专利名称：具有包括限定氯含量的氯化汞的高压放电灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有放电容器的高压放电灯，该放电容器(vessel)具有包括稀有气体(例如氩)、汞、和氯的填充物。
由于它们的发光效率高，在照明应用中大量使用汞高压灯，例如街灯。虽然汞原子是彩色重现较差的直线幅射体，但是通过增加具有很高压力的灯中的汞压力，或者增加分子幅射体，例如金属卤化物，显著地增加所发出的光的连续成分是可能的。因而，这种灯具有很好的彩色重现特性，并同时具有较高的发光效率以及还适用于例如商店展示照明或工作室照明装置。
例如，GB1253948B公开了一种具有电极的汞高压灯，为了改善彩色重现，其用于启动的汞和稀有气体填充物补充有三氯化铝AlCl3。这种灯在其所发的光中的连续成分较高并且彩色重现性较好。但是，AlCl3的化学腐蚀性致使不可能使用纯净的石英玻璃SiO2做灯，并且钨电极也受到腐蚀。因此，GB1253948B建议用密度较大的经烧结的多晶氧化铝Al2O3(还被称为DAG或PCA)来制造灯，或者至少将石英玻璃灯镀上一层PCA的内保护层。它还建议通过增加额外的金属，特别是额外数量的铝，除限制钨的迁移外，从而限制对钨电极的腐蚀，同时，另外优选地可以添加一些金属碘化物，特别是AlI3。
为了解释这些填充物添加剂的效果，GB1253948B介绍了几种可能的化学平衡反应，阐明了在灯内部的氧污染的重要性，并且提供了一些相关的材料数据。而且，公开了几种相关的灯的实施例。关于这些方面，所引用的出版物的内容被视为参考内容包含在本申请中。
GB1253948B确实提供了一种发光效率较高且彩色重现性较好的灯，但是灯壁和电极的腐蚀问题依然存在，迫使使用防氯的内壁，并且由于仍然在起作用的钨迁移限制了灯的寿命。
因此，本发明的一个目的是提供一种高度避免这些问题的高压放电灯，并且其发光效力较高以及彩色重现性较好，从而使灯达到较长的寿命。
这个目的是通过具有放电容器的高压放电灯实现的，放电容器内具有的填充物包括
稀有气体，例如氩，汞，和氯，其中，汞[Hg]和氯[Cl]的填充数量满足下面的条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm3)2[Cl]≤10μmole/cm3。
一方面，本发明基于如下认识，条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm3)2在放电中导致充足的HgCl气压，用于产生这种分子的B2∑+-X2∑+频带系统的显著幅射成分。从而，所产生的幅射的较高的连续成分、和因此所需要的较好的彩色重现，与较高的发光效率相结合而实现了。另一方面，条件[Cl]≤10μmole/cm3用于限制氯填充物的化学侵占性，特别用于限制壁和电极上的腐蚀，并且从而获得较长的灯寿命。虽然具有填充物的高压灯实际上从现有技术中是已知的，例如从GB1253948B中，该填充物特别是包括汞和氯，但是对本发明的认识是提供HgCl幅射的主要成分，并且同时，氯填充物的侵占性将受到限制。
通常应该将本申请中所指示的填充物数量理解为与原子相关的总填充数量。因此，分子应该按照化学计算转换；例如，1摩尔(mole)Hg2从而代表[Hg]＝2mole的填充物数量，以及1mole Hg2和1mole HgCl相对应于[Hg]＝3mole和[Cl]＝1mole的数量。
另外，本领域技术人员将很清楚，这种填充物数量关系用于调整灯中的蒸汽压比，即，气相成分，以及在期望的范围内的材料迁移。从而例如条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm3)2具有的结果是大约PHgCl≤2毫巴(mbar)的氯化汞的蒸汽压在热动平衡条件下4000K放电的幅射区域出现。
明显地，如果在填充物中没有更多的能够将成分性质改变的物质出现，仅调整的将是这个气相成分本身。从而，例如，一系列金属，比如，例如，钡、镁、钠、和银，也形成在高温下相对稳定的氯化物，即，例如BaCl2、MgCl2、NaCl、和HgCl。例如，在1200K时，BaCl2的蒸汽压仅为PBa＝0.0016毫巴(mbar)，以及PC1+PC12＝0.0032毫巴(mbar)，以便这种成分对于根据本发明的灯中的典型的总计氯气压，例如0.35巴(bar)，的贡献实际上可以被忽略，即，这些物质如它曾经作为的那样作为氯吸气剂工作。虽然在填充物中一定数量的这些物质例如作为杂质是相当可以接受的，但是因为所形成的成分在灯的非关键位置沉淀下来，例如作为固体物质，所以它们确实明显地影响所要求的有效物质的填充物数量，即，例如Hg和Cl。
因此，本申请中提及的用于填充量的定量数据与相对干净的灯的情况相关，相对干净的灯典型地只能在实验室条件下准备，并且基本上仅包括上面提及的有效物质，即，除去难于避免的杂质外，例如，特定微量的氧。因此，定量数据应该适于在制造条件下和/或打算增加另外的填充物成分时。为了所述适于的目的，本领域技术人员可以求助于现有技术中介绍的灯化学中的热动平衡的知识。另一方面，可以借助实验室制造的干净灯，根据例如发射的光谱和灯寿命性质的测量进行直接的比较，灯以便确定根据本发明所制造的灯的操作。
另外增加的金属，优选的是一种形成比汞更稳定的氯化物，并且特别是铝、砷、铋、钴、镓、锗、铟、铅、锡、铊、和钒的组中的一种，并且特别是增加锗，使得改善根据本发明的灯的性质更进一步地成为可能。可以以纯净物的形式或混合合金的形式添加这些金属，或者以合适的化合物的形式添加，该化合物在灯工作过程中将金属释放而不干扰灯工作。然后，这种金属作为氯粘结剂，即，它在灯工作过程中将氯粘结在灯较冷(colder)的区域，这提供了数种正面效应。
一方面，因此进一步降低了氯的化学侵占性，即，对壁和电极的腐蚀。另一方面，因为所述金属与汞竞争作为氯粘结剂，因此，在较冷的灯区域中的气相中的HgCl含量降低。但是，在外部、次冷(cooler)的灯区域中较低的HgCl浓度，降低了在热灯区域中所产生的HgCl幅射的自我吸收，即，增加了灯所发射的HgCl幅射总量。此外，应该注意到使用钨电极，WCl2可能在灯最冷的位置以固态形式积淀，即，钨在灯的寿命过程中如它曾经作为的那样作为氯吸气剂工作，因此用于形成HgCl的氯逐渐地越来越少，即，从幅射产生过程中被除去。因为增加上述金属降低了钨到壁上和从而也迁移到最冷位置的迁移，如上所述，并且因为所述金属与钨竞争来粘结氯，但是金属氯化物是气态的，因此减少了固体WCl2的形成，以便氯至少不是那么多地从过程中去除，其对于幅射产生是很重要的。
上面提到的氯粘结剂金属的最有利的效果由它们自身显现出来，特别是如果填充物含有与氯相比，按化学计算过剩数量的这些金属，以便氯可以被限制到充足的数量。为了获得化学计算的过剩数量，氯粘结剂金属的填充量的总数[M]必须满足[M]/[Cl]≥1/WM，其中WM表示氯粘结剂金属的平均化合价。氯粘结剂金属的填充量的总数[M]将被理解成与原子相关的所有这些金属的总计的填充量，如上面所解释的。例如，1mole Al+2mole GeCl2与[M]＝3mole氯粘结剂金属的总计的填充量相一致。氯粘结剂金属的平均化合价WM可以作为混合物中单独金属的化合价的算术平均值来计算，由它们的混合比进行加权。在上面的1mole Al+2mole GeCl2的范例中，以Al∶Ge＝1∶2的比例组合的AlCl3中三价的Al和GeCl2中二价的Ge导致平均化合价WM＝(1×3+2×2)/3＝7/3。为了简化起见，在这个等式中只考虑了GeCl2中Ge的二价变化形式，其在灯工作中起主要作用。为了计算更准确，应该考虑在其它的氯化锗变化形式GeCl、GeCl3、和GeCl4中的Ge的其它化合价，以及这些变化形式在与灯相关的温度范围内的热动平衡中的混合比，在这种情况下，特别地，作为灯中仅次于GeCl2的一个最常见的变化形式，GeCl中的单价Ge是很重要的。
考虑到在例如最冷点为1250K的温度工作条件下的灯抗压力性和整个电极导线可能的抗压力性(例如出于灯容器爆炸危险的原因而考虑)，灯在技术上很难控制400巴(bar)以上的工作压力。汞的填充量[Hg]应该优选地被限定到[Hg]≤2000μmole/cm3。因为Hg和Cl填充量的乘积由于所要求的HgCl蒸汽压而应该至少为200(μmole/cm3)2，所以如上所述，[Hg]最大量≤2000μmole/cm3导致的相应条件是，Cl填充量的最小值[Cl]≥0.1μmole/cm3。Cl的最大量，[Cl]≤10μmole/cm3(因为Cl侵占性的限制)和Hg和Cl填充量的乘积的条件还导致了Hg数量的最小值的条件，即[Hg]≥20μmole/cm3。
因为根据本发明的氯填充物的侵占性的限制，放电容器还可以用石英玻璃制造。但是，显然地，也可以使用陶瓷氧化物，并且特别地也可以使用密集烧结多晶氧化铝(DGA或PCA)。类似地，侵占性受到限制意味着可以使用金属电极特别是钨电极将能量耦合到灯容器。在另一个实施例中，电极可以用多种金属制造，特别是用钨和铼。此外，也可以使用有涂层的电极，特别是那些由钨芯和至少包含90％重量份的铼的涂层形成的电极。关于这种复合材料或有涂层的电极参考EP0909457A1、US6169365B1、和US6060829A，关于这些主题，这些文件就可以认为是作为参考被包含在本申请中。可替换地，可以不用电极而将能量耦合到灯内，例如通过高频或微波范围内的电磁交变场，特别是在0.5到50MHz或500MHz到50GHz的范围内。虽然因此避免了由于存在电极而导致的问题，从而获得了对灯进行设计的更宽自由度，其它问题出现了，例如，比如电磁交变场发生器的成本较高且效率有限。
但是，本发明还与发光单元有关，发光单元与根据本发明的高压放电灯一起提供。特别地，当利用电磁交变场提供无电极能量时，这个发光单元还可以包括给灯提供能量的电驱动电路，即，例如还有用于产生这个交变场的发生器。
本发明的这些和进一步的方面和优点将在下面参考实施例，并特别参考附图进行更详细地解释，其中
图1绘出了从作为温度的函数的热动平衡计算得到的HgCl分压强，图2绘出了从作为温度的函数的热动平衡计算得到的钨的总计分压强，和图3-10是根据本发明的高压灯的实施例的频谱。
图1示出了从作为温度的函数的热动平衡计算得到的在气相中的HgCl分压强。图的纵轴示出了以巴(bar)为单位的HgCl分压强，并且横轴是以K为单位的温度。在图中，上面的曲线1的梯度是当140μmole/cm3的Hg和10μmole/cm3的Cl被填充到容器中时，从热动平衡计算得到的HgCl分压强。下面的曲线2具有相似的情况，即，在室温下，除140μmole/cm3的Hg和10μmole/cm3的Cl之外，引进额外的7.5μmole/cm3的Ge。从这两条曲线的对比可以明显看出增加Ge明显地增加了放电的较热的、幅射区域(即，大约高于3500K)的HgCl分压强，这是因为防止固体WCl2的凝结避免了从放电中去除Cl，并且在靠近壁处的气体填充的外部区域的较低温度下(即，大约在1200和3000K之间)，HgCl分压强也明显地减少了。因此，增加Ge的优点表现在两个方面第一，它增加了放电幅射中心的HgCl浓度，这导致产生更强的HgCl连续幅射，以及第二，它提供了在灯填充物的非辐射外部区域的HgCl浓度的降低，以便在这些层中降低在幅射区域产生的HgCl幅射的自我吸收。
除锗之外，进一步的有一系列在灯的较冷的区域形成氯化物的物质，它们比HgCl更稳定，HgCl的离解能为101千焦耳(Kj)/Mole。相关的金属氯化物与它们的离解能数值一起已经被列举在下表中表1
图2示出了从作为温度函数的热动平衡计算得到的钨的总计分压强SpW。图的纵轴以巴(bar)为单位示出了在气相中所有钨成分的总的分压强，以及横轴以K为单位示出了温度。钨化合物的分压强的总量还是与钨的原子数量有关，即，钨含量以化学计算方式计。例如，在钨总计压力中，化合物W2Cl10因为W2而以因子2计。曲线5至8中的每一条都是从热动平衡计算得到的，其中钨以无限的固体来源的形式而存在(reservoir)，以及另外的物质按照下面以μmole/cm3为单位的数量引入(采样-和-保持计算模式)
表2
这些曲线通常被用于对灯中发生的钨迁移进行特定的预测。在这里假定钨从钨总计压力较高的区域迁移到钨总计压力较低的区域。在曲线5中，例如，钨将从大约2200K的区域被迁移到温度较低和较高的区域。此外，假定高于几个毫巴(mbar)的钨总计压力典型地导致非常高的钨迁移率，这将灯寿命限制到几秒钟，这对于许多应用都是无法接受的。从而，例如，曲线5的钨将从温度大约为2200K的电极区域被迁移到电极和灯壁上较冷的(以及较热的)地方。因此，这个出现在电极的中心区域的位置将日益变细，并且由于这个所谓的“海狸侵蚀”效应(“beaver gnawing”effect)，电极最后将在这个位置被切断。
对比曲线6和5会得到这样的认识在这个低于大约3毫巴(mbar)的范例中，增加Ge已经是一种用于充分降低钨总计压力的非常有效的措施，这已经导致灯寿命在几种应用中是可接受的。但是，可以通过降低氯的填充量，进一步降低钨总计压力，在这种情况下，Hg的填充量将相应地被增加，因为Hg和Cl的填充量的乘积的条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm3)2。曲线7示出了钨总计压力低于0.4毫巴(mbar)，以及曲线8低于大约0.2毫巴(mbar)，这导致相应的更长的灯寿命。
在曲线7和8中更少的氯填充量使得降低增加到这些填充物中的锗成为可能。
在此应该再次指出在较冷的灯区域中，钨对于氯的收气剂的作用。由于降低氯的填充量和/或金属例如锗的添加，导致的钨迁移率的降低，明显地减慢了钨在较冷的灯区域的积聚。而后，这以相应的方式减慢了WCl2的形成和它在固态积淀，并且从而减慢了在幅射产生中氯迁移的负面效应。这相当大地改善了在灯寿命过程中幅射的保持，即，相当大地降低了在整个灯寿命中所产生的幅射功率的减少。
图3至10示出了根据本发明的高压灯的实施例的频谱。所发射的幅射的波长以纳米(nm)为单位被绘制在这些图的横轴上，并且以瓦/纳米(W/nm)为单位将幅射强度绘制在纵轴上。
与图3到6相关的实施例数据被收集在下表中表3
除了图3，这些实施例的频谱清楚地示出了当没有GeCl发射并且仅在422.7纳米(nm)和468.6纳米(nm)有微弱的Ge线出现时，HgCl的B-x分子发射。图3中的灯的9.7μmole/cm3的Cl浓度接近根据本发明的最高为10μmole/cm3的区域上限，很明显，不增加氯粘结剂物质，很难观察到HgCl发射，然而，比较图4，在增加7.5μmole/cm3的Ge之后，该发射变得清晰可见。这伴随着灯发光效率的明显增加，从61到124Im/W。
具有图3到6的频谱的灯的填充物与在图2中计算的曲线5到8的钨总计压力基本上相一致。可能伴随着Hg填充量的增加，增加作为氯粘结剂的锗、以及降低氯含量的优点清晰可见。从而，通过仔细地调整填充物数量，可以获得具有较好的彩色重现性和较长寿命的高效率灯。从而，例如，对比图5和图4的实施例，清楚地示出了灯寿命的延长，而发光效率仍然很好。类似地，图6中的灯期望的灯寿命进一步延长，其填充物与图2中的曲线8相一致，这是因为明显降低的氯含量，而因为频谱的相似性，它具有与图5中的那些灯相似的发光效率和彩色重现性。但是，到现在为止，没有进行寿命试验，只有几个小时的短时间实验。
代替或除了作为氯粘结剂的锗之外，具有相似化学作用的替代金属可以被用作氯粘结剂。在此优选的使用上面提及的金属，它们形成比汞更稳定的氯化物化合物，特别是除了锗、还有铝、砷、铋、钴、镓、铟、铅、锡、铊、和钒。与图7至9的实施例有关的下表包括了使用Ga、Al、和Sn作为氯粘结剂的第一结果。在这些实验中，使用了明显高于根据本发明的[Cl]≤10μmole/cm3的上限的非常大的氯数量，以便在任何情况下，在灯寿命初期的放电中获得足够的HgCl蒸汽压。但是，在技术上完全不足的大约1小时的灯寿命，清楚地表明了这种大的氯数量不能被用在产品中。
虽然到目前为止，还没有具有这样的填充物和较长灯寿命的这种灯被真正经过实验证明，但是图7到9的实施例的比较示出了减少氯数量和增加氯粘结剂添加量的正面影响。因此，具有较长灯寿命的这种灯的开发仅仅是进一步的系统实验的问题，并且从而是在一般技术人员的工作范围内。
表4
图10示出了无电极实施例的频谱，其数据被总结在下表中。因为电极腐蚀的问题在此不再存在，因此这个第一实验是在增加后的氯数量高于根据本发明的上限[Cl]≤10μmole/cm3的条件下实施的。氯粘结剂的增加也被省却了。在灯填充物中增加了硫来研究其对灯频谱的影响。但是，这个效应被判定为较小。
表5
这种没有电极的灯表现出了150Im/W的高发光效力。但是，系统发光效率的评估应该考虑到与用于具有电极的灯的镇流电路相比，微波产生的低效率。微波谐振器的高价格还在灯成本上具有负面影响。还没有实施这种灯的寿命检测，仅仅有几个小时的短期燃烧周期。正如在GB1253948B中已经记录的那样，在相应的更长的燃烧时间的情况下，虽然没有电极问题，但是在较高的氯数量下预计会出现氯对灯泡壁的腐蚀。根据本发明，作为减少氯数量的结果，因而也假定这种灯的寿命明显地延长。
权利要求
1.一种具有放电容器的高压放电灯，该放电容器具有的填充物包括稀有气体，例如氩，汞，和氯，其中，汞的填充量[Hg]和氯的填充量[Cl]满足下面的条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm3)2[Cl]≤10μmole/cm3。
2.如权利要求1的高压放电灯，其特征在于，填充物还包括金属，优选的是形成比汞更稳定的氯化物中的一种的金属，并且特别是从作为氯粘结剂的铝、砷、铋、钴、镓、锗、铟、铅、锡、铊、和钒的组中选取的一种。
3.如权利要求2的高压放电灯，其特征在于，填充物包括锗，其作为氯粘结金属。
4.如权利要求2的高压放电灯，其特征在于，氯粘结金属的填充量总和[M]满足条件[M]/[Cl]≥1/WM，其中WM表示氯粘结金属的平均化合价。
5.如权利要求1的高压放电灯，其特征在于，汞[Hg]的填充量满足条件[Hg]≤2000μmole/cm3。
6.如权利要求1的高压放电灯，其特征在于，放电容器是由石英或陶瓷氧化物材料，特别的是密集烧结的氧化铝。
7.如权利要求1的高压放电灯，其特征在于，为了将电功率耦合到高压放电灯内，高压放电灯包括金属电极，特别地由钨制造，或合成电极，特别地由钨和铼制造，或有涂层的电极，特别地由钨芯和至少包含90％重量份的铼的涂层组成。
8.如权利要求1的高压放电灯，其特征在于，放电容器是椭圆形状，由石英制造，并且具有11mm的内径和16mm的内部长度，高压放电灯包括钨电极，其用来将电功率耦合到高压放电灯，和填充物包括4.2μmole/cm3的氩，375μmole/cm3的汞，1.8μmole/cm3的氯，和2.5μmole/cm3的锗。
9.一种发光单元，包含如权利要求1的高压放电灯。
10.如权利要求9的发光单元，其特征在于，为了将电功率耦合到高压放电灯内，发光单元包括发生器，用于产生高频或微波范围内的电磁交变场，特别是在0.5到500MHz或500MHz到50GHz的范围内。
全文摘要
本发明涉及具有放电容器的高压放电灯，放电容器具有的填充物包括稀有气体(例如氩)、汞、和氯，其中汞和氯的填充量[Hg]和[Cl]满足下面的条件[Hg]·[Cl]≥200(μmole/cm
文档编号H01J61/82GK1717771SQ200380104265
公开日2006年1月4日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月26日
发明者A·G·R·科尔伯, R·希比格, R·P·肖尔, J·拜尔, G·纳图尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司