JP2009510676A

JP2009510676A - ビスマス・インジウムアマルガム，蛍光ランプ及び製造方法

Info

Publication number: JP2009510676A
Application number: JP2008532472A
Authority: JP
Inventors: シー．ハンセン，スティーブン
Original assignee: アドバンスドライティングテクノロジイズ，インコーポレイティド
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2009-03-12
Also published as: EP1938357A2; CN101310354B; WO2007038419A3; EP1938357B1; WO2007038419A2; US8133433B2; EP1938357A4; CN101310354A; US20070071635A1; ATE534137T1

Abstract

本発明は、水銀、ビスマス、インジウム及びその他の金属を含む固体材料でランプ内に水銀が投与される蛍光ランプ及びその製造方法に関する。一実施形態では、金属は、亜鉛、スズ、鉛、銀、金、銅、ガリウム、チタン、ニッケル及びマンガンから成る群から選択される。好ましくは、ビスマスとインジウムの原子比率は約０．４：０．６〜０．７：０．３の範囲内である。亜鉛とインジウム及びビスマスの組合せ体との原子比率は好ましくは、約０．０１：０．９９〜０．２０：０．８０の範囲内であり、また水銀とインジウム、ビスマス及び亜鉛の組合せ体との原子比率は好ましくは、約０．０１：０．９９〜０．１５：０．８５の範囲内である。

Description

（関連出願）
本願は、２００５年９月２６日に出願した米国仮特許出願第６０／７２０，０３７号の出願日について優先権を主張し、この米国仮特許出願の明細書は全て本願明細書に参照文献として組込まれる。

本発明は一般的には低圧水銀放電ランプに関するものである。一層特に、本発明は、水銀、ビスマス及びインジウムを含むランプ充填材を有するかかるランプ、並びに、高純度で、一様なサイズで、一様な組成の実質的に固体の水銀含有ペレットを用いてランプに充填材をドープする方法に関する。

蛍光ランプは周知であり、水銀を含む蒸気化可能なランプ充填材を収容している。このようなランプの製造においては、ランプの発光チャンバ内に極少量の水銀を導入することが必要である。例えば、ある蛍光ランプでは、ライプのサイズに応じて、単に約0.1mgの水銀、約10mgまでの水銀を含んでいる。ランプ内に直接液体水銀を導入することができるが、水銀の表面張力が高いため、かかる少量の水銀を正確に投与することは非常に難しい。その結果として、液体水銀を用いて投与したランプは、通常、ランプを作動するのに必要な量より多い水銀を収容しており、ランプの破棄の際に環境問題に繋がる。これらの問題を解決するため、水銀は、実質的に固体のランプ充填材料を形成するように他の元素と組合わされ、それによりランプ内への正確な量の水銀を投与する手段を提供しながら材料の取扱いや破棄を容易にしてきた。

別の問題は、ランプがある範囲の温度内で有効に作動するようなレベルに、水銀蒸気圧を維持することにある。水銀蒸気原子は、電気エネルギーを紫外線に変換する。水銀蒸気圧は好ましくは、ほぼ2×１０^-3〜2×１０^-2Torr、最適には約６×１０^-3Torrである。そして紫外線は、ランプ内壁の燐光物質被覆によって吸収され、そして可視光線に変換される。ランプの作動温度が高くなるにつれて、水銀蒸気圧は高くなり、より多くの紫外線が水銀によって自己吸収されることになり、それにより、ランプの効率が低下し、光出力が低減する。従って、水銀蒸気圧は制御されなければならない。従来、ある形式の蛍光ランプでは、水銀蒸気圧はランプの温度を制御することによって制御される。別の形式の蛍光ランプでは、水銀蒸気圧は、ランプに水銀蒸気圧調整材料を添加することによって制御される。

水銀蒸気圧を制御するために水銀蒸気圧調整材料を利用したランプは、通常、７５℃以上のコールドスポット温度で動作し、そして一般的には直径が小さい。このようなランプは“コンパクトランプ”として知られており、通常、水銀蒸気圧を制御するためにランプ充填材に水銀に加えてアマルガム性金属を必要としている。米国特許第4,157,485号には、低圧水銀蒸気放電ランプ、すなわち蛍光ランプにおける水銀蒸気圧を広い温度範囲にわたって制御するのに用いられるインジウム・ビスマス・水銀アマルガムが記載されている。アマルガムの目標は、水銀蒸気圧をできるだけ広い温度範囲にわたって６×１０^-3Torr（蛍光ランプの最適蒸気圧）を維持することにある。インジウム・ビスマスアマルガムは、純粋な水銀の場合より常温で低い水銀蒸気圧を維持するが、水銀蒸気圧は、ランプを点灯させるのに十分である。約４０℃以上の温度（純粋な水銀を入れたランプの場合に最適水銀蒸気圧である）では、水銀だけを収容したランプの効率は低減し、一方、インジウム・ビスマスアマルガムを入れたランプでは、約１３０℃までの温度の場合の可能な光出力の９０％より大きく留まる。上限温度は、主としてアマルガムの化学組成及び水銀含有量によって決まる。米国特許第4,157,485号には、ビスマスの原子とインジウムの原子との比率が０．４：０．６〜０．７：０．３であり、水銀の原子とビスマス及びインジウムの原子の和との比率が０．０１：０．９９〜０．１５：０．８５であるインジウム・ビスマスアマルガムが記載されている。

商業的に普通に用いられるインジウム・ビスマス・水銀ペレットの組成は、２８〜３２重量%のインジウムと、６４〜６９重量%のビスマスと、１．５〜５．０重量%の水銀である。しかし、この組成でのアマルガムを用いたランプの製造及び生産は、ペレット内に存在する少量の液体アマルガムのために困難である。これらのペレットはほぼ常温で凝集し、分離するのが難しい。従って、ペレットは“フリーフロー”でなく、すなわちペレットは他のペレットと接触すると互いに粘着し、他のペレット上をロールしない。ペレットを製造した直後に、自己凝集が起こり得、又は数週間が経過した後、自己凝集が起こり得る。上記アマルガム組成のフロー特性が低いために、取扱い、投与及びランプ製造での重大な問題が生じる。これらのアマルガムの自己凝集は、ランプの製造環境においてむだを生じさせ、これらアマルガムの使用を制限させる。

従って、本発明の目的は、上記の問題点を解決し、そして新規なランプ充填材料、蛍光ランプへの投与方法、及び水銀を含んだランプ充填材料の取扱い特性を改善する方法を提供することにある。本発明の別の目的は、フリーフロー固体を形成する新規なランプ充填材料を提供することにある。本発明のさらに別の目的は、水銀、ビスマス、インジウム及び別の金属の組成物を有し、フリーフローであり、蛍光ランプの作動中に水銀蒸気圧を調整する材料を含むペレットを提供することにある。本発明の別の目的は、インジウム・ビスマス・水銀アマルガムによって低圧水銀放電ランプ内の水銀蒸気圧を調整することにある。本発明のさらに別の目的は、インジウム・ビスマス・亜鉛・水銀アマルガムによって低圧水銀放電ランプの製造を改良することにある。本発明のさらに別の目的は、アマルガム制御型蛍光ランプ内へ精確な量の水銀を導入する新規な方法を提供することにある。

これら及び他の多くの目的及び利点は、特許請求の範囲、添付図面及び以下の説明から当業者には容易に明らかとなる。

図1には、本発明の一実施形態による水銀蒸気放電ランプを概略的に示している。ランプ１００は、通常の天井に固定して取り付けて使用するのに適した標準サイズのものであり得る。放電空間の両端には熱電極１３０、１４０が位置決めされている。ランプ１００は、本発明による組成の一つ以上のランプ充填ペレット２００を備え得る。

図２には、本発明の一実施形態によるペレットを示している。図２において例示したランプ充填ペレット２００は一般的には球状として示されている。本明細書に記載した原理は球状のペレットに限定されず、本発明から逸脱することなしに他の幾何学的形状も含み得ることが認められるべきである。ペレット２００は、水銀と、ビスマスと、インジウムと、亜鉛、スズ、鉛、銀、金、銅、ガリウム、チタン、ニッケル及びマンガンから成る群から選択した金属とを含む組成物を有し得る。

本発明によるペレットは四元素から成り得る。すなわち、ペレットは単に、水銀と、ビスマスと、インジウムと、亜鉛、スズ、鉛、銀、金、銅、ガリウム、チタン、ニッケル及びマンガンから成る群から選択した金属とから成り得る（かかる少量の不純物は製造プロセスにおいて導入され得る）。他の実施形態では、ペレットは、水銀と、ビスマスと、インジウムと、亜鉛、スズ、鉛、銀、金、銅、ガリウム、チタン、ニッケル及びマンガンから成る群から選択した二つ以上の金属とを含み得る。一実施形態では、アマルガムは純度約９９%であり、そして一般的には酸素及び水は含まない。

本発明によるペレットの適当な組成の一例は、約２０〜７０重量%のインジウムと、３０〜８０重量%のビスマスと、０．１〜２０重量%の亜鉛と、０．１〜４０重量%の水銀とを含んでいる。さらに別の実施形態では、アマルガム組成は、約２８．８重量%のインジウムと、６７．４重量%のビスマスと、０．８５重量%の亜鉛と、２．９重量%の水銀とを含んでいる。

本発明の実施形態によるアマルガムは常温において実質的に固体であるので、ランプにおいて使用するアマルガムの量は容易に定量化して分与することができる。例えば、ほぼ一様な質量及び組成の小さなペレットは、球状ペレットが最も容易に取扱いできるが、製造プロセスにおいて適切である任意の形状に形成され得る。典型的な球状ペレットの直径は約２００〜３５００ミクロンである。

ほぼ球状のペレットはほぼ様な質量及び組成をもち得、そして米国特許第4,216,178号に記載された方法及び装置によるような、溶融したアマルガムを急速に固化し又は急冷することによって作られ得、上記米国特許第4,216,178号の記載内容は本明細書に参照文献として組み込まれる。これらのペレットは、約０．０５〜２００mgの範囲において予定のほぼ一様な質量（±１５%）を有することができる。溶融したアマルガムをペレットにする他の方法としては流し込み成形や押出成形が含まれ得る。これらのペレットは計量され、計数され又は体積測定されて、従来の方法によってランプ内に導入され得る。例えば、５mgの水銀を必要とするランプでは、各々２．５重量%の水銀を含み重さ約５０mgの四つのペレット、或いは同様な組成の２００mgの一つのペレットが使用できる。

本発明の一実施形態によるプロセスは、水銀、ビスマス、インジウム及び別の金属を含む溶融混合物を形成すること、及びこの混合物を急速に冷却することを含んでいる。急令したペレットの結果としての微細構造は、米国特許第5,882,237号に記載された材料と同様に非平衡的状態であり得、上記米国特許第5,882,237号の明細書は本明細書に参照文献として組込まれる。水銀は、液体アマルガム、固体アマルガム或いはその両方として混合物中に存在できる。材料は、水銀が液体アマルガムとして存在していてもフリーフローであり得る。一実施形態では、金属亜鉛が添加され、そしてこれらの材料において亜鉛固溶体として又は金属間化合物Zn₃Hgとして、或いはその両方として現われ得る。

図３は、ビスマス、インジウム及び亜鉛の相状態図である。一実施形態によるBi−In−Zn組成は、点Ａ（２０重量％のインジウム、８０重量％のビスマス）、点Ｂ（７０重量％のインジウム、３０重量％のビスマス）、点Ｃ（２０重量％の亜鉛、５０重量％のインジウム、３０重量％のビスマス）、点Ｄ（２０重量％の亜鉛、２０重量％のインジウム、６０重量％のビスマス）で画定された台形として示されている。台形ＡＤＣＢ出画定された組成物は約０．１〜４０重量％の水銀を付加的に含み得る。

本発明によるペレットは平衡相状態図で示されたようには振舞わず、平衡状態ではない。代わりに、アマルガムは準安定な非平衡的状態にあり得る。アマルガムペレットは、亜鉛に富んだ外方部分と水銀に富んだ内方部分とを備え得る。このペレットはまた、球形ペレットの内方においてインジウム・ビスマス（ＩｎＢｉ）に富んだ領域を含み得る。

図４には、本発明の一実施形態による組成物の蒸気圧を従来の組成物と比較して例示する。一層特に、図４の曲線Ａは、Ｂｉ−Ｉｎ−Ｈｇをもつ先行技術の組成物の蒸気圧を示し、一方、曲線Ｂは、Ｂｉ−Ｉｎ−Ｈｇ−Ｚｎをもつ本発明による組成物の蒸気圧を示している。図４に例示するように、ビスマス、インジウム及び水銀のアマルガムへの亜鉛の添加は、充填材料の水銀蒸気圧調整特性に悪影響せず、常温でフリーフローである充填材料を提供できるという利点が得られる。

本発明によって作ったＢｉ−Ｉｎ−Ｈｇからの水銀重量の損失は表１に示されている。アマルガムは３０分で３００℃に加熱した際にそれらの水銀を解放できる。

本発明の他の有利な実施例は以下の例から見ることができる。

実施例１−６８．２ｇのビスマスと、３０．１ｇのインジウムと、０．７ｇの亜鉛と、１ｇの水銀とを含む試料を米国特許第４，２１６，１７８号に記載され方法によって１０００ミクロンの球形に作った。結果としてのペレットは平滑でフリーフローであった。

実施例２−６７．７ｇのビスマスと、２９．４ｇのインジウムと、０．３ｇのマンガンと、２．７ｇの水銀とを含む試料をアンダーソンの方法によって１０００ミクロンの球形に作った。結果としてのペレットは平滑でフリーフローであった。

本明細書では好ましい実施形態について記載／説明してきたが、説明してきた実施形態は単に例示のためのものであり、本発明の範囲は単に特許請求の範囲によって画定され、等価の全範囲に従って、当然多くの変形及び変更が当業者には可能であることが理解されるべきである。

本発明の一実施形態による蛍光ランプを示す概略図。本発明の一実施形態による球状ペレットを示す図。ビスマス、インジウム及び亜鉛の相状態図。本発明の一実施形態による組成物の蒸気圧を示す比較図。

Claims

正確な量の水銀を蛍光ランプへ供給し、蛍光ランプの作動中水銀蒸気圧を調整するための固体ランプ充填材料であって、
前記材料が、ビスマス、インジウム、水銀、及び水銀と一つ以上の金属間相を形成する、ビスマス及びインジウム以外の金属を含んでいることを特徴とする固体ランプ充填材料。
前記金属が亜鉛であることを特徴とする請求項１記載の固体ランプ充填材料。
前記金属がマンガンであることを特徴とする請求項１記載の固体ランプ充填材料。
水銀と、ビスマスと、インジウムと、亜鉛，スズ，鉛，銀，金，銅，ガリウム，チタン，ニッケル及びマンガンから成る群から選択した一つの金属とを含んでいることを特徴とするペレット。
前記金属が、亜鉛、銀、銅及びマンガンから成る群から選択されることを特徴とする請求項４記載のペレット。
前記金属が亜鉛であることを特徴とする請求項５記載のペレット。
亜鉛が準安定な非平衡状態にあることを特徴とする請求項６記載のペレット。
さらに、銀及び銅から成る群から選択した別の金属を含んでいることを特徴とする請求項５記載のペレット。
前記金属がマンガンであることを特徴とする請求項５記載のペレット。
ペレットがフリーフロー（易流動性）であることを特徴とする請求項４記載のペレット。
正確な量の水銀を蛍光ランプへ供給し、蛍光ランプの作動中水銀蒸気圧を調整するのに適した多数のフリーフローペレットをほぼ常温で形成し、前記ペレットが、蛍光ランプの作動中水銀蒸気圧を調整するためビスマス及びインジウム、及び水銀とペレットの凝集を防ぐ第４の金属との一つ以上の金間属相を含んでいることを特徴とする固体ランプ充填材料。
前記第４の金属が、亜鉛、銀、銅及びマンガンから成る群から選択されることを特徴とする請求項１１記載の固体ランプ充填材料。
水銀、ビスマス、インジウム、及び水銀とインジウム又はビスマス以外の金属との金属間相を含み、ビスマスとインジウムの原子比率が約０．４：０．６〜０．７：０．３の範囲内であることを特徴とするペレット。
水銀と亜鉛との金属間相を含んでいることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
水銀と銀との金属間相を含んでいることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
水銀と銅との金属間相を含んでいることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
水銀とマンガンとの金属間相を含んでいることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
前記金属とインジウム及びビスマスの組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．２０：０．８０の範囲内であることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
水銀とインジウム、ビスマス及び前記金属の組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．１５：０．８５の範囲内であることを特徴とする請求項１３記載のペレット。
亜鉛を含むことを特徴とする請求項１３記載のペレット。
さらに、スズ、鉛、銀、金、銅、マンガン又はガリウム、チタン及びニッケルから成る群から選択した一つ以上の金属を含むことを特徴とする請求項２０記載のペレット。
さらに、マンガンを含むことを特徴とする請求項１３記載のペレット。
水銀を蛍光ランプへ投与し、蛍光ランプの作動中水銀蒸気圧を調整するペレットであって、ビスマス、インジウム、亜鉛及び水銀を含み、インジウムとビスマスとの原子比率が約０．４：０．６〜０．７：０．３の範囲内であり、亜鉛とインジウム及びビスマスの組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．２０：０．８０の範囲内であり、また水銀とインジウム、ビスマス及び亜鉛の組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．１５：０．８５の範囲内であることを特徴とするペレット。
約２８．8 重量%のインジウムと、６７．4重量%のビスマスと、０．８５重量%の亜鉛と、２．９重量%の水銀とを含むことを特徴とする請求項２３記載のペレット。
水銀と亜鉛との原子比率が約０．２５：１〜約５：１の範囲内であることを特徴とする請求項２３記載のペレット。
ビスマス及びインジウムがペレットの約５０〜９８重量%を含むことを特徴とする請求項２３記載のペレット。
ビスマスと、インジウムと、水銀と、亜鉛，スズ，鉛，銀，金，銅，ガリウム，チタン，ニッケル及びマンガンから成る群から選択した一つの金属とを含む一つ以上のペレットを収容した蛍光ランプ。
前記金属が亜鉛であることを特徴とする請求項２７記載の蛍光ランプ。
亜鉛が準安定で非平衡状態にあることを特徴とする請求項２8記載の蛍光ランプ。
前記金属がマンガンであることを特徴とする請求項２９記載の蛍光ランプ。
ビスマス、インジウム、マンガン及び水銀を含む、蛍光ランプ内へ水銀を投与するペレットであって、インジウムとビスマスとの原子比率が、約０．４：０．６〜０．７：０．３の範囲内であり、マンガンとインジウム及びビスマスの組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．２０：０．８０の範囲内であり、また水銀とインジウム、ビスマス及びマンガンの組合せ体との原子比率が、約０．０１：０．９９〜０．１５：０．８５の範囲内であることを特徴とするペレット。
約２９．４重量%のインジウムと、６７．７重量%のビスマスと、０．３重量％のマンガンと、２．７重量%の水銀とを含むことを特徴とする請求項３１記載のペレット。
水銀とマンガンとの原子比率が約０．０５：１〜約５：１の範囲内であることを特徴とする請求項３１記載のペレット。
ビスマス及びインジウムがペレットの約５０〜９８重量%を含むことを特徴とする請求項３１記載のペレット。
ビスマスと、インジウムと、水銀と、亜鉛，スズ，鉛，銀，金，銅，ガリウム，チタン，ニッケル及びマンガンから成る群から選択した一つの金属とを含む組成物からなる一つ以上のペレットを蛍光ランプ内へ導入するステップを含む蛍光ランプへ水銀及び水銀蒸気圧調整材料を投与する方法。
水銀と、ビスマスと、インジウムとを含む組成物を有するランプ充填材料の取扱い特性を改善する方法であって、インジウムとビスマスとの原子比率が、約０．４：０．６〜０．７：０．３の範囲内であり、前記材料の形成中に亜鉛、スズ、鉛、銀、金、銅、ガリウム、チタン、ニッケル及びマンガンから成る群から選択した一つの金属を添加するステップを含むことを特徴とする方法。
金属が亜鉛であることを特徴とする請求項３６記載の方法。
金属がマンガンであることを特徴とする請求項３６記載の方法。
水銀と、ビスマスと、インジウムとを含む組成物を有する多数のペレットを供給するステップと、多数のペレットから一つのペレットを分離するステップと、分離したペレットをランプ内へ投与するステップとを含む、蛍光ランプへ水銀及び水銀蒸気圧調整材料を調整する方法において、
多数のペレットが、水銀と、ビスマスと、インジウムと、亜鉛，スズ，鉛，銀，金，銅，ガリウム，チタン，ニッケル及びマンガンから成る群から選択した一つの金属とを含む組成物を有することを特徴とする調整方法。
金属が亜鉛であることを特徴とする請求項３９記載の方法。
金属がマンガンであることを特徴とする請求項３９記載の方法。