有气态混合物时，使释放的氧在占外壳气态混合物容积的大约0.5％-3.3％之间；当没有填充气体时，所选择的Ag₂O的量是这样的：其不至于在外壳内产生一初始氧压力，该压力大约在5-20(豪巴)mbar之间。

Ag₂O的物理形式对本发明的扩散器的工作是不重量的，并且其可采用极其精细的粉末形式，带有尺寸为纳米量级的颗粒到尺寸为毫米范围内的单晶体。但是为便于生产，Ag₂O最好采用颗粒尺寸在大约0.1-50微米之间的粉末形式。在扩散器包括少量Ag₂O的情况下，或者在采用非常精细粉末的氧化物的情况下，也可在Ag₂O粉末内添加惰性材料，例如矾土，以容易在生产线上配料和处理粉末。

容器可由各种金属制造，例如不锈钢、镍或钛；为便于工作，最好采用镀镍的铁或镍-铬合金。

当在灯泡外壳内设有氢吸收剂例如Zr₂Ni时，可将氧扩散器与氢吸收剂合并在一起。这样，Ag₂O与氢吸收剂可具有一共用的金属支承部件；这两种材料例如可被封装在该支承部件的一共用腔内，也可使它们混合。采用一共用支承部件以及可能进行的混合，降低了氧扩散器与氢吸收剂的生产成本和灯泡的装配成本。

本发明的扩散器可具有任何几何形状；下面在附图的描述中给出一些例子。

第一种可能的形式示于图1的切开图中。在该实施方案中，扩散器10包括一圆筒形容器11，它带有一封闭的底并且向上开口。在容器内放置Ag₂O12，其既可是松散的粉末形式，也可是压缩的粉末形式。上部孔由阻挡件13封闭，它能保留住粉末并且可使气体通过，这种阻挡件例如是一种烧结的金属粉末盘。一支承部件14固定到容器上，用于将扩散器安装在灯泡内侧。

本发明的扩散器的一种可能的变型形状示于图2的切开图中；在该情况中扩散器20包括一环形容器21，其底部填充有Ag₂O粉末22，采用压缩或者不压缩的形式；该情况中也由一阻挡件23将粉末保留在其位置，其中该阻挡件23是由金属多孔材料制造；此外一支承部件24固定到容器20上。

本发明的另一种类型的装置由图3所示；在该情况中扩散器30由一空心容器31构成，该容器是由一金属箔简单地冷成型；该容器具有一平的并且平行于容器底的上边缘32；在容器31的腔内充填Ag₂O 33；扩散器的上部由一阻挡件34封闭，在该情况中所述的阻挡件是由一连续的金属箔构成，通过非连续的焊接例如少量的焊接点35、35’…将该阻挡件34焊接到边缘32上；采用非连续的焊接在于可确保该容器能不让粉末通过但是却允许氧从细小的开口36释放出来，所述开口36是保留在相邻的焊接点及边缘32与阻挡件34之间(图中仅示出了一个这种开口，为清晰起见采用了放大的尺寸)；最后，在该情况中也需一支承部件以将扩散器固定在灯泡内；该支承部件可通过适当地形成上边缘32和阻挡件34、使得其一具有一舌部37而简单地获得。

最后，本发明的扩散器的另一可行的实施例示于图4。在该情况中扩散器40具有一细长形状并且包括一容器41，该容器41由一合适宽度的金属条带冷成型，将该金属条带沿线42、42’两次弯折而获得一细长的通道，在该通道内充填Ag₂O粉末43，然后再沿线44、44’弯折该金属条带以形成两个表面45、45’，两者合并起来限定容器的一面。这种弯折是以这样的方式进行的：在表面45、45’的边缘之间保留一细缝46，该细缝允许氧容易溢出。该实施方案允许连续地生产本发明的扩散器：可以生产不定长度的金属线制品，然后切割成所需长度的片段，如图4所示的那样。由金属线制品切割而形成的开口端47、47’可由合适的装置(塞子、陶瓷胶…)来密封或者通过压缩来封闭，这种压缩可在切割金属线制品的同一操作中完成，其中Ag₂O可从所述开口端47、47’逸出。

显然，其它形状的装置也是可以的，只要其能实现这样的状况即可：其具有能保保留粉末而允许气体通过的容器。

通过下面非限制性的实施例将进一步描述本发明，下述这些实施例的目的在于教导本领域的普通技术人员如何应用本发明和表示实施本发明的最佳方式。

实施例1

108mg的Ag₂O被放置在图1所示的一容器内，由一烧结的多孔钢盘封闭，该盘的平均孔径为大约1μm。该Ag₂O容器被放置在一微量天平CAHN模式121的具有防漏措施的腔内。该腔被抽空到残压为10^-5mbar。将该样品以3℃/min的加热速度从室温加热到400℃。加热过程由计算机控制，该计算机同时记录样品重量与温度作为时间函数的变化，其中温度变化是由一热电偶测量的。由一质谱仪来分析释放出的气体。测试结果记录在图5中。重量作为时间函数的变化由曲线1记录并且其值是由图右侧的垂直轴读取。温度作为时间函数的值由曲线T记录，并且由图左侧的垂直轴读取。曲线1表示在150℃附近一小的重量变化，由质谱仪的分析得出这是由于有少量的CO₂与H₂O从样品中释放出来。不考虑该影响，并且测量在大约300-400℃温度范围内样品重量的变化，得到大约7.4mg的重量损失，这相当于可由样品释放出氧总量的100％。

实施例2(对比)

重复实施例1的测试，采用195mg的BaO₂来替代Ag₂O。测试结果由图5中的曲线2记录。在该情况中在大约150℃的温度附近也表示了少量的重量变化，因为有CO₂和H₂O从样品中释放出。除了该重量变化外，该样品直到400℃也不会遭受任何可测得的重量损失。

实施例3

评价某些金属卤化物灯的特性，这些灯带有氧扩散器和不带有氧扩散器。特别是，测试是针对下列类型的灯泡进行的：没有氧扩散器的基准灯(Ref.灯)；保持在惰性气体下包含有氧扩散器的灯，直到氧扩散器被引入灯内(FD灯)；带有“老化的”的扩散器的灯，在安装到灯内之前置于空气内72小时(AD灯)；特意残留有碳氢化合物并且未包含有氧扩散器的灯(O灯)；以及保持在惰性气体下特意残留有碳氢化合物并且包含有一氧扩散器的灯，直到安装在灯内(OFD灯)；在测试中采用任何类型的一些灯泡。这些测试中使用的氧扩散器含有115mg的Ag₂O。所有灯泡还包含一Zr₂Ni基的氢吸收剂。对于任何灯泡，测量光的输出(采用流明单位，lm)以及本领域中所知的三角形色表的色点的X坐标。在第一次开亮灯泡大约15’并且在工作100多小时后，当灯泡达到稳定操作状态时测量这些数据。当填充放电管的气体包含碘化钠时，由于形成黑沉积物而带来的放电管稳定的升高就会在放电时造成大量的钠蒸气，结果使得X坐标增大；因此X坐标的不增大表示这样一事实：即未形成黑碳沉积物。测试结果记录在表1中，测量结果是在0小时的稳定操作与100小时的稳定操作后作为发光输出量和X坐标的值；该表也记录了在100小时后的发光输出量相对于0小时时的发光输出量的百分比，其给出了灯泡亮度随时间的保持度的指示。

表1

灯泡	测量的数量	0小时	100小时	保持的发光量(％)
					Ref.	lmx	19640±270356±3	17680±520368±5	90.0
FD	lmx	20140±345360±4	19640±380355±5	97.5
					AD	lmx	20500±455360±4	19950±330357±1.5	97.3
O	lmx	17470±1140368±9	12730±2090380±8	72.9
					OFD	lmx	18955±970363±6	19435±555358±4	102.5

通过比较图5中的曲线，显而易见在从大约340℃起到大约400℃止从Ag₂O中释放出的氧比在400℃以上的温度下从BaO₂中释放出的氧要多。

此外，比较表1中Ref.灯与FD及AD灯的结果，可注意到氧扩散器可确保较好地保持发光量输出，尽管扩散器预先保持在惰性气体内或者暴露于空气中。从对O灯记录的值可清楚地看出碳氢化合物的有害效果。从表1的最后一行可清楚地得知氧扩散器可以消除碳氢化合物的损害效果(OFD灯)。在100小时时色点的X坐标证实避免了碳的沉积物，该坐标在带有氧扩散器的灯内是较低的。

最后，在2000小时的操作后对灯泡外壳内存在的气体进行质谱仪分析；这些测试表示带有氧扩散器的灯泡含有CO₂但没有氢。氢吸收剂的能力不会由氧的释放而受到影响。CO₂由吸收剂慢慢地再次吸收，但其存在对灯泡工作无危害。

Claims (11)

1.用于高压放电灯的氧扩散器，包括一金属容器，该金属容器能保留固态材料但能使气体通过，在该容器内充填有氧化银Ag₂O。

2.如权利要求1所述的氧扩散器，其特征是Ag₂O为粉末形式。

3.如权利要求2所述的氧扩散器，其特征是Ag₂O粉末具有在0.1-50μm之间的颗粒尺寸。

4.如权利要求1所述的氧扩散器，其特征在于，所述金属容器是一圆筒形容器(11)，它具有一封闭的底和向上的开口；并且包括：

在该容器内的Ag₂O(12)；

一阻挡件(13)，它覆盖Ag₂O并且能保留粉末但能使气体通过；和

一支承部件(14)，它固定于容器(11)上。

5.如权利要求1所述的氧扩散器，其特征在于，所述金属容器是一环形容器(21)，它带有一封闭的底和向上的开口；并且包括：

位于该容器内的Ag₂O(22)；

一阻挡件(23)，它覆盖Ag₂O并且能保留粉末但能使气体通过；和

一支承部件(24)，它固定于容器(21)上。

6.如权利要求1所述的氧扩散器，其特征在于，所述金属容器是一空心容器(31)，它带有一平的上边缘(32)；并且包括：

在容器(31)的空心部分的Ag₂O(33)；

由连续的金属箔制造的一阻挡件(34)，它由一非连续的焊接(35、35’…)固定到边缘(32)上；

在相应于非连续的焊接处位于边缘(32)与阻挡件(34)之间的孔(36)；

一支承部件(37)。

7.如权利要求1所述的氧扩散器，其特征在于，所述金属容器是一多边形部段容器(41)，它是通过沿平行线(42，42’)和(44，44’)弯折一金属条带而形成，所述容器具有由基本上在同一平面上、并且由所述面上形成的缝隙(46)隔开的两个表面(45，45’)限定的一个面；并且包括：

在容器内的Ag₂O粉末(43)；

金属容器开口端(47，47’)的封闭装置。

8.如权利要求1所述的氧扩散器，还包括一惰性材料粉末。

9.如权利要求1所述的氧扩散器，还包括吸收剂材料。

10.如权利要求9所述的氧扩散器，其中Ag₂O与吸收剂材料放置在与扩散器隔开的位置。

11.如权利要求9所述的氧扩散器，其中Ag₂O与吸收剂材料混合在一起。

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