CN101009194B - 具有改进磷光体层的高输出荧光灯 - Google Patents

具有改进磷光体层的高输出荧光灯 Download PDF

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Abstract

一种荧光灯(10)，其具有磷光体混合物，以便在以诸如250-1000mA的较高电流工作时提供日光(5500K)及钨(3200K)色彩，以便例如为舞台及工作室应用提供高光输出。

Description

具有改进磷光体层的高输出荧光灯
关联申请
本申请主张申请于2006年1月25日的美国临时专利申请号60/761,963的优先权，这里通过引用将其全部内容而结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及具有改进磷光体层的高输出荧光灯。
背景技术
荧光灯已通用于通常需要明亮柔和照明的舞台、摄影工作室、电影设备(传统胶片及数字形式两者)及艺术工作室。利用全光谱磷光体混合物，已经发展了T12(3.81厘米(1.5英寸)直径)及CFL(小型荧光灯)来为这些应用提供色彩校正照明。在大部分情况下，灯以最大实用功率水平来工作以提供最大亮度级，通常具有用于照明控制的可选调光功能。在很多情况下，可从现有T12固定器(fixture)获得的最大光量受3.81厘米直径的灯的限制。CFL灯允许更紧凑的固定器设计，然而却不能提供充分的预热稳定性。需要中等直径的灯(直径小于T12)以从提供T12直径灯大部分优点的给定尺寸固定器提供改进的稳定光输出，使得可从较小尺寸灯获得大部分增大的亮度级。对于诸如舞台及工作室灯领域，需要高亮度输出、全光谱、柔和光源，但在灯以昏暗状态工作时要避免条纹或闪烁(当灯被调暗时，其以较低温度工作)。当T8灯被调暗时通常会产生条纹或闪烁，而这种条纹或闪烁是电影摄影、视频、舞台及工作室应用所不能接受的，其中闪烁会影响摄像机工作并会导致记录图像中的视觉缺陷。需要改进的磷光体混合物以在增大电流的情况下实现可接受色彩性能，特别需要改进的磷光体混合物以平衡当功率/电流水平增大时产生的为546nm的增大的Hg线“绿色”输出。需要宽谱带磷光体以实现均衡色彩。
发明内容
一种汞蒸气放电荧光灯，包括具有磷光体混合物的磷光体层，所述磷光体混合物从包括以下混合物的组中选出：(a)包括20-25％重量百分比的锡掺杂磷酸锶(strontium phosphate)、5-20％重量百分比的锑及锰掺杂氯氟钙磷灰石(calcium chlorofluoroapatite)、5-25％重量百分比的铕掺杂铝酸锶(strontium aluminate)、及20-60％重量百分比的铕掺杂氯锶钡磷灰石(strontium barium chlorapatite)的磷光体的混合物；(b)包括40-70％重量百分比的锡掺杂磷酸锶、10-30％重量百分比的硼酸铈镁(cerium magnesium borate)、0.2-5％重量百分比的铽及铈掺杂磷酸镧(lanthanum phosphate)、以及10-35％重量百分比的铕掺杂铝酸锶的磷光体的混合物；以及(c)包括30-50％重量百分比的硼酸铈镁、30-50％重量百分比的锑及锰掺杂氯氟钙磷灰石、0.2-10％重量百分比的锰掺杂硅酸锌(zinc silicate)、以及10-30％重量百分比的铕掺杂铝酸锶的磷光体的混合物；在所有情况下，重量百分比基于在所述磷光体层(16)中的全部磷光体。该灯适于以250-1000mA的电流工作。提供了一种照明单元，包括至少两个上述灯以及灯架，各个灯以平面列阵被安装在该灯架中。一种提供照明的方法包括提供上述灯的步骤以及使灯以250-1000mA电流工作的步骤。
附图说明
图1图解地以部分剖视示出了根据本发明的荧光灯；
图2是保持八个荧光灯的发光单元的平面图；且
图3是沿图2的线3-3所取的剖视图。
具体实施方式
在以下说明中，当给出诸如5至25(或5-25)的优选范围时，其指优选地至少为5，且分别独立地和优选地不超过25。
参考图1，示出了业界公知的低压汞蒸气放电荧光灯10。荧光灯10具有优选为线状圆柱形的透光玻管或玻壳12(其优选地具有圆形横截面)。玻壳12的内表面优选地设置有反射阻挡涂层或层14，用于随时间改进光柔和性及亮度的维持性。阻挡涂层14的内表面设置有磷光体层16，阻挡涂层14位于玻壳12与磷光体层16之间。磷光体层16优选地为稀土类磷光体层或包含稀土类磷光体，例如以下描述的稀土类多磷光体层。灯10优选地为业界公知的T8灯，优选地具有标称121.92厘米(48英寸或4英尺)长度的圆柱形管，并具有2.54厘米(1英寸)的标称外径或2.54厘米或约2.54厘米的外径。T8灯还可具有标称60.96、91.44、182.88、或243.84厘米(2、3、6、或8英尺)的长度。
灯10密闭地由附装在两端的基座20密封，而电极或电极结构18(以提供电弧放电)分别安装在基座20上。在密封波壳内部提供维持放电的填充物22，该填充物22包括/是惰性气体或位于低压中与少量汞结合的惰性气体混合物，以提供灯工作时的低蒸气压力性能。
参考图2及图3，示出了发光单元或固定器24(例如T8电影设备)，其包括灯架26、供电单元27及八个荧光灯28、30、32、34、36、38、40及42。单元24还可包括在需要时将灯调暗的亮度调节器29。如业界公知的，可使用亮度调节来提供宽范围的调光。灯架26包括通常为金属或塑料的盖体46，该盖体46加衬有业界公知的反射材料层44。每个灯28、30、32、34、36、38、40及42都优选与灯10相同。参考图3，相邻灯之间的间距或间隔优选地为0.635-2.54厘米(1/4-1英寸)或0.635-1.905厘米(1/4-3/4英寸)或0.635-1.27厘米(1/4-1/2英寸)，或不超过0.508厘米(1/5英寸)、0.635厘米(1/4英寸)、0.847厘米(1/3英寸)、1.27厘米(1/2英寸)、1.588厘米(5/8英寸)、1.905厘米(3/4英寸)、2.223厘米(7/8英寸)、或2.54厘米(1英寸)。
发光单元或固定器24优选地为用于为电影摄影、舞台、视频、及工作室应用提供柔和照明的特制光固定器，其中可使发光单元工作以在诸如人或动物或家具或场景中的任何其他事物的物体上发光或投射光，然后例如通过摄像机、电影摄像机、胶片摄像机、数字摄像机、摄影等来记录所述被照明物体的影像。单元24提供诸如灯10的灯的封闭包装的平面列阵(灯在平面上列阵布置)，优选地为2-14或2-12或4-12或6-12或4、6、8、10或12个灯在平面列阵中封闭包装。
灯10可以在35-70、40-70、50-70、60-70、65-70、67-70、68-70、69-70或约70瓦特工作，或以240-700、275-650、400-600、500-600、550-600、570-600、580-600、590-600或约600mA工作。灯10优选地以250-1000mA、更优选地以300-900或350-900或350-800或400-700mA、更优选地以425-675或450-750或450-650或500-600或550-650mA的电流工作。灯10中的电极优选地为那些能够处理250-1000mA电流、更优选地300-900或350-900或350-800或400-700mA电流、更优选地425-675或450-750或450-650或500-600或550-650mA电流或上述其他电流或电流范围的那些电极。T8灯可相对容易地支持高功率(电流水平)电极。填充物22的惰性气体或填充气体优选地为氖及氩气的结合，优选地为5-80或6-70或8-60％摩尔百分比的氖，更有选10-50％摩尔百分比的氖、15-40％摩尔百分比的氖、或10-30％摩尔百分比的氖或15-25％或15-20％摩尔百分比的氖或至少20、25、30、35、40、50％或60％摩尔百分比的氖，每种情况下其余气体均为氩。在业界公知的传统填充物温度下，填充气体压力或填充物的气压优选地为199.983-666.61帕斯卡(1.5-5托(torr))，更优选地为266.644-533.288帕斯卡(2-4托)或306.641-466.627帕斯卡(2.3-3.5托)，或者约为266.644帕斯卡(2托)、333.305帕斯卡(2.5托)或399.966帕斯卡(3托)，或266.644-399.966帕斯卡(2-3托)或266.644-333.305帕斯卡(2-2.5托)，更优选地为333.305-399.966帕斯卡(2.5-3托)。阻挡层14优选地为美国专利5,602,444所揭示的阻挡层(barrier layer)，并优选地为5-80或10-65或20-40重量百分比的γ氧化铝(gamma alumina)与20-95或35-90或60-80重量百分比的α氧化铝(alpha alumina)的混合物，这样使得光扩散并柔和。磷光体层16优选为在以70瓦特或600mA工作时提供Cinema 32(3200K)或Cinema 55(5500K)色温。磷光体层16优选地具有1-5或2-4mg/cm2的涂布量或其他传统的涂布量。
当诸如灯10的灯以70瓦特或600mA工作时，会减少灯寿命及光通维持率(lumen maintenance)，但这种折衷方案对于需要较短时间周期(一次数小时)的较高照明水平的舞台及工作室应用而言是可接受的。当以3小时打开、20分钟关闭的周期使照相制版(phototype)121.92厘米(4英尺)T8灯(填充气体为10％摩尔百分比氖及90％摩尔百分比的氩；填充气压为333.305帕斯卡(2.5托))以70瓦特工作时，测试结果显示灯至少可达到2000小时的寿命。
通常121.92厘米(4英尺)T8灯以约32瓦特及约200mA的电流工作。当T8灯以大于200mA的电流水平工作时会担心产生功效损耗(LPW)。但是，对于可与先前段落所提及的灯相比较的照相制版5500K及3200K T8全光谱灯而言，LPW与灯电流之间的关系图表明，对于每个类型(5500K及3200K)，从200mA到600mA的功效总改变将小于2.5LPW或小于5％。对给定尺寸灯进行增大输出的优点而言，这是最小限度的折衷方案。此外，在额定32瓦特工作电流之上(200mA附近)产生峰值性能，由此这些灯在以300-400mA工作电流(约45瓦特)使用时可以以改进的LPW效率工作，在使用亮度调节固定器来工作时这是最常见的使用水平。本发明的一个优点在于可以以约70瓦特或600mA以全功率来使灯工作以提供光的最大化输出，然后当在舞台及工作室应用中需要特定效果时，可利用亮度调节来使灯变暗。相信本发明的灯以约70瓦特(600mA)工作可提供约两倍的以标准32瓦特(200mA)使用水平获得的照度水平。相信当如上所述使用氖及氩的混合物而非纯氩时，可以在LPW及灯泡壁温度两方面获得改进的性能。诸如约266.644帕斯卡(2托)的降低的填充气压可以以缩短寿命的代价来提供略高的LPW水平，这对本发明的产品而言是可接受的折衷方案。本发明允许较宽范围的亮度调节能力及可接受的在较宽的功率/电流范围(例如当从70至65至60至50至40至30至20至10瓦特(或小于上述任何量级)地变暗或从600至550至500至400至300至250至200至150至100至50至40至30至20mA(或小于上述任何量级)地变暗)工作，且特别在增大的功率/电流水平上工作。特别是当在亮度调节状态下工作时(此时更易产生条纹或条纹在起动后持续时间更长)，使用上述填充成份及压力对减少或消除荧光灯中的条纹形成有显著贡献。
为了提供如上所述具有日光及钨色彩(tungsten color)的全光谱、高电流、高输出灯，已发明了以下磷光体混合物。对磷光体使用了以下缩写(还表示了磷光体色彩)。SR为红色锡掺杂磷酸锶，即“锶红(strontium red)”。WW为红色且通常称为暖白卤磷光体(Warm Whitehalophosphor)，且为锑及锰掺杂氯氟钙磷灰石。SAE为蓝色/绿色，且为铕掺杂铝酸锶。SECA为蓝色，且为铕掺杂氯锶钡磷灰石(strontiumbarium chlorapatite)。CBM为红色，且为硼酸铈镁。LAP为绿色，且为铽及铈掺杂磷酸镧。ZS为绿色，且为锰掺杂硅酸锌。BH为蓝色，且为无锰卤磷光体(halophosphor)，蓝色卤磷光体。BECA为蓝色/绿色，且为铕掺杂钡氯磷灰石。MG为红色，且为氟锗酸镁(magnesiumfluorogerminate)。以下表基于混和物中全部磷光体的总重量示出了混和物的成份的优选重量百分比范围。
混合物A；用于5500K日光色
磷光体    重量百分比  更优选的重量百分比  再优选的重量百分比
SR      20-50    30-40    36.7
WW      5-20     10-15    12.2
SAE     5-25     10-20    14
SECA    20-60    25-50    37.1
32-42
混合物B；用于3200K钨色彩
磷光体    重量百分比  更优选的重量百分比  再优选的重量百分比
SR        40-70       50-60               56.9
CBM       10-30       15-25               19
LAP       0.2-5       0.5-2               1.2
SAE       10-35       15-27               22.9
20-25
混合物C；用于3200K钨色彩
磷光体    重量百分比  更优选的重量百分比  再优选的重量百分比
CBM       30-50       35-45               39.9
WW        30-50       35-45               39.9
ZS        0.2-10      1-5                 2.4
SAE       10-30       15-22               17.9
用于日光及用于钨色彩范围的本发明的磷光体混合物的一个优点在于，对于所述高电流、高输出T8灯，它们平衡被增大的为546nm的可见Hg绿辐射的强度。本发明的磷光体混合物优选地提供至少87、88、89、90、91、92、93、94、95、96及/或97的CRI，并特别在5500K及3200K优选地提供至少44、45、46、47、48、50、52及53的每瓦特流明。本发明的磷光体混合物优选地提供具有约2900-3500、3000-3400、3100-3300、3200、5000-6000、5100-5900、5200-5800、5300-5700、5400-5600或5500K的色温的照明。
比照现存混合物测试了三种本发明的磷光体混合物。关键要求为在工作功率/电流范围上的色彩稳定性以及在预期使用寿命期间良好的色彩及照明输出维持性。使用F40T12/H0及55瓦特CFL灯的性能作为基准。混合物D为传统色度50混合物(Chroma 50 blend)；混合物E为现存T12 5500K混合物；混合物F为现存T12 3200K混合物。在测试中包含了混合物D、E及F以验证在增大电流的状态下用于这些应用的现存磷光体混合物的性能。
利用涂覆在氧化铝反射阻挡涂层(即，阻挡层位于玻璃与磷光体层之间)上的水基磷光体涂层制剂，测试了六种混合物A、B、C、D、E及F。所使用的氧化铝阻挡涂层是美国专利5,602,444所揭示的已知涂层。该阻挡涂层提供有效的磷光体利用率、改进的磷光体亮度维持性、减小的汞损耗、以及在灯管的内玻璃表面处额外的光漫射。测试的灯均为具有10％摩尔百分比的氖、90％摩尔百分比的氩、且填充气压为333.305帕斯卡(2.5托)的121.92厘米(4英尺)T8灯。灯测试结果为以600mA电流工作的T8灯具有100小时测光读数(photometric)；百分比(％)意指重量百分比；R1及R2为红色磷光体；G大致为绿色磷光体；B为蓝色磷光体。LB界定为“光平衡”，或以逆标色温(绝对开氏温标的倒数)表示的迈尔德移位(Mired Shift)。CC界定为“色彩修正指数”，并进行标度以与商用的品红色及绿色Kodak Wratten滤光片步进水平(magenta and green Kodak Wratten filter steplevel)或比例界定单元(scale defined unit)相对应；m对应于品红色标度(magenta scale)，而g用于表示绿色滤光片。
混合物  色彩  R1          R2         G            B
A       5500K SR-36.7％   WW-12.2％  SAE-14.0％  SECA-37.1％
D       5500K SR-33.8％   ---        BH-58.8％   SECA-7.4％
E       5500K SR-39.8％   ---        BECA-35％   SECA-25.2％
B       3200K SR-56.9％   CBM-19％   LAP-1.2％   SAE-22.9％
C       3200K CBM-39.9％  WW-39.9％  ZS-2.4％    SAE-17.9％
F       3200K SR-56.9％   MG-14.2％  LAP-5.6％   BECA-23.4％
混合物  流明  LPW    x     y      CRI    LB    CC
A       2600  47.7   0.31  0.313  95.4   +11   4.0
m
D       2490  46.1   0.313 0.316  93.5   +21   3.0
m
E       2525  46.5   0.31  0.316  96     +5.5  5.0
m
B    2490  46.0    0.421    0.389    97.7  +9    0
C    2940  54.1    0.42     0.389    94.4  +25   2.0
m
F    2420  44.7    0.414    0.39     91    +7    2.0
g
在较高输出(600mA)状态下，本发明的混合物A(5500K日光)、B及C(两者均为3200K钨)显示改进的CRI、流明及LPW。在混合物A(5500K)及C(3200K)中使用暖白卤磷光体(WW)是特别有创造性的。
在另一测试中，准备了类似于上述灯、并涂布有磷光体混合物A(5500K)及C(3200K)的121.92厘米(4英尺)T8灯(为在较宽功率范围上的色彩稳定性测试用)。测试结果如下。
混合物A(5500K)                  混合物C(3200K)
电流(mA) 瓦特 CCT               电流(mA) 瓦特 CCT
200      28   6319              200      27.9 3012
261      33.8 6236              261      33.6 2949
300      37.1 6223              300      36.7 3059
400      44.5 6206              400      44.3 3118
500      51.1 6250              500      50.9 3192
600      57.1 6339              600      56.8 3271
尽管关联色彩温度(CCT)的确移位了，但在测试的较宽的功率/电流范围上不超过约200-300度，且对所期望的应用而言是适当的。就调光而言其远优于CFL色彩稳定性，且当调光时远优于白炽(卤素)灯，白炽灯在向下调光至50％光输出时会降低700至800K。
在另一测试中，用于由涂布混合物A及C制成的121.92厘米(4英尺)T8试样本的初始光通维持率表面在1000小时的使用后小于10％的亮度损失。对上述时间周期而言，色移(color shift)也是可接受的。
本发明还可被用于任何高CRI(超过87或90)或可调光荧光灯，例如制造用于工作室照明应用，且还可用在用于通常照明应用的较宽光谱灯中。
虽然参考了优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员可理解的是，在不脱离本发明的范围的前提下，可以对本发明进行各种改变，且可以用等同物替换本发明的元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的前提下，可以对本发明的教导进行各种改变以适应具体情况或材料。因此，意在使本发明并不限于作为实施本发明的最佳模式所揭示的具体实施例，本发明可包括落入所附权利要求的范围内的各种实施例。

Claims (10)

1.一种汞蒸气放电荧光灯，包括：
具有内表面的透光壳(12)、安装在所述壳(12)内部的成对电极(18)、包括密封在所述壳(12)内部的惰性气体的维持放电的填充物(22)、以及具有位于所述壳(12)内部的磷光体混合物并邻近所述壳(12)的所述内表面的磷光体层(16)，所述灯适于以250-1000mA的电流工作，所述磷光体混合物从包括以下混合物的组中选出：
(a)包括20-25％重量百分比的锡掺杂磷酸锶、5-20％重量百分比的锑及锰掺杂氯氟钙磷灰石、5-25％重量百分比的铕掺杂铝酸锶、以及20-60％重量百分比的铕掺杂氯锶钡磷灰石的磷光体的混合物；
(b)包括40-70％重量百分比的锡掺杂磷酸锶、10-30％重量百分比的硼酸铈镁、0.2-5％重量百分比的铽及铈掺杂磷酸镧、以及10-35％重量百分比的铕掺杂铝酸锶的磷光体的混合物；以及
(c)包括30-50％重量百分比的硼酸铈镁、30-50％重量百分比的锑及锰掺杂氯氟钙磷灰石、0.2-10％重量百分比的锰掺杂硅酸锌、以及10-30％重量百分比的铕掺杂铝酸锶的磷光体的混合物；
在所有情况下，重量百分比基于在所述磷光体层(16)中的全部磷光体。
2.如权利要求1所述的灯，其中所述壳(12)为圆柱形，并具有2.54厘米的标称外径。
3.如权利要求2所述的灯，其中所述灯为约121.92厘米长的T8灯。
4.如权利要求1所述的灯，其中在所述填充物(22)中的所述惰性气体为5-80％摩尔百分比的氖，其余为氩，所述填充物(22)具有199.983-666.61帕斯卡的气压。
5.如权利要求1所述的灯，其中所述灯还包括位于所述壳(12)与所述磷光体层(16)之间的阻挡层(14)。
6.一种照明单元(24)，包括至少两个如权利要求2所述的灯(28，30)以及灯架(26)，所述灯(28，30)以平面列阵安装在所述灯架(26)中。
7.提供照明的方法，包括以下步骤：
(a)提供如权利要求1所述的灯，以及
(b)使所述灯以250-1000mA的电流工作。
8.如权利要求7所述的方法，还包括将所述灯从超过500mA调至小于300mA的调光步骤。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述灯安装在照明单元(24)中，所述照明单元包括以平面列阵安装在灯架(26)中的至少两个所述灯(28，30)。
10.如权利要求9所述的方法，还包括使所述照明单元(24)这样工作，即使之在目标物上提供照明的步骤，以及记录所述被照明目标物的影像的步骤。
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