KR950010911B1 - 나트륨 게터를 함유하는 금속 할로겐화물 방전 램프 - Google Patents

Abstract

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Description

나트륨 게터를 함유하는 금속 할로겐화물 방전 램프

제1도는 본 발명에 의한 금속 할로겐화물 아크 방전 램프의 개략도.

제2도는 나트륨 게터를 함유하는 본 발명의 램프와 카드뮴 게터를 함유하는 종래 램프의 상대적인 색온도를 램프 연소 시간의 함수로서 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 램프 12 : 외피

14 : 아크관 22 : 딤플

22,26 : 점용접 지지 부재 24,30 : 스트랩 부재

40 : 전기 도전성 막 42 : 레지스터

44 : 도전체

본 발명은 할로겐을 흡수하는 나트륨을 함유하는 금속 할로겐화물 방전 램프에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 과량의 할로겐을 흡수하기 위해 이온화될 수 있는 금속 할로겐화물, 예를 들면 요오드화물 1종 이상 및 나트륨 금속을 함유하는 고 강도 금속 할로겐화물 방전 램프에 관한 것이다.

고 강도 금속 할로겐화물 아크 방전 램프는 미합중국 특허 제3,234,421호에 기재된 바와 같이 레일링(Reiling)이 각종 발광 금속의 할로겐화물을 고압 수은 램프에 첨가하여 램프의 색 효능을 향상시켰던 1966년 이래로 당업계의 숙련자들에게 잘 알려져 이다. 이후, 금속 할로겐화물 램프는 일반 조명용으로 시판되고 있다. 레일링 사용한 발광 금속은 요오드화물 형태의 나트륨, 탈륨 및 인듐이었다. 이러한 결합은, 수은 증기 램프의 시동 전압과 거의 같은 정도로 낮기 때문에 동일한 소켓 중의 수은 램프와 교환 가능한 금속 할로겐화물 램프를 제공하는 장점이 있다. 그후, 1968년에 코우리(koury) 등에서 허여된 미합중국 특허 제3,407,327호에 제안된 첨가 금속으로서 나트륨, 스칸듐 및 토륨은 양질의 빛을 생성하지만 더 큰 시동 전압을 요하므로, 이 램프는 일반적으로 수은 증기 램프와 교환할 수 없다. 요오드화 탄탈륨의 존재 또는 부재하에 요오드화 나트륨 및 요오드화 스칸듐과 같은 할로겐의 결합은 여전히 널리 사용되고 있으며, 일반 조명용 금속 할로겐화물 램프로서 바람직하다. 불행하게도, 요오드화 나트륨 및 요오드화 스칸듐은 흡습성이므로, 제조 공정 중에 램프 아크관 또는 아크 챔버로 수분을 도입시킨다. 수분의 도입은 큰 시동 전압 및 작동 전압을 요하고, 또한 불량한 루멘을 유지시켜 시동을 어렵게 하는 요오드화 수은을 형성한다. 이 제조공정에서, 이 램프는 액체 수은 및 펠릿 형태의 Na, Sc 및 Th의 요오드화물로 채운다. 이 공정에서, 램프외피로 이들을 옮기는 중에 펠릿에 의해 대기로부터 수분을 흡수함으로써 약간의 가수분해 반응이 일어날 수 있는 것은 피할 수 없다. NaI, ScI₃및 ThI₄로 이루어진 금속 할로겐화물 충전물은 매우 흡습성이며, 매우 낮은 수분 함량은 약간의 가수분해를 초래할 것이다. 이 가수분해는 하기 식과 같이 HI를 방출하면서 금속 할로겐화물을 산화물로 전환시킨다.

2ScI₃+3H₂O→Sc₂O₃+6HI

Hi는 수은과 반응하여 고온에서 비교적 불안정한 HgI₂를 형성하며, 램프가 가온될 경우, HgI₂가 분해되어 유리 요오드를 방출한다. 이와 같은 모든 점은 통상적으로 초기 수시간의 램프 작동 중 단기간 내에 발생한다. 또한, 약과량의 요오드 또는 기타 할로겐이 충전 물질 중에서, 이들 물질의 합성시 부산물로서 빈번히 발견된다. 그 결과, 시동시부터 과량의 요오드를 빈번히 함유하는 래므가 얻어진다.

이러한 유리 요오드 형성의 문제를 극복하기 위해, 종래의 램프를 일반적으로 과량의 요오드 및(또는) 기타 할로겐을 다른 불순물, 예를 들면 물, 산소 및 질소와 함께 흡수하는 금속을 함유한다. 이러한 금속의 예로는 카드뮴, 스칸듐, 탈륨, 아연 및 토륨을 들 수 있다. 그러나, 스칸듐 및 토륨은 값비싸고, 이들 금속은 수은과 함께 아말감을 향상하기가 용이하지 않으므로 아크 챔버로 금속 조각으로서 도입해야만 하기 때문에 적절한 양을 조절하기가 어렵다. 또한, 토듐은 방사성이다. 아연, 카드뮴 및 탈륨은 스칸듐 또는 토륨이 게터로서 사용된 경우보다 아크 내에 더 큰 할로겐 부분압을 생성하는 휘발성 할로겐화물을 형성하기 때문에 이들 금속은 바람직하지 못하다. 할로겐 부분압이 더 클수록 전극으로부터 아크 챔버 벽 및 흑화된 부수 벽으로의 텅스텐 수송 및 루멘 손실이 더 빨라진다. 따라서, 이러한 램프에 있어서 더 효과적인 게터에 대한 필요성이 여전히 남아 있다.

본 발명은 나트륨이 금속 할로겐화물 램프에서 과량의 할로겐에 대해 효과적인 게터라는 발견에 관련한 것이다. 나트륨은 수은과의 아말감으로서 고체 또는 액체 형태로 간편한 방법으로 아크 챔버로 도입될 수 있다. 나트륨을 액체 나트륨-수은 아말감 형태로 램프 내로 도입하면 조작 및 선량 조절이 매우 용이해진다. 나트륨을 게터로서 사용하는 것은 금속 요오드화물 종을 함유하는 금속 할로겐화물 램프에 대해 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다. 나트륨 게터는 이미 할로겐화 나트륨을 함유하는 램프에 사용하는 것이 특히 유리하며, 그 이유는 아크에 의해 발산되는 빛의 색을 변경시키기 위해 새로운 또는 추가의 금속 종을 도입시킬 필요가 없다는 것이다. 따라서, 본 발명은 한쌍의 공간 분리된 전극 내에 포함된 기밀 밀봉된 투광성 아크관 또는 챔버, 불활성 시동 기체, 수은, 1종 이상의 이온화될 수 있는 금속 할로겐화물 및 나트륨(여기서, 나트륨은 램프 중에서 초기에 존재하는 임의의 과량의 할로겐 및 기타 불순물을 흡수하기에 충분한 양으로 존재한다)으로 이루어진 금속 할라이드 아크 방전 램프에 관한 것이다. 과량의 할로겐은 미반응 할로겐이 제조 공정 중 부주의하게 또는 느릿하게 아크 챔버로 도입되고, 아크 챔버 내에서 충전물이 일부로서 존재하는 금속 할로겐화물과의 화학 반응의 결과로서 램프의 초기 작동 중 아크 챔버내로 방출되 할로겐을 의미한다. 초기에 존재하는 할로겐 및 불순물은 램프가 활성화되기 전에 아크 챔버 내에 존재하고, 램프의 작동 후 수시간 동안 아크 챔버 내에서 방출됨을 의미한다. 기타 불순물이란 물, 산소 및 질소를 의미한다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 나트륨이 금속 할로겐화물 램프 내의 과량의 할로겐을 흡수하는데 효과적이라는 발견에 관한 것이다. 본 발명의 일실시태양에서 나트륨은 수은과 나트륨의 아말감 형태, 더욱 바람직하게는 나트륨과 수은의 액체 아말감 형태의 램프의 아크 챔버내로 도입될 수 있으며, 그 이유는 금속의 고체 덩어리와는 반대로 소량의 액체가 아크 챔버 내에 더 용이하고 정밀하게 분산되기 때문이다. 나트륨은 나트륨 금속으로서 항상 도입할 수 있지만, 잘 알려진 나트륨의 산소 및 물과의 반응성 때문에 이점은 실용적이지 못하다. 일반적으로, 나트륨과 수은의 아말감으로서, 램프로 도입되는 수은과 아말감화된 나트륨 금속의 양은 액체 아말감의 경우 수은-나트륨 아말감의 약 1 내지 5몰% 범위이다. 과량의 할로겐 및 초기에 램프 내에 존재하는 물, 산소 및 질소와 같은 기타 불순물을 흡수하기에 충분한 나트륨이 첨가되어야 하며, 이 양은 실험에 기초하여 결정되어야 한다. 아크 챔버 또는 관 내에 초기에 존재하는 과량의 할로겐 및 기타 불순물을 흡수하는데 요구되는 것보다 더 많은 양으로 존재하는 나트륨은 챔버의 실리카 벽(융합 석영으로 제조된 아크 챔버 또는 관의 경우)과 반응하여 결국에는 전극으로 수송되는 실리콘 금속을 방출한다. 충분한 양의 실리콘이 수송되는 경우, 전극의 손상 및 이에 수반하여 램프의 수명이 단축되는 결과를 가져온다. 다음에 포함된 화합물의 일부의 예를 설명하지만, 이에 한정되지 않는다.

제조시, 금속 할로겐화물 램프의 아크관은 Hg 및 항상 O₂및 H₂O와 같은 각종 불순물을 함유하는 NaI, ScI₃및 ThI₄와 같은 금속 할로겐화물과 섞여 다음과 같은 전체 반응식에 따라 HgI₂를 생성한다.

2ScI₃+3H₂O+2SiO₂+3Hg-Sc₂Si₂O₇+3HgI₂+3H₂…………………………(1)

4ScI₃+3O₂+4SiO₂+6Gg=2Sc₂Si₂O₇+6HgI₂………………………………(2)

(상기 반응식의 개개의 단계는 Sc₂O₃및 ScOI의 형성을 포함할 수 있다.) HgI₂를 생성하는 ThI₄와 O₂및 H₂O의 유사한 반응 역시 일어날 것으로 믿어진다. 이들 반응 모두는 초기 24시간 이내에 일어나며, 일반적으로 램프의 작동 후 초기 수시간 이내에 일어난다. 상기한 바와 같이, HgI₂의 존재는 램프의 시동, 작동 및 보수에 해롭다.

아크관에 나트륨을 첨가하면 아래 예시한 전체 반응을 초래할 것으로 여겨진다.

2a+HgI₂=2NaI+Hg……………………………………………………………(3)

12Na+4ScI₃+7SiO₂=12Nal+2Sc₂Si₂O₇+3Si………………………………(4)

반응식(3)에서, 나트륨은 HgI₂로부터 요오드를 흡수하고 용융 요오드 형태로 용해되는 NaI를 형성한다.

너무 많은 양의 나트륨이 존재할 경우 어떤 반응이 일어날 것인지를 나타내는 반응식(4)에서, 나트륨은 ScI₃및 아크관의 실리카벽과 다시 반응하여 NaI 및 불필요한 Si를 생성한다. 반응(3)은 매우 빨리(수분이내) 일어나는 반면, 반응(4)는 더 느리게 일어나지만, 여전히 램프의 작동 후 초기 시간내이다.

금속 나트륨 및 수은 외에, 아크 챔버 또는 관은 불활성 시동 기체 및 1종 이상의 금속, 예를 들면, 나트륨, 스칸듐, 세슘, 칼슘, 카드뮴, 바륨, 수은, 갈륨, 인듐, 툴륨, 홀륨, 탈륨, 디스프로슘, 게르마늄, 토륨, 셀레늄, 텔루륨 등의 할로겐화물로 이루어진 충전제를 함유할 수도 있다. 통상적으로 사용되는 할로겐화물로는 요오드화물, 브롬화물, 염화물 및 일부 램프 디자인에 다소 바람직한 브롬화물 및 염화물과 다른 디자인에 바람직하는 요오드화물의 혼합물을 들 수 있다. 일반적으로, 적어도 하나의 요오드화물 종이 대부분의 금속 할로겐화물 램프의 충전제 중에서 발견될 것이다. 시동 기체는 바람직하게는 불활성 기체, 더욱 바람직하게는 필수적으로 크립톤, 아르곤, 크세논 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.

본 발명을 실시하는데 유용한 금속 할로겐화물 램프를 설명하지만, 이에 한정되지 않는 실시태양의 개략도인 제1도를 참조하여, 램프(10)은 유리와 같은 투광성 유리질 물질로 제조된 외피(12), 용융 석영과 같은 고온의 투광성 유리질 물질로 제조된 기밀 밀봉된 투과성 아크관(14) 및 아크관과 전기적으로 접속시키기 위한 적절한 전기 접촉 물질을 갖는 베이스(16)을 포함한다. 아크 관 또는 챔버(14)는 각 단부에 한쌍의 공간 분리된 전극 및 불활성 기체, 1종 이상의 이온화 될 수 있는 금속 할로겐화물, 수은 및 게터로 이루어진 충전제를 포함한다. 본 발명의 램프에서, 게터는 나트륨 금속이다. 아크 챔버(14)는 아크관의 한쪽 단부에 외피 내의 딤플(22)를 둘러싸는 스프링 클립 금속 밴드(18)로 이루어지고, 이 밴드는 점용접 지지 부재(22)에 의해 부착되고, 이 지지 부재는 또한 스트랩 부재(24)에 점용접되고, 이 스트랩 부재는 아크관(14)의 핀치 용접부 근처를 기계적으로 조여주는 프레임 부에 의해 외피(12) 내에서 유지된다. 아크관의 다른 단부는 지지 부재(26)에 의해 고정되며 이 지지 부재는 한쪽 단부가 전기 도전성 말단(28)에 점용접되고 다른 단부가 스크랩 부재(30)에 용접되고, 이 스트랩 부재는 아크관의 다른 핀치 용접부 근처를 기계적으로 조여준다. 도전성 막(32) 및 (34)는 한쪽 단부가 각각의 아크관 전극의 지지 부재(26) 및 (22)에 각각 점용접되고, 다른 단부가 인리드(36) 및 (38)에 각각 점용접되어 있다(도시하지 않음). 전기 도전성 막(40)은 시동 레지스터(42) 및 전류 도전체(44)에 점용접되어 있다. 레지스터(42)의 다른 단부는 시동 전극의 인리드(46)에 접속되어 있다(도시하지 않음). 도전체(44) 및 몰리브덴으로 제조된 인리드(36),(38) 및 (46) 및 레지스터(42)의 실제 레지스터부를 제외하고 본 명세서에 언급된 모든 프레임부는 니켈 도금 강철로 제조되었다. 또한, 램프는 이 램프의 외피 내부의 수소를 흡수하기 위해 미리 금속 합금 물질로 피복한 게터 스트립(30')를 포함한다.

상기한 것은 본 발명의 실시에 있어서 금속 할로겐화물 램프용으로 유용한 특정 램프 구조의 실시 태양을 설명하고자 하는 것으로, 이에 한정되지 않는다. 본 발명은 하기 실시예를 참조하므로써 더 용이하게 이해할 것이다.

[실시예]

다음 실시에에서, 본 발명에 의한 많은 램프는 일반적으로 제1도에 나타낸 바와 같이 제조되며, 여기서, 아크관 또는 챔버의 차원은 25토르의 압력하게 실온에서 시동 기체로서 아르곤 및 나트륨 4몰%를 함유하는 나트륨 금속과 수은 금속의 아말감 63mg, 또는 카드뮴 함랴이 3몰%인 카드뮴과 수은의 아말간 63mg을 밀봉하여 둘러싸는, 직경 20mm, 길이 58mm이다. 카드뮴 게터 램프는 시판중이며 종래 램프를 대표한다. 금속 할로겐화물 충전제는 8612/2의 중량비의 요오드화 나트륨, 요오드화 스칸듐 및 요오드화 토륨 혼합물 42mg이다. 이 램프는 명목상 400와트(135볼트 및 3.1암페어)에서 작동한다. 두가지 유형의 39개의 램프는 11시간의 온(on) 및 1시간의 오프(off)주기로 10,000시간 동안 작동한다. 그 결과는 카드뮴 게터를 함유하는 램프와 나트륨 게터를 함유하는 본 발명의 램프 사이의 루멘 보수 또는 루멘 출력이 10,000 시간 이상으로 현저한 차이를 나타내지 않는다. 제2도는 본 발명의 나트륨 게터 램프와 종래의 카드뮴 게터 램프 모두의 켈빈 단위의 보정된 색온도(CCT)를 나타낸다. 도면에 나타낸 데이타와 같이, 본 발명의 나트륨 게터 램프는 종래의 카드뮴 게터 램프에서보다 10,000시간의 작동 시간에 걸쳐 색 온도에 있어서 실질적으로 덜 저하됨을 나타낸다.

Claims (11)

1. 기밀 밀봉된 투광성 아크 챔버 및 그 속에 포함된 나트륨 금속 게터, 수은금속, 시동 기체 및 1종 이상의 이온화될 수 있는 금속 할로겐화물을 포함하는 충전제로 이루어지며, 상기 나트륨이 상기 아크 챔버중에 초기에 존재하는 과량의 할로겐을 흡수하기에 충분한 양으로 존재하는, 금속 할로겐화물 아크 방전 램프.
2. 제1항에 있어서, 상기 나트륨이 상기 아크 챔버 내에 초기에 존재하는 과량의 할로겐 및 상기 램프의 초기 작동 중 상기 충전제와 반응하여 상기 할로겐을 방출하는 초기에 존재하는 불순물을 흡수하도록 존재하는 램프.
3. 제1항에 있어서, 1종 이상의 금속 요오드화물을 포함하는 램프.
4. 제2항에 있어서, 1종 이상의 금속 요오드화물을 포함하는 램프.
5. 제4항에 있어서, 상기 이온화될 수 있는 금속 할로겐화물이 필수적으로 1종 이상의 요오드화물로 이루어진 램프.
6. 기밀 밀봉된 투광성의 용융 석영 아크 챔버 및 그속에 포함된 한쌍의 공간분리된 전극 및 나트륨 금속 게터, 수은금속, 시동 기체 및 발광 아크를 형성하기 위한 이온화될 수 있는 1종 이상의 금속 할로겐화물을 포함하는 충전제로 이루어지며, 상기 나트륨 금속이 상기 아크 챔버중에 초기에 존재하는 과량의 할로겐 및 기타 불순물을 흡수하기에 충분한 양으로 상기 아크 챔버 중에 존재하는 금속 할로겐화물 아크 방전 램프.
7. 제6항에 있어서, 상기 시동 기체가 필수적으로 1종 이상의 불활성 기체로 이루어진 램프.
8. 제7항에 있어서, 상기 할로겐화물이 필수적으로 요오드화물, 블모화물, 염화물 및 그의 혼합물로 이루어지며, 상기 과량의 할로겐이 필수적으로 요오드, 브롬, 염소 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 램프.
9. 제8항에 있어서, 상기 불활성 기체가 필수적으로 아르곤, 크립톤, 크세논 및 그의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 램프.
10. 제9항에 있어서, 1종 이상의 이온화될 수 있는 금속 요오드화물이 존재하는 램프.
11. 제10항에 있어서, 상기 금속 요오드화물이 요오드화 나트륨을 포함하는 램프.