CN1005879B - 低压水银蒸汽放电灯 - Google Patents

Abstract

一种低压水银蒸汽放电灯，其发出的光主要分布在一个光谱范围，光的色温在２０００至３０００度绝对温度范围内。水银灯设有放电玻壳（５）、发光层（９）和在放电玻壳（５）的充气材料中维持光柱放电用的装置（７、８）和吸收层（１１、１２）。光柱放电的消耗功率至少为５００瓦／平方米发光层（９）表面积。吸收层由三价活化过的铝酸盐发光材料组成并具有柘榴石晶体结构。吸收层（１１、１２）可使获得低色温（下降至２０００°Ｋ）。

Description

低压水银蒸汽放电灯

本发明涉及低压水银蒸汽放电灯。这种水银灯发出的光主要分布在三个光谱范围内，光的色温在2000至3000度绝对温度的范围内。水银灯的外壳不透气，由辐射可穿透的材料制成。外壳内有充气材料：水银和惰性气体，还有发光层一由所发光的光谱主要分布在590至630毫微米和520至565毫微米范围内的发光材料制成。此外该水银灯还具有在充气材料中维持光柱放电用的装置，光柱消耗的功率至少为500瓦/平方米发光层表面积。

发出的光主要分布在三个光谱范围的低压水银蒸汽放电灯又叫做三谱带荧光灯，美国4，176，294号专利（PHA22，214）和荷兰164，697号专利（PHN7137）说明书中介绍的就是这种荧光灯。这种灯一般用于普通照明，其优点是不仅综合显色指数好〔显色指数R（a，8）起码为80〕，而且发光效率高（达90流明/瓦及以上）。这完全是可能的，因为这种灯发出的光主要集中分布在三个相当狭窄的光谱带上。为达到此目的，这种灯都装有发光光谱主要分布在590至630毫微米范围内的红色发光材料和发光光谱主要分布在520至565毫微米范围内的绿色发光材料。需要发出430至490毫微米第三种光谱范围的光时，在多数情况下一般加有蓝色发光材料。但水银蒸汽放电本身发出的可见光，其光谱也在此光谱范围内（即发出436毫微米的汞谱线），在一定的色温下，这种灯发出白光，即所发出的光的色点（国际照明委员会颜色座标图中的x、y）处在或靠近黑体幅射器的谱线上。低色温荧光灯的色点一般最好选用稍高于黑体幅射器的谱线（例如在y座标上大约0.010处）的色点。

要使三谱带荧光灯发出的光达到规定的色温，可适当调节荧光灯总发光量在三个光谱范围中的相对配额。因荧光灯的色温较低，故在430至490毫微米蓝色光谱范围中的配额较小。从上述164，697号荷兰专利说明书中知道，管形放电外壳内径约36毫米的三谱带荧光灯，其所能达到的最低色温约为2300度绝对温度。在这种情况下，荧光灯中就无需加装蓝色发光材料，发出蓝色光谱范围所需进行的幅射全部由兰色汞辐射完成。对放电外壳内径较小的三谱带荧光灯，尤其是直径约24毫米的三谱带荧光灯来说，由于蓝色汞谱线的相对配额较大，因而采用水银蒸汽放电更有效。因此，这类荧光灯可达到的最低色温较高，约为2500度绝对温度。

本专利说明书开端所述的那种三谱带荧光灯可见诸4，335，330号（PHN8875）、4，199，708号（PHN8877）和4，374，340号（PHN9408）等美国专利说明书中。这种荧光灯一般结构极为紧凑，具有取代白炽灯的趋势。正因为这种荧光灯的结构紧凑，所以灯中发光层的负荷大，也就是说，该荧光灯发光时光柱所消耗的功率，每平方米发光层表面积起码为500瓦。这比上述内径分别为36毫米和24毫米荧光灯发光层的负荷（分别为300和400瓦/平方米）大得多。据发现，在这类负荷极大的荧光灯中，蓝色水银射线的配额甚至更高，而且如果不用蓝色发光材料，则这类荧光灯所发出的光在黑体辐射器谱线色点上的色温起码约为2700度绝对温度。由于上述原因再加上这类荧光灯的显色指数R（a，8）高，所以这类荧光灯适宜代替白炽灯。

迄今，室内照明主要采用白炽灯。白炽灯的色温值一般为2650度绝对温度。但如果室内照明采用彩色灯（例如采用所谓火焰形白炽灯泡）并采用遮光器，则色温会降至2000度绝对温度左右，为了节约电能，最好用荧光灯代替白炽灯。上述负荷大的荧光灯，其缺点是蓝色水银射线强，不能用于经常所要求的大致2000至2700度绝对温度的色温范围内。

本发明的目的在于消除上述缺点，总的目的是提供移动重负荷三谱带荧光灯色点的方法和降低色温的方法，同时保持良好的综合显色指数，充分保持高的相对光通量。

本专利说明书开端介绍的那种低压水银蒸汽放电灯，根据本发明，其特征在于该水银灯有一层经三价铈活化并具有柘榴石晶体结构的铝酸盐吸收层。

上述柘榴石是周知的发光材料（见J.O.S.A杂志，一九六九年第五十九卷第一期第60页），能吸收短波紫外线，而且特别能吸收波长在400和480毫微米之间的射线，并将其转化成宽发射谱带（半值宽度约为110毫微米）中在约560毫微米处具有最大值的射线。在三谱带荧光灯的吸收层中采用这种柘榴石发光材料可以使荧光灯发射的射线的色点漂移，并可降低荧光灯的色温而仍然保持或大体上保持相对光通量和高值的综合显色指数。采用能吸收蓝色射线的任何黄颜料可以降低荧光灯本身的色温。但黄颜料会降低相对光通量（这是这种灯所不能容许的），因而不能使用。在本发明的水银灯中采用柘榴石的好处是：被吸收的射线并不损失掉，而是被高效转换成可见光，因而相对光通量高。本发明的水银灯显色指数R（a，8）高，这不是我们所指望的，因为，众所周知，射线在565至590毫微米范围的三谱带荧光灯（其中有相当大一部分是由柘榴石发出的）对显色性能是有害的。

本发明的水银灯最好具有下列特点：其铝酸盐发光材料应具有分子式为Ln_3-xCe_xAl_5-p-qGa_pSc_qO₁₂的柘榴石的结构，其中Ln起码应为下列诸元素之一：钇、钆、镧和镥，且其中0.01≤X≤0.15，0≤p≤3，0≤q≤1。从该分子式和给定的各项条件可以看出，在柘榴石中可以用Y、Gd、La和Lu中的一个或多个元素作为阳离子Ln，且在上述限定条件下可用镓和/或钪部分代替铝。活化剂Ce取代Ln的一部分，其浓度x为0.01至0.15。其实，Ce含量低于上述较低限定值时会使发光材料不能充分吸收蓝色射线。Ce含量不得超过0.15，不然Ce含量太高不能充分形成柘榴石，而且还会产生不希望有的次相。

本发明的水银灯最好具有这样的特征，即柘榴石Ln为钇元素，且柘榴石中不含Ga和Sc（p＝q＝o）。这样的发光材料实际上具有最佳的吸收性能，光能量最高。

在本发明水银灯的一个实施方案中，吸收层设在放电外壳表面。这样做的好处是：水银灯所产生的水银共振辐射的利用率达到最佳程度，且吸收层只吸收我们不想要的蓝色射线并将其转化成可见光。通常，这种灯有保护罩，例如外玻壳，或用在密闭的灯具中。

本发明水银灯的另一个实施方案具有这样能特征：吸收层设在放电外壳的内表面上，发光层设在吸收层面对放电电子流的一侧。此外，在这种水银灯中，汞共振射线主要为发光层所吸收并以最佳方式转化为光，这种水银灯无需采用外玻壳或密闭灯具。

本发明水银灯的一个实用实施方案具有下列特征：其中经三价铈活化过的柘榴石与发光层上的发光材料混合，发光层同时也是吸收层。这种水银灯制造时吸收层和发光层的装配工序可以一步完成，因此实际上制造方法非常简单。

在本发明水银灯特别实用的实施方案中，水银灯在一端覆盖，并设有镇流器和触发器，与放电外壳一起装在公用外壳中。公用外壳的底部有灯头和一个辐射可穿透的外玻壳，外壳中还可设若干反射器。这种水银灯的特征在于吸收层至少设在镇流器和/或触发器的表面和/或底部部分和/或反射器表面的部分上。

现在让我们参看附图更全面介绍本发明水银灯的实施方案。

图1是低压水银蒸汽放电灯的部分剖视正视图。该水银灯包括用一根连接管连接起来的两根平行管段。

图2是一端覆盖的低压水银蒸汽放电灯的示意图，此灯适合代替白炽灯。

图1的水银灯有一个不透气的玻璃放电外壳，外壳上有两个用连接管4连起来的平行管段2和3。放电外壳内盛有少量的水银和氩气。壳内压力为400帕斯卡。外壳内表面还有发光层5。发光层5由经三价铕活化过的红色氧化钇发光材料和经铽活化过的绿色铝酸铈镁发光材料组成。在各管段2和3远离连接管4的各端设一个电极（图中未示出），这些电极构成用以维持充气材料中的光柱放电的装置。管段2和3靠近电极的各端与灯座6相连，灯座上有两个供电插销7和8，辉光启动器（图中未示出）即装在此插销上。放电外壳的整个外表面涂有薄薄的吸收层9-即具有柘榴石结构的经三价铈活化过的铝酸钇。管段2和3的内径为10毫米，U形放电通道的长度约200毫米。水银灯工作时的功率消耗为9瓦，发光层5的负荷，即光柱的功率消耗除以发光层5的表面积得出的商，约为1350瓦/平方米。

图2的水银灯有一个外玻壳2和底部3组成的外壳1。底部3与外玻壳2连在一起，底部3上的灯头4即E27型灯头。外壳1中有放电玻壳5、镇流器6和触发器（图中未示出）。触发器装在底部3中。放电玻壳5是一个内径9.5毫米弯成钩形的玻璃管，有四个彼此相邻平行延伸的管段，各管段彼此用三个弯曲管段连起来。放电玻壳5中盛有少量的水银和汞齐以及氩气和氖气的混合物。玻壳内压力为300帕斯卡。电极7和8分别设在玻壳5的各端。玻壳5的内表面有发光层9-由图1所述的红色和绿色发光材料组成。玻壳5的自由端在底板10中，底板10则固定在底部3上。底板10和镇流器6分别涂有薄薄的吸收层11和12。吸收层的材料是铈活化过的铝酸钇。水银灯工作时的功率消耗18瓦。放电通道的长度约为390毫米，而光柱消耗的功率除以发光层表面积的商为1250瓦/平方米。

例1至例4

四图1所示的水银灯（9瓦），有吸收层设在放电玻壳外表面，吸收层由薄而均匀经铈活化过的柘榴石组成，该柘榴石的分子式为Y_2.9Ce_0.1Al₅O₁₂。各水银灯采用不同厚度的吸收层。各水银灯吸收层上所用的柘榴石总量（A毫克）、水银灯发射的光的色点（x、y）和所得出的光通量（L流明）如下表所示。作为对比，还列出了例a没有吸收层但在别的方面与水银灯1至4相同的水银灯的数据。

实例 A（毫克） x y L（流明）

a 0 0.457 0.411 564

1 59 0.468 0.429 558

2 72 0.470 0.434 542

3 80 0.473 0.439 542

4 150 0.483 0.450 536

显然，在大致△y＝1.5△x时，随着吸收层厚度的增加，色点漂移增加。例a水银灯所发出的光，其色温约为2750度绝对温度，色点大体上在黑体辐射体的谱线上。现在如果把水银灯1至4的发光层中红色发光材料与绿色发光材料的分量比加大（由于吸收层较厚，此分量比必须较大），使水银灯的色点移至黑体辐射器线上或该线附近的区域，则发现，水银灯1至4的色点分别达到2400、2340、2200和2000度绝对温度左右。

例5至例7

三图1所示但没有外吸收层的水银灯（9瓦），在放电玻壳的内侧涂有经铈活化过的柘榴石的吸收层，柘榴石的分子式为Y_2.9Ce_0.1Al₅O₁₂。在此吸收层上再加一层红色发光材料Y₂O₃-Eu³⁺和绿色发光材料CeMgAl₁₁O₁₉-Tb的混合物组成的发光层。下表列出了各水银灯吸收层A的厚度（吸收层总质量毫克数）、色点（x、y）、综合显色指数R（a，8）、0小时时的光通量（Lo流明）和水银灯工作1000小时后的光通量（L₁₀₀₀。例a中的数据表示没有吸收层的水银灯的有关数据。

例 A（毫克） x y R（a，8） L₀（流明） L₁₀₀₀（流明）

a 0 0.457 0.411 82 564 502

5 25 0.466 0.423 81 573 502

6 50 0.475 0.436 81 566 505

7 75 0.480 0.444 80 566 513

这里我们又发现，吸收层使色点产生大约△y＝1.5△x的漂移。水银灯5、6和7的发光层，其红色发光材料与绿色发光材料在分量上的比值与水银灯a的相同。水银灯a的色温约为2750度绝对温度。将此比值稍微加大，则水银灯5色点趋近黑体辐射器的谱线，在此情况下，色温约为2500度绝对温度。在相应的情况下，水银灯6和7的色温甚至更低（低到大约2000度绝对温度）。

例8

在图2所示的水银灯（18瓦）上，在其镇流器底板上和在其面对放电玻壳的底部竖边上设置了含Y_2.9Ce_0.1Al₅O₁₂的吸收层。该水银灯所发出射线的色点为：x＝0.465，y＝0.417，非常接近规定点（x＝0.468，y＝0.418）。没有吸收层的同类水银灯，其色点为x＝0.461，y＝0.412。

例9至例11

三图2所示的水银灯（18瓦）上设有下列混合物组成的发光层：经铽活化过的绿色铝酸铈镁发光材料（CAT）、经三价铕活化过的红色氧化钇发光材料（YOX）和经铈活化过分子式为Y_2.9Ce_0.1Al₅O₁₂的柘榴石（YAG）组成的混合物。因此，这三灯的发光层也起了吸收层的作用。下表中列出了该三灯发光层的成分（以重量百分比表示），还列出了各色点测定值（x、y）、色温（Tc绝对温度值）、发光效率（η流明/瓦）和综合显色指数R（a，8）。

CAT YOX YAG Tc η R

例 重量% 重量% 重量% x y （K） （流明/瓦） R（a，8）

9 30.8 66.5 2.7 0.477 0.414 2500 49.0 80

10 26.8 67.9 5.3 0.493 0.415 2325 48.4 82

11 23.0 68.1 8.9 0.508 0.415 2175 47.6 83

最后，应该指出，本发明的发光层除包括红色发光材料和绿色发光材料之外，还包括少量蓝色发光材料。高色温三谱带荧光灯的情况通常也是这样。在本发明的重负荷荧光灯中，蓝色发光材料是使荧光灯达到规定色点的又一个因素，因而对荧光灯是有利的。

Claims (9)

1、一种低压水银蒸汽放电灯，其发出的光主要分布在三个光谱范围内，该水银灯具有一个透光的不透气外壳和由水银与惰性气体组成的充气材料;以及一包括第一红色发光材料和第二绿色发光材料的发光层;用以在充气材料中维持光柱放电用的装置，光柱消耗的功率至少为500瓦/平方米发光层表面积;其特征在于，该水银灯设有蓝色水银射线吸收层，该吸收层包括具有柘榴石结构的由分子式为Ln_3-xCCe_xAl_5-p-qGa_pSc_qO₁₂确定的、发光的经三价铈活化过的铝酸盐，其中Ln为钇、钆、镧和镥等元素中的至少一个元素，且其中

0.01≤x≤0.15

0≤p≤3

0≤q≤1。

2、如权利要求1中提出的水银灯，其特征在于Ln为钇元素，且p＝q＝o。

3、如权利要求1或2中提出的水银灯，其特征在于其吸收层设在放电外壳的外表面上。

4、如权利要求1或2中提出的水银灯，其特征在于其吸收层设在放电外壳的内表面上，其发光层设在面对放电电子流的吸收层的一侧。

5、如权利要求1或2中提出的水银灯，其特征在于经三价铈活化过的柘榴石与发光材料组成的发光层混在一起;该发光层也是吸收层。

6、如权利要求1或2中提出的水银灯，该水银灯在一端覆盖，还设有镇流器和触发器，后两者与放电外壳一起，装在一个公共外壳中;公共外壳由带灯头的底部和辐射能透过的外玻壳组成，外壳中还可设反射器;该水银灯的特征在于吸收层至少设在镇流器和/或触发器的表面和/或底部和/或反射器表面的部分上。