ITRM20080334A1 - Lampada fluorescente a catodo caldo contenente un dispositivo per il rilascio di mercurio e getter - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un lampada fluorescente a catodo caldo contenente un dispositivo per il rilascio di mercurio e getter.

Le lampade fluorescenti a catodo caldo sono note nel settore con 1’ acronimo HCFL (dall’inglese Hot Cathode Fluorescent Lamp), che verrà adottato nel resto della descrizione. Queste lampade sono comunemente usate nell’illuminazione ambientale.

Una HCFL è costituita da un tubo di vetro riempito con un’opportuna miscela gassosa (generalmente di argon e neon) in cui sono presenti pochi milligrammi di mercurio; alle due estremità del tubo sono presenti i due catodi necessari per innescare e mantenere la scarica elettrica nel gas, all’origine dell’emissione luminosa della lampada; tale emissione avviene perchè gli atomi di mercurio, nelle condizioni che si instaurano a lampada accesa, emettono una radiazione ultravioletta che viene convertita in luce visibile da materiali (detti fosfori) che ricoprono l’interno della parete laterale del tubo. I due catodi sono generalmente in forma di un filamento metallico (es., tungsteno), che può essere lineare ma più comunemente è sagomato, per esempio a forma di una spirale elicoidale, per aumentarne la lunghezza. Il filamento è ricoperto da una miscela di ossidi di metalli alcalino-terrosi (essenzialmente ossidi di bario, calcio e stronzio), che migliorano le caratteristiche di emissione elettronica del filamento e quindi abbassano il consumo energetico della lampada.

Per l’accensione della lampada i catodi delle HCFL vengono pre-riscaldati in modo da favorire l’emissione di elettroni per effetto termoionico e quindi facilitare l’innesco della scarica; a lampada accesa, i catodi lavorano con un punto caldo, denominato hot spot, che raggiunge una temperatura superiore a 700 °C. La ricopertura del filamento con la miscela di ossidi viene ottenuta ricoprendo lo stesso con una miscela di carbonati di bario, calcio e stronzio, e causando la decomposizione termica di questi a dare gli ossidi corrispondenti (scaldando il filamento per passaggio di corrente nello stesso); questa operazione deve avvenire necessariamente airinterno della lampada, negli stadi finali di produzione della stessa, perchè a causa dell’elevata reattività chimica degli ossidi citati verso alcuni gas atmosferici, non è possibile produrre a parte un filamento già ricoperto di ossidi e poi inserirlo nella lampada. La decomposizione da carbonati ad ossidi richiede temperature di circa 1200 °C.

Come detto, per il funzionamento della lampada è necessario che la miscela gassosa in esso contenuta comprenda alcuni milligrammi di mercurio; inoltre, per garantire una buona durata di vita della stessa, è necessario avere nella lampada un materiale getter, cioè un materiale in grado di reagire e fissare chimicamente le tracce di impurezze gassose presenti nell’atmosfera della lampada, che ne potrebbero alterare i parametri operativi.

Per l’introduzione del mercurio in lampada sono noti vari metodi. Per esempio, può essere impiegato il gocciolamento di mercurio liquido, che però comporta problemi di riproducibilità nel dosaggio di piccole quantità dell’elemento, nonché di inquinamento dell’ambiente di lavoro; si possono impiegare pastiglie porose (di ceramica o metallo sinterizzati) impregnate di mercurio, che hanno però gli stessi inconvenienti del metodo precedente; si possono usare amalgame di mercurio (per esempio a base di zinco, indio, bismuto, o loro miscele), che hanno però lo svantaggio di rilasciare mercurio durante operazioni produttive della lampada in cui questa non è ancora sigillata, portando a perdite dell’elemento nell’ambiente lavorativo; o ancora si possono impiegare fialette di vetro contenenti mercurio liquido, che possono essere poi rotte dopo la sigillatura della lampada con riscaldamenti localizzati, ma che hanno lo svantaggio di essere di una complessa realizzazione e un complesso posizionamento in lampada.

La richiedente ha sviluppato in passato metodi di rilascio di mercurio alternativi a quelli prima visti, basati sull’impiego di composti intermetallici di mercurio con titanio e/o zirconio, e in particolare il composto Ti3Hg, venduto con il nome St 505. Questo composto ha il vantaggio di non rilasciare mercurio fino a circa 500 °C, ed è quindi in grado di sopportare i trattamenti termici di produzione della lampada senza perdite dell’ elemento, che viene emesso solo a lampada chiusa con un trattamento di attivazione (dall’esterno, tramite induzione elettromagnetica) ad una temperatura compresa tra 800 e 900 °C. Più recentemente, la richiedente ha introdotto sul mercato per lo stesso scopo un materiale di composizione titanio-rame-cromo-mercurio, descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 2006/008771 Al e venduto col nome St 545.

Questi materiali possono essere impiegati nelle lampade in forma di polveri laminate su un nastro metallico, per esempio avvolto a formare lo schermo dei catodi, come mostrato nel brevetto EP 806053 Bl, oppure inserite in un contenitore metallico di forma opportuna, come descritto nel brevetto EP 981826 Bl.

I materiali getter utili per il funzionamento delle lampade possono essere un metallo scelto tra zirconio, titanio, vanadio, niobio, afnio o tantalio, oppure una lega di questi (in particolare zirconio o titanio) con uno o più elementi scelti tra gli elementi di transizione, le Terre Rare o alluminio; i materiali getter più comunemente usati nelle lampade sono una lega zirconio-alluminio contenente circa Γ 84% in peso di zirconio, e una lega zirconio-cobalto-Terre Rare contenente circa T80% in peso di zirconio, 15% di cobalto e 5% di Terre Rare. I documenti EP 806053 Bl ed EP 981826 Bl descrivono la presenza sullo schermo o nel contenitore di polveri di un materiale getter insieme al composto di mercurio.

Recentemente é stato studiato l’impiego di HCFL nelle unità di retroilluminazione di schermi LCD di grandi dimensioni (superiori ai 50 pollici), al posto delle lampade a catodo freddo (CCFL) tradizionalmente impiegate a questo scopo. Il vantaggio previsto dell’impiego delle HCFL al posto delle CCFL è una migliore resa luminosa. Per poter essere impiegate per la retroilluminazione di schermi LCD, queste lampade devono avere un diametro contenuto, per esempio intorno ai 4 mm.

Viste le elevate temperature raggiunte dal catodo sia durante l’operazione di conversione dei carbonati, che durante la vita della lampada, nelle lampade fluorescenti a catodo caldo si usa generalmente schermare il catodo con un elemento metallico che eviti che il materiale eventualmente evaporato o sputterato dal filamento si depositi sulle pareti, ricoperte di fosfori della lampada, producendo aree nerastre, inestetismi e zone della lampada con una minore emissione luminosa; questo elemento è generalmente in forma di uno schermo cilindrico che circonda il catodo.

La soluzione descritta in EP 806053 Bl, adatta per le tradizionali lampade di diametro 2,54 cm (cosiddette lampade “T8”), non può però essere adottata in lampade di diametro di pochi millimetri, perchè l’operazione di curvatura del nastro metallico a formare lo schermo, visti i raggi di curvatura necessari, farebbe staccare le polveri dal nastro stesso.

EP 981826 Bl descrive, oltre a varie geometrie di dispensatori di mercurio, anche un metodo di impiego di dispensatori filiformi, adatti ad essere inseriti in lampade di piccolo diametro. Il metodo consiste nel sigillare la lampada con un dispensatore ad una sua estremità, causare l’emissione di mercurio nella lampada, e in seguito eseguire una seconda sigillatura del tubo in vetro della lampada in una posizione tale da escludere il dispensatore esaurito, che quindi non rimane nella lampada finita. Questo metodo è efficace ed ampiamente impiegato, ma comporta un processo relativamente complesso, che i produttori di HCFL preferirebbero evitare.

Scopo del presente trovato è quello di fornire una lampada fluorescente a catodo caldo, di piccolo diametro e contenente un dispositivo per il rilascio di mercurio e getter.

Questo scopo viene ottenuto secondo il presente trovato con una lampada fluorescente a catodo caldo, formata da un tubo di vetro ricoperto internamente di fosfori, avente due estremità ognuna chiusa da una parte terminale piatta e riempito con un’opportuna atmosfera gassosa, con un catodo in prossimità di ognuna di dette estremità e comprendente uno schermo metallico cilindrico intorno ad ogni catodo, caratterizzata dal fatto che ad almeno uno schermo è fissato, tramite una parte metallica (18), un dispensatore di mercurio filiforme, in una geometria tale che detto dispensatore è rivolto verso l’estremità opposta della lampada e il suo asse è essenzialmente parallelo all’asse della lampada.

Il trovato verrà descritto in dettaglio nel seguito con riferimento alle figure, in cui: - la figura 1 mostra una vista prospettica e in spaccato di un’estremità della lampada dell’invenzione;

- la figura 2 mostra una forma preferita di dispensatore di mercurio per uso nella lampada dell’invenzione.

La lampada, 10, comprende il tubo 11 in vetro chiuso alla sua estremità 12 da una parte terminale in vetro essenzialmente piatta 13; in questa parte piatta sono fissati due supporti, 14 e 14’, del catodo 15; per semplicità di rappresentazione il catodo è rappresentato in figura come un semplice filamento a spirale collegato alle due estremità dei supporti 14 e 14’, ma come detto in precedenza potrebbe assumere forme più complesse, per esempio una spirale elicoidale più estesa con l’asse coincidente con l’asse della lampada e di altezza circa pari a quello dello schermo. Nella parte piatta 13 è anche fissato un terzo supporto 16, isolato elettricamente da quelli 14 e 14’ e dall’esterno, che ha la sola funzione di mantenere in posizione uno schermo metallico 17, avente genericamente la geometria di un cilindro con le due basi aperte, con l’asse essenzialmente coincidente con quello della lampada, e di altezza tale da mascherare completamente il catodo in direzione perpendicolare all’asse della lampada. I due supporti 14 e 14’ sono passanti rispetto alla parte 13 (direttamente oppure perchè collegati attraverso detta parte a due conduttori elettrici esterni) per l’alimentazione elettrica del catodo. Alternativamente lo schermo può essere fissato, senza la necessità del terzo supporto 16, ad uno dei due supporti 14 e 14’, facendo in modo che esso non tocchi nè il secondo supporto nè il filamento. All’estremità dello schermo 17 rivolta verso il centro della lampada è fissata, per esempio tramite punti di saldatura, una parte metallica 18, che può essere in forma di un filo o preferibilmente di una piattina (in figura è esemplificato quest’ultimo caso). Al capo opposto del filo o piattina rispetto allo schermo 17 è fissato, per esempio tramite punti di saldatura, un dispensatore di mercurio filiforme 20. Come detto, il dispensatore 20 è essenzialmente parallelo all’asse della lampada, intendendo con ciò che è parallelo o al più leggermente inclinato rispetto a quest’ultimo. In figura è mostrato un dispensatore del tipo descritto in EP 981826 Bl, con sezione trapezoidale, ma sono possibili altre forme e in particolare altre sezioni, compatibilmente con i vincoli dimensionali della lampada dell’invenzione.

La figura 2 mostra più in dettaglio il dispensatore di mercurio 20, il cui contenitore 21 è formato da un nastro metallico, generalmente realizzato in ferro nichelato, piegato ad assumere una sezione trapezoidale con una fessura superiore 22, e al cui interno è presente una miscela 23 formata da polveri di un materiale capace di rilasciare mercurio quando riscaldato e di un materiale getter, in un rapporto in peso compreso tra 9:1 e 4:6; i materiali preferiti sono St 505 o St 545 per il rilascio di mercurio, e una lega zirconio-alluminio contenente circa Γ84% in peso di zirconio, venduta dalla richiedente con il nome St 101, come materiale getter. Le dimensioni tipiche di questo dispensatore sono circa 1,0 - 1,2 mm per la base maggiore del trapezio, circa 0,8 - 1,0 mm di altezza, ed una lunghezza compresa tra circa 2 e 10 mm, preferibilmente tra circa 4 e 8 mm, in dipendenza della quantità richiesta di mercurio nella specifica lampada.

Gli inventori hanno trovato che la distanza tra lo schermo 17 e il dispensatore 20, misurata nel punto di massima vicinanza dei due (indicata con d in figura 1), non deve essere inferiore ad 1 millimetro; ciò per evitare che il dispensatore si surriscaldi eccessivamente durante il trattamento di conversione dei carbonati di bario, calcio e stronzio ai rispettivi ossidi; se ciò avvenisse si potrebbero avere emissioni premature di mercurio che verrebbe perso, visto che questa operazione avviene sotto flusso di gas o sotto pompaggio quando la lampada non è ancora chiusa. Viceversa, il valore massimo di tale distanza non è critico per il funzionamento del dispensatore, ma è preferibile che non sia troppo elevato, per impedire che il dispensatore si “spinga” troppo all’interno della lampada, il che potrebbe dare luogo a fastidiosi effetti ombra nella lampada stessa; gli inventori hanno trovato che una distanza massima consigliabile è di circa 5 mm.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Lampada (10) fluorescente a catodo caldo, formata da un tubo (11) di vetro ricoperto internamente di fosfori, avente due estremità (12) ognuna chiusa da una parte terminale piatta (13) e riempito con un’opportuna atmosfera gassosa, con un catodo (15) in prossimità di ognuna di dette estremità e comprendente uno schermo (17) metallico cilindrico intorno ad ogni catodo, caratterizzata dal fatto che ad almeno uno schermo è fissato, tramite una parte metallica (18), un dispensatore di mercurio filiforme (20), in una geometria tale che detto dispensatore è rivolto verso l’estremità opposta della lampada e il suo asse è essenzialmente parallelo all’asse della lampada.
2. 2. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui il catodo è collegato alle due estremità di due supporti (14, 14’), passanti rispetto a detta parte terminale (13) della lampada ed in cui lo schermo (17) è sostenuto da uno di detti supporti ed è elettricamente isolato dall’altro supporto e dal catodo.
3. 3. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detto schermo è sostenuto da un terzo supporto (16), a sua volta fissato nella parte terminale (13) e isolato elettricamente dai supporti del catodo (14, 14’) e dall’esterno.
4. 4. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detta parte metallica a cui è fissato il dispensatore di mercurio è in forma di un filo o di una piattina (18).
5. 5. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detto dispensatore di mercurio ha sezione trapezoidale e una fessura lungo tutta la lunghezza della faccia corrispondente alla base maggiore del trapezio.
6. 6. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui detto dispensatore contiene una miscela di polveri di un materiale in grado di rilasciare mercurio per riscaldamento e di un materiale getter.
7. 7. Lampada secondo la rivendicazione 6 in cui il rapporto in peso tra il materiale che per il rilascio di mercurio e il materiale getter è compreso tra 9: 1 e 4:6 .
8. 8. Lampada secondo la rivendicazione 1 in cui la distanza d tra detto schermo e detto dispensatore, misurata nel punto di massima vicinanza tra i due, è compresa tra 1 e 5 mm.