[发明专利]白炽罩

说明书

本发明概括地说涉及用在燃烧气体或液体燃料的灯具中的白炽罩，特别是用于这类便携式灯具的灯罩。

只有在1983年卡尔·奥尔·冯·韦尔斯巴赫（Carl    Auer    Von    Welsbach）采用一种含有约99%的氧化钍和约1%的氧化铈成分的灯罩之后，白炽罩才成为一种商业上可实际使用的产品。这种成分是通过对包括稀土元素在内的众多的金属氧化物的实验后确定的。

钍是一种自然界存在的放射性金属。其蜕变产物包括α和β辐射，镭同位素和钍射气，即氡气的一种同位素。钍被美国政府机构列为是致癌的，其加工处于严格的政府许可和监控之下。

钍灯罩很脆，平常使用引起的冲击会导致急剧的粉碎而需要频繁地更换。每次更换灯罩旧的灯罩就被扔掉，约0.3克硬度低且呈粉状的氧化钍在没有监督的情况下被排放到环境中，这使得使用者本人和他人暴露于潜在的健康公害中。

试图提供该钍/铈成分的替代物的早期努力集中于绕过这韦尔斯巴赫专利的设想而不是去除氧化钍，但这些专利一到期后，这种钍/铈成分就被广泛地采用了，由于有效的替代被认为不可能甚至不必要，因而除了不同制造商独自享有的较小变动外，这种成分实际上没有变化。然而现在却存在着一种要减少，最好是消除放射性物质不必要地释放到全球环境中的需要。

还有，一种比现有的传统钍/铈灯罩更结实的白炽罩会增加可靠性降低白炽提灯和煤气灯的维护费用，允许开发这类设备的新样式，而对于脆性的钍灯罩则是不可能的。

尽管人们已认识到氧化锆取代氧化钍作为白炽罩材料会更坚固且无放射性，但人们一直在寻求由氧化锆实际生产灯罩的方法。

大不列颠百科全书第1卷中较详细地叙述了白炽罩的早期历史。在656页上提到氧化锆和氧化钇为氧化钍的可能取代物，但由于它们的脆性而被认为不合适。氧化锆还因收缩性和缓慢的挥发作用而被排除。

最早的灯罩是立式的，灯罩由线状框架支持于不发光火焰的上方。尽管老式，但这类灯罩仍在制造用于装潢，参见灯罩样品项D。

脆性的问题在弗尔克（Voelker）的美国专利546，792中已提出，该专利提出一种浸渍有稀土盐溶液的陶瓷材料灯丝，或在瓷基材料中加入稀土氧化物形成的白炽罩。没有文献记载显示这种白炽罩已获得商业性成功。

较近期，在里德（Reid）等人发表的美国专利3，738，793中提到了氧化钍灯罩脆性的问题，该专利系将一钍和铈氧化物层沉积在按表面燃烧原理工作的煤气燃烧器的多孔陶瓷元件的外表面上。

所叙述的制造工艺复杂，它需在一特殊基底上沉积多层金属氧化物（从第2列29行至第3列49行）再进行热处理加工，这一切过程都需在严格控制的条件下进行。没有迹象表明专利3，738，793的白炽照明设备已在工业性基础上投入了生产。

《气体用具和空间调整通讯》1987年3月综述了白炽罩的现状，并提供一份资料表明，比起钍/铈其他灯罩成分在光输出方面较差。还评述了上述已提及的专利3，738，793中已公开的设备，该专利试图在碳化硅或氧化锆的基底上涂覆氧化钍/氧化铈混和物，由于它有优异的高温强度和热抗震能力因而被认为是最有希望的材料，但这些努力表明未获成功并将试验烧结工艺来代替涂覆。该文献中无迹象表明是用该基底材料本身来作为白炽照明发光体。

能斯特的（Nernst）美国专利685，730描述了电灯灯丝由85%的氧化锆和15%的氧化钇或其他稀土氧化物组成。能斯特的美国专利685，732描述了电灯灯丝由80%的氧化锆，10%的氧化钇以及10%的氧化铒组成。能斯特的美国专利685，733描述了电灯灯丝是由氧化锆结合从含钇矿石以天然存在的比例所获得的稀土氧化物而组成的。然而直到现在不论是能斯特还是任何其他人均未提及在煤气灯罩中使用氧化锆、氧化钇和氧化铒。

在上述任一能斯特的专利中，这些材料会由粘结剂混合压制成条状和管状并在加热炉中烧制为陶瓷元件即所谓的用于能斯特灯中的发光体（参见大不列颠百科全书，669页）。制成的发光体一般具有约1-2mm的厚度，远大于应用在煤气灯罩的纤维的粗细。这些灯利用了某种陶瓷材料所具有的特性即冷却时成为好的电绝缘体而在受热时成为良导体。在预热启动导通之后，通过通入电流使发光体上升并维持在所需要的温度这样将该元件变为白炽照明发光体。

作为一种属于强光的碳弧灯和弱光的爱迪生碳丝灯之间的光源，能斯特灯由于钨丝灯的引入而被淘汰，但能斯特灯仍小批量地生产用作光谱光源。然而能斯特发光体的光发射特性并不取决于所流过的电流，从理论上讲任何合适的热源都能用来使这种发光体的材料变成白炽，而结合煤气灯一起使用却未见报导。