УСТРОЙСТВО ДОЗИРОВАННОЙ ПОДАЧИ КИСЛОРОДА ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J61/26 H01J17/24 

Настоящее изобретение касается устройства дозированной подачи кислорода для газоразрядных ламп высокого давления. Газоразрядные лампы высокого давления имеют конструкцию, состоящую из наружной стеклянной колбы, которая вакуумирована или наполнена инертным газом, обычно азотом; внутри колбы находится прозрачная газоразрядная трубка, которая может быть выполнена из кварца или светопроницаемой керамики, обычно глиноземистой керамики. Наружная колба защищает газоразрядную трубку от внутренней диффузии атмосферных газов, которая может произойти в случае, если трубка не защищена в условиях высоких температур, которых достигает поверхность при работе лампы.

Газы, заполняющие газоразрядную трубку, различаются в зависимости от типа ламп, но они обычно содержат, по меньшей мере, один благородный газ и, в зависимости от типа лампы, небольшое добавление паров натрия, ртути и галогенидов (обычно иодидов). Два металлических электрода вставляются в концы газоразрядной трубки: когда разность потенциалов прикладывается к электродам, в газообразной смеси, заполняющей трубку, образуется плазма. Плазма испускает излучение в видимом и ультрафиолетовом (У.Ф.) диапазоне волн. Некоторые лампы также имеют на внутренней поверхности наружной колбы тонкий слой так называемых люминофоров, которые служат для того, чтобы превратить по меньшей мере частично У.Ф. излучение в видимый свет. Другие лампы имеют слой керамических порошков, обычно окись циркония (ZrO₂), покрывающий два конца газоразрядной трубки, который помогает сохранять рабочую температуру внутри трубки.

Производители ламп обнаружили, что небольшие количества кислорода, находящиеся внутри наружной колбы, могут быть целесообразными с точки зрения работы лампы.

В патенте США N 4918352 описана лампа, имеющая в наружной колбе устройство для добавки кислорода или устройство подачи кислорода, которое выделяет такой газ после нагрева, когда лампа включается. Согласно указанному патенту это целесообразное добавление служит для окисления поверхности электрических выводов, находящихся в колбе, с тем, чтобы предотвратить потери натрия из газа, заполняющего газоразрядную трубку.

Из патента США N 4499396 известно преимущество присутствия слегка окисляющей атмосферы вследствие наличия следов кислорода в наружной колбе лампы; такая атмосфера предотвращает снижение содержания люминофоров и их почернение, которые приводят к тому, что яркость лампы становится непродолжительной. Почернение люминофоров может происходить из-за присутствия углеводородов в наружной колбе. Углеводороды в лампе могут появляться из разных источников. Углеводороды могут вводиться в наружную колбу как загрязнители некоторых компонентов лампы, например токовводов; они могут появляться из масла вакуумных насосов, используемых для вакуумирования колбы; или же они могут быть осадками органических связующих веществ, используемых в пастах, употребляемых для наложения некоторых покрытий, например покрытий для ZrO₂, на концах разрядной трубки или покрытий люминофоров на внутренних поверхностях колбы. При рабочей температуре лампы углеводороды распадаются, создавая углерод, который откладывается на наружной колбе и/или на газоразрядной трубке в виде черного слоя. Этот черный слой не только сокращает срок яркости лампы, но также влияет на температуру газоразрядной трубки, вызывая изменение цвета лампы. Так как эти отложения формируются уже во время первых часов работы лампы, было бы целесообразно предотвращать их образование по возможности на наиболее ранней стадии службы лампы.

Добавление газообразного кислорода в наружную колбу вскоре после изготовления лампы не позволяет, однако, проверить герметичное уплотнение колбы обычным способом, используемым производителями ламп, который заключается в вырабатывании электрического разряда, называемого "тлеющий разряд", в этой колбе. Следовательно, было бы целесообразным иметь в наличии устройство для подачи кислорода, которое выделяет этот газ только после проведения проверки герметичности уплотнения колбы. К сожалению упомянутые патенты США не описывают использования какого-либо кислородного соединения, полезного для этой цели.

Фирма APL Engineered Meterials, Inc, Illinois, США, предлагает в своем технико-коммерческом каталоге использование в лампах пероксида бария, BaO₂ • BaO₂ вводится в наружную колбу лампы в устройстве, выполненном из контейнера нержавеющей стали с небольшой пористой крышкой. Согласно каталогу APL, в этом устройстве сохраняется немного окисляющая атмосфера в колбе. Устройство должно размещаться в лампе в таком положении, чтобы оно нагревалось от газоразрядной трубки; вследствие нагрева BaO₂ выделяет кислород, который вступает в реакцию с углеводородами (C_nH_m) согласно следующим реакциям:
BaO₂ ---- BaO + 1/20₂ (I)
C_nH_m + (n + 1/4_m)O₂ --- _nCO₂ + (m/2)H₂O (II)
Использование BaO₂ однако имеет некоторые недостатки.

Во-первых, использование BaO₂ в лампах вначале было предложено в патенте США N 3519864 с целью сорбирования водорода, обычно присутствующего в лампах, что имеет отрицательный эффект увеличения напряжения, нужного для инициирования разряда в газоразрядной трубке. BaO₂ реагирует с водородом согласно реакции:
BaO₂ + H₂ --- Ba(ОН)₂ (III)
Таким образом, образующийся Ba(ОН)₂ может, в свою очередь, разложиться согласно реакции:
Ba(ОН)₂ ---- BaO + H₂O (IV)
что совершенно нежелательно.

Более того, реакция (1), (III) и (1V) могут происходить одновременно, затрудняя таким образом точное дозирование BaO₂. Такое дозирование становится даже еще труднее из-за того, что скорость этих реакций зависит по разному от температуры. Чтобы преодолеть эту проблему, коммерческий каталог фирмы APL указывает, что расположение контейнера BaO₂ должно быть таким, что BaO₂ сохраняется при температуре, составляющей от 250 до 325^oC. Это условие, однако, нелегко соблюдать, так как тепловой профиль внутри ламп зависит сложным образом от факторов, таких как рабочее положение (горизонтальное, вертикальное или промежуточное), или от размеров ламп и материалов, из которых выполнены корпуса ламп.

Наконец, выделение кислорода из BaO₂ происходит быстро только при температурах, превышающих 500^oC, и таким образом максимальная предполагаемая температура 325^oC не дает быстрого выделения кислорода с самого начала работы лампы, как это требуется.

Целью настоящего изобретения является создание устройства дозированной подачи кислорода для газоразрядных ламп высокого давления с быстрым выделением кислорода при относительно низких температурах.

Эта цель достигается согласно настоящему изобретению в устройстве дозированной подачи кислорода для газоразрядных ламп высокого давления, содержащем металлический контейнер, способный задерживать твердые материалы, но проницаемый для прохода газа, и который заполнен оксидом серебра, Ag₂O.

Ag₂O выделяет кислород согласно реакции:
Ag₂O --- 2Ag + 1/2 O₂ (V)
Использование Ag₂O предлагает несколько преимуществ по сравнению с использованием BaO₂. Во-первых, выделение кислорода начинается при температурах приблизительно 300^oC. Следовательно, можно завершать производственный цикл лампы, включая контроль герметичности уплотнения способом тлеющего разряда, без выделения кислорода. С другой стороны, Ag₂O демонстрирует быстрое выделение кислорода при температурах приблизительно около 340^oC и очень быстрое выделение при температурах приблизительно около 400^oC, как описано далее. Таким образом, доступно относительно широкое температурное поле при довольно низких температурах, приблизительно между 340 и 400^oC, в котором Ag₂O эффективно для выделения кислорода. Это дает возможность довольно свободного расположения устройства дозированной подачи кислорода внутри лампы, особенно в зонах, где средство дозированной подачи кислорода может принимать тепло от газоразрядной трубки, однако, не вызывая помех для ее светового выхода. Средство дозированной подачи кислорода может размещаться около конца газоразрядной трубки или параллельно ей, например может быть установлено на токовводе. Свобода расположения средства дозированной подачи кислорода еще больше увеличивается вследствие того, что кислород может выделяться посредством операции возбуждения после завершения изготовления лампы, но перед ее первым включением. Возбуждение может производиться путем нагрева средства дозированной подачи кислорода внешним источником тепла, например нагрев токами высокой частоты, лазером или другим подходящим источником нагрева.

Следующим преимуществом средства дозированной подачи кислорода на основе Ag₂O является то, что его можно хранить на воздухе и при комнатной температуре относительно долго, например десять дней, что не вызывает никакого отрицательного воздействия на работу ламп, в которых оно впоследствии применяется.

Наконец, осадок металлического серебра от реакции (V) полностью инертен в газообразной атмосфере лампы, в противоположность, например, продуктам реакций (III) и (1V).

Изобретение будет описано подробно далее, со ссылкой на чертежи, в которых:
на фиг. 1 показано возможное устройство дозированной подачи кислорода согласно изобретению;
на фиг. 2 показано другое возможное устройство дозированной подачи кислорода согласно изобретению;
на фиг. 3 показано еще одно возможное устройство дозированной подачи кислорода согласно изобретению;
на фиг. 4 показано следующее устройство дозированной подачи кислорода согласно изобретению;
на фиг. 5 показаны две кривые, показывающие характеристики выделения кислорода устройства дозированной подачи кислорода согласно изобретению и устройства подачи кислорода предшествующего уровня техники.

Общее количество Ag₂O не критично и зависит от размера ламп, от их производственного процесса и от присутствия (или отсутствия) ZrO₂ и отложений люминофоров, которые, как описано выше, могут быть источником загрязнения углеводородами. Необходимое количество для любого типа ламп может быть легко определено экспериментально. Количество Ag₂O, превышающее строго необходимое количество, обычно не создает проблем для качества ламп, так как избыточный кислород фиксируется, например, поверхностным окислением токовводов, как описано в приводимом патенте США N 4918352. Обычно количество Ag₂O может быть такое, что выделяемый кислород находится в пределах между 0,5 и 3,3% от объема газообразной смеси в колбе при его наличии; при отсутствии заполняющего газа количество Ag₂O выбирается такое, которое создает первоначальное кислородное давление в колбе, составляющее приблизительно от 5 до 20 мбар.

Физическая форма Ag₂O нематериальна с точки зрения обработки устройства дозированной подачи кислорода согласно изобретению и может применяться в виде чрезвычайно тонкодисперсных порошков с микрокристаллами размера порядка нанометров до монокристаллов размером в пределах миллиметров. Для простоты изготовления, однако, Ag₂O предпочтительно применяется в виде порошка с размером гранул, составляющим приблизительно от 0,1 до 50 микрон ( μm). В тех случаях, когда устройства дозированной подачи кислорода содержат небольшие количества Ag₂O, или в случае, когда окись используется в виде очень тонкодисперсных порошков, возможно к Ag₂O добавить порошок инертного материала, например оксид алюминия, чтобы упростить дозировку и перемещение порошков на производственной линии.

Контейнер может быть выполнен из различных металлов, таких как нержавеющая сталь, никель или титан; для простоты обработки предпочтительно использование никелированного железа или никеле-хромовых сплавов.

Когда газопоглотитель водорода, такой как Zr₂Ni, присутствует в наружной колбе лампы, устройство дозированной подачи кислорода и газопоглотителя могут быть объединены. Так, Ag₂O и газопоглотитель могут иметь общую металлическую опору: два материала могут, например, помещаться в общей полости опоры, возможно также, смешанные. Использование общей опоры, и возможно, смеси, снижает стоимость изготовления устройства дозированной подачи кислорода и газопоглотителя и удешевляет сборку ламп.

Устройство дозированной подачи кислорода согласно изобретению может иметь любую геометрическую форму: некоторые примеры даны ниже в описании фигур.

Первая возможная форма показана в виде с вырезом на фиг. 1. В этом примере реализации устройство 10 дозированной подачи кислорода содержит цилиндрический контейнер 11 с закрытым дном и открытым верхом. Внутри контейнера расположен Ag₂O 12, который может быть в виде сыпучего или прессованного порошка. Верхнее отверстие закрыто удерживающим элементом 13, способным удерживать порошки и проницаемым для прохода газа, например, таким, как диск из спеченных металлических порошков. Опора 14 крепится к контейнеру, способствуя закреплению устройства дозированной подачи кислорода внутри лампы.

Возможной альтернативной формой устройства дозированной подачи кислорода согласно изобретению является форма, показанная с вырезом на фиг. 2; в этом случае устройство 20 дозированной подачи кислорода содержит кольцевой контейнер 21, дно которого заполнено порошком 22 Ag₂O, спрессованным или нет; в этом случае также порошок удерживается на месте элементом удержания 23, выполненным из металлического пористого материала, и опора 24 крепится к контейнеру 20.

Еще один тип устройства согласно изобретению представлен на фиг. 3; в этом случае устройство 30 дозированной подачи кислорода состоит из полого контейнера 31, полученного простым холодным формованием металлической фольги; этот контейнер имеет верхний край 32, плоский и параллельный дну контейнера; вогнутая часть контейнера 31 заполнена Ag₂O 33; верхняя часть устройства 30 закрыта элементом удержания 34, выполненным в данном случае со сплошной металлической фольгой, приваренной к краю 32 прерывистым сварным швом в нескольких сварочных точках 35, 35¹,...; наличие прерывистой сварки гарантирует, что контейнер будет непроницаем для порошков, но, однако, он может выделять кислород из тонких отверстий 36, остающихся между краем 32 и элементом удержания 34, среди следующих сварочных точек (на фигуре показано только одно из таких отверстий, с увеличенными размерами для ясности); наконец, в этом случае также необходим элемент опоры, чтобы фиксировать устройство внутри лампы; этот элемент опоры можно получить, просто придав подходящую форму верхнему краю 32 и элементу удержания 34, так что один из них представляет собой язычок 37.

Наконец, другой возможный пример реализации устройства дозированной подачи кислорода согласно изобретению показан на фиг. 4. В этом случае устройство 40 имеет удлиненную форму и содержит контейнер 41, полученный холодным формованием металлической ленты подходящей ширины; первые два изгиба, расположенные по линиям 42, 42¹, образуют удлиненный канал, который заполняется порошком 43 Ag₂O; металлическая лента затем загибается по линиям 44, 44¹, чтобы образовать две поверхности 45, 45¹, которые вместе образуют поверхность контейнера. Изгибы выполнены таким образом, что между краями поверхностей 45, 45¹ остается тонкая щель 46, которая дает возможность свободного выхода кислорода. Пример реализации дает возможность непрерывного производства устройства согласно изобретению: возможно изготавливать "проводки" неопределенной длины, которые можно резать на куски нужной длины, как, например, показано на фиг. 4. Открытые концы 47, 47¹, которые образуются при резке "проводков" и через которые может выходить Ag₂O, могут герметично закрываться подходящими средствами (пробками, керамическими пастами) или запрессовываться, что может выполняться во время той же операции резки "проводков".

Очевидно, возможны другие формы устройства при сохранении условия наличия контейнера, который удерживает порошки, давая возможность прохода для газа.

В дальнейшем изобретение будет проиллюстрировано следующими, не ограничивающими сути изобретения примерами, целью которых является показать специалистам в данной области, как применить изобретение на практике и представить лучший пример реализации.

Пример 1
108 мг Ag₂O помещаются в контейнер, как показано на фигуре 1, который закрыт пористым диском спекшейся стали со средней пористостью около 1μm. Контейнер Ag₂O располагается в вакуумно-непроницаемой измерительной камере модели 121 microbalance CAHN. Камера вакуумирована до остаточного давления 10^-5 мбар. Образец нагревается от комнатной температуры до 400^oC со скоростью нагрева 3^oC/мин. Тепловая программа управляется компьютером, который отмечает как изменения веса образца, так и температуру его, измеренную термопарой как функция времени. Выделившиеся газы анализируются масс-спектрометром. Результаты испытания приведены на фиг. 5. Изменения веса, как функция времени, показаны кривой 1, и их величины следует смотреть на вертикальной оси справа по фигуре. Величины температуры, как функция времени, показаны кривой Т, и их следует смотреть на вертикальной оси с левой стороны графика. Кривая 1 показывает небольшое изменение веса в пределах 150^oC, которое из анализа с помощью масс-спектрометра получилось в результате небольших количеств CO₃ и H₂O, выделяющихся из образца. Не принимая это во внимание и измеряя изменения веса образца в пределах от 300 до 400^oC, получают потерю веса около 7,4 мг, соответствующую 100% общего количества кислорода, которое может выделяться образцом.

Пример 2 (сравнение)
Испытание примера 1 повторяют, используя 195 мг BaO₂ вместо Ag₂O. Результаты испытания показаны на фигуре 5 кривой 2. В этом случае также имеет место небольшое изменение веса в пределах 150^oC вследствие выделения из образца CO₂ и H₂O. Помимо этого изменения веса, образец не претерпевает существенных измеряемых потерь веса до 400^oC.

Пример 3
Оцениваются характеристики некоторых ламп, использующих галогениды металла, которые имеют устройство дозированной подачи кислорода и которые не имеют такого устройства. В частности, испытания проводятся на следующих типах ламп: на стандартных лампах, обозначенных Ref, без устройства дозированной подачи кислорода; на лампах, содержащих устройства дозированной подачи кислорода, которые держат в инертной атмосфере до их введения в лампу, обозначенных FD; на лампах с "выдержанными" устройствами дозированной подачи кислорода, которые находились на воздухе в течение 72 часов до их установки внутри лампы, обозначенных AD; на лампах, которые специально загрязняли углеводородами, которые не содержат устройства дозированной подачи кислорода и которые обозначаются О; и на лампах, специально загрязненных углеводородами и имеющих устройство дозированной подачи кислорода, которое держат в инертной атмосфере до установки внутри лампы (лампы обозначены OFD); в испытаниях используются несколько ламп каждого типа. Устройства дозированной подачи кислорода, которые используются в этих лампах, содержат 115 мг Ag₂O. Все лампы также содержат водородный газопоглотитель на основе Zr₂Ni. Для любой лампы измеряются выходная мощность света (дается в люменах, лм) и координата X цветовой точки в треугольной диаграмме цвета, известной в данной области. Эти данные измеряются, как только в лампе достигаются стабильные рабочие условия, после приблизительно 15 минут от первого включения и еще после 100 часов работы. Так как газ, заполняющий газоразрядную трубку, содержит иодид натрия, повышение температуры газоразрядной трубки вследствие образования черного отложения приводит к увеличению количества паров натрия в разряде, в результате чего увеличивается координата X; следовательно, не увеличивающаяся координата Х является признаком того, что черного отложения углерода не образовывается. Результаты исследований показаны в таблице 1, как световая выходная мощность и величина координаты Х при 0 часов стабильной работы и после 100 часов стабильной работы; таблица также показывает процентное количество световой мощности при 100 часах работы относительно количества при 0 часов, что дает представление о сохранении яркости лампой во времени.

При сравнении кривых на фиг. 5 становится очевидно, что выделение кислорода из Ag₂O начинается приблизительно при 340^oC, и оно становится полным при приблизительно 400^oC, в то время как при температурах до 400^oC BaO₂ не выделяет измеримые количества кислорода.

Кроме того, при сравнении в таблице результатов ламп Ref с результатами ламп FD и AD замечено, что устройства дозированной подачи кислорода гарантируют лучшее сохранение световой мощности, вне зависимости от того факта, что устройство предварительно держали в инертной атмосфере или на воздухе. Вредоносное воздействие углеводородов очевидно из величин, показанных для ламп О. Из последней строчки таблицы ясно, что устройство дозированной подачи кислорода способно устранить разрушительное воздействие углеводородов (ламп OFD). Координаты X цветовых точек при 100 часах, которые ниже в лампах с устройством дозированной подачи кислорода, подтверждают, что отложение углерода отсутствует.

Наконец, анализ масс-спектрометром газов, находящихся внутри наружной колбы ламп проводился после 2000 часов работы; эти испытания показали, что лампы, имеющие устройство дозированной подачи кислорода, содержат CO₂, но не водород. Способность газопоглотителя водорода не ухудшается от выделения кислорода. CO₂ медленно снова поглощается поглотителем, но его присутствие не наносит ущерба работе лампы.

Предлагается устройство дозированной подачи кислорода для использования в газоразрядных лампах высокого давления. Устройство дозированной подачи кислорода содержит металлический контейнер, способный удерживать твердые материалы, но дающий возможность свободного прохода газа, содержащего оксид серебра. Предлагаются несколько возможных типов устройства. Техническим результатом является повышение срока службы лампы за счет устранения образования черных отложений, вызываемых углеводородами внутри ламп. 9 з.п.ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Устройство дозированной подачи кислорода для газоразрядных ламп высокого давления, содержащее металлический контейнер, выполненный с возможностью удержания твердых материалов, но проницаемых для прохода газа, и который заполнен оксидом серебра Ag₂O. 2. Устройство по п.1, в котором Ag₂O находится в виде порошка. 3. Устройство по п.2, в котором порошок Ag₂O имеет гранулометрию в пределах от 0,1 до 50 мкм. 4. Устройство по п. 1, содержащее цилиндрический контейнер с закрытым дном и открытым верхом, оксид серебра Ag₂O внутри контейнера, элемент удержания, покрывающий Ag₂O и способный удерживать порошки, но проницаемый для прохода газа, и опору, закрепленную на контейнере. 5. Устройство по п.1, содержащее кольцевой контейнер с закрытым дном и открытым верхом, оксид серебра Ag₂O внутри контейнера, элемент удержания, покрывающий Ag₂O и способный удерживать порошки, но проницаемый для прохода газа, и опору, закрепленную на контейнере. 6. Устройство по п.1, содержащее полый контейнер с плоским верхним краем, оксид серебра Ag₂O внутри полой части контейнера, элемент удержания, выполненный из сплошной металлической фольги, прикрепленной к краю с помощью прерывистого сварного шва, отверстия между краем и элементом в соответствии с интервалами сварки, и опорный элемент. 7. Устройство по п.1, содержащее контейнер многоугольного сечения, полученный изгибанием металлической ленты вдоль пар параллельных линий, поверхность которых образована двумя поверхностями, порошок Ag₂O внутри контейнера, щель между краями поверхностей и устройство закрытия открытых концов металлического контейнера. 8. Устройство по п.1, также содержащее порошок инертного материала. 9. Устройство по п.1, также содержащее материал газопоглотителя. 10. Устройство по п.7, в котором Ag₂O и материал газопоглотителя смешиваются.