CN1180456C - 低压汞蒸气放电灯 - Google Patents

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Abstract

低压汞蒸气放电灯包括具有管状部分(11)的放电室(10)。放电室(10)以气密方式密封放电空间(13)，在该放电空间内配有汞和稀有气体的填充物。放电室(10)的管状部分(11)在其面对放电空间(13)的表面(14)上设置有金属氧化物层(15)和发光层(17)。放电灯包括用于维持放电室(20b)中电放电的放电装置。放电灯的特征在于发光层(17)包括碱金属氧化物。该碱金属氧化物优选是氧化钠和/或氧化钾，碱金属氧化物的浓度是0.002wt%≤Na2O≤0.1wt%和/或0.002wt%≤K2O≤0.1wt%。放电室(10)的管状部分(11)优选地具有用作碱金属排斥层的另一金属氧化物层。该另一个金属氧化物层优选地包括氧化硅。本发明的灯具有较低汞消耗。

Description

低压汞蒸气放电灯
本发明涉及包括放电室的低压汞蒸气放电灯，所述放电室具有可透射放电室内产生的辐射的管状部分，
所述放电室以气密方式密封放电空间，在该放电空间内配有汞和稀有气体的填充物，
放电室的管状部分在其面对放电空间的表面上设置有金属氧化物层和发光层，和
低压汞蒸气放电灯包括用于维持放电室中电放电的放电装置。
在汞蒸气放电灯中，汞构成用于(有效地)产生紫外(UV)光的主要成分。包括发光材料(例如荧光粉)的发光层位于放电室的内壁上，用于将UV转换成例如用于制革(tanning)目的的UV-B和UV-A(太阳板)等其它波长，或转换成用于一般照明目的的可见光辐射。因此，这样的放电灯还被称为荧光灯。低压汞蒸气放电灯的放电室通常是圆形的，并且有细长和紧凑型的实例。通常，紧凑型荧光灯的管状放电室具有相对小直径的相对短的直线状部分的集合，直线状部分通过桥部分或通过弯曲部分互连。紧凑型荧光灯通常配有(一体的)灯座。在这样的低压汞蒸气放电灯的实施例中，放电装置包括排列在放电空间中的电极。另一个实施例包括无电极低压汞蒸气放电灯。
美国专利US4544997披露了在开篇中所述的那种类型的低压汞蒸气放电灯。在该已知的放电灯中，放电室的管状部分至少配有钪、钇、镧、钆、镱和镥组中的一种元素的至少一个氧化物的层。金属氧化物层阻止因与汞相互作用而冲击放电室管状部分的壁，并因此对维持灯的辐射输出有利。通过漂洗放电室的面对放电空间的表面上的金属有机化合物溶液，以及随后使保留在面对放电空间的表面上的膜干燥，并在其后进行烧结，可获得该金属氧化物层。
与没有这种金属氧化物层的灯相比，由于该金属氧化物层，灯的汞消耗量，即在灯工作期间束缚在灯部件上并且不能再用于灯工作的汞量相对较低。尽管如此，已知的灯还是需要相对高的汞剂量，以便实现足够长的寿命。在灯寿命终结之后，不恰当的处理对环境是有害的。
本发明的目的在于提供一种在开篇中所述那种类型的仅消耗相对少的汞量的低压汞蒸气放电灯。
按照本发明，该放电灯的特征在于，发光层包括碱金属氧化物。
低压汞蒸气放电灯的许多部件(例如放电室，发光材料等)不是不与存在于放电室中的汞发生反应的。这样的部件具有吸收汞的趋势。这不仅暗示着放电室中应有更多的汞，以便确保在其寿命期间放电灯能维持工作，而且还暗示在放电灯寿命期间因许多汞化合物吸收UV和/或可见光使放电灯的效率逐渐降低。在低压汞蒸气放电灯的寿命期间，放电室的裸露玻璃吸收几毫克的汞。通过在放电室上配置涂层(例如SiO2涂层)，这种吸收减少50％，和通过提供适当的金属氧化物层(例如SiO2/Al2O3或SiO2/Y2O3的双涂层)，该吸收被减小到低于几百μg。本发明人发现，放电空间中可用于放电的汞量的减少主要是因碱金属(例如Na和/或K)与汞的交换和汞被放电室的面对放电空间的表面所吸收引起的。在放电灯工作期间，汞进入放电室壁，同时碱金属氧化物留在放电室的壁上。通过放电室壁的汞消耗与配置在放电室内壁上的金属氧化物层中的缺陷(imperfections)有关。这样的缺陷引起放电灯处理期间的不希望的碱金属氧化物的扩散(例如Na2O和/或K2O的扩散)，和产生汞原子粘附于放电室未涂敷部分并在此后发生汞在玻璃中的扩散的可能性。由于碱金属氧化物的扩散一般是由放电室壁与发光层之间的浓度梯度驱动的，因而发光层中氧化钠的存在将使放电灯处理期间碱金属氧化物从放电室壁的扩散少很多。
通过适当选择发光层中氧化钠的浓度，可大大防止碱金属氧化物从放电室壁的扩散。为此，按照本发明的低压汞蒸气放电灯优选实施例的特征在于，发光层中的碱金属氧化物包括氧化钠和/或氧化钾，其中碱金属氧化物的浓为：0.001wt％≤Na2O≤0.2wt％和/或0.001wt％≤K2O≤0.2wt％。对于低于0.001wt％的碱金属氧化物的浓度来说，放电室壁与发光层之间的浓度梯度没有明显减小。对于高于0.2wt％的碱金属氧化物的浓度来说，就不再能防止Na2O和/或K2O从放电室壁的扩散。
发光层中碱金属氧化物的浓度优选为：0.002wt％≤Na2O≤0.1wt％和/或0.002wt％≤K2O≤0.1wt％。
按照本发明灯的有吸引力的实施例的特征在于，管状部分面对放电空间的表面上的金属氧化物层至少包括选自镁、铝、钛、锆和稀土元素的组的至少一个元素的氧化物。在本说明书和权利要求书中，稀土元素指钪、钇、镧和镧系元素。这样的层是非常有惰性的，以致在长时间中，因填充物中的汞与金属氧化物层的反应引起的汞消耗都很小。
按照本发明灯的实施例获得的有益结果的特征在于，管状部分的金属氧化物层包括氧化铝和/或氧化钇。例如通过制备氧化铝和/或氧化钇颗粒的悬浮液，例如通过喷雾该悬浮液或通过使其流过放电室内表面，来配置这样的层。
一个优选实施例的特征在于，放电室的管状部分还具有面对放电空间的表面与金属氧化物层(以下还称为保护层)之间的另一个金属氧化物层。该另一个金属氧化物层用作碱金属排斥层。这种层还防止例如钠和钾离子之类的碱金属离子从放电室壁迁移到放电空间。由此还可防止与碱金属形成汞齐的汞消耗。
按照本发明灯的另一个优选实施例的特征在于，该另一个金属氧化物层包含氧化硅。对碱金属离子来说，氧化硅是非常好的阻挡层。容易提供这样的层。在放电室面对放电空间的表面上漂洗水解的四乙基原硅酸脂(TEOS)溶液就足够了。在该表面上设置的氧化硅干燥之后，可直接涂敷金属氧化物层。最好进行热处理，以便增强该层的密度。该热处理例如与保护层的热处理一致。如果用于保护层的单独热处理是多余的，如果灯配有如发光材料悬浮液之类的发光层，那么该热处理可与用于例如从悬浮液去除粘接剂之类的辅助物质的热处理一致。
放电室具有例如由发蓝光的双价铕激活的铝酸钡镁(BAM)、发绿光的其中铽是激活剂的五硼酸铈钆铽(CBT)、和发红光的三价铕激活的氧化钇(YOX)组成的发光层。可供选择的发光材料是发绿光的铽激活的铝酸铈铽(CAT)，特别适于紧凑型荧光灯。另一个可供选择的发光材料是发蓝光的铕激活的卤代磷酸铕锶(europium-activatedstrontium halophosphates)，例如铕激活的氯磷酸铕锶(europium-activated strontium chlorophosphate)(SECA)，发绿光的铽激活的磷酸铈铽镧(LAP)，和发绿光的铽激活的铝酸铈镁。
根据以下参照附图进行的阐述，将明了本发明的这些和其它方面。
附图中：
图1以纵剖面图形式表示根据本发明的低压汞蒸气放电灯的实施例，和
图2表示沿图1中线II截取的图1的放电灯的细节。
这些附图仅是示意性的，未按比例画出。为了简明起见，某些尺寸被明显夸大。尽可能用相同的参考标号来表示附图中类似的元件。
图1表示包括玻璃放电室10的低压汞蒸气放电灯，放电室10具有可透射放电室10内产生的辐射的管状部分11和第一和第二端部12a和12b。在本实施例中，管状部分11的长度约为120cm，其内径为2.5cm。放电室10以气密方式密封放电空间13，放电空间13包括1mg的汞和稀有气体的填充物，在本例中稀有气体为氩。端部12a、12b分别支撑在放电空间13内设置的电极20b(图1中未示出第一端部12a上的电极)。电极20b在本例中构成放电装置。电极20b的电流供给导体30a、30a′、30b、30b′通过端部12a、12b伸出放电室10。电流供给导体30a、30a′、30b、30b′与固定于灯座32a、32b的触针31a、31a′、31b、31b′连接。在各电极20b的周围设置电极环21a(图1中未示出第二端部12b上的电极环)。
玻璃小皿22夹在电极环21a上，在放电灯制造期间用小皿进行汞配料。为此，紧固在玻璃小皿22上的金属导线23在高频电磁场中被感应加热，在此期间，小皿22被切开和将要从小皿22配料的汞被释放在放电空间13中。
管状部分11面对放电空间的表面14上的金属氧化物层15(还参见图2)包括至少选自镁、铝、钛、锆和稀土元素中的至少一个元素的氧化物。在本例中，金属氧化物层15(也称为保护层)是涂敷量为30μg/cm2的氧化钇层。
在图1和2的实施例中，放电室10的管状部分11还具有另一金属氧化物层16，用作面对放电空间的表面14与氧化钇层15之间的碱金属-排斥层。在所示实施例中，该另一金属氧化物层16包含氧化硅并具有12μg/cm2的涂敷量。氧化钇层15具有发光层17(还参见图2)，发光层17的涂敷量为1.8mg/cm2并且包括发光材料BAM、CBT和YOX。另一个发光材料是CAT、SECA和LAP。
按照本发明，发光层17包括氧化钠。由此，通常通过放电室10的壁与发光层17之间的浓度梯度驱动的碱金属氧化物从放电室10的壁的不期望的扩散被大大减少。发光层17中氧化钠的浓度特别适于在0.002wt％≤Na2O≤0.1wt％的范围。
按照本发明的低压汞蒸气放电灯的另一个实施例由所谓的无电极低压汞蒸气放电灯(未示出)构成，其中放电装置包括在被放电室包围的放电空间外的线圈，线圈配有导电体绕组，在工作期间通过电流供给导体对该线圈提供高频电压。
按照本发明的措施导致工作期间被束缚在放电室10的管状部分11上的汞量大大减少。这导致低压汞蒸气放电灯在其寿命期间消耗相对来说非常少的汞量。
为了进行实验，制备按照本发明的两组10个灯和不按照本发明的一组10个灯。就一切情况而论，放电室10的管状部分11配有发光层17，同时在管状部分11面对放电空间13的表面14与发光层17之间有氧化钇层。在各十个灯的组中，五个灯还有在管状部分11面对放电空间13的表面14与氧化钇层15之间的氧化硅碱金属排斥层16。氧化硅层16和氧化钇层15分别有12和55μg/cm2的涂敷量。发光层17的涂敷量为1.8mg/cm2。在按照本发明的第一组灯中，发光层包括0.08wt％的Na2O。在按照本发明的第二组灯中，发光层不包含碱金属氧化物。
灯配有0.4mg的汞和氩的填充物。在工作1000小时之后，测量被束缚的总的汞量。所用测量方法基于在DC工作的灯中自由的汞移向负电极的现象。通过减小在有正电极的端部附近的灯所发射的光的强度，可看见汞的移动。在实验期间进行的测量方法中，当具有正极的端部附近的光通量减小到正常值的60％的时刻，DC电压的极性颠倒。该时刻与相对一端附近的光通量减小到正常值的60％的时刻之间所经过的时间是自由汞仍可用的量并因此是汞消耗量的度量。根据利用湿化学分析获得的结果，校正该测量方法。
表I中示出在直到1000小时的周期中的汞消耗量(μg)。该表还用括号来表示在1与1000小时之间的周期中的汞消耗量。
  表I：对于按照本发明的放电灯(在发光层中有Na2O)和未按照本发明的灯(没有Na2O)，在直到1000小时的工作周期中单位为μg的汞消耗量、和在1与1000小时之间的工作周期中的汞消耗量(用括号表示)
  涂敷管状部分               发光层
    没有Na2O     有Na2O
  Y2O3SiO2/Y2O3     220(114)147(69)     144(81)100(36)
显然，由测量可知，按照本发明的措施导致汞消耗明显减少。该减小从管状部分上具有氧化钇层结合氧化硅的碱金属排斥层的放电灯中的大约30％到管状部分上仅有氧化钇层的放电灯中的约35％。
显然，本领域的技术人员可设想在本发明范围内的许多变形。例如，第一和第二端部还可在其面对放电空间的表面上配置金属氧化物层。
本发明的保护范围并不限于所述实施例。本发明涉及每个新特征和特征的每一个组合。权利要求中的参考标号并不限制其保护范围。采用用语“包括”并不排斥不同于权利要求书中所述部件的单元存在。在部件前的用语“一个”并不排斥多个这种部件的存在。

Claims (8)

1.一种低压汞蒸气放电灯，包括放电室(10)，该放电室具有可透射放电室(10)内产生的辐射的管状部分(11)，
所述放电室(10)以气密方式密封放电空间(13)，在该放电空间内配有汞和稀有气体的填充物，
放电室(10)的管状部分(11)在其面对放电空间(13)的表面(14)上设置有金属氧化物层(15)和发光层(17)，和
低压汞蒸气放电灯包括用于维持放电室(10)中放电的放电装置(20b)，
其特征在于，发光层(17)包含碱金属氧化物。
2.如权利要求1所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，发光层(17)中的碱金属氧化物包括氧化钠和/或氧化钾，其中碱金属氧化物的浓度为：0.001wt％≤Na2O≤0.2wt％和/或0.001wt％≤K2O≤0.2wt％。
3.如权利要求2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述浓度为：0.002wt％≤Na2O≤0.1wt％和/或0.002wt％≤K2O≤0.1wt％。
4.如权利要求1或2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，金属氧化物层(15)至少包括选自镁、铝、钛、锆和稀土元素的至少一个元素的氧化物。
5.如权利要求4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述金属氧化物层(15)包括氧化铝和/或氧化钇。
6.如权利要求1或2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，放电室(10)的管状部分(11)具有面对放电空间的表面(14)与金属氧化物层(15)之间的另一个金属氧化物层(16)。
7.如权利要求6所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该另一个金属氧化物层(16)包含氧化硅。
8.如权利要求1或2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，发光材料包括发绿光的铽激活的铝酸铈镁、铽激活的铝酸铈或铽激活的磷酸铈镧，发蓝光的铕激活的铝酸钡镁或铕激活的卤代磷酸锶，和发红光的由三价铕激活的氧化钇。
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