JP2014533875A - 改善された開始水銀合金を含むランプ - Google Patents

Abstract

本発明は、改善された開始水銀合金を含む放電ランプ、及び放電ランプの始動中に水銀蒸気圧力を増加する方法に関連する。

Description

本発明は、始動中に水銀圧力を増加させるための改善された開始水銀合金を含むランプ、及びその第２の側面において改善された開始水銀合金を用いて始動中にランプへの水銀の蒸気圧力を増加する方法に関連する。

本発明は、有利には所謂低圧水銀ランプ、すなわち、使用中に水銀の圧力が１バールより非常に低いランプである。特に、これらの多くのランプおいて、例えば殆どの直線状で小型の蛍光灯において、最良の性能を得るために、水銀の圧力は、ランプの使用中において０．５から１．５Ｐａである。

この分野における主たる課題の１つは、ランプの使用中に増加する水銀の圧力を制御することに加えて、多量の水銀を使用することである。実際に低過ぎる圧力値において、励起される水銀の原子からの放射放出の効果的なメカニズムを実現することができない。蒸気相の過度な水銀濃度が、放出される放射線の自動吸収及び非放射性のエネルギー伝達などのメカニズムによって励起した原子が互いに相互作用することをもたらし、それによってランプの光束の低下を引き起こすのに対して、これらが少数であるからである。

水銀は、ランプ内又は外部にあり得る主要源（場合によっては一次源とも称される）を用いてランプに加えられる。水銀がランプ内に初期的に投与される方法は、本発明の対象ではなく、この分野において種々の方法で水銀投与が通常行われる。例えば、水銀は、ランプに対して外部の源から液滴の形態又は蒸気の形態で投与され、又は、低温において水銀を放出する水銀合金を挿入することによって投与される。いくつかのタイプのランプに水銀を導入するための特に有利な他の方法は、高温において水銀を放出するのに相応しい合金を支持するために、電極シールドなどのランプ自体の部品の１つを使用する。

ランプの発光効率及び光束を最適化するために長時間にわたって水銀の圧力を正常な値に制御することが非常に重要であるので、より最新式のランプは、制御水銀合金及び開始水銀合金などの追加の要素を有し得る。この分野において使用される手段の１つは、制御又は機能水銀合金を使用することである（後者の用語は、投与水銀合金又は他の適切な“一次源”を用いて水銀の初期導入が行われるランプに関連して意味をなす）。制御水銀合金の使用に関連する利点及び改善は、この分野で広く知られており、例えば米国特許第４，１５７，４８５号明細書に開示されている。最近の更なる発展は、主要成分としてビスマス及びインジウムを有し、その最適な動作温度が６０から９５℃である水銀合金の使用に関連する出願人名で国際特許出願第２０１１／０９２３４９号に開示されている。

補助水銀合金という用語も用いてこの分野で知られる開始水銀合金（本明細書において２つの用語は、等価であるものとされる）は、制御水銀合金とかなり異なる目的を有し、それらは、十分な量の水銀が、準備期間（すなわち、ランプ動作中に実現される最大出力に十分に近い発光出力を実現するために必要な時間）を大幅に低減するためにできるだけ早く蒸気相で存在することを保証するために、ランプの始動中に少量の水銀の急速な放出をもたらさなければならない。従って、開始水銀合金の目的は、ランプがスイッチオフされた後にＨｇ原子を捕獲し、次いでスイッチンオンされた直後にそれらを急速に放出することである。また、開始水銀合金の捕獲特性は重要であり、実際に、それらなしに、水銀がランプの最も冷たい部分／部品、典型的にはガラス壁に蓄積される傾向があり、従って、十分なレベルでガス形態でのその放出が関係性のある遅延の後にのみ行われる：典型的には、ランプの標準出力の８０％である発光出力を得るための十分に高いＨｇ圧力レベルを実現するために数分間が必要である。開始水銀合金は、両方の場合において水銀の初期投与が主要源（ある場合において、制御要素としても機能し得る、すなわち主要源が制御水銀合金である）によって行われるということを常に考慮して、制御水銀合金と共に、又は独立した方法として使用され得る。

制御水銀合金及び開始水銀合金における種々の機能要件は、制御水銀合金として使用される要素が開始水銀合金として使用されるのには典型的には相応しくないということを暗に示す。

特に、温度に関連する側面が重要であり、実際に、ランプの最も熱い部分に接近して開始水銀合金を位置することが重要であり、すなわち、非常に短い時間において蒸気相に最適なＨｇ濃度を達成するような速い水銀放出を保証するために、各ランプにおいて加熱されるランプの電極がスイッチオンされる。しかし、同時に、水銀合金は、長期間の使用後又は数サイクルの使用後であっても、それが溶融することなく支持体から取り外されることがないような温度で維持されなければならない。溶融における制約は、水銀合金に存在し得るが、所謂母合金において、より厳しい。この分野において母合金は、水銀合金に由来し、水銀破片が除かれている組成、従って水銀を放出した後（加熱段階中）又は水銀と合金化する前（冷却中）における水銀合金自体を示す。母合金の融点における厳しい条件は、適切な開始水銀合金において、水銀が水銀合金の融点条件前に放出されるという事実によるものであり、高温を維持する能力に関連する要求は、母合金に移される。

特に、良好な開始水銀合金、特にその母合金は、材料の置換及び形状変更なしに、相対的に高い温度、すなわち少なくとも２００℃に耐えることができなければならず、この制約に関して国際特許出願第２０１１／０９２３４９号において上述されるような方法は、改善された制御水銀合金に関連して、このような要件を明らかに満たすものではない。１００℃を超える温度において支持体上に母合金を保持することに関連する問題があり得るからである。１００から１７０℃のより高い温度に耐えることができるインジウムベースの水銀合金は、米国特許第７，４０８，２９５号明細書に開示されている。

また、開始水銀合金における、その母合金に対してより正確である追加の望まれる特性は、ランプの製造プロセスが非常に高い温度を暗示するので、加熱及び真空下における機械的安定性の観点でより厳しい要件に耐えることである。特に、ランプカソード変換プロセスは、適切な放射性のペーストの使用、及び、それに続く真空ポンプ下での約１分間にわたる１２００℃までに加熱による変換を想定し、従って、開始水銀合金の最良の母合金は、電極の付近に位置し、真空ポンプ状況下で約１分間にわたる５００〜６００℃程度の加熱に耐えることができなければならない。

米国特許第４，６３６，６８６号明細書は、電極のコイルフィラメントの直近における、インジウムで作られる補助／開始水銀合金の使用を言及する最も早い文献の１つである。

米国特許出願第２００２／１８０，３４０号明細書は、放電ランプの動作中における水銀のレベルを導入し（主要源）、制御する（制御水銀合金）Ｂｉ−Ｉｎ−Ａｇの三元の水銀合金を示す。

異なる種類の水銀合金を含むランプが、米国特許第６，７３４，６１６号明細書に開示されており、それは、好ましくは金が添加されているＢｉ−Ｐｂ水銀合金を使用する。それらは、制御水銀合金として使用される。これらのランプが、より速い急増時間の観点において、追加な補助水銀合金の使用からの利益を得ることもできるということが言及される。

予備水銀合金によって結合され放出される多量の水銀の問題は、欧州特許第７５６７５６号明細書に開示されており、それは、適切な予備水銀合金としてＳｎ―Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｉ−Ｓｎ及びＢｉ−Ｉｎの使用を開示している。

米国特許第７，０５３，５５４号明細書は、補助水銀合金として使用される適切な金属を開示しており、それらのうちの幾つかは、２００℃ほどの高温に耐えることができ、一方で、始動要素として水銀との合金にする金属及び水銀との合金にされないコーティングを想定する、２５０℃から４００℃の間で動作することができる構造体が、米国特許出願公開２００９／３２２，２２３号明細書に開示されている。開示され示された好ましい方法は、水銀との合金にする金属として、低融点を有するインジウムの使用を想定する。同様に、米国特許第５，６８６，７８８号明細書は、ランプの最も熱い部分においてインジウムを用いて得られる水銀合金などの補助水銀合金を保持するための方法を開示している。

米国特許第４，１５７，４８５号明細書 国際特許出願第２０１１／０９２３４９号 米国特許第７，４０８，２９５号明細書 米国特許第４，６３６，６８６号明細書 米国特許出願公開第２００２／１８０，３４０号明細書 米国特許第６，７３４，６１６号明細書 欧州特許第７５６７５６号明細書 米国特許第７，０５３，５５４号明細書 米国特許出願公開第２００９／３２２，２２３号明細書 米国特許第５，６８６，７８８号明細書

本発明の目的は、高温に耐え、より速い立ち上がりを保証することができる改善された開始水銀合金を有し、特定形状のホルダー又は格納手段の必要性がなく使用されるのに相応しいランプを提供することである。

その一側面において、本発明は、
ランプであって、
第１のカソード、第２のカソード、前記第１及び第２のカソード用の支持体、及び、前記ランプの高温部分における少なくとも１つの開始水銀合金を備え、
前記開始水銀合金が、母合金、及び前記開始水銀合金の総重量に対して０．１ｗｔ％から１０ｗｔ％の量の水銀を含み、
前記母合金が、
−Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ及びＴｉからなる群Ａから選択される１つ又はそれ以上の元素、及び、
−Ｂｉ、Ｓｎ、Ｇａ及びＺｎからなる群Ｂから選択される１つ又はそれ以上の元素を含み、
Ａが、前記母合金の少なくとも５０ｗｔ％であり、
Ｂが、前記母合金の少なくとも１５ｗｔ％であり、
Ａ及びＢの合計が、前記母合金の少なくとも９５ｗｔ％である、ランプからなる。

好ましい方法において、Ａ及びＢの合計は、前記母合金の少なくとも９９ｗｔ％である。

好ましくは、前記開始水銀合金中の水銀の量は、０．８ｗｔ％から８ｗｔ％である。

本発明による改善された開始水銀合金を含むランプにおける更なる利点は、それらが、ポンピング下でそれらの加熱を引き起こすランプカソード変換プロセスに適合可能であるということである。

図１は、特に本発明による開始水銀合金を支持するために相応しい、穴が設けられた金属構造体の単純化したグラフ図を示す。 図２は、本発明による穴が設けられた金属構造体が載置されたランプの詳細部を示す。

本発明は、添付の図面と共にさらに説明される。

図面において、特に図２を参照すると、様々な要素のサイズ及び寸法比は正確なものではなく、図面の理解を助けるために変更されている。

本明細書及び特許請求の範囲において、ランプの高温部分に関して、それは、カソード付近の部分などのランプの部分を意味し、ここで、ランプのスイッチがオンした後に達成されるより高い温度は、少なくとも２００℃であり、好ましくは２５０℃である。このような温度条件は、一般的にランプの始動後の数秒で達成されることが強調される（通常、点火後の１０秒以内）。言及したように、開始水銀合金は、好ましくは、達成されたより高い温度が少なくとも２５０℃である領域に配置される；このような状況は、２００℃に対して好ましい。それは、より速い水銀の放出及びそれによるより高い効率の開始プロセスを保証するからである。

好ましい水銀合金のうち、可能な上記の組み合わせについて、母合金が、Ａｇ−Ｂｉ、Ｃｕ−Ｂｉ及びＡｇ−Ｃｕ−Ｂｉの組み合わせに基づくものがある。これらの合金は、それらが、相対的に多量の水銀を結合するために特に良好な性能を有し、２００℃より高い温度において、それらが、形成された開始水銀合金からの水銀の最速の放出を保証することができるので、好ましい。

開始水銀合金（通常、単に開始合金と称される）がランプ中に形成される母合金を挿入する好ましい方法は、好ましくは０．１６ｍｍ^２より大きくない表面積を有する穴が設けられた金属構造体を用いることである。穴が設けられた金属構造体という用語は、その最も一般的で機能的に等価な変形例、すなわち、金属ネット、金属メッシュ、及び穴が開けられた金属ストリップなどの素子も指すものである。穴が開けられた金属構造体の厚さは、好ましくは０．１から０．５ｍｍであり、その製造材料に関しては、ニッケル又はニッケルめっきした鉄の使用が好ましい。

より好ましい実施形態において、補助水銀合金は、金属構造体の利用可能な表面積の少なくとも５０％の部分において配置される。ある場合、開始水銀合金／母合金の堆積がない部分を有することが好ましい。その存在が、ランプ内の金属構造体の固定動作に干渉しないからである。

本発明による改善された開始水銀合金の支持体用の好ましい方法は、図１に示される。Ｔ形状のネット１０は、脚として機能する薄い部分１１と、より大きい表面積を有する部分１２とを備える。部分１２は、２つの部分、すなわち本発明による改善された開始水銀合金が堆積される部分１３及び水銀合金が堆積されない部分１４に分けられる。図１の目的は、本発明によるランプに開始水銀合金を挿入するための支持体における可能な構成を示すことである。しかし、他の実施形態も可能であり、全く同等である。例えば、他の実施形態において、穴が開けられた支持体の形状は異なっていても良く、この場合、最も関心のある代替的な形状のなかにはＩ形状及びＬ形状がある。ネットは、必ずしも円形ではない穴を有していても良く、例えば菱形、長方形又は六角形などの、完全に等価な他の形状を有しても良い。

ランプ内に開始水銀合金を挿入するための他の適切な方法は、例えば、水銀合金がその上に堆積される金属の小さい板又はシート（ランプ内に有利に適合するような所望の寸法及び形状に切断された）を用いることであり、又は、他の特に有利な方法においては、開始水銀合金自体は、ストリップ、フラッグ又はワイヤの形態に形付けられ、この場合、“水銀合金フラッグ又はワイヤ”は、有利には、両方の電極支持体に固定される。フラッグ及びストリップに関して、それは、全体的に長方形の外観を有する素子を意図し、ストリップの場合、長方形の最大及び最小寸法の比が２を超え、フラッグの場合、この比は、１（正方形形状）から２である。

支持体のタイプ、及び、補助水銀合金が支持されない（そのまま使用される）という事実から独立して、その初期の形態は、母合金であり、それは、主要源との相互作用の結果として、ランプ内に取り付けられた後のみに水銀合金を形成する。

本発明によるランプの部分の実施形態の概略図が図２に示される。ランプ２０は、カソードを支持する２つのワイヤ２２，２２’が位置するガラス脚２１、及び、典型的には酸化物に基づく発光材料で作られたコーティング（図示されない）で覆われたタングステンフィラメント２３を備える。２つの部材２２、２２’が、タングステンフィラメントを支持し、電子を放出することを引き起こすためにそれに電流を供給するという両方の機能を果たす一方で、第３の金属部材２４は、脚から延びる。この部材は、この分野において通常“第３の電極”と呼ばれ、他の部材を支持する目的のみを有し、図２に示される場合において、穴が開けられた金属構造体２５は、開始水銀合金を担持する。

開始水銀合金は、第１及び第２のカソードの一方に接近して載置され得るが、水銀圧力のより均一な発生に関連する理由のために、２つの開始水銀合金（好ましくは、組成、サイズ、配置に関して互いに等しい）が提供され、一方は、第１のカソードの近くに位置し、もう一方は、第２のカソードの近くに位置する。

開始水銀合金が使用され、母合金粉末及び適切なバインダーの混合物からなるペーストの形態で、カソードの近く（例えば、引き込みワイヤ上）などの、ランプ内の適当な位置に配置される。バインダーは、例えばランプ内で典型的に使用されるニトロセルロースベースのバインダーのような有機バインダー、又は、アルミニウムベース若しくはアルミニウムシリケートバインダーなどの無機バインダーであり得る。

粉末は、０．５μｍから３００μｍの平均粒度分布（非球形形状を有する粉末の場合、粒度分布に関して、それは、最大側方寸法を意味する）を有し得るが、粉末の最大許容粒度分布は、５００μｍを超えない。

その第２側面において、本発明は、開始水銀合金温度が点火後の１０秒以内に少なくとも２００℃まで達する本発明によるその始動中に放電ランプにおける水銀圧力を増加させる方法に特有のものである。

好ましくは、開始水銀合金は、ランプ点火後の１０秒以内に少なくとも２５０℃まで達する。

他の好ましい方法において、開始水銀合金は、粉末状の母合金を有するペースト状のカソードに接近してランプ内に挿入され、ここで、この合金は、適切なバインダーに分散される。この粉末は、０．５μｍから３００μｍの平均粒度分布（非球形形状を有する粉末の場合、粒度分布に関して、それは、最大側方寸法を意味する）を有し得るが、粉末の最大許容粒度分布は、５００μｍを超えない。

本発明は、以下の実施例を用いてさらに説明される。

（実施例１）

種々の母合金が、穴が開けられた金属ネット上に堆積される；試料は、各母合金においてプレスによって調製され、メッシュ開口の各々に刻み込まれる円の直径が０．２８ｍｍであるメッシュを有するネットの５ｍｍ^２のフラッグに約５ｍｇの量がある；このような試料は、約１×１０^−３ミリバールの真空中において２分間にわたって５００℃で加熱される。

表１は、本発明によって調製された４つの試料Ｓ１からＳ４及び３つの比較例試料Ｃ０からＣ２における母合金の組成、並びに、真空下において２分間にわたって５００℃で加熱した後における支持体の外観検査の結果を示す。言及されるように、この処理は、合金とフィラメントとの間の距離が最も近いために、ランプの最も高温な部分に配置される開始水銀合金を有する必要性によって決定される、カソード転換処理中に母合金に与えられる最も厳しい状況に対応する。

表１から、本発明による母合金（Ｓ１からＳ１２）が、最も厳しい状況においてカソード転換処理に耐えることができることを観察することができる。

このような特性は、多量のこのような要素を含む全ての母合金（比較試料Ｃ１）が持たないのと同様に、開始水銀合金として一般的に使用される元素であるインジウム（比較試料Ｃ０）が持つものではない。比較試料Ｃ２などの、Ａ要素の存在の量（ｗｔ％）の条件（５０％以下）に反する母合金が、試験条件を成功裏に維持することができないということが示される。

（実施例２）

本発明によるいくつかの母合金の水銀結合特性に関する性能を試験するために、母合金の小さなインゴットを製造した。インゴットを小さな破片にした後、５ｍｇの各母合金を、数十ミリグラムの水銀を含有する電球に配置した；空気を除去した後に、この電球を機械的なポンプから離隔した。続いて、試料を含有する電球の部分を、約１Ｐａの水銀の蒸気圧下で１１５℃に加熱し、各母合金を５時間にわたって水銀蒸気に晒した。

このステップの後、母合金を電球から取り出し、重量差測定によって、上記の条件で水銀を吸収する能力を測定した。結果を以下の表に纏める。試料番号は、表１のように組成を識別するために使用されている（すなわち、表１の試料Ｓ１は、表２の試料１と同一の組成を有する）。

本発明による水銀合金の全ては、この水銀がランプの始動時間を低減するのに寄与することができるような方法で、低温において十分な量の水銀を結合すると共に、ランプがスイッチンオンした後に直ちに発生する加熱の最中にそれを放出するための性能を有する。

浸出問題なしに言及された耐ランプ条件の特性を有する、本発明による水銀合金を形成するいくつかの母合金は、それらが、比較的多量の水銀を結合するために特に良好な性能を有し、それがランプのオフ期間中に十分な水銀を捕獲するために、より少量の材料を導入することを許容するので好ましい。表２に示されるように、ＢｉＡｇ（Ｓ１）、ＢｉＣｕ（Ｓ８）、ＢｉＡｇＣｕ（Ｓ４）は、水銀を捕獲する優れた性能を有するので好ましい要素である。

１０ Ｔ形状のネット
１１ 薄い部分
１２ 大きな表面積を有する部分
１３ 改善された開始水銀合金がある部分
１４ 水銀合金が堆積されない部分
２０ ランプ
２１ ガラス脚
２２ ワイヤ
２２’ ワイヤ
２３ タングステンフィラメント
２４ 第３の金属部材
２５ 穴が開けられた金属構造体

Claims (16)

1. ランプであって、
   第１のカソード、第２のカソード、前記第１及び第２のカソード用の支持体、及び、前記ランプの高温部分における少なくとも１つの開始水銀合金を備え、
   前記開始水銀合金が、母合金、及び前記開始水銀合金の総重量に対して０．１ｗｔ％から１０ｗｔ％の量の水銀を含み、
   前記母合金が、
   −Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ及びＴｉからなる群Ａから選択される１つ又はそれ以上の元素、及び、
   −Ｂｉ、Ｓｎ、Ｇａ及びＺｎからなる群Ｂから選択される１つ又はそれ以上の元素を含み、
   Ａが、前記母合金の少なくとも５０ｗｔ％であり、
   Ｂが、前記母合金の少なくとも１５ｗｔ％であり、
   Ａ及びＢの合計が、前記母合金の少なくとも９５ｗｔ％である、ランプ。
2. Ａ及びＢの合計が、前記母合金の少なくとも９９％である、請求項１に記載のランプ。
3. 前記開始水銀合金が、０．８ｗｔ％から８ｗｔ％の水銀を含む、請求項１に記載のランプ。
4. 前記高温部分が、ランプがスイッチンオンした後、２５０℃以上の温度まで達するようなものである、請求項１に記載のランプ。
5. 前記母合金が、Ａｇ−Ｂｉ、Ｃｕ−Ｂｉ及びＡｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金からなる群から選択される、請求項１に記載のランプ。
6. 前記開始水銀合金が、バインダー中において粉末の分散の形態である、請求項１に記載のランプ。
7. 前記粉末が、０．５μｍから３００μｍの平均サイズ及び５００μｍ以下の最大サイズを有する、請求項６に記載のランプ。
8. ２つの開始水銀合金を含み、それらの一方が、前記第１のカソードの近くに配置され、もう一方が、前記第２のカソードの近くに配置される、請求項１に記載のランプ。
9. 前記開始水銀合金が、穴が設けられた金属構造体に堆積され、前記穴を有する領域が、０．１６ｍｍ^２より大きくない、請求項１に記載のランプ。
10. 前記開始水銀合金が、少なくとも５０％の前記金属構造体上に堆積される、請求項９に記載のランプ。
11. 前記金属構造体が、Ｔ形状、Ｌ形状又はＩ形状である、請求項９に記載のランプ。
12. 前記開始水銀合金が、金属シートに堆積される、請求項１に記載のランプ。
13. 前記開始水銀合金が、１つ又は２つのフラグ、ストリップ又はワイヤの形態である、請求項１に記載のランプ。
14. 前記１つ又は２つのフラッグ、ストリップ又はワイヤが、前記カソードの近くにそれぞれ配置され、前記カソード支持体に固定される、請求項１３に記載のランプ。
15. 請求項１から１４の何れか一項に記載の放電ランプの始動中に水銀圧力を増加させる方法であって、
    前記開始水銀合金の温度が、点火後の１０秒以内に少なくとも２００℃まで達する、方法。
16. 前記開始水銀合金の温度が、点火後の１０秒以内に少なくとも２５０℃まで達する、請求項１５に記載の方法。