ES2347615T3 - Lamparas de alta temperatura que poseen envoltura de cuarzo absorbente de uv. - Google Patents
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Abstract
EL CUARZO FUNDIDO QUE CONTIENE TANTO DIOXIDO DE TITANIO COMO OXIDO DE CERIO COMO DOPANTES ABSORBENTES DE LOS RAYOS ULTRAVIOLETA HA DEMOSTRADO SER PARTICULARMENTE EFECTIVO PARA CUBIERTAS DE LAMPARAS PARA LAMPARAS DE ALTA TEMPERATURA TALES COMO LAMPARAS HALOGENAS INCANDESCENTES Y LAMPARAS DE DESCARGA DE ARCO DE ALURO DE METAL QUE EMITEN TANTO LUZ ULTRAVIOLETA COMO RADIACION VISIBLE. EL CUARZO CO-DOPADO TRANSMITE LA RADIACION VISIBLE Y ABSORBE UNA PARTE SUBSTANCIAL DE LA RADIACION ULTRAVIOLETA EMITIDA. LA ABSORCION DE LA RADIACION ULTRAVIOLETA ES MUY SUPERIOR A TEMPERATURAS POR ENCIMA DE 500 (GRADOS) C Y EL CUARZO CO-DOPADO NO REACCIONA CON EL INTERIOR DEL RELLENO.
Description
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Campo de la invención
La presente invención se refiere a lámparas que operan a altas temperaturas y poseen una fuente de luz que emite radiación de luz visible y UV que está circundada por una envoltura de cuarzo absorbente de UV codopada con dióxido de cerio y titanio. Más particularmente, la presente invención se refiere a lámparas que comprenden una envoltura de cuarzo fundido absorbente de UV codopada con bióxido de cerio y titanio que está a una temperatura de al menos 500°C durante la operación de la lámpara y que encierra una fuente de luz que emite radiación de luz visible y UV.
Antecedentes de la divulgación
Tal como se sabe también, se utiliza sílice fundido o cuarzo fundido como material de envoltura vítreo, transmisor de luz para lámparas de alta intensidad, tal como lámparas de descarga de gas y lámparas incandescentes halógenas, debido a su excelente transmisión de luz visible y su capacidad de soportar altas temperaturas de operación de hasta aproximadamente 1100°C. Casi todas las lámparas de descarga de arco y muchas lámparas con filamento de alta intensidad, tal como lámparas halógenas de tungsteno, emiten radiación ultravioleta (UV) que es dañina para los ojos y la piel del ser humano y que también causa el debilitamiento de los tejidos, plásticos y pintura y el amarilleo y/o fatiga de muchos tipos de plásticos empleados en los dispositivos y lentes de las lámparas. El cuarzo fundido es un excelente transmisor de radiación UV y por ello no proporciona ninguna pantalla contra la emisión de dicha radiación por parte de una fuente de luz de filamento o arco encerrada dentro de la envoltura de la lámpara hecha de cuarzo fundido. Como resultado, se han desarrollado lámparas que comprenden una fuente de luz que emite radiación de luz visible y UV encerrada dentro de una envoltura vítrea de cuarzo fundido o vidrio que contiene materiales absorbentes de UV, o dopadores tal como se denominan, de manera que la envoltura de la lámpara, por si misma, absorberá la radiación UV emitida por la fuente de luz. Se desvelan ejemplos ilustrativos, pero no restrictivos de dichos esfuerzos previos en las Patentes Estadounidenses Núm. 2.895.839; 3.148.300; 3.848.152; 4.307.315 y 4.361.779. Sin embargo, aún existe una necesidad de un material vítreo útil para las envolturas de lámparas que son calentadas a una temperatura por encima de 500°C durante la operación de la lámpara y que también absorberá la radiación UV en longitudes de onda de 200-380 nm junto con la mínima adsorción de la radiación de luz visible de 380-750 nm. Dicho material también debe ser un material homogéneo, incoloro, vítreo, y los dopadores presentes deben ser de un tipo y en una cantidad que minimice o evite las reacciones químicas entre la envoltura de la lámpara dopada y haluros de metal y otros productos químicos presentes tanto en la lámpara de descarga de arco como en una lámpara incandescente halógena. La capacidad del material de ser utilizado a temperaturas superiores a 500°C no debe ser deteriorada por los dopadores, o el material no será útil para las lámparas de alta temperatura.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Conforme a la invención, se proporciona una lámpara que comprende una fuente de luz que emite radiación de luz visible y UV circundada por una envoltura de cuarzo fundido transmisora de luz visible y absorbente de UV, caracterizada porque dicha envoltura de cuarzo está dopada con dióxido de titanio y óxido de cerio, y en la que la cantidad de titanio y cerio en dicho dopador no excede el 0,5% en peso de la composición de cuarzo fundido para una lámpara que opera con su envoltura a una temperatura de hasta 800°C, o 0,3% en peso para una lámpara que opera con su envoltura a una temperatura de hasta 1100°C.
Ahora se ha descubierto que una envoltura de lámpara fabricada de cuarzo fundido que contiene dióxido de titanio y óxido de cerio como dopadores absorbentes de UV es útil a altas temperaturas, transmite radiación de luz visible y absorbe radiación UV, siendo la absorción UV mayor a temperaturas por arriba de 500°C que a temperaturas por debajo de 500°C. Por cuarzo fundido se quiere decir cuarzo que posee un alto contenido de SiO2 de al menos 96% en peso y preferentemente al menos 99% en peso.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La FIG. 1 es un gráfico que ilustra los espectros de transmisión UV de cuarzo fundido codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio en función de la temperatura.
La FIG. 2(a) ilustra los Espectros de emisión UV para una lámpara y ensamblaje reflector ilustrado esquemáticamente en la FIG. 2(b) que posee una envoltura de lámpara de cuarzo fundido no dopado y uno codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio.
La FIG. 3(a) ilustra los espectros de transmisión UV para una lámpara de arco de haluro de metal que posee una cámara de arco de cuarzo fundido no dopado y uno codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio y la FIG. 3 (b), ilustra esquemáticamente el tipo de lámpara de arco empleada.
La FIG. 4 ilustra esquemáticamente un tipo de lámpara de arco protegida empleada en conformidad con la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Se preparó el cuarzo fundido codopado con absorbentes de UV dióxido de titanio y óxido de cerio mezclando las cantidades apropiadas de arena de cuarzo natural de alta pureza con dióxido de titanio (TiO2) y dióxido de cerio (CeO2) de grado reactivo en forma de polvo suspendido en acetona. Los niveles típicos de impureza en la arena de cuarzo utilizada para fabricar cuarzo fundido no dopado y codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio se exponen en la tabla a continuación.
- Elemento de impureza
- Concentración (ppm en peso)
- Al
- 14,6
- Ca
- 0,4
- Cu
- <0,05
- Fe
- 0,2
- K
- 0,5
- Li
- 0,5
- Mg
- <0,1
- Mn
- <0,03
- Na
- 0,6
- Ti
- 1,1
- Zr
- 0,5
El cuarzo fundido no dopado de esta pureza en la forma de tubo útil para fabricar envolturas de lámpara está disponible en GE Lighting en Cleveland, Ohio, denominado como 5 Cuarzo Fundido GE214.
En la fabricación de cuarzo codopado, se molió una suspensión espesa de arena de cuarzo, TiO2 y CeO2 hasta que pareció homogénea y el polvo seco resultante se fundió durante dos horas a 2000°C bajo una atmósfera de hidrógeno para formar el cuarzo fundido codopado. Las lámparas se fabricaron a partir de cuarzo fundido no dopado y codopado. Los lotes del
10 cuarzo fundido codopado que contenían dióxido de titanio y óxido de cerio se fabricaron utilizando el procedimiento anterior y conteniendo las siguientes cantidades de titanio y cerio expresadas en partes por millón por peso (ppm en peso) de la composición total de cuarzo. Aunque las mediciones reflejan la cantidad de titanio y cerio elementales presentes, en el cuarzo fundido éstos están en forma de dióxido de titanio y óxido de cerio, respectivamente.
- Lote
- Cantidad de Titanio Cantidad de Cerio
- A
- 500 2000
- B
- 500 3000
- C
- 500 4000
Se utilizó el Lote A para fabricar envolturas de lámpara para lámparas de descarga de arco de haluro de metal del tipo ilustrado en la Figura 3(b) en la que la porción de pared de la cámara del arco alcanzó una temperatura de aproximadamente 925°C durante la operación de la lámpara. Se utiliza el Lote B para fabricar la envoltura de vidrio de lámparas incandescentes halógenas de tungsteno, que incluyen el tipo ilustrado en la Figura 2(b) en la que la temperatura de la envoltura puede variar de aproximadamente 550°C a 900°C durante la operación de la lámpara (dependiendo del vatiaje) y el Lote C se fabricó para la porción de protección de la lámpara de descarga de arco de haluro de metal protegida del tipo ilustrado en la Figura 4 y para lámparas halógenas de tungsteno de bajo vatiaje en las que la temperatura del cuarzo puede variar de aproximadamente 550 a 650°C.
La cantidad total de dopadores de dióxido de titanio y óxido de cerio en el cuarzo fundido está determinada por dos factores. Uno es la reacción de la atmósfera o relleno encerrado dentro de la envoltura de la lámpara con el titanio y cerio presentes en el cuarzo fundido y el otro es la temperatura alcanzada por el cuarzo fundido durante la operación de la lámpara. En el primer caso la reacción con la envoltura de la lámpara puede acusar cambio de color, pérdida de lumen, vida corta de la lámpara y devitrificación, mientras que en el último caso, el incremento de las cantidades de los dopadores disminuye la temperatura de trabajo útil del cuarzo fundido debido a la devitrificación, distorsión o debilitamiento y fusión. La cantidad óptima de los dopadores de dióxido de titanio y óxido de cerio empleados para fabricar el cuarzo fundido codopado debe ser determinada por el practicante para cada caso específico. A modo de ejemplo ilustrativo, no restrictivo, la cantidad total de titanio y cerio en el cuarzo fundido no debe exceder (i) 0,3% en peso si el cuarzo codopado alcanzará temperaturas de aproximadamente 1100°C durante la operación de la lámpara y (ii) 0,5% en peso a aproximadamente 800°C. Finalmente, es importante que la valencia del titanio en el cuarzo sea más cuatro y no más dos. Si la valencia del titanio es menor que más cuatro (es decir, +2 como en TiO), el cuarzo se vuelve de color negro en vez de claro y transparente a la luz. El límite superior de la cantidad de TiO2 se controla un tanto mediante el proceso de fabricación del cuarzo fundido. Si el cuarzo fundido codopado se prepara en una atmósfera reductora de hidrógeno, que excede 500 ppm en peso de titanio (es decir, 1000 ppm en peso) ha dado como resultado cuarzo ennegrecido. El óxido de cerio utilizado puede ser Ce2O3, CeO2 o una mezcla de los mismos. Finalmente, los dopadores de dióxido de titanio y óxido de cerio pueden ser reemplazados todos o en parte por uno o más precursores apropiados que incluyen un compuesto organometálico tal como alcóxido, una solución o un gel.
La Figura 1 ilustra los espectros de transmisión de ultravioleta en función de la temperatura del cuarzo para cuarzo fundido codopado con 500 ppm en peso y 4000 ppm en peso de titanio y cerio, respectivamente, de 220-500 nm para un tubo de cuarzo fundido de espesor de pared de 0,7 mm medidos a una distancia de 50 cm utilizando un espectrofotómetro. El titanio y el cerio estaban presentes en el cuarzo como dióxido de titanio y óxido de cerio. Se registraron espectros desde 220 a 500 nm con un tubo detector fotomultiplicador sensible a UV. Puede observarse fácilmente que incrementar la temperatura del cuarzo fundido codopado incrementa sustancialmente la absorción de UV entre 230-280 nm con una reducción concomitante en la transmitancia de UV.
La Figura 2 ilustra los espectros de emisión UV medidos y calculados reflejados hacia adelante desde una lámpara y ensamblaje de reflector según lo ilustrado en la Figura 2(b). De ese modo, volviendo a la Figura 2(b), la lámpara incandescente halógena 10 que posee un filamento 12 y un relleno de halógeno (no mostrado) sellada herméticamente dentro de una envoltura de cuarzo fundido 11 se muestra adherida por cemento 24 en la porción saliente que se extiende hacia atrás 20 del reflector de vidrio 22 que posee una superficie reflectante de la luz hacia delante 23. El filamento 12 está conectado eléctricamente a líneas exteriores de entrada de corriente 26, 26’ por medio de cierres de lámina de molibdeno 16, 16’ en la porción de cierre a presión 17 de la lámpara 10 tal como es bien conocido por aquellos expertos en la técnica. El diámetro interno máximo del reflector 22 fue de 5,08 cm. Los datos en la Figura 2 se basan en la lámpara 10 operada a una temperatura de filamento de 2930°K y la envoltura de la lámpara 11 fabricada con tubo de lámpara de cuarzo fundido GE214 no dopado y tubo de cuarzo fundido codopado que contiene 5 ppm en peso de titanio y 4000 ppm en peso de cerio en forma de dióxido de titanio y óxido de cerio, respectivamente. Volviendo a la Figura 2(a), la Curva A es la radiación UV medida proyectada hacia delante del reflector 22 con una envoltura de lámpara de cuarzo no dopada y la Curva B es un espectro calculado para la envoltura de lámpara de cuarzo fundido 11 codopada con 500 y 4000 ppm en peso de titanio y cerio, respectivamente, en base a la transmitancia medida para la envoltura no dopada. La importante diferencia en la emisión UV es obvia. Además, el valor de NIOSH para Eritema y Conjuntivitis (NIOSH E&C) para el cuarzo no dopado fue de solamente 0,65 horas, mientras que el valor NIOSH E&C utilizando el cuarzo codopado fue de 10 horas. De ese modo, la misma lámpara y ensamblaje de reflector utilizando cuarzo codopado es quince veces más segura que utilizando cuarzo no dopado. El valor NIOSH E&C es un número calculado que describe la exposición recomendada para un trabajador en el lugar de trabajo y se refiere a los niveles de UV sobre el trabajador. Está definido por un documento del gobierno de Estados Unidos NIOSH 73-1109 "Criteria for a Recommended Standard, Occupational Exposure to UV" publicado por el Departamento de Salud, Educación y Bienestar de Estados Unidos en 1973. Los valores NIOSH E&C mencionados en la presente memoria se refieren al tiempo de exposición al UV calculado ponderando el flujo UV emitido para eritema y conjuntivitis, es decir, daño cutáneo y ocular. El valor debe ser mayor que 8 horas. Las mediciones relacionan el poder espectral (en microvatios/cm2/nm) con los factores de ponderación de NIOSH E&C para calcular el tiempo de exposición efectivo de NIOSH E&C.
La Figura 3(a) es un gráfico que ilustra la emisión UV para una lámpara de arco de
haluro de metal de 100 vatios fabricada a partir de tubo de lámpara de GE214 no dopado y a partir de tubo de lámpara de cuarzo fundido codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio que contiene 500 ppm en peso de titanio y 2000 ppm en peso de cerio. La lámpara era del tipo ilustrado brevemente y esquemáticamente en la Figura 3(b). Volviendo a la Figura 3(b) se ilustra una lámpara de arco 30 que comprende una cámara de arco 32 que encierra dentro un par de electrodos espaciados 36, gas inerte, haluro de metal y mercurio (no mostrado). Los electrodos 36 están soldados en un extremo a cierres de lámina de molibdeno 38 herméticamente sellados a presión en porciones del extremo del sello a presión 34. Las líneas exteriores de entrada de corriente 40 están soldadas al otro extremo de los respectivos cierres de lámina de molibdeno 38 para proporcionar electricidad a los electrodos 36. La cámara de arco 32 y porciones tubulares 34 se formaron de una única pieza de tubo de cuarzo fundido tal como es bien conocido por aquellos expertos en la técnica. Se forma un pico de escape 33 después de que la cámara de arco es evacuada y llenada y el tubo de escape (no mostrado) es retirado. Las lámparas de este tipo se fabricaron utilizando tubo de cuarzo fundido no dopado y tubo de cuarzo fundido codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio según lo establecido más arriba. La cámara de arco era una elipse de 22 mm x 12 mm que poseía un volumen de 1 cc y un espesor de pared de 1 mm que contenía un par de electrodos, argón, mercurio y una mezcla de yoduros de escandio y sodio. El tubo de arco se operó a 100 V y 1,2 amperios. La Figura 3(a) ilustra el espectro de emisión UV para ambas lámparas e inmediatamente se observa la importante diferencia en la emisión UV entre las lámparas fabricadas a partir de cuarzo fundido no dopado y aquellas fabricadas a partir de cuarzo fundido codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio. La pared de la cámara de arco estuvo a aproximadamente 900°C durante la operación de las lámparas. Los espectros UV se midieron según lo descrito previamente. La aplicación de los tiempos de NIOSH E&C reveló que las lámparas fabricadas a partir de cuarzo fundido codopado tenían un tiempo de exposición permisible veinte veces mayor que las lámparas fabricadas a partir de cuarzo fundido no dopado.
La Figura 4 ilustra otra realización de la invención en la que una lámpara de descarga de arco está encerrada dentro de una protección de cuarzo fundido codopado. Emplear una protección codopada permite el uso de una mayor cantidad de dióxido de titanio y óxido de cerio en el cuarzo fundido porque no se torna tan caliente como la envoltura de cuarzo fundido de la lámpara de arco. De ese modo, volviendo a la Figura 4, se ilustra la lámpara de descarga de arco de haluro de metal 30 como herméticamente encerrada dentro de una protección 50 que comprende una envoltura 52 fabricada de sílice fundido codopado con dióxido de titanio y óxido de cerio. La envoltura 52 está sellada herméticamente en ambos extremos 54 por sellos a presión sobre los cierres de lámina de molibdeno 56 en los que un extremo de cada uno está
fijado a las líneas de entrada de corriente de la lámpara 40 y el otro extremo a líneas exteriores de entrada de corriente 58. El espacio 60 puede estar vacío o contener un gas apropiado, tal como uno o más gases nobles, nitrógeno, etc. Debido a que la envoltura de protección 52 no se torna tan caliente (es decir, 550-650°C) como la envoltura de la lámpara 32 (es decir, 8005 1100°C) durante la operación de la lámpara, puede utilizarse una mayor cantidad de codopadores que en la envoltura de la lámpara según lo descrito más arriba. Esto da como resultado la absorción de mayores cantidades de radiación UV emitida por la lámpara con menos UV concomitante emitido en el ambiente circundante. Las lámparas de construcción general del tipo ilustrado en la Figura 4, pero sin la protección codopada, se utilizan 10 actualmente en el comercio y están desveladas, por ejemplo en la Patente Estadounidense
4.935.668. Aún en otra realización, la envoltura de lámpara y la protección pueden ser cuarzo fundido codopado conforme a la invención, lo que da como resultado aún menos radiación UV emitida en el ambiente circundante.
Lo anterior tiene como objetivo ser ilustrativo, pero no restrictivo, con respecto al ámbito
15 de la invención. Otras realizaciones serán apreciadas por aquellos expertos en la técnica tales como lámparas de descarga de arco sin electrodos en las que la cámara de arco está fabricada a partir de cuarzo fundido codopado conforme a la invención. Además, conforme a la invención, las lámparas también pueden tener un filtro de interferencia óptica de película delgada dispuesto sobre la pared de la cámara de arco o filamento para cambiar el color de la luz
20 emitida o reflejar la radiación infrarroja de vuelta al filamento o arco y transmitir radiación de luz visible.
25
30
Claims (3)
- Reivindicaciones1. Una lámpara que comprende una fuente de luz que emite radiación de luz visible y UV rodeada por una envoltura de cuarzo fundido transmisora de luz visible y absorbente de UV, caracterizada porque dicha envoltura de cuarzo está co-dopada con dióxido de titanio y5 óxido de cerio, y en la que la cantidad de titanio y cerio en dicho dopador no excede el 0,5% en peso de la composición de cuarzo fundido para una lámpara que opera con su envoltura a una temperatura de hasta 800°C, o 0,3% en peso para una lámpara que opera con su envoltura a una temperatura de hasta 1100°C.
- 2. La lámpara de la reivindicación 1 en la que dicha fuente de radiación de luz10 visible y UV comprende un filamento, y la lámpara comprende una lámpara incandescente halógena.
- 3. La lámpara de la reivindicación 1 en la que dicha fuente de radiación de luz visible y UV comprende una descarga de arco, y la lámpara incluye al menos un haluro de metal en dicha descarga de arco.15 4. La lámpara de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que dicho óxido de cerio se selecciona del grupo que consiste en CeO2, Ce2O3 y mezclas de los mismos.202530
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