ITMI20100679A1 - Lampada a scarica migliorata - Google Patents

Description

LAMPADA A SCARICA MIGLIORATA

La presente invenzione si riferisce ad una lampada a scarica migliorata contenente una maglia metallica forata che agisce da supporto per un amalgama Bi-In-X-Hg, dove X rappresenta un altro metallo opportunamente selezionato, ad un metodo per la regolazione della pressione di mercurio all’interno di lampade a scarica ed ad un processo produttivo per la produzione delle lampade.

L’invenzione viene vantaggiosamente applicata alle cosiddette lampade a bassa pressione di mercurio, ossia lampade in cui la pressione di mercurio durante il funzionamento rimane molto inferiore ad 1 bar. In particolare à ̈ noto che in molte di queste lampade, ad es. nella maggior parte delle lampade fluorescenti lineari e delle lampade fluorescenti compatte, à ̈ preferibile che la pressione di mercurio rimanga compresa tra 0,5 Pa e 1,5 Pa durante l’accensione della lampada, per ottenerne le migliori prestazioni.

Uno dei problemi principali nel settore consiste sia nel corretto dosaggio della quantità di mercurio, sia nella regolazione della pressione di mercurio che si instaura durante il funzionamento della lampada. Infatti per valori troppo bassi di tale pressione non si ha un efficiente meccanismo di emissione radiativa da parte degli atomi di mercurio eccitati in quanto poco numerosi, mentre per converso una eccessiva concentrazione di mercurio in fase vapore porta gli atomi eccitati ad interagire tra di loro con meccanismi di auto-assorbimento della radiazione emessa e di trasferimento di energia non radiativa, da cui segue un decremento nel flusso luminoso della lampada.

Le modalità di dosaggio iniziale del mercurio all’interno della lampada non sono oggetto della presente invenzione e vengono comunemente realizzate nel settore con diverse modalità; ad esempio il mercurio viene dosato in forma di gocce liquide, di vapori da una sorgente esterna alla lampada, oppure mediante l’introduzione di amalgami che rilasciano mercurio a bassa temperatura. Un'altra soluzione particolarmente vantaggiosa per introdurre il mercurio all’interno di alcuni tipi di lampada à ̈ sfruttando un elemento della stessa, quale lo schermo dell’elettrodo per supportare anche una lega atta a rilasciare mercurio ad alta temperatura.

Come detto più sopra à ̈ molto importante regolare nel tempo la pressione di mercurio al corretto valore per rendere ottimale il flusso luminoso e l’efficienza luminosa della lampada. Un accorgimento utilizzato nel settore à ̈ mediante l’impiego di un amalgama di controllo o ausiliario (questo termine ha senso quando ci si riferisce a lampade in cui l’introduzione iniziale del mercurio viene fatta mediante un amalgama, detto in questo caso "primario"). I vantaggi ed i miglioramenti legati all’utilizzo di un amalgama di controllo sono ampiamente noti nel settore, e descritti ad esempio nel brevetto US 4517485. In tale documento vengono descritti amalgami di bismuto-indio per la regolazione della quantità di mercurio all’interno di lampade a scarica a bassa pressione, senza però discutere possibili metodi di inserimento particolarmente vantaggiosi e relativi vincoli, ad esempio legati alla temperatura.

Il brevetto EP 0307037 descrive invece l’impiego di amalgami In-Sn-Zn che vengono fatti operare a temperature superiori a 105°C per avere la corretta pressione di mercurio in lampada.

Il brevetto US 5798618 mostra l’impiego di vari amalgami, tra i quali amalgami di mercurio genericamente a base di Indio, Argento ed In-Ag che vengono utilizzati in un ampio intervallo di temperatura, e possono raggiungere addirittura i 340°C. La stessa tipologia di amalgami, con riferimento specifico agli amalgami In-Ag viene descritta nella pubblicazione JP 63-66841, anche in questo caso specificando ampi intervalli di temperatura.

La domanda di brevetto US 2005/0231095 descrive una lampada che utilizza come amalgama di controllo In-Ag o In-Sn o In-Cu con l’eventuale ulteriore aggiunta di altri elementi, il cui relativo intervallo di temperatura ottimale spazia da 100°C a 170°C essendo impiegato su di un generico supporto metallico.

La possibilità dell’impiego di sferette di amalgama a base di Bi-In con altri elementi opzionalmente presenti à ̈ invece descritta nella domanda di brevetto internazionale WO 2007/038419 in cui viene anche descritto un loro trattamento termico a temperature particolarmente elevate, sino a 300°C. Tuttavia l’utilizzo di sferette di amalgami può comportare limiti nella velocità di interazione con il mercurio per quanto riguarda sia il suo assorbimento che il suo rilascio all’interno del dispositivo finale.

La domanda di brevetto WO 2008/107654 invece descrive l’utilizzo di amalgami Bi-Sn-In per regolare la pressione di mercurio all’interno di lampade a scarica, anche in questo caso specificando temperature di funzionamento che possono assumere valori particolarmente elevati, sino a 170°C.

La domanda di brevetto WO2006/070426 a nome della richiedente mostra un processo produttivo di maglie forate per supportare vari materiali attivi, caratterizzati da un basso punto di fusione, tra cui anche leghe Bi-In, con riferimento al loro possibile utilizzo come amalgami di controllo all’interno di lampade fluorescenti. Tale documento non menziona però il modo di utilizzo ottimale ed i vincoli di temperatura associati ad un loro efficiente utilizzo nelle lampade a scarica.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi ottimizzare le modalità di inserimento di amalgami in lampade per il controllo della pressione di mercurio durante il loro funzionamento sfruttando una particolare combinazione tra il materiale, la tipologia di supporto, ed il posizionamento all'interno della lampada, inteso come temperatura cui viene portato il supporto durante il funzionamento della lampada.

In un suo primo aspetto l'invenzione consiste in una lampada a scarica contenente una maglia metallica forata, avente area di ciascun foro non superiore a 0,16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ depositato un amalgama Bi-In-X-Hg, costituito almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed il 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, il mercurio à ̈ compreso in una quantità tra lo 0,3% ed il 12% in peso, e detto elemento forato à ̈ posto in una posizione della lampada tale che la sua temperatura sia compresa tra 60°C e 95°C.

In una realizzazione preferita le aree di ciascun foro non sono inferiori a 0,01 mm2.

In una realizzazione preferita lo spessore della maglia metallica à ̈ compreso tra 0,2 e 0,5 mm e per quanto concerne il materiale per la sua realizzazione, risulta essere preferito l’impiego di nickel o ferro nickelato.

Inizialmente all’interno della maglia forata viene depositata la composizione priva di mercurio, generalmente chiamata nel settore materiale amalgamante o madre– lega, e l’amalgama si forma come conseguenza dell’inserimento del mercurio nelle fasi avanzate del processo produttivo di una lampada e dell’interazione di detto elemento con la madre-lega.

L’invenzione verrà ulteriormente illustrata con riferimento alle seguenti figure:

• La figura 1A mostra una foto di una maglia metallica che supporta un amalgama secondo la presente invenzione, e la figura 1B una sua rappresentazione grafica semplificata;

• La figura 2A, comparativa, mostra una foto di una maglia metallica che supporta un amalgama non secondo la presente invenzione, e la figura 2B un sua rappresentazione grafica semplificata;

• La figura 3 mostra un grafico di confronto tra le pressioni di equilibrio di mercurio con diversi tipi di amalgami in funzione della temperatura; e • Le figure 4A e 4B mostrano particolari di lampade su cui à ̈ montata la maglia metallica secondo la presente invenzione.

Nelle figure, con particolare riferimento alle figure 4A e 4 B, le dimensioni ed i rapporti dimensionali dei vari elementi non sono corretti, ma sono stati alterati al fine di aumentare la comprensibilità delle figure.

La figura 1 rappresenta una foto di una maglia metallica che supporta un amalgama secondo la presente invenzione. In questo caso la maglia 10 ha una forma a T, con una parte più sottile 11 che agisce da stelo, ed una parte a più ampia superficie 12 divisa in due porzioni, 13, 14. La porzione 13 su cui viene depositato l’amalgama di Bi-In e la porzione 14 che ne à ̈ priva. Per aiutare nella leggibilità della foto, in figura 1B viene riportata una rappresentazione grafica, necessariamente semplificata, della foto della figura 1A, mantenendo la stessa numerazione per i vari elementi descritti.

La configurazione descritta nelle precedenti figure à ̈ particolarmente vantaggiosa in quanto evita che durante le operazioni di fissaggio della maglia metallica, che tipicamente avvengono per saldatura, vi sia interferenza dovuta alla presenza di madrelega. In particolare tale interferenza potrebbe manifestarsi anche in un secondo tempo, come effetto della trasformazione della madrelega in amalgama come conseguenza dell’esposizione a mercurio.

In particolare in una realizzazione preferita la madrelega, e conseguentemente l’amalgama, dopo che la stessa viene esposta a mercurio, si trova disposta su almeno il 50% della superficie disponibile della maglia metallica. In alcuni casi risulta essere preferibile avere una porzione libera dal deposito di amalgama/madrelega.

Questo permette di utilizzare supporti non eccessivamente ampi ed ingombranti per l’inserimento della madrelega/amalgama, e nel contempo lasciare libera una porzione per il più agevole fissaggio della maglia metallica.

La figura 1 ha lo scopo di rappresentare una possibile configurazione, ma altre forme e realizzazioni alternative sono possibili ed assolutamente equivalenti, purché caratterizzate dall’impiego di una maglia forata con le summenzionate caratteristiche dimensionali dei fori. Ad esempio, in un altro modo di impiego alternativo, la geometria del supporto forato può essere differente e la maglia può avere fori non necessariamente circolari, ma presentare altre geometrie assolutamente equivalenti, quali ad esempio romboidale, rettangolare, esagonale.

Allo stesso modo la geometria del supporto può essere di diverso tipo e non limitata alla geometria a T mostrata nella figura 1. In particolare altre geometrie vantaggiose sono ad L e più in generale geometrie che abbiano un elemento più sottile, analogo all’elemento 11 della figura 1, che agevola le operazioni di fissaggio della maglia forata all’interno della lampada.

Gli inventori hanno trovato che esiste una relazione molto critica tra la dimensione dei fori e la temperatura a cui può essere portato l’amalgama durante il funzionamento della lampada senza che si verifichi il distacco del deposito di materiale. Tale criticità tende a manifestarsi solo nel tempo. Maggiore à ̈ la temperatura, maggiore à ̈ il rammollimento dell’amalgama, tenendo conto che gli amalgami devono lavorare in condizioni di temperatura tali per cui si raggiunge almeno in parte uno stato semiliquido del materiale, con la conseguenza che questo tende a dislocarsi dai fori staccandosi dal supporto stesso. Pertanto fori con area superiore a 0,16 mm2 non sono più in grado di sfruttare l’effetto di capillarità per trattenere efficacemente un amalgama allo stato semisolido o rammollito. Fori con superfici inferiori a 0,01 mm2 non sono invece molto idonei perchà ̈ possono ospitare solo limitate quantità di materiale.

In figura 2 à ̈ mostrato un esempio comparativo con una foto di una maglia 20 che supporta un amalgama In-Ag-Hg dopo 170 ore di funzionamento con cicli di riscaldamento a 150°C, che à ̈ una delle temperature di lavoro preferite per tale materiale (ciclo termico usato: 30 minuti a 150°C e 30 minuti a temperatura ambiente), dove si evidenzia chiaramente la dislocazione di una frazione significativa di amalgama dalla regione 23 sia sulla regione 24 che sullo stelo 21, saldato al gancio di supporto 25 Come si può osservare dal raffronto con la figura 1, originariamente le porzioni 21 e 24 della maglia metallica erano prive di amalgama, mentre in queste condizioni si ha anche il distacco dell’amalgama dal supporto forato. Tale fenomeno può influire negativamente sull’operatività della lampada in quanto la frazione persa può dare fenomeni di annerimento od oscuramento pregiudicando quindi la qualità dell’emissione luminosa della lampada, oppure la frazione persa può anche andare a collocarsi in regioni fredde della lampada, e quindi portare ad una cattiva regolazione della pressione di mercurio o ad una perdita della quantità di mercurio sotto forma di vapore, causando un invecchiamento precoce della lampada.

Il bilanciamento relativo alla temperatura cui deve essere fatta operare la maglia metallica con l’amalgama à ̈ molto importante. Infatti à ̈ necessario che l’amalgama si trovi in prossimità dell’elettrodo per essere ad una temperatura sufficiente per garantire una adeguata pressione di mercurio, ma nel contempo tale temperatura non deve essere troppo alta per evitare i summenzionati problemi legati principalmente al distacco dell’amalgama.

Per questo motivo l’invenzione viene realizzata impiegando amalgami Bi-In-X-Hg, costituiti almeno per il 45% in peso da Bismuto, ed in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb.

I vantaggi derivanti dall’impiego di questa tipologia di amalgami sono osservabili dal grafico semilogaritmico della pressione parziale di mercurio in funzione della temperatura mostrato in figura 3, che riporta i dati ottenuti da una maglia forata su cui sono presenti i seguenti amalgami:

- Bi 61,1% – In 32,9% – Hg 6: curva continua 1;

- Bi 60,45% – In 32,55% – Sn 1% – Hg 6%: curva punteggiata 2; - Bi 60,45% – In 32,55% – Ga 1% Hg 6%: curva tratto-punto 3; e - In 88,4% – Ag 5,6% – Hg 6%: curva comparativa c.

Le linee orizzontali L ed U indicano invece i limiti dell’intervallo di pressione ottimale per il corretto funzionamento della lampada.

Dalla figura 3 si può osservare che la pressione ottimale con l’amalgama comparativo c si ottiene per temperature non inferiori a 100 °C e centrate attorno ai 115°C, ma a tali temperature si evidenziano le problematiche relative al notevole rammollimento dell’amalgama ed al suo scivolamento all’interno della lampada conseguente a fenomeni di percolazione, come evidenziato in figura 2. Gli amalgami utili per la realizzazione della presente invenzione hanno invece un intervallo di temperatura di utilizzo centrato attorno ad 80°C e compreso tra 60°C e 95°C e quindi non presentano tale tipologia di problemi.

All’interno della famiglia di amalgami Bi-In-X-Hg, quelli della presente invenzione hanno anche un ulteriore vantaggio, ossia la capacità di legare elevate quantità di mercurio, anche superiori al 5 %, il che consente di inserire una minor quantità di materiale per regolare la pressione di mercurio in lampada con conseguenti problematiche ridotte in merito all’ingombro del supporto, facilitando così il suo inserimento e minimizzando l’effetto schermo dello stesso.

In particolare i composti Bi-In-X, costituiti almeno per il 45% in peso da Bismuto, ed in cui l’elemento X ha un contenuto in peso non superiore al 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb. Essi hanno caratteristiche in termini di quantità di mercurio amalgamate analoghe agli amalgami prodotti a partire da composti In-Ag, con i vantaggi di poter operare a temperature inferiori. Inoltre questi amalgami hanno caratteristiche decisamente superiori in termini di quantità di mercurio legate rispetto a quelle descritte nella domanda WO 2008/017654, ossia gli amalgami ottenuti partendo dalle madreleghe Bi-Sn-In, ad alto contenuto di stagno.

Alcuni possibili modi per inserire le maglie forate all’interno delle lampade a scarica a bassa pressione sono mostrati nelle figure 4A e 4B.

In particolare in figura 4A à ̈ schematicamente mostrata una porzione di lampada 400 dove viene raffigurato lo stelo vetroso 41 su cui sono presenti due fili di supporto dell’elettrodo, 42, 42’, sui quali à ̈ montato un filamento di tungsteno 43, tipicamente ricoperto da un rivestimento di materiale emissivo a base di ossidi (non rappresentato). Mentre i due elementi 42, 42’ hanno lo scopo sia di sostenere che di alimentare il filo di tungsteno per fargli emettere elettroni, dallo stelo parte anche un terzo elemento metallico 44, comunemente chiamato nel settore terzo elettrodo, che ha il solo scopo di sostenere altri elementi, ed in questo specifico caso la maglia metallica con l’amalgama di controllo. Nella figura 4A questa risulta essere posizionata vicino al filamento di tungsteno, mentre nella figura 4B il terzo elettrodo à ̈ ripiegato in maniera tale da allontanare l’amalgama di controllo dalla regione di scarica.

Questo diverso tipo di soluzione viene adottato a seconda della potenza massima della lampada, nel settore identificata anche con il termine di potenza nominale. Infatti per lampade a bassa potenza nominale à ̈ possibile e preferibile alloggiare l’elemento metallico forato che supporta l’amalgama di controllo in prossimità dell’elettrodo e della regione di scarica, in quanto questa non comporta un eccessivo riscaldamento della stessa. Viceversa questo non à ̈ possibile con lampade ad elevata potenza massima, dove invece à ̈ consigliabile la posizione mostrata nella figura 4B per evitare il surriscaldamento del materiale attivo.

Quelle mostrate in figura 4A e 4B sono due modalità realizzative preferite e non vincolanti, per relazionare in maniera corretta, ossia porre alla corretta distanza, l’elemento metallico forato contenente l’amalgama di controllo rispetto alla regione di scarica della lampada.

E’ importante sottolineare che, tali figure sono estremamente schematiche e semplificate e mostrano solo gli elementi strettamente necessari per la caratterizzazione dell’invenzione. Ad esempio non à ̈ rappresentata la codetta e relativo foro di collegamento presente sullo stelo vetroso per l’evacuazione della lampada, l’involucro della lampada, possibili svasamenti o geometrie particolari per lo stelo vetroso, o elementi opzionali quali elementi schermanti per l’elettrodo.

In particolare la distanza ottimale, intesa come distanza minima tra il bordo della maglia metallica forata e la porzione centrale del filamento, dipende dalla potenza massima (nel settore comunemente chiamata potenza nominale) della lampada e deve essere superiore alla distanza d in millimetri calcolata tramite la formula:

d = 0,042*P 5,250

dove P Ã ̈ la potenza nominale della lampada espressa in Watt.

Con potenza massima della lampada si intende riferirsi, come sopra menzionato, alla potenza nominale anche nel caso in cui le lampade vengano fatte lavorare a luminosità variabile mediante opportuni regolatori. Il supporto dell’amalgama di controllo deve essere tale da posizionarlo ad una distanza tale da garantire che non si abbia perdita di materiale alla massima potenza operativa della stessa.

In un suo secondo aspetto l’invenzione consiste in un metodo per la regolazione di mercurio all’interno di lampade a scarica, mediante l’impiego di una maglia metallica forata, con la superficie di ciascun foro avente area non superiore a 0,16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ depositata una composizione Bi-In-X-Hg, costituita almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed il 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, e con una quantità di mercurio compresa tra lo 0,3 ed il 12%, e detta maglia forata à ̈ posta in una posizione della lampada tale che la sua temperatura sia compresa tra 60°C e 95°C.

In una realizzazione preferita il contenuto di mercurio nell’amalgama Bi-In-X-Hg à ̈ almeno il 5%.

In un suo terzo aspetto l’invenzione si riferisce ad un processo per la produzione di lampade a scarica, comprendente l’inserimento ed il fissaggio in una posizione predeterminata della lampada di una maglia metallica forata, avente area di ciascun foro non superiore a 0,16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ presente una madrelega Bi-In-X, costituita almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso non superiore al 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, essendo prevista la successiva esposizione a mercurio con conseguente trasformazione della madrelega in un amalgama contenente una quantità di mercurio compresa tra lo 0,3% ed il 12%.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Lampada a scarica contenente una maglia metallica forata, avente area di ciascun foro non superiore a 0,16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ depositato un amalgama Bi-In-X-Hg, costituito almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed il 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, il mercurio à ̈ compreso in una quantità tra lo 0,3% ed il 12%, e detta maglia forata à ̈ posta in una posizione della lampada tale che la sua temperatura sia compresa tra 60°C e 95°C.
2. 2. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta quantità di mercurio à ̈ maggiore od uguale al 5% in peso.
3. 3. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta area di ciascun foro à ̈ non inferiore a 0,01 mm2.
4. 4. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui lo spessore di detta maglia metallica forata à ̈ compreso tra 0,2 e 0,5 mm.
5. 5. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta maglia metallica forata à ̈ costituita di nickel o di ferro nickelato.
6. 6. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta maglia metallica forata ha la forma a T.
7. 7. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta maglia à ̈ posizionata ad una distanza minima tra il bordo della maglia metallica forata e la porzione centrale del filamento superiore di detta lampada maggiore di una distanza (d) in millimetri definita in funzione della potenza nominale (P) di detta lampada espressa in Watt attraverso la formula d = 0,042*P 5,250.
8. 8. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detto amalgama à ̈ depositato su almeno il 50% della superficie di detto supporto.
9. 9. Lampada secondo la rivendicazione 8 in cui almeno il 10% della superficie di detto supporto à ̈ privo di detto amalgama.
10. 10. Metodo per la regolazione di mercurio all’interno di lampade a scarica, mediante l’impiego di una maglia metallica forata, con la superficie di ciascun foro avente area non superiore a 0,16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ depositato un amalgama Bi-In-X-Hg, costituito almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed il 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, e con una quantità di mercurio compresa tra lo 0,3% ed il 12%, e detta maglia forata à ̈ posta in una posizione della lampada tale che la sua temperatura sia compresa tra 60°C e 95°C.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10 in cui detta quantità di mercurio à ̈ maggiore od uguale al 5% in peso.
12. 12. Processo per la produzione di lampade a scarica, comprendente l’inserimento ed il fissaggio in una posizione predeterminata della lampada di una maglia metallica forata, avente area di ciascun foro non superiore a 0.16 mm2 , in cui su detta maglia à ̈ depositata una madrelega Bi-In-X-Hg, costituita almeno per il 45% in peso da Bismuto, in cui l’elemento X ha un contenuto in peso compreso tra lo 0 ed il 10% ed à ̈ costituito da uno o più dei seguenti elementi: Sn, Ga, Ag, Au, Sb, Te, essendo prevista la successiva esposizione a mercurio con conseguente trasformazione della madrelega in un amalgama contenente una quantità di mercurio compresa tra lo 0,3% ed il 12%.