专利名称：低压汞蒸汽放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括放电室的低压汞蒸汽放电灯。
放电室以气密方式密闭内充汞和惰性气体的放电空间。
放电室内设有电极，用于产生和保持所述放电空间中的放电。
在至少一个电极附近设电极套。
汞蒸汽放电灯中，汞是有效地发紫外线(UV)光的主要成分。放电室的内表面可设含荧光材料的荧光层(例如，荧光粉层)，用于把UV转换成其它波长，例如，转变成UV-B和UV-A。用于照晒皮肤的目的(阳光灯)或发射可见光。这种放电灯也叫做荧光灯。
本文开篇中所述类型的低压汞蒸汽灯已由德国专利DE-A1 060991中公知。所述的已知灯中，电极周围的电极套由薄钛板制成，用也可以叫做阳极套和阴极套的电极套消除了放电室内表面的变黑。按该方法，钛用作吸气剂，用于化学束缚氧，氮和/或碳。
用这种电极套的缺点是电极套中的钛与灯中的汞出现汞齐化反应，因此吸附汞。结果，为了获得足够长的使用寿命，现有的灯中需要较大剂量的汞。对其使用寿命结束后的灯处理不当会对环境造成负面影响。
本发明的目的是，提供本发明开段所述类型的汞耗较低的低压汞蒸汽放电灯。
为达到该目的，按本发明的低压汞蒸汽放电灯的特征是，在正常工作中电极套的温度在450℃以上。
本发明的说明书和权利要求书中用的术语“正常工作”是指在该工作条件下的汞蒸汽压能使灯的发光效率至少是最佳工作中的发光效率的80％，即，汞蒸汽压最佳的工作条件。
为使低压汞蒸汽放电灯能正常工作，这些放电灯的电极包括有所谓低功函数(即功函数电压降低)的材料(即发射体)，用于供给放电电子(阴极功能)和接收放电电子(阳极功能)。已知的低功函数材料例如钡(Ba)，锶(Sr)和钙(Ca)。已发现在低压汞蒸汽放电灯工作中，电极材料(Ba或Sr)要蒸发。还发现，通常发射材料淀积在放电室内表面上。已发现Ba和Sr淀积在放电室中其它的地方，不再有电子发射。淀积的发射材料还在内表面上与汞形成汞齐合金，结果，汞量使放电逐渐降低，给灯的寿命造成不利影响。为了补偿灯的使用寿命中汞量的减少，通常在灯中有较高剂量的汞，但从环保的观点考虑这是不可取的。
设在电极周围的电极套在正常工作中的温度达到250℃，这会引起电极套中的材料与放电室中的汞反应。导致汞齐合金形成(Hg-Ba，Hg-Sr)，使汞量减小。
实验中还发现，从电极蒸发出的发射材料与电极套材料反应，形成氧化物(BaO或SrO)。放电灯工作中，汞使蒸发出的发射材料氧化物结合。如果在电极附近有反应氧化物，之后有可能形成BaO，SrO和/或HgO，和SrHgO2和BaHgO2。此外，如果淀积来自电极的钨(W)，开始冷却的情况下钨会溅射出来，也会形成WOx和HgWOx。不用作任何理论说明，尽管BaO和SrO在正常热条件下似乎不与汞反应，但在放电空间放电时会部分形成汞和蒸发出的发射材料的这些化合物。在450℃的温度下汞再释放出来，汞和蒸发出的发射材料的所述化合物分解。释放出的汞再放电。在450℃以上的温度下特别是HgO分解；化合物SrHgO2和BaHgO2稍微稳定一点。发明人发现用450℃以上的电极套，使汞从汞和发射材料氧化物构成的化合物中释放出来。电极套最合适的温度是500℃，实际上，在该温度下，SrHgO2和BaHgO2也较快分解。但是，不排除在上述的较高温度下不锈钢也能作吸气剂(起腐蚀作用)，导致HgO类化合物形成的额外减少。
已知的灯包括薄钛片构成的电极套，它是比较容易与汞形成汞齐合金的材料。主要用减少电极周围的电极套材料与汞反应和/或与汞结合的程度来限制放电灯的汞耗量。
此外，用电绝缘材料来防止电极丝中出现的短路和/或电极绕组数增加。现有的灯有导电材料制成的电极套，此外，电极套材料容易与汞形成汞齐合金。主要用减小电极周围的电极套材料与汞反应的程度来限制放电灯的汞消耗量。
为了得到能加热到放电灯正常工作中的高温，在工作中能在灯的使用寿命中始终保持所述的高温，最好用能耐450℃以上高温的金属或合金制造电极套。本发明说明书中所述的“能耐高温的电极套”的意思是，在放电灯的使用寿命中，在所述温度制成电极导的材料没有放气和/或蒸发的迹象，不会给放电灯的工作造成不利影响，电极套在这种高温下其形状无明显变化。
按本发明的低压汞蒸汽放电灯的优选实施例的特征是，用不锈钢制造电极套。不锈钢是耐高温材料。不锈钢有高的防腐性，与已知材料相比，有较低的导热率和较差的散热性。因此，可以用不锈钢制造电极套，它露在电极发射热下容易达到450℃的高温。用于制造电极套的极稳定的材料有铬-镍-钢和Durathem600。
按本发明的低压汞蒸汽放电灯的优选实施例中，在离开电极面对电极的一侧设有电极套，电极套上有低散热涂层，以减小电极套的辐射损失。给电极套的外表面加这种涂层使电极套更容易达到要求的较高温度。低散热涂层最好含铬(Cr)或贵金属，如金(Au)。适合作电极套外表面上的低散热涂层的其它材料是氮化钛，碳化铬，氮化铝，和碳化硅。低压汞蒸汽放电灯的另一实施例中，电极套位于对着电的一侧。对电极套的外表面进行抛光处理可减小电极套的热辐射。
按本发明的低压汞蒸汽放电灯的又一优选实施例的特征是，在面对电极的一侧设电极套，电极套有吸收辐射热的吸热涂层。加在红外线范围内有较高散热率的涂层，提高电极套的吸热能力。由此电极套更容易达到要求的高温。吸热涂层最好含碳。
电极套的形状，它相对电极的位置和设置电极套的方式均影响电极套的温度。低压汞蒸汽放电灯中的电极是细长的对称的圆柱形，例如沿纵轴缠绕的线圈。筒形电极套与电极的这种形状极和谐。电极套的对称轴最好与电极的纵轴基本上平行或一致延伸。后一种情况下，电极套的里边至电极外径的平均距离至少大致不变。
最好在电极套面对放电空间的一侧上设置槽。电极套中的槽在放电方向使低压汞蒸汽放电灯的电极之间有较短的放电路径。这会使灯有高效率。槽最好与电极套的对称轴平行延伸，(即电极套中所谓的水平槽)。现有的灯中，电极套中的小孔或槽对着放电室隔开一定距离。
电极套通常用支撑丝固定在电极周围规定的位置中，支撑丝能用各种方式安装在放电室中。按本发明的低压汞蒸汽放电灯的又一优选实施例的特征是，支撑丝承载电极套，支撑丝的至少一部分用不锈钢制成。不锈钢的导热率较小，由此能减少电极套至支撑丝的散热。
通过以下参见实施例所做的说明，本发明的这些方案和其它方案将会更清楚。附图中
图1是按本发明的低压汞蒸汽放电灯沿纵剖面的剖视图；图2是图1的详细图，其中一部分是透视图；图3A是图2所示电极周围的电极套的实施例的透视图；图3B是图2所示电极周围的电极套的实施例的横截面图；图4是用短时间周期镇流器上冷起动工作的，有按本发明的电极套的低压汞蒸汽放电灯的汞耗与现有放电灯的汞耗对比曲线图；和图5是用长时间周期的消光镇流器上工作，有按本发明的低压汞蒸汽放电灯的汞耗与现有放电灯的汞耗的对比曲线图。
这些图只是示意性展示没画尺度。为了图清晰，某些尺寸特别加大。图中相同的零件无论它位于何处均用相同数字指示。
图1所示的低压汞蒸汽放电灯包括设有环绕纵轴2的管形部分11的玻璃放电室10，放电室发射在放电室10中产生的光，并分别设有第1和第2端部12a；12b。该例中，管形部分11的长度是120cm，内径是24mm。放电室10以气密方式密闭。管部的壁通常涂有含荧光材料如荧光粉的发光层(图1中没画)，荧光层把激励汞产生的紫外线(UV)光转变成可见光。端部12a；12b各支撑电极20a；20b。电极20a和20b设在放电空间13中。在氧化钡、氧化钙和氧化锶混合的情况下，电极20a和20b是其上涂有电子发射材料的钨丝线圈。电极20a，20b的供电流导体30a。30a’；30b；30b’分别穿过端部12a，12b，并从放电室10伸到外边。加电流导体30a，30a’；30b，30b’连接到固定到灯帽32a，32b的接触腿31a，31a’；31b，31b’。通常，每个电极20a，20b周围设有电极环(图1中没画)，电极环上夹紧与汞量适应的玻璃帽。另一优选实施例中，与放电室10连通的排气管中(图1中没画)设有含汞和PbBiSn合金的汞齐合金。
图1所示例中，电极20a，20b周围设有按本发明的电极套22a，22b，它们在正常工作中的温度高达450℃。在该温度电极套22a，22b上结合到BaO或SrO的汞会再释放出来、使放电空间内放，电极套特别适合的温度是500°。图1所示例中，电极套22a用不锈钢制成。所述的高温下，这种电极套的尺寸稳定，防腐蚀并有较低的散热率。适合制造电极套的材料是Cr-Ni-钢(AlSi316)。其组分是(wt％)C最多为0.08，Mn最多为2％，P最多为0.0045；S最多为0.030％；Si最多为1％；Cr为16-18，Ni是10-14；Mo是2-3，剩余量是Fe。已发现，放电灯制造中这种电极的外表面颜色变成轻微的黑色。特别适合制造电极套的另一种材料是Duratherm600，它是防腐性强的CoNiCrMo合金，它的组分是(wt％)Co是41.5％，Cr是12％，Mo是4％，Fe是8.7％，W是3.9％，Ti是2％，Al是0.7％，剩余量是Ni。
图2是图1的详细图，其中一部分是透视图。端部12a经加电流导体30a，30a’支承电极20a。为了定向，图2中画出了直角坐标系。加电流导体30a，30a’，在这些导体支承电极22a处之间的距离设为lcsc，电极20a被长度为les的管形电极套22a(对称圆柱)包围。实例中展示的按本发明的电极套中电极套长度les与加电流导体之间的距离lcsc之比应满足0.55≤les/lcsc≤0.80，最好是0.6≤les/lcsc≤0.65；例如，若lcsc＝8mm，电极最合适的长度是les＝6mm。
图2中，电极套由支撑丝26a、27a支撑，在本例中，支撑丝设在端部12a中。另一实施例中，支撑丝26a、27a连接加电流导体30a，30a’中的一个。图2所示例中，支撑丝26a、27a是由厚度约为0.9mm的铁部件26a和按本发明的用不锈钢制成的部件27a构成。支撑丝26a的部件27a一头焊到电极套22a，另一头焊接到支撑丝26a、27a的另一部分26a。与用作支撑丝的已知材料，如铁相比，不锈钢的热导率极低。由于支撑丝26a，27a的部件27a有效地降低了电极套22a的散热，因此，电极套22a能保持较高温度。支撑丝26a，27a的部件27a最好用不锈钢制造，其厚度满足以下关系0.2≤dsw≤0.5mm，厚度为0.4mm的支撑丝不锈钢部件27a最合适。这种支撑丝厚度(dsw≥0.2mm)能保证支承电极套22a，另一方面，支撑丝太薄会降低径支撑丝部件27a的散热。另一实施例中，电极套设有压在加电流导体上的接触部分。
电极套22a最好在放电灯对着放电空间的侧边上设水平槽(图2中没画)。另一实施例中，电极套中的槽设在离开放电空间面对它的电极套一侧上。电极套的形状不必是管形。也可以是棱柱形，如三棱柱、四棱柱或多棱柱。
图3A是图2所示电极20a周围的管形电极套22a的实施例透视图。图3A中，电极20a是螺旋形。为了在工作中使电极套22a的温度能达到450℃，最好是达到约500℃，电极套22a的外表面加有低散热涂层28a，以减小电极套22a的热辐射损失。所述的低散热涂层28a最好包括铬膜。另一实施例中，低散热涂层28a包括贵金属，如金膜。图3A所示电极套22a在它的内表面还有吸热涂层29a，用于吸收辐射热。吸热涂层29a最好含碳。
图3B是图2所示电极20周围的管形电极套22a的横截面图。按图2中的直角坐标系定向。图3B中很好绘出了一匝的部分，电极20a的外径设为de。对称圆柱形电极套22a的内径设为da。对着放电室的放电灯侧边上电极套22a设有水平槽25a。优选实施例中，电极20a的外径de＝2mm，电极套22a的长度ls＝6mm，内径ds＝3.6mm。不锈钢电极套22a的合适壁厚是0.2mm。不锈钢电极套22a的外径是4mm。电极20a的外径给定为ds＝1.5×de，电极套22a满足以下关系1.25×de≤ds≤2.5×de。
放电灯正常工作中，用铁制成的，并用0.9mm厚的铁片制成的标准支撑丝固定在放电灯端部的，长度为8mm直径为6mm的管形电极套的温度约为230℃。如果同样的电极套安装在厚度为0.4mm的不锈钢支撑丝上，在其它条件相同的情况下，所述电极套的温度约为270℃。
长度为6mm和直径为4mm的陶瓷电极套安装在标准的铁支撑丝上。其它条件相同的情况下，电极套的温度约为350℃。
壁厚为0.2mm，长度为6mm，和直径为4mm的不锈钢电极套安装在标准的铁支撑丝上，在放电灯正常工作中，电极套的温度约为430℃。如果同样的电极套安装在0.4mm厚的不锈钢支撑丝上，在其它相同的条件下，电极套的温度约为470℃。
壁厚为0.2mm，长度为6mm和直径为4mm的不锈钢电极套，它的外表面加低散热涂层铬膜，安装在厚度为0.4mm的不锈钢支撑丝上。在放电灯的正常工作中，电极套的温度约为510℃。同样的电极套在其内表面还加吸热涂层碳层，在其它条件相同的情况下，电极套的温度约540℃。
寿命试验表明，在电极周围设有不锈钢管形电极套的低压汞蒸汽放电灯在所谓的高频调节消光(HFR)镇流器燃烧100小时后电极面积中的汞耗小于1μg。而有现有电极套的作为参考的放电灯的电极面积中的汞耗是20μg以上。燃烧10,000小时后，在这种镇流器上工作的参考放电灯由于汞流失而不再起动。这种使用寿命大大短于约17,000小时的这些放电灯的常规使用寿命。
另一例中，按本发明制造的低压汞蒸汽放电灯与现有放电灯对比。图4中画出包括按本发明的电极套的低压汞蒸汽放电灯的汞耗与现有放电灯的汞耗对比曲线，放电灯是在所谓用短转换时间周期的冷起动镇流器上工作，其中，灯燃烧15分钟和断开15分钟，交替工作。1100小时后，带不锈钢电极套的电极在电极面积中的汞耗是15μg(曲线a)，现有放电灯的电极面积中的汞耗是148μg(曲线b)。用按本发明的电极套能使电极面积中的汞耗减少约90％。图5中画出包括按本发明的电极套的低压汞蒸汽放电灯的汞耗与现有放电灯的汞耗的对比曲线，放电灯是在所谓的用长转换时间周期的消光镇流器上工作。其中，灯燃烧165分钟，断开15分钟，交替工作。1250小时后，有不锈钢电极套的电极在电极面积中的汞耗是15μg(曲线a’)，现有灯在电极面积中的汞耗是225μg(曲线b’)。该对比表明，现有放电灯在它的使用寿命期间的汞耗比有按本发明的电极套的放电灯的汞耗大很多。
显然，对本行业的技术人员而言，在本发明范围内还会有许多变化。放电室不必是细长管，它可以有不同的形状。特别是，放电室可以是弯曲形，例如所谓小型荧光灯中用的弯弯曲曲或弯折形。
本发明的保护范围不限于上述实例。发明包括每个新特性和多个特性的每种组合。权利要求书中的参考数字不限制发明的保护范围。用的术语“包括”，并不排斥除权利要求中所述元件之外还有其它元件。元件前面用的冠词“a”或“an”不排斥有多个元件存在。
权利要求
1.包括放电室(10)的低压汞蒸汽放电灯，放电室(10)以气密方式密闭内充汞和惰性气体的放电空间(13)；设在放电空间(13)中的电极(20a，20b)在所述放电空间(13)中产生并保持放电，电极套(22a)至少基本上包围电极(20a，20b)中的一个；其特征是，正常工作中，电极套(22a)的温度是450℃以上。
2.按权利要求1的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，电极套(22a)用不锈钢制成。
3.按权利要求1或2的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，电极套(22a)设在离开电极(22a，22b)并面对电极的一侧上，电极套(22a)上加有低散热涂层(28a)，以减少电极套(22a)的热辐射损失。
4.按权利要求3的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，低散热涂层(28a)含选自贵金属和铬的材料。
5.按权利要求1或2的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，电极套(22a)设在面对电极(20a，20b)的一侧，电极套(22a)加有吸收辐射热的吸热涂层(29a)。
6.按权利要求5的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，吸热涂层(29a)含碳。
7.按权利要求1或2的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，电极套(22a)是管形，其内径ds满足1.25×de≤ds≤2.5×de，式中de是电极(20a，20b)的外径。
8.按权利要求1或2的低压汞蒸汽放电灯，其特征是，支撑丝(26a，27a)支承电极套(22a)，支撑丝(26a，27a)中的至少部件(27a)用不锈钢制成，所述部件(27a)连接电极套(22a)。
9.按权利要求8的低压汞蒸汽放电灯，其特征是用不锈钢制成的支撑丝(26a、27a)的部件(27a)的不锈钢厚度dsw的范围是0.2mm≤dsw≤0.5mm。
全文摘要
低压汞蒸汽放电灯,设有放电室和第1和第2端部(12a)。放电室以气密方式密闭内充汞和惰性气体的放电空间。每个端部(12a)支承设在放电空间中的电极(20a)。电极套(22a)包围电极(20a),在灯正常工作期间按本发明的电极套的温度为450℃以上。电极套最好用不锈钢制成,特别是用Cr－Ni－钢制成。电极套(22a)的外表面有低散热涂层,例如Cr或Au膜。按本发明的放电灯的汞耗较低。电极套内表面最好有吸热涂层,例如碳膜,电极套用至少一部分(27a)用不锈钢制成的支撑丝(26a、27a)支承。放电灯的汞耗较低。
文档编号H01J61/10GK1344423SQ00805441
公开日2002年4月10日 申请日期2000年11月9日 优先权日1999年11月24日
发明者C·J·M·德尼森, C·R·龙达, V·U·韦勒, K·加龙 申请人:皇家菲利浦电子有限公司