CN101273436A - 带有含磷光体/氧化铝层的低汞耗荧光灯 - Google Patents

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Abstract

一种低汞耗荧光灯(1)含有精细粒子尺寸α氧化铝，这种精细粒子尺寸α氧化铝在含磷光体的层(16)中，含磷光体的层(16)在灯壳(3)的内表面(15)上。灯壳(3)可具有一个或多个弯曲(22)，在这种情形中，含磷光体的层(16)还含有添加剂来增强附着，尤其是在弯曲区域的附着，这种添加剂如硼酸盐粘合剂。含磷光体的层(16)可用水基涂层悬浮液形成，在将精细粒子α氧化铝预分散在去离子水中之后，将这种精细粒子α氧化铝加到这种水基涂层悬浮液中。

Description

带有含磷光体/氧化铝层的低汞耗荧光灯
技术领域
本发明涉及低压汞蒸汽放电荧光灯，尤其涉及低汞耗的低压汞蒸汽放电荧光灯。
背景技术
低压汞蒸汽放电灯通常称为荧光灯，这些灯具有灯壳，灯壳充有汞和稀有气体，以在运行期间保持气体放电。气体放电所发射的辐射在大多数情况下在电磁频谱的紫外(UV)范围内，且仅有一小部分在频谱的可视范围内。灯壳的内表面具有含有一种或多种发光材料的一个或多个涂层，这种发光材料通常称为磷光体，磷光体在受到紫外线辐射的激励时发出可视光。
希望荧光灯更有效(具有更高的发光功效)且工作寿命更长。决定更长的寿命的主要因素是出现在灯中的超出维持放电所要求的过多的汞量。过多的汞是必要的，因为不同的灯器件如玻璃灯壳、磷光体涂层和电极将汞用尽，汞还以其它方式用于产生紫外辐射。不过，增加的汞的使用和最后的废弃的成本高，而且可能对环境有害。因此，有降低荧光灯中的汞消耗的动力，而并不同时降低灯的工作寿命。
商业上成功的低汞耗荧光灯的一个示例是目前以50/50重量百分比的标准粒子尺寸的卤磷酸盐磷光体(halophosphate phosphor)(称为“常规”卤磷光体)和小粒子尺寸的卤磷酸盐磷光体(称为卤磷光体“精细粉”)混合物的单涂层制造的34瓦特T12 Econowatt
Figure A20068003561500041
U形弯曲荧光灯。这些精细粉通常作为常规卤磷光体(regular halophosphor)的制造的副产品制造。于2004年10月29日递交的代理人档案号为No.PHUS040439的美国专利申请序列号No.60/623747已对这种常规卤磷光体进行了详细描述。
虽然这些卤磷光体的精细粉的最初目的在于在灯的U形弯曲的形成期间和形成之后改进这种涂层的附着，但我们发现这些精细粉在汞的消耗中发挥重要作用，尤其是这些精细粉的“超精细粉”部分的量对于低汞耗至关重要。例如，参看前面所提及的美国专利申请序列号No.60/623747，该美国专利申请的整个说明书通过参考结合在本发明中。
令人遗憾的是，由于这些精细粉是常规卤磷光体的制造的副产品，所以若不是不可能的话，通常难以对粒子尺寸分布进行控制以满足所要求的特定目标规格。而且，根据制造商所采用的最终特定分离工艺，这些精细粉的重量百分比仅占制造量的约2％至12％。
此外，由于灯产业从卤磷光体灯趋向于通常仅主要含有三重频带(triband)稀土磷光体(发出红色、绿色和蓝色光的三种不同的稀土磷光体的混合)的高色彩重现灯，所以可用于U形弯曲灯的制造的卤磷光体精细粉的量在减少。因此，需要卤磷光体精细粉的的适当的替代物。而且，需要可足量提供且质量一致的替代物。
美国专利6,369,502描述了在荧光灯中实现低汞耗的另一种方法。该专利描述了一种低压汞蒸汽放电灯，这种灯具有与5-30％重量的氧化铝混合的卤磷光体单涂层，氧化铝的主要粒子尺寸低于30纳米(0.03微米)。氧化铝主要以γ形式，并可混合有一些δ和/或β形式。在权利要求书中所主张的优点是分配在灯中的汞量减少。
美国专利6,528,938描述了一种汞蒸汽放电荧光灯，这种灯具有含磷光体单复合层，这种层是卤磷光体、稀土三磷光体(triphosphor)和0.05-40％重量的如5％重量的胶体氧化铝粒子的非均匀混合物。胶体氧化铝粒子的尺寸范围在10-1000纳米(0.01-1.0微米)之间，如50-100纳米(0.05-0.1微米)，且在尺寸方面均匀地分布在整个含磷光体的层中。在权利要求书中所主张的优点是胶体氧化铝粒子通过有利地将UV辐射朝向磷光体粒子发射来减少从灯的UV发射，可在这些磷光体粒子将UV辐射用于更有效地产生可视光，这样就无需现有技术中通常所使用的单独涂覆的氧化铝层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并不依赖于使用卤磷光体精细粉来实现低汞耗的低汞耗荧光灯。
本发明的另一种目的在于提供一种可足量提供且质量一致的卤磷酸盐精细粉的替代物。
根据本发明的一个方面，具有至少一个含磷光体的层的低汞耗荧光灯的特征在于这种层还含有精细粒子α氧化铝，这种精细粒子α氧化铝的比表面积约为4-8平方米每克(M2/gm)，优选为5-7平方米每克(M2/gm)，且主要粒子尺寸约为0.20-0.30微米。
优选这种比表面积约为6平方米每克(M2/gm)且主要粒子尺寸约为0.25微米的精细粒子氧化铝。这种精细粒子氧化铝在严格的控制之下进行生产并可从Baikowski公司以Baikalox商标和产品代码CR6获得。根据报告所称，这种材料包括约97％的α氧化铝，其余的主要是其它的微量氧化铝组分，如γ氧化铝。
我们通过试验发现，卤磷光体荧光灯中的汞耗减与存在于这种含磷光体的层中的精细粒子α氧化铝的量成反比。由于这种精细粒子α氧化铝是一种非发光材料，所以人们往往会预测从灯的光强会随着α氧化铝量的增加而降低。不过，我们却意外发现仅出现了极少的光强降低。例如，在15％重量的α氧化铝添加剂的情形中，我们发现光强仅降低了2-3％，这样就可用这种精细粒子α氧化铝来替代卤磷光体精细粉，以实现低汞耗卤磷光体荧光灯，这种低汞耗卤磷光体荧光灯具有足够的亮度以符合EPACT(能源政策法案)。
另外，我们还发现这种精细粒子α氧化铝在降低汞耗时比卤磷光体精细粉更加有效，这样就可用少量的精细粒子α氧化铝来替代卤磷光体精细粉，以实现低汞耗荧光灯。例如，在实现低汞耗时，15％重量的α氧化铝添加剂的有效性相当于50％重量的卤磷光体精细粉。
而且，由于α氧化铝并不是一种发光材料，所以这种α氧化铝可用作所有色彩的卤磷光体(如冷白光、暖白光和日光等)通用替代物，而用在目前的卤磷光体灯中的精细粉发光，并因此而必须与所制造的特定灯的色彩相匹配。这种可互换性和低百分比使用有助于部署(即订购、储存和使用等)的所有方面。
而且，精细粒子α氧化铝是一种在化学上比卤磷光体精细粉更无活性的材料。
这种根据本发明的低汞耗荧光灯包括：
灯壳，这种灯壳具有内表面；
汞和稀有气体填充物，这种汞和稀有气体填充物在该灯壳内；以及
至少一个含磷光体的层，该至少一个含磷光体的层在该内表面上；
其特征在于：含磷光体的层还含有精细粒子α氧化铝，这种精细粒子α氧化铝的比表面积在约4-8平方米每克(M2/gm)的范围内，优选为5-7平方米每克(M2/gm)，最优选为约6平方米每克(M2/gm)，且主要粒子尺寸在约0.20-0.30微米的范围内，优选约0.25微米。
根据本发明的优选实施例，灯壳包括伸长管，这种伸长管具有一个或多个弯曲部，如U形弯曲或圆形弯曲，这种圆形弯曲如以Circleline
Figure A20068003561500071
设计的圆形弯曲，且含磷光体的层还含有粘合剂，这种粘合剂用于增强该层到灯壳的内表面的附着，尤其是用于弯曲区域。
根据本发明的特别优选的实施例，灯壳包括U形弯曲或圆形弯曲，这种圆形弯曲如以Circleline
Figure A20068003561500072
设计的圆形弯曲，且含在该层内的磷光体是卤磷光体，氧化铝以10-20％的重量存在，粘合剂是一种硼酸盐并以0.75-1.6％的重量存在。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造用于本发明的灯的含磷光体的层的方法，这种方法包括以下步骤：
(a)形成这种磷光体的水基涂层悬浮液；
(b)将精细粒子α氧化铝预分散在去离子(DI)水中；以及
(c)将精细粒子α氧化铝的预分散体加到涂层悬浮液中；以及
(d)将这种涂层悬浮液涂覆到灯壳的内表面。
根据本发明的方法的优选实施例，在将这种涂层悬浮液涂覆到灯壳的内表面之前将硼酸盐粘合剂加到水基涂层悬浮液。在涂覆含有氧化铝和硼酸盐粘合剂的涂层悬浮液之后，可将灯壳加热并形成所希望的形状。在这种加热与成形期间，硼酸盐粘合剂增强含磷光体的层的附着，尤其是在弯曲区域。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的荧光灯的实施例的平面图，该视图部分地以截面形式，且部分地截去；
图2A和2B是根据本发明的另一个实施例的U形弯曲荧光灯的平面图；
图2C和2D是根据本发明的再一个实施例的具有盘旋状圆形构造的Circleline
Figure A20068003561500073
荧光灯的平面图；
图3是示出了汞消耗的曲线图，这种曲线图表示为作为精细粒子氧化铝浓度(重量百分比)的函数的耗减时间；以及
图4是示出了光强的曲线图，这种曲线图表示为作为精细粒子氧化铝浓度(重量百分比)的函数的100小时流明。
具体实施方式
将参考这些附图就具体实施例对本发明进行描述。这些图是示意性的，且并不是按比例绘制。
图1示出了低压汞蒸汽放电荧光灯1，这种荧光灯1带有类似于FB40T12灯的类型的伸长玻璃灯壳3。
这种灯壳用常规的钠钙玻璃制成。这种灯包括在灯壳3的每个端部的电极底座结构5，这种电极底座结构5包括支撑在导电穿通7和9上的成卷钨丝6，这些穿通延伸穿过底座杆10中的玻璃密封11。用常规的含铅玻璃制成的底座杆10以气密方式将灯壳密封。基部12固定在灯壳3的相对端部，且这些基部12中的每一个具有销状触点13，这些引线7、9连接到这些触点13。
含卤磷光体的层16还含有一部分前面所描述的精细粒子α氧化铝。层16设置在灯壳3的内表面15上。或者，尤其是在U形弯曲灯或示于图2A至2D的盘旋状构造的灯的情况下，层16还包括用于增强灯表面与弯曲区域内的含磷光体的层之间的附着的硼酸盐材料。或者，若有要求，将另一个含磷光体的层17设置在卤磷光体层16上。例如，层17可含有至少一种稀土磷光体或磷光体的稀土混合物，如三磷光体混合物。磷光体层16和17延伸灯壳3的整个长度，冰棍完全绕着灯壳内壁的周缘。
放电维持填充物通常包括处于低压的惰性气体如氩或氩与其它气体的混合物，惰性气体或氩与其它气体的混合物与一些汞结合，这些汞的量足以维持灯的运行期间的弧光放电。
示于图2A和2B中的灯是分别类似于FB40T12/6和FB32T8/6灯的U形弯曲荧光灯。类似的特征用相同的参考数字表示。灯20A和20B中的每一个具有玻璃灯壳21，玻璃灯壳21包括伸长管21A，伸长管21A带有弯曲区22。这些管的端部用基部23盖上，连接器销24延伸穿过这些基部23。支撑构件25在这些基部23之间延伸。
示于图2C和2D中的灯是分别类似于CirclelineFC12T5和FC12T9的圆形荧光灯。类似的特征用相同的参考数字表示。灯20C和20D中的每一个具有管状玻璃灯壳26，这种管状玻璃灯壳26已形成为圆。这些管的端部由连接构件27连接，连接器销28延伸穿过该连接构件27。
首先通过用磷光体涂层悬浮液涂覆玻璃管来制造U形弯曲灯。然后将灯退火以烘干粘结剂，最后将退火后的灯加热并弯曲以形成U形弯曲几何形状。为了使磷光体涂层附着到灯，特别是附着在弯曲区域，将硼酸盐粘合剂加到悬浮液中。优选作为烘烤之后的剩余材料的硼酸盐粘合剂的浓度为0.76％的重量。硼酸盐粘合剂的这种重量百分比与磷光体的重量有关。
为了展示本发明的优点，已制成了一系列FB 34瓦特T12 TLUEconowatt灯
Figure A20068003561500091
，这些灯带有单卤磷光体涂覆层，这种层含有各种百分比的CR6氧化铝。为了促进附着，尤其是在弯曲过程期间的附着，将硼酸盐粘合剂加到涂层中。
涂层悬浮液配方
制备常规卤磷酸盐磷光体和CR6精细粒子氧化铝的水基涂层悬浮液，CR6的相对量的范围在0-15％重量(0、5、10和15％重量)，且剩余的是常规卤磷酸盐磷光体。
在加到悬浮液中之前将CR6精细粒子氧化铝预分散在DI水中。将硼酸盐粘合剂组分加到悬浮液中，这些组分的量足以导致剩余重量中的硼酸盐粘合剂分别为0.76％、1.00％和1.60％。
已制成结合具有前面所描述的各种量的CR6和硼酸盐粘合剂的涂层的单涂层34瓦特T12 Econowatt
Figure A20068003561500092
U形弯曲(FB34T12CW/EW)灯以及带有涂层的控制灯，这些控制灯的涂层具有50/50％重量的常规/精细卤磷光体，这种常规/精细卤磷光体具有0.76％重量的磷光体，并且根据标准技术对这些灯的流明性能和涂层附着进行了测试。从正常的生产流水作业中将其它的具有与制成的控制灯的涂层相同的涂层的生产灯移出并进行测试。
制成对应于前面的14个测试组的另外的FB34T12CW/EW灯，但封壳充有1mg的汞，以评估耗减时间。
汞消耗
通过测量1mg汞灯的耗减时间来评估汞消耗，即汞由灯器件几乎完全消耗所要求的对灯的亮度变暗的时间，从而表明无自由汞残留来维持灯的放电。受试灯的耗减时间以小时为单位标绘为作为CR6浓度的函数，CR6浓度用于示于图3中的各种硼酸盐粘合剂。
数据表明与CR6含量成正比，且范围从约400小时至约1200小时，表明寿命增加三倍。(应忽略在1.00％的硼酸盐浓度和15％的CR6时的较低寿命，因为这种组分的灯中仅有一个存留下来，而且也因为这个灯不符合其它灯组群的趋势)。用于50/50组分控制的1000小时耗减时间与这种类型的灯在1000小时的发光时的历史值极为一致。与50/50控制相匹配的硼酸盐组分的耗减时间在约12％的CR6时出现。这些数据表明CR6是目前所使用的卤磷酸盐精细粉磷光体的替代物。
流明性能
用于受试灯的0小时流明、100小时流明和每瓦特100小时流明(lpw)的值列于表I。
表I
Figure A20068003561500101
＊50/50常规/精细粉作为控制
100小时流明的关系式也作为用于示于图4中的硼酸盐组中的每一个的CR6浓度的函数来表示。100小时流明表明在从添加达15％的CR6的控制和产量灯中有可达2-3％的输出减少，这基本上小于通常所预期的。所有的灯满足EPACT(能源政策法案)对100小时64.0lpw的最低要求。
附着
在弯曲区域对受试灯进行涂层损失检查。建立用于对这些灯进行评价的记分标准以及对结果的简要说明在表II中给出。“0”表示在弯曲区域的涂层无功率损失。“-1”表示有少量的功率损失。若有显著的功率损失，则选择分数“-2”。在任何一种情形中均未观察到从弯曲区域的显著功率损失。中间值如“-0.43”得自于测试组中所有灯的算术平均值，通常介于4至7个灯之间。
表II
Figure A20068003561500111
标准                     相对得分
弯曲中无功率损失         0
弯曲有一些无功率损失     -1
弯曲中有显著功率损失     -2
在表II中总结的数据表明最佳附着是具有最高硼酸盐浓度(1.6％重量)的组分。对于较低的浓度而言，通常可看出弯曲区域中的一些功率损失。而且，随着CR6添加量的增加，若无相应的硼酸盐浓度的增加，附着质量开始降低到不可接受的水平。这可能是由于主要在具有CR6添加剂的粉末混合物的表面区域中的增加。
在灯测试的基础上，可利用CR6精细粒子α氧化铝作为目前所使用的卤磷光体精细粉的替代物来制造单涂层FB 34瓦特T12 EconowattU形弯曲灯。以这种方式制造的灯具有低汞耗、满足或超过EPACT的最低要求的良好流明性能和良好的涂层附着，以允许以各种ALTO制造灯。CR6是用于单涂层U形弯曲灯以及其它灯几何结构和双涂层灯内所有的卤磷光体色彩(冷白光、暖白光和日光等)的卤磷光体精细粉的可变替代物，双涂层灯如基底涂层是卤磷光体层且顶部涂层是三磷光体层的灯。这些灯如FB32T8U形弯曲T8灯。
结合磷光体而不是卤磷酸盐的灯也可受益于本发明，如焦磷酸锶：Sn(蓝色发射)和正磷酸锶镁：Sn(橙色发射)磷光体。
列于本说明书中的实施例和示例用于对本发明以及本发明的实际应用进行说明，因此使本领域中熟练的技术人员能够实施并利用本发明。不过，本领域中熟练的技术人员会认识到前面的描述和示例仅是出于说明和示范目的。本领域中熟练的技术人员会明白本发明的其它实施例、实施例的变化形式和等同的描述以及其它方面、目的和优点。因此，可通过对附图、说明书和所附的权利要求书的研究获得本发明的原理。

Claims (18)

1.一种低汞耗荧光灯(1)，所述低汞耗荧光灯(1)包括：
灯壳(3)，所述灯壳(3)具有内表面(15)；
汞和稀有气体填充物，所述汞和稀有气体填充物在所述灯壳内；以及
至少一个含磷光体的层(16)，所述至少一个含磷光体的层(16)在所述内表面(15)上，所述层(16)含有至少一种磷光体；
其特征在于：所述含磷光体的层(16)还含有精细粒子α氧化铝，所述精细粒子α氧化铝的比表面积在约4-8平方米每克(M2/gm)的范围内，且主要粒子尺寸在约0.20-0.30微米的范围内。
2.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：所述精细粒子α氧化铝的比表面积在约5-7平方米每克(M2/gm)，且主要粒子尺寸在约为0.25微米。
3.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：所述精细粒子α氧化铝以10-20％的重量百分比存在于所述含磷光体的层中。
4.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：所述精细粒子α氧化铝以约15％的重量百分比存在于所述含磷光体的层中。
5.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(20A、20B、20C、20D)，其特征在于：所述灯壳(21)包括伸长管，所述伸长管具有一个或多个弯曲。
6.如权利要求5所述的低汞耗荧光灯(20A、20B)，其特征在于：所述一个或多个弯曲包括U形弯曲(22)。
7.如权利要求5所述的低汞耗荧光灯(20C、20D)，其特征在于：所述一个或多个弯曲包括圆形弯曲(26)。
8.如权利要求5所述的低汞耗荧光灯(20A、20B、20C、20D)，其特征在于：所述含磷光体的层(16)还含有粘合剂，所述粘合剂用于增强所述层(16)到所述灯壳(21)的内表面(15)的附着。
9.如权利要求8所述的低汞耗荧光灯(20A、20B、20C、20D)，其特征在于：所述粘合剂包括硼酸盐粘合剂。
10.如权利要求9所述的低汞耗荧光灯(20A、20B、20C、20D)，其特征在于：所述硼酸盐粘合剂以约0.75％至约1.6％的重量百分比存在于所述含磷光体的层中。
11.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：所述含磷光体的层(16)含有至少一种卤磷酸盐磷光体。
12.如权利要求1所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：另一个含磷光体的层(17)设置在所述含磷光体的层(16)上。
13.如权利要求12所述的低汞耗荧光灯(1)，其特征在于：所述另一个含磷光体的层(17)含有至少一种稀土磷光体。
14.一种在低汞耗荧光灯(1)的灯壳(3)的内表面(15)上制造含磷光体/氧化铝层(16)的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)形成所述磷光体的水基涂层悬浮液；
(b)将精细粒子α氧化铝预分散在去离子(DI)水中；
(c)将精细粒子α氧化铝的预分散体加到所述涂层悬浮液中；以及
(d)将所述涂层悬浮液涂覆到所述灯壳的所述内表面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于：在将所述涂层悬浮液涂覆到所述灯壳的所述内表面之前将硼酸盐粘合剂组分加到所述水基涂层悬浮液。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：在涂覆含有所述氧化铝和硼酸盐粘合剂的涂层悬浮液之后，将所述灯壳加热并形成所希望的形状。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：将所述灯壳形成为具有U形弯曲的形状。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：将所述灯壳形成为具有圆形弯曲的形状。
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