JP3892901B2 - 低圧水銀放電灯 - Google Patents

Description

本発明は、放電容器が設けられており、その放電容器は、放電容器内部で発生された放射線を通す筒状部分を有し、かつ第１の端部部分と第２の端部部分を有し、放電容器は、水銀と希ガスが気密に充填されている放電空間を囲み、各端部部分は、放電空間内に配置されている電極を支持し、電流供給導体が電極から端部部分を通って放電容器の外部に出て、放電容器の筒状部分の放電空間に面する表面には金属酸化物層が設けられる、低圧水銀放電灯に関するものである。
そのような灯は米国特許第４，５４４，９９７号明細書から知られている。既知の灯の筒状部分は、スカンヂウム、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、イッテルビウム、およびルテチウムによって構成されている群からの少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物の層を有する。金属酸化物層は、水銀との反応のために、放電容器の筒状部分の壁の侵食に対抗し、したがって、灯の放射線出力の維持に好ましい影響を及ぼす。金属酸化物層は、有機金属化合物の溶液を、放電空間に面する放電容器の表面上に流し、その後で放電空間に面する表面上に残っている膜を乾燥し、焼結して得ていた。
金属酸化物層は、灯の水銀消費、すなわち、灯の動作中に灯の成分に結び付けられ、したがって灯の動作にもはや利用できない水銀の量が、金属酸化物層を有しない灯における水銀の量と比較して少なくし得たものである。それにもかかわらず、十分に長い寿命を実現するためには、既知の灯にも比較的高い水銀使用量が必要である。これは灯の寿命が尽きた時に慣れない人が灯を廃棄する場合に、環境にとって有害である。高い水銀使用量は^１９６ＨＧに富んでいる水銀の経済的に実現可能な使用も阻止する。この同位体に富んでいる水銀を充填されている灯の効率が比較的高いことが米国特許第４，３７９，２５２号明細書から知られている。しかし、この同位体は比較的高価であるから、多くの水銀使用量に伴う同位体の必要量のコスト価格によって、この高い水銀使用量の場合にはその利点は帳消しにされる。
本発明の目的は、比較的少量の水銀を消費する、初めの節において述べた種類の灯を得ることである。
本発明によれば、この目的のために、灯は第１の端部部分と第２の端部部分のおのおのの放電空間に面する表面の上に金属酸化物層が設けられることを特徴とするものである。
放電空間に面する端部部分の全体の表面積は筒状部分のそれと比較して小さい。しかし、それでも既知の灯における端部部分には筒状部分におけるのとほぼ同じ量の水銀が結び付けられることを発明者は見出だしている。更に、端部部分に金属酸化物層が存在することによって、端部部分への水銀の結び付きを大幅に減少するばかりでなく、筒状部分に結び付けられる水銀の量をかなり減少させることを見出だしたことも驚くべきことであった。本発明でない灯の端部部分は、端部部分の上の金属酸化物層が存在しない時にＣＯ_２およびＨ_２Ｏなどの不純物を放出すると仮定している。動作中は端部部分は比較的高温になる。そうすると前記不純物の放出が加速される。それらの不純物を放出空間を通って他の灯構成部まで送り、そこの充填からの水銀と反応させることができる。したがって、この水銀は灯の動作時に失われる。端部部分における金属酸化物層は不純物の放出を減少させると仮定している。
端部部分を金属酸化物粒子の懸濁液に浸し、その後でそれらに残っている層を乾燥し、結合剤などの補助物質を層から追い出すように焼結する、すなわち、加熱することによって、他部分に金属酸化物層を設けることができる。あるいは、たとえば、有機金属の溶液に端部部分を浸し、その後で層を乾燥し、加熱してその層を設けることができる。
本発明の灯の好適な実施例は、放電空間に面する端部部分上の金属酸化物層が酸化アルミニウムと酸化イットリウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする。酸化アルミニウムと酸化イットリウムの少なくとも１つの層で、水銀消費量が比較的大きく減少することが判明している。
本発明の灯の魅力的な実施例は、放電空間に面する筒状部分の表面上の金属酸化物層が、マグネシウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、および希土類によって構成されている系列からの少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物を含む。この明細書および請求の範囲における用語「希土類」はスカンジウム、イットリウム、ランタンおよびランタニドを意味するものと理解される。充填されたものからの水銀と金属酸化物層の間の反応によってひき起こされる水銀消費が長期間でも少ないように、そのような層は非常に不活性である。
筒状部分の金属酸化物層が酸化アルミニウムと酸化イットリウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする本発明の灯の実施例で好ましい結果が得られた。そのような層は、たとえば、酸化アルミニウム粒子と酸化イットリウム粒子との懸濁液を放電容器の内面に噴霧することによって、またはこの懸濁液を放電容器の内面に流すことによって、酸化アルミニウム粒子と酸化イットリウム粒子との懸濁液の態様で設けることができる。
有利な実施例は、放電空間に面する表面と金属酸化物層の間に、アルカリ金属を通さない層として作用する、別の金属酸化物層（以後、保護層と呼ぶ）を放電容器の筒状部分に付着することを特徴とする。アルカリ金属を通さない層はナトリウムイオンおよびカリウムイオンなどの、アルカリ金属イオンの、放電容器壁から放電空間への移動を阻止する。アルカリ金属とのアマルガム形成によってひき起こされる水銀消費はそれによって妨げられる。
本発明の灯の好適な実施例は、別の金属酸化物層が酸化シリコンを含むことを特徴とする。酸化シリコンはアルカリ金属イオンに対する非常に良い障壁を形成する。そのような層は容易に設けられる。放電空間に面する放電容器表面の上に加水分解したテトラエチル・オルソシリケートの溶液を流すだけで十分である。このようにして表面に設けた酸化シリコン層を乾燥した後で、金属酸化物層を直接設けることができる。層の密度を高くするためには熱処理が好ましい。この熱処理は、たとえば、保護層の熱処理に一致する。保護層のためにも別の熱処理が不必要であるとすると、懸濁液の態様でルミネッセント層が灯に設けられる場合に、結合剤などの、補助物質をルミネッセント物質の懸濁液から追い出すための熱処理に一致する熱処理を行うことが可能である。
放電容器は、たとえば、二価ユーロピウム（ＢＡＭ）によって活性化して、青を発光するバリウム−マグネシウム・アルミン酸塩と、テルビウムが活性体として作用する、緑を発光するセリウム−ガドリニウム−テルビウム・ペンタボレート（ｐｅｎｔａｂｏｒａｔｅ）（ＣＢＴ）と、三価ユーロピウム（ＹＯＸ）によって活性化して、赤を発光する酸化イットリウムとで構成されたルミネッセント層を支持する。灯のこの実施例は照明目的に適当である。本発明の別の実施例ではルミネッセント層は存在しない。灯のこの実施例は、たとえば、殺菌用ＵＶ発生器として適当である。
本発明の灯のそれらの態様とその他の態様を図面を参照して詳しく説明する。
図面中の第１図は本発明の低圧水銀電灯の実施例を縦断面図で示す。
第２図は第１図からの細部ＩＩを示す。
第１図は、ガラス放電容器１０が設けられている低圧水銀放電灯を示す。放電容器は、放電容器１０の内部で発生された放射線を通す筒状部分１１を有し、かつ第１の端部部分１２ａと第２の端部部分１２ｂを有する。筒状部分１１は長さが１２０ｃｍで、内径が２．５ｃｍである。放電容器１０は、１ｍｇの水銀と希ガス、ここではアルゴン、が気密に充填されている放電空間１３を囲む。端部部分１２ａ、１２ｂは放電空間１３の内部に配置されている電極２０ｂ（第１の端部部分１２ａにおける電極は示していない）をおのおの支持する。電力供給導体３０ａ、３０ａ′；３０ｂ、３０ｂ′が、灯キャップ３２ａ、３２ｂに固定されている接続ピン３１ａ、３１ａ′；３１ｂ、３１ｂ′に接続される。各電極２０ｂの周囲に電極環２１ａが配置される（第２の端部部分１２ｂにおける電極環は示していない）。水銀を充填するのに用いたガラスカプセル２２が電極環２１ａに固定される。ガラスカプセル２２の上に張られている金属線２３を高周波電磁界中で誘導加熱し、それによってカプセル２２を切り開き、供給すべき水銀をカプセル２２から放電空間１３の内部に放出した。
放電容器１０の筒状部分１１の放電空間に面する表面１４に金属酸化物層１５が設けられる（第２図参照）。
第１の端部部分１２ａと第２の端部部分１２ｂの放電空間に面する表面１４ａ、１４ｂにも金属酸化物層１５ａ、１５ｂが設けられる。
放電空間に面する端部部分１２ａ、１２ｂの表面上の金属酸化物層１５ａ、１５ｂはこの場合には酸化イットリウムを含む。被覆重量が１５〜３０μｇ／ｃｍ²である、酸化イットリウム層１５ａ、１５ｂは、端部部分１２ａ、１２ｂを酢酸イットリウムの溶液に浸し、そこで端部部分１２ａ、１２ｂ上に残っている層を乾燥し、焼結して設けた。図示の実施例においては、酸化イットリウム層１５ａ、１５ｂは筒状部分１１との継ぎ目から２〜３ｍｍ離れるまで延長する。これは筒状部分１１への端部部分１２ａ、１２ｂの融着を容易にする。
放電空間に面する筒状部分１１の表面１４上の金属酸化物層１５は、マグネシウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、および希土類によって構成されている系列からの少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物を含む。この場合には金属酸化物層１５は被覆重量が３０μｇ／ｃｍ²である酸化イットリウム層である。
放電容器１０の筒状部分１１は、放電空間に面する表面１４とイットリウム酸化物層の間で、アルカリ金属を通さない層として作用する別の金属酸化物層１６を支持する。図示の実施例においては別の金属酸化物層１６は酸化シリコンから構成され、その被覆重量は１２μｇ／ｃｍ²である。酸化イットリウム層１５は、ルミネッセント物質ＢＡＭ、ＣＢＴ、ＹＯＸを含み、被覆重量が１．８μｇ／ｃｍ²であるルミネッセント層１７を支持する。
比較のために、端部部分に金属酸化物層が無いが、他の全ての面では本発明の灯に対応する、本発明の灯でない灯を製作した。
灯を５０００時間耐久試験した。この耐久試験の後で、端部部分（Ａ）と筒状部分（Ｂ）に結び付けられている水銀の量を湿式化学分析によって確認した。結果を本発明の灯（Ｉ）と本発明でない灯（ＩＩ）について（μｇで）表１に示す。

本発明のやり方によって端部部分（Ａ）において結び付けられている水銀の量が大幅に減少するが、筒状部分（Ｂ）において結び付けられている水銀の量もかなり少なくなる。
更に調べるために、本発明の灯１０個の２つの郡と、本発明でない灯１０個の１つの郡とを製作した。全ての場合に放電容器の筒状部分にルミネッセント層を設け、放電空間に面する筒状部分の表面とルミネッセント層の間に酸化アルミニウム層が存在した。酸化アルミニウム層は酸化アルミニウム粒子の懸濁液、ここではデグッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ）合金−Ｃ型、から得た。１０個の灯の各群からの５個には、放電空間に面する筒状部分と酸化アルミニウム層の間にアルカリ金属を通さない酸化シリコン層を更に設けた。酸化シリコン層は放電空間に面する放電容器の表面の上に加水分解したテトラエチル・オルソシリケートの溶液を流して酸化シリコン層を設けた。酸化アルミニウム層と酸化シリコン層のそれぞれの被覆重量は１２μｇ／ｃｍ²および５５μｇ／ｃｍ²である。ルミネッセント層の被覆重量は１．８μｇ／ｃｍ²である。本発明の灯の第１の群の端部部分に酸化イットリウム層を約３０μｇ／ｃｍ²の被覆重量で設けた。本発明の灯の第２の群では、端部部分に酸化アルミニウム層を約２５０μｇ／ｃｍ²の被覆重量で設けた。本発明でない灯の郡の端部部分には金属酸化物層は設けない。
灯には０．４ｍｇの水銀とアルゴンを充填した。１０００時間の動作後に結び付けられた水銀の総量を測定した。用いた測定法は、自由な水銀がＤＣで動作させられている灯内部の負電極まで移動するという現象を基にしている。水銀の移動は、正電極の端部付近で灯によって放射される光の強さの低下という形で見ることができる。試験中に用いる測定法の実施例においては、正極の端部付近の光の強さが定格値の６０％まで低下した時に、ＤＣ電圧の極性を反転した。この時刻と、反対側の端部付近の光の強さが低各地の６０％に低下した時との間に経過する時間が、依然として利用できる自由水銀の量、したがって、水銀消費量を表す。湿式化学分析によって得た結果によってこの測定法を較正した。
１０００時間までの期間における水銀消費量（μｇでの）を表２に示す。この表は括弧内に１時間から１０００時間までの期間における水銀消費量も示す。

本発明のやり方によって水銀消費量が大幅に減少する結果になったことが、測定値から再び明らかである。最初の動作時間中の水銀消費量（８０〜１１０μｇ）は筒状部分の被覆、端部部分における被覆または被覆無しとはほとんど独立である。最初の動作時間の後の期間では、本発明のやり方によって水銀消費量がかなり大幅に減少する結果になった。減少は、灯の端部部分に金属酸化物層として酸化イットリウム層を使用し、筒状部分に酸化シリコンのアルカリ金属を通さない層に組合わせて酸化イットリウムの金属酸化物層を有するときの２６％から、灯の端部部分に酸化アルミニウム層を使用し、更に筒状部分に酸化アルミニウム層のみのルミネッセント層を有するときの４２％までの範囲に及ぶ。放電容器の筒状部分に、酸化シリコン層で支持された酸化アルミニウム層が設けられており、端部部分が酸化アルミニウムで被覆されている灯で水銀消費量が最低であることを見出だした。

Claims (5)

1. 放電容器が設けられており、その放電容器は、放電容器内部で発生された放射線を通す筒状部分を有し、かつ第１の端部部分と第２の端部部分を有し、放電容器は、水銀と希ガスが気密に充填されている放電空間を囲み、各端部部分は、放電空間内に配置されている電極を支持し、電流供給導体が電極から端部部分を通って放電容器の外部に出て、放電容器の筒状部分の放電空間に面する表面には金属酸化物層が設けられる、低圧水銀放電灯において、第１の端部部分と第２の端部部分のおのおのの放電空間に面する表面の上に酸化アルミニウム層および酸化イットリウム層の少なくとも１つである金属酸化物層が設けられることを特徴とする低圧水銀放電灯。
2. 請求の範囲１に記載の低圧水銀放電灯において、放電空間に面する筒状部分の表面上の金属酸化物層が、マグネシウム、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、および希土類によって構成されている系列からの少なくとも１つの元素の少なくとも１つの酸化物を含むことを特徴とする低圧水銀放電灯。
3. 請求の範囲２に記載の低圧水銀放電灯であって、放電空間に面する筒状部分の表面上の金属酸化物層が酸化アルミニウムと酸化イットリウムの少なくとも１つを含むことを特徴とする低圧水銀放電灯。
4. 請求の範囲１ないし３のいずれか１つに記載の低圧水銀放電灯において、放電空間に面する表面と金属酸化物層の間に、アルカリ金属を通さない層として作用する、別の金属酸化物層を放電容器の筒状部分に支持することを特徴とする低圧水銀放電灯。
5. 請求の範囲４記載の低圧水銀放電灯において、別の金属酸化物層が酸化シリコン層であることを特徴とする低圧水銀放電灯。

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