CN1659683A - 低压汞蒸气放电灯与小型荧光灯 - Google Patents

低压汞蒸气放电灯与小型荧光灯 Download PDF

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Abstract

低压汞蒸气放电灯具有一发光放电容器(10)，以不透气的方式封闭充有汞和稀有气体的放电空间(11)。放电容器(10)包括在放电空间(11)维持放电的器具(41a)。至少部分放电容器(10)的内壁装有保护性半透明层(16)。根据本发明，放电容器(10)配有紧压密封(20)。此外，半透明层(16)包括碱土金属及/或钪、钇或另外的稀土金属的硼酸盐及/或磷酸盐。最好此玻璃构造由富钠玻璃制得，包括下列的成分：70－75重量％SiO2、15－18重量％Na2O、0.25－2重量％K2O。该本发明放电灯有较高的耐用性。

Description

低压汞蒸气放电灯与小型荧光灯
本发明涉及包括发光放电容器的低压汞蒸气放电灯，放电容器以不透气的方式封闭充有汞和稀有气体的放电空间，放电容器包括维持在该放电空间放电的器具，而至少部分该放电容器的内壁装有半透明层。
本发明还涉及小型荧光灯。
在汞蒸气放电灯中，汞构成(有效的)产生紫外(UV)光的主要成分。有发光材料(例如荧光粉)的发光层可存在于放电容器的内壁，以转换UV至其它的波长，例如至UV-B和UV-A以供鞣革目的(大阳板灯)或至可见辐射以供一般照明目的。因此这样的放电灯也称为荧光灯。低压汞蒸气放电灯的放电容器的截面通常为管状或圆形，并且包括加长和小型的实施方案。一般，所谓小型荧光灯的管状放电容器包括一批直径较小的相对短的直线部件，借助桥形或弧形部件使该直线部件连接在一起。小型荧光灯通常装有(集成的)灯头。
在本发明的叙述和权利要求中，名称“额定运行”用来指使灯的辐射输出至少为最佳运行即在汞蒸气压为最佳运行条件下之输出的80％那样汞蒸气压下的运行条件。此外，在该叙述和权利要求中，“最初辐射输出”定义为开放电灯1秒钟后该放电灯的辐射输出，而起动时间则定义为放电灯达到80％最佳运行辐射输出所需的时间。
已知在低压汞蒸气放电灯中要采取措施来抑制部分放电容器内壁的变黑，该部分在放电灯工作过程中与放电接触。由汞和制成放电容器内壁之材料间的作用所引起的这种变黑是不希望有的，并且不但导致其运转的缩短而且还导致该灯非美学的外观，尤其因为变黑无规则地出现，例如以暗斑或点的形式。
本说明书第一段中所述之类型的低压汞蒸气放电灯可从US-A4,544,997中了解。在该已知的放电灯中，使用选自钇、钪、镧、钆、镱和镥形成的氧化物作为半透明层。该氧化物以薄层在放电容器的内壁上形成。此已知半透明层是无色的，几乎不吸收UV辐射或可见光，并满足对于光和辐射透射比的要求。使用此已知半透明层将导致低压汞蒸气放电灯之放电容器内壁的变黑和脱色减少。
使用此已知低压汞蒸气放电灯的缺点是，由于变黑其运转仍然比较差。因此，为了实现足够长的运行寿命，此已知灯另外需要比较大量的汞。在运行寿命结束后处理不慎的情况下，这对于环境是有害的。
完全或部分地消除以上的缺点是本发明的目的。根据本发明，本发明低压汞蒸气放电灯其特征在于放电容器装有紧压密封，并在于半透明层包括碱土金属及/或钪、钇或另外的稀土金属的硼酸盐及/或磷酸盐。本发明低压汞蒸气放电灯的放电容器，具有紧压密封并具有包括此硼酸盐及/或磷酸盐的半透明层，它对在工作时于低压汞蒸气放电灯放电容器中占主要的汞-稀有气体气氛的作用显现出很好的耐久性。结果，由于汞和制造放电容器之玻璃间的相互作用所致的变黑便减少，导致运转的改善。在放电灯运行寿命期间，从放电所排出的汞量较小，因此，又使达到该放电灯汞消耗量的减少以及在低压汞蒸气放电灯的制造中只需较少的汞就可以了。
由此放电而排出之汞所引起的器壁变黑，发生在低压汞蒸气放电灯的直线部分及弧形部分，并发生在放电容器的密封区。在已知的放电灯中，维持于放电空间放电的器具为电极。该电极由放电容器的(有凹槽的)端部(也称“柄”)支撑。供电导线自每个电极通过放电容器端部至其外表布设。当安装端部时为了获得适当的密封，需要在该已知放电容器中清除放电容器端部周围存在于放电容器内侧上的涂层。通常自密封区(端部)把磷光体涂层以及由矾土颗粒制得的保护涂层除去。结果，在端部周围的该部分放电容器便对工作期间放电灯中之汞气氛攻击敏感，而放电容器中显著的器壁变黑就发生在此端部的周围。通过应用本发明的保护半透明层，配合以本发明的紧压密封，将使放电容器端部周围部分的变黑显著减少。原则上，放电容器的整个内壁都可敷涂以保护半透明层，从而防止该放电容器的器壁变黑。使用本发明半透明层的优点是，还可将此材料敷涂在制造低压汞蒸气放电灯过程中形成紧压密封的那部分放电容器器壁上。
本发明低压汞蒸气放电灯的一种优选实施方案，其特征在于紧压密封包括来自半透明层的材料。因为清除紧压密封周围(除去发光材料除外)的放电容器不再需要，在该紧压密封中可存在来自半透明层的材料。
本发明低压汞蒸气放电灯的另一优选实施方案，其特征在于维持放电的器具包括配置在放电空间中的电极对以及供电导线自该电极对通过放电容器的紧压密封至其外表布设。在这一实施方案中，紧压密封还起供电导线引线的作用。
一个本发明低压汞蒸气放电灯优选实施方案，其特征在于该半透明层包括碱土的硼酸盐，并且在于该半透明层的厚度处于0.1-50μm的范围。通过应用碱土的硼酸盐并用上面给出范围的厚度对于在低压汞蒸气放电灯工作时放电容器中占主要的汞-稀有气体气氛的作用便显出很好的耐久性。本发明人深入了解，借助利用碱土硼酸盐的“毫微颗粒”的悬浮液，尤其钙、锶及/或钡的硼酸盐，可制得半透明层，其厚度可比已知放电灯中由盐溶液所制得的半透明层大得多。在本发明叙述中用“毫微颗粒”系指颗粒粒度为0.1-1μm的颗粒。钙、锶及/或钡硼酸盐颗粒材料的软化点是足够低的，使得在弯曲玻璃成形过程中该颗粒便熔化到一起。此外，由于其厚度大，所以可获得未完全同弯头和密封处之放电容器底壁反应的密实半透明层。实验中发现，由钙、锶及/或钡硼酸盐毫微颗粒制得的半透明层，呈现相对高的零电荷点和相对低的汞消耗。由碱土硼酸盐毫微颗粒制此半透明层的另一优点是，碱土硼酸盐颗粒的粒度可与UV光的波长相比。这就使得可以应用此半透明层作为UV光的反射器(颗粒的粒度在约0.3μm至约0.6μm的范围)。优选地此半透明层包括SrB4O7。最好使用颗粒粒度约为0.1至1μm的SrB4O7毫微颗粒，来制造本发明的半透明层。
此半透明层的厚度最好在10-20μm的范围。当制作薄于约10μm的半透明层时，尤其在工厂条件下使放电容器弯曲玻璃成形过程中，会引起颗粒状钙、锶及/或钡硼酸盐同器壁的可能完全的反应。于条件不总能像实验室实验那样被满足的生产环境中，此风险是更高的。在小型荧光灯放电容器的直线部分观察到，其半透明层中的颗粒未达到足够高的温度而熔化，引起光在该半透明层中的漫散射。在小型荧光灯放电容器的弧形部分，该半透明层中的颗粒则达到足够高的温度而熔化，引入一透明层。
一个本发明低压汞蒸气放电灯的优选实施方案，其特征在于放电容器由包括二氧化硅和氧化钠的玻璃制得，以其玻璃组成包括下列的基本成分，按重量百分率(重量％)给出为：60-80重量％SiO2和10-20重量％N2O。应用本发明的密封箍和半透明层，配合本发明的富钠玻璃，将使该箍周围放电容器的变黑显著减少。本发明尤其以用箍栓密封的放电容器、包括上述硼酸盐及/或磷酸盐的涂层和富钠玻璃的结合加以实施。
富钠玻璃比较便宜。在已知的放电灯中使用一种所谓的混合碱玻璃，有稍低的SiO2含量(与富钠玻璃的约72％相比约为67％)并包括，除了别的以外，约8重量％Na2O和5重量％K2O。该玻璃的成本价比较高。比较已知玻璃和富钠玻璃的组成显示其碱含量是不同的。富钠玻璃有比较低的钾含量，而已知玻璃则为一种所谓的混合碱玻璃，具有大致相等的Na2O与K2O的摩尔比。富钠玻璃的优点在于，其中碱离子的迁移率相对于混合碱玻璃中的迁移率稍高。由富钠玻璃制得的低压汞蒸气放电灯的起动时间与由已知混合碱玻璃制得的放电容器的大致相同。
本发明低压汞蒸气放电灯中的半透明层，还满足关于光和辐射透射比的要求，并且能够容易地在低压汞蒸气放电灯的内壁上形成非常薄、密实和均匀的半透明层。这例如通过以合适金属-有机化合物(例如丙酮酸盐或乙酸盐，例如乙酸钪、乙酸钇、乙酸镧或乙酸钆混合以乙酸钙、乙酸锶或乙酸钡)和稀释于水之硼酸或磷酸混合物的溶液冲洗该放电容器来完成，而在干燥并烧结后便得到所希望的半透明层。
一个本发明低压汞蒸气放电灯的优选实施方案，其特征在于该半透明层面向放电空间一侧装有一发光材料层。于低压汞蒸气放电灯中使用本发明半透明层的优点是，包括发光材料(例如荧光粉)的发光层，对于这样一种半透明层的附着比对于已知低压汞蒸气放电灯半透明层的附着要好得多。此改善的附着特别在低压汞蒸气放电灯的弧形部分获得。
本发明的尺寸对有弧形灯部件的小型荧光灯格外适合，其中放电容器另外被透光外套包围。因为外套的存在使至环境的散热减弱，所以这样“罩着的”小型荧光灯放电容器的温度比较高。这种不利的温度平衡由于变黑程度的增加，而对已知放电灯的运转有不利影响。实验中已意外地发现，装备本发明低压汞蒸气放电灯的小型荧光灯的维持状况，其放电容器被一外套包围，在运转12,000个小时之后有90％得以维持，而装备已知低压汞蒸气放电灯的相同小型荧光灯的，其放电容器被一外套围着，在运转12,000小时后维持良好的不到80％，而且有波动(取决于使用的汞消耗量)。汞齐中汞的亏损可能这样高以致该汞齐不再给出最佳的汞压。此外，光的输出显著地下降。
此玻璃组成最好包括下列的成分：70-75重量％SiO2、15-18重量％Na2O和0.25-2重量％K2O。这样一种富钠玻璃的组成类似于普通窗玻璃，而且相对于已知放电灯中所用的玻璃它比较便宜。本发明放电灯中所用富钠玻璃之原料的成本价，仅约为已知放电灯中所用混合碱玻璃之原料的成本价的50％。此外，富钠玻璃的电导比较低；在250℃其电导约为logρ＝6.3，而混合碱玻璃的相应值约为logρ＝8.9。
按本发明低压汞蒸气放电灯的实施方案，半透明层包括钙、锶及/或钡的硼酸盐及/或磷酸盐。这样的半透明层有相对高的可见光透射系数。此外，有包括硼酸钙、硼酸锶或硼酸钡或者磷酸钙、磷酸锶或磷酸钡之半透明层的低压汞蒸气放电灯的维持情况良好。
按本发明低压汞蒸气放电灯特别优选的实施方案，半透明层包括钇-锶硼酸盐的混合物。这样的半透明层有相对高的紫外辐射和可见光透射系数。还已发现，包括硼酸钇和硼酸锶的半透明层只是稍微吸湿的，并且很好地附着于放电容器的内壁。此外，该层可由一种比较简便的方法形成(例如用混合以硼酸的乙酸钇和乙酸锶)，它有节省成本的效果，明显地适用于低压汞蒸气放电灯的大规模制造流程。
本发明的这些以及其它方面参照此后所述的实施方案将是显而易见的并且还将得到阐明。
在附图中：
图1A为包括本发明低压汞蒸气放电灯之小型荧光灯实施方案的截面图，以及
图1B为图1A中所给出之低压汞蒸气放电灯细部的截面图。
该等图纯粹是示意的并且未按比例绘制。尤其为着清晰，某些尺寸做了过分夸大。图中相同的组件尽可能以相同的标记数字表示。
图1A给出一种包括低压汞蒸气放电灯的小型荧光灯。此低压汞蒸气放电灯装有发射辐射的放电容器10，封闭容积为10cm3的放电空间11。放电容器10为一玻璃管，它的截面最低限度基本上是圆形的，并且其(有效的)内径约10mm。通过本发明的紧压密封20(见图1B)以不透气方式将放电容器10密封。紧压密封20借助挤压密封来形成。按所谓的钩的形状使该管弯曲，而在这个实施方案中，它有若干直线部分，其标记31、33的两部分示于图1A。放电容器还包括若干弧形部分，其标记32、34的两部分示于图1A。放电容器10的内壁12装备半透明层16和发光层17。在另外的实施方案中，此一发光层则已被省去。使用紧压密封20并应用本发明可弯曲半透明层16能使放电容器10内壁12的整个表面敷涂以保护半透明层16。紧压密封20和应用本发明可弯曲半透明层16的创造性的结合，允许使用富钠玻璃作为放电容器材料。尤其优选的是一种下列组成的玻璃：70-74重量％SiO2、16-18重量％Na2O、0.5-1.3重量％K2O、4-6重量％CaO、2.5-3.5重量％MgO、1-2重量％Al2O3、0-0.6重量％Sb2O3、0-0.15重量％Fe2O3和0-0.05重量％MnO。对于由富钠玻璃制成的低压汞蒸气放电灯便获得很好的起动特性。
放电容器10由外壳70支撑，所述外壳也支撑装有本身已知的电和机械接点73a、73b的灯头71。低压汞蒸气放电灯的放电容器10用一与灯外壳70连接的透光套60包围。透光套60一般具有无光泽的外观。
图1B很简略地显示图1A所示低压汞蒸气放电灯细部的截面图。放电容器10中的放电空间11不仅包括汞而且包括稀有气体，在这一实施例中为氩。维持放电的器具由配置在放电空间11内的电极对41a(图1B仅显示一个电极)构成。在另一实施方案中，低压汞蒸气放电灯为一种所谓的无电极放电灯。图1B中的电极41a是一钨绕组，敷涂以电子发射材料，此处为氧化钡、氧化钙和氧化锶的混合物。供电导线50a、50a’自电极对41a通过放电容器10的紧压密封20端部至其外表布设。电极41a由紧压密封20支撑，该密封以不透气方式密封放电容器10。使供电导线50a、50a’与装在外壳70内的(电子学)电源连接并与灯头71上的电接点73b电连接(见图1A)。
在此低压汞蒸气放电灯的实施方案中，将不同浓度的Sr(Ac)2(乙酸锶)溶液和H3BO3(硼酸)加入包括不同浓度Y(Ac)3(乙酸钇)的溶液，以制备本发明的半透明层16。在另一实施方案中，将Ba(Ac)2(乙酸钡)溶液加入，而不用Sr(Ac)2溶液。测试了三个配方，如表I中所示。
表I 半透明层的三个配方
    配方     wt.％Y(Ac)3     mol Sr(Ac)2     mol H3BO3
    R1     0.11     0.036     0.147
    R2     0.15     0.06     0.24
    R3     0.15     0.048     0.191
敷涂前，按已知的有直线部分和弧形部分的钩形将放电容器弯曲。在另一实施方案中，弯曲在敷涂放电容器之后进行。冲洗并干燥后，借助使过量的上述溶液通过放电容器而给放电容器提供一涂层。在该敷涂操作后，先于空气中在约60℃使放电容器干燥15分钟，接着在550℃烧结2分钟。在另外的实施方案中，在较高温度便使此半透明层于较短的时间内固定。
在低压汞蒸气放电灯的优选实施方案中，使用颗粒粒度约在0.1至1μm范围内的所谓毫微SrB4O7颗粒，来制造本发明半透明层16。将化学计量量的SrCO3和H3BO3混合，并在空气中于铂甘埚内熔化。冷却下来后，把此玻璃捣碎并以乙酸丁酯碾磨2个小时接着以ZrO2球滚压48个小时。所得到的不定形SrB4O7颗粒有0.6μm的平均颗粒粒度。在提供放电容器以这样一种涂层后，先在约60℃的温度于空气中使放电容器干燥15分钟。在另外的实施方案中，则在较高温度于较短时间内使此半透明涂层固定。半透明层16的厚度约在1μm至50μm的范围，最好约为10μm至20μm。在另外的实施方案中可应用BaB4O7或CaB4O7的毫微颗粒。
接着，使放电容器装备包括三种已知磷光体的发光涂层，即有铽激活之铝酸镁铈的发绿光材料、有二价铕激活之铝酸镁钡的发蓝光材料以及有三价铕激活之钇氧化物的发红光材料。然后按惯用的方法将若干此放电容器与低压汞蒸气放电灯组装。接着根据在上提到的三个配方之一(见图1A所示的实施例)，使若干这些放电灯装备半透明外套层。对两种长度即230mm(11W荧光灯)和405mm(20W荧光灯)的放电容器进行试验。全部情况下工作期间该灯的电流强度为200mA。
其次，有本发明放电容器并装备本发明R3混合物半透明层的低压汞蒸气放电灯在1000个小时后的保持状况已被计量。为比较，给出有标准密封和已知氧化钇半透明层放电容器的保持状况。这些计量结果示于表II。
表II包括有紧压密封、由富钠玻璃制成并装备本发明R3混合物半
    透明层之放电容器的低压汞蒸气放电灯的保持状况数据(1000
    个小时)。为比较，给出有标准密封和已知氧化钇半透明层放
    电容器的保持状况。
    已知玻璃     富钠玻璃
    无紧压密封     有紧压密封
    已知Y2O3半透明层     R3混合物半透明层
  无紧压密封     95(4)     66(18)
  有紧压密封     95(4)     95(6)
表II显示，包括有紧压密封并由富钠玻璃制成以及装备本发明半透明层之放电容器的放电灯，在1000个小时后的保持是比较大数字的。高达12,000个小时，对于已知玻璃且无紧压密封，在本发明三种混合物半透明层之间保持的差别不太大。
表III给出在1000个小时运行时间后，于包括有紧压密封并由富钠玻璃制成以及装备R3混合物半透明层(见表I)之放电容器的低压汞蒸气放电灯放电容器中，受约束汞的量(μg)。为比较，给出有标准密封放电容器的日期。
表III在1000个小时运行时间后，于包括有紧压密封并由富钠
     玻璃制成以及装备本发明R3混合物半透明层放电容器之
     低压汞蒸气放电灯的放电容器中，受约束的汞(Hg)。
     为比较，给出有标准密封放电容器的日期。
    已知玻璃   富钠玻璃   富钠玻璃
    无紧压密封   无紧压密封   有紧压密封
    已知Y2O3半透明层   R3混合物半透明层   R3混合物半透明层
    110μg Hg   922μg Hg   100μg Hg
由富钠玻璃制成且无密封箍之放电容器，其相对高的Hg消耗主要在密封区。
在本发明的范围内，本领域中的技术人员显然能做许多改动。
本发明的保护范围不限于这里所给出的实施例。本发明可以每一新颖的特性或每一特性的组合加以实施。权利要求中的标记数字并非限定该权利要求的保护范围。“包括”一字不排除权利要求中所提到那些之外的成分的存在。在成分前使用“a”或“an”字并不排除多个这样成分的存在。

Claims (11)

1.一种包括发光放电容器的低压汞蒸气放电灯，
该放电容器以不透气方式封闭一充入汞和稀有气体的放电空间，
该放电容器包括维持在该放电空间放电的器具，
而至少一部分该放电容器的内壁装备半透明层，其特征在于，
该半透明层包括碱土金属及/或钪、钇或另外的稀土金属的硼酸盐及/或磷酸盐，并且
该放电容器装有紧压密封。
2.权利要求1的低压汞蒸气放电灯，其特征在于该紧压密封包括该半透明层材料。
3.权利要求1的低压汞蒸气放电灯，其特征在于该维持放电的器具包括配置在放电空间中的电极对，并且供电导线自电极对通过放电容器的紧压密封至其外表布设。
4.权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该半透明层包括碱土的硼酸盐，还在于该半透明层的厚度在0.1-50μm的范围。
5.权利要求4的低压汞蒸气放电灯，其特征在于该半透明层包括SrB4O7。
6.权利要求4的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该半透明层的厚度在10-20μm的范围。
7.权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该放电容器包括二氧化硅和氧化钠的一种玻璃制成，此玻璃组成包括下列的基本成分，按重量百分率(wt.％)给出为：
60-80wt.％SiO2，
10-20wt.％Na2O。
8.权利要求8的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该玻璃构造包括下列成分：
70-75wt.％SiO2，
15-18wt.％Na2O，
0.25-2wt.％K2O。
9.权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，该半透明层面向放电空间的一侧装备一层发光材料。
10.包括权利要求1或2的低压汞蒸气放电灯的小型荧光灯，其特征在于，将一灯外壳与该低压汞蒸气放电灯的放电容器连接，该灯外壳装备一个灯头。
11.权利要求10的小型荧光灯，其特征在于，该低压汞蒸气放电灯的放电容器由一与灯外壳连接的透光套包围。
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