CN1053526C - 低压汞放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压汞放电灯，其壳体内含有汞和稀有气体，这种灯的发光层包含：一种由二价的铕激活的第一发光材料，其发射带的最大值在470nm到500nm之间，其半值宽度至多为90nm；一种由二价锰激活的第二发光材料，它至少有一个发射带主要在可见光谱的红色区域内；第三发光材料，其发射带的最值在430nm至590nm之间；第四和第五发光材料，其发射分别在520nm至565nm和590nm至630nm之间。

Description

低压汞放电灯
本发明涉及一种低压汞放电灯，这种灯具有非常好的现色性，并具有一个色点(XL，YL)位于蒲朗克曲线上或者接近蒲朗克曲线(Planckian locus)，这种灯的壳体是气密的和透辐射的，壳体内含有汞和稀有气体。
本说明书和权利要求书中所说的“非常好的现色性”的意思是：平均现色性指数R(a，8)(按照1974年国际照明委员会的CIE出版物No.13.2(TC-3.2)的规定的8种测试颜色的现色性指数的平均值)至少为90。
可见光的颜色用色坐标(X，Y)表示，色坐标确定了色度图形中的色点(参见1971年的CIE出版物No.15(E-1.3.1))。通常用来照明的低压汞放电灯(以下也称作灯)应该发射出可称作“白色”的光，白光在蒲朗克曲线中的色点在色三角形内。这里所说的曲线也叫黑体线，以下将其称为曲线P，它包含由全黑体在不同温度(所谓的色温)下所发射出的光的色点。一定的色温不仅表示在曲线P上给定的点，而且还表示具有色坐标的光，这些色坐标位于一条在所说的点与曲线P相交的线上(参见所引用的CIE出版物No.15)。如果这个光具有一个色点靠近曲线P，那么这个光也被认为是具有这个给定色温的白光。在本发明书和权利要求书中，“一个色点靠近曲线P”的意思是，从该色点到曲线P上具有相同色温的点的距离至多为20MPCD。MPCD(最小可见色差)是色差的单位，参见J.J.Rennilson于1980年10月在Optical Spectra杂志第63页上发表的文章。除了要求发光层满足与灯光的色温和现色性有关的性能要求外，还要求发光层含有这样一些物质，即，这些物质一旦受到低压汞放电时所产生的紫外线激发，就产生一个高的光通量，并且在整个灯的寿命期限内保持这个高的光通量。
发射白光并且其现色性非常好的低压汞放电灯已经由欧洲专利EP-A-0114441和EP-A-0124175公开了。在这些灯中，发光层必须另外含有一种由锑或由锑和锰激活的卤代磷酸钙，以便使灯具有所要求的特性。实际上，对公知的灯来说，只有在低压汞放电灯的发光效率较低时，才能满足灯光的颜色和现色性方面的要求。具体情况是这样，由于在高负载的灯中，在汞放电时产生的波长很短的紫外线(185nm)的有害影响起主要作用，因此，在灯中存在较高的壁负载(wall load)。在公知灯的寿命期间内，发光层还可能发生比较严重的衰变。
本发明的目的尤其是要提供一种低压汞放电灯，它发出的光是白光，其现色性非常好，而同时这种低压汞放电灯的光效较高，并且在该低压汞放电灯的工作寿命期间内，光效的降低量较小。
根据本发明的低压汞放电灯，这种灯的发光层包含：
一种由二价的铕激活的第一发光材料，它具有一个发射带，其最大值在470nm到500nm之间，具半值宽度(half-valuewidth)至多为90nm；
一种由二价的锰激活的第二发光材料，它至少有一个发射带，此带主要在可见光谱的红色区域内。
其特征在于，其发光层还包含：
一种第三发光材料，其发射带的最大值在430nm至490nm之间；
一种第四发光材料，其发射主要在520nm到565nm之间；以及
一种第五发光材料，其发射主要在590nm到630nm之间。
业已发现，本发明的灯不仅在高负载的情况下而且在低负载的情况下，在灯光的色点、发光效率和发光层的衰变方面都具有优异的特性。本发明的灯的现色性也非常好。
在灯工作期间，由公知的低压汞灯中所用的锑和锰激活的卤代磷酸钙发出的光在光谱的整个可见光范围内。这个特性尤其表明，这种卤代磷酸盐适合用来作灯的发光层，使灯具有很好的现色性。然而，在本发明的灯中，采用三种发光材料的混合物，每种发光材料所发出的光主要在可见光谱的较小部分内。令人十分吃惊的是，虽然与公知的现色性很好的灯的发光层相比，上述低压汞放电灯的发光层的发射光谱已经产生了这样大的变化，但是这些灯仍然具有非常好的现色性。
应该注意，灯的发光层采用三种发光材料的混合物，每种发光材料所发出的光主要在可见光谱的较小部分内，这本身是公知的，例如可以从美国专利US4176294和荷兰专利NL164697中得知。然而，其中所述的低压汞放电灯的发光层常常仅包含三种发光材料，以致于这些低压汞放电灯的现色性不能够被认为是非常好。
与公知的低压汞放电灯一样，当第一发光材料包含下述的一种或几种物质时，本发明的灯将获得非常良好的效果，这些物质是：由二价铕激活的铝酸锶、由二价铕激活的铝酸钡和由二价铕激活的硼磷酸锶。所说的由二价铕激活的铝酸锶(也称为SAE)本身是一种公知的发光材料，其化学通式为Sr(1-p)EupAlqO(1 1/2q+1)，其中，最多25％(摩尔)的Sr可以由Ca来替代，式中，0.001≤p≤0.10，2≤q≤5。在荷兰专利NL-A-8201943中对上述发光的铝酸盐SAE作了详细说明。这些铝酸盐SAE具有一个发射带，其最大值在485-495nm范围内，其半值宽度为55至75nm。所说的由二价铕激活的铝酸钡(下面称为BAE)本身是一种公知的发光材料，其化学通式为Ba(1-p)EupAlqO(1 1/2q+1)其中，最多25％(摩尔)的Ba可以由Sr来替代，并且式中，0.005≤p≤0.25，5≤q≤10。在荷兰专利NL-A-8105739中对上述发光材料BAE作了比较充分的说明，这些发光材料BAE具有一个发射带，其最大值在475-485nm范围内，其半值宽度为70-90nm。所说的由二价铕激活的硼磷酸锶(下面称为SBP)本身是一种公知的发光材料，其化学通式为m(Sr(1-x-y-p)BaxCayEup)O.(1-n)(P2O5).n(B2O3)，式中，0≤x≤0.5，0≤y≤0.2，0.001≤p≤0.15，1.75≤m≤2.30，0.05≤n≤0.23。德国专利DE-A-2848726对上述发光材料SBP作了说明，这些发光材料具有一个发射带，其最大值在470-485nm范围内，其半值宽度为80-90nm。
还发现，当第二发光材料也与在公知的灯中一样，包含一种由三价铈和由二价锰激活的五硼酸盐，该五硼酸盐有一种红色的Mn2+发射光时，本发明的灯将具有良好的特性。这些五硼酸盐(下面称为CBM)本身是公知的发光材料(参见NL-A-7905680和NL-A-8100346)，其化学通式为(Y，La，Gd)(1-x)Cex(Mg，Zn，Cd)(1-p)MnpB5O10，其中，最多20％(摩尔)的B可以由Al和/或Ga来替代，并且式中，0.01≤x≤1.0，0.01≤p≤0.30。这里五硼酸盐最好含有Gd和Mg。这些硼酸盐具有一个非常高效的发光性能，这是因为Mn2+在低压汞放电时被短波长的紫外线激发，其发射带较窄，最大值大约在630nm，半值宽度大约为80nm。
最好本发明的低压汞放电灯的特征在于：第三发光材料包含下列一种或几种物质，它们是由二价铕激活的铝酸镁钡和由二价铕激活的氯磷酸锶。所说的由二价铕激活的铝酸镁钡(下面称为BAM)本身是公知的发光材料，它具有与β-氧化铝结构有关的六方晶体结构(参见NL-A-7214862)。这些铝酸盐可以用化学通式Ba(1-p)Eup.xMgO.yAl2O3来表示，其中最多25％(摩尔)的Al2O3可以由Ga2O3和/或Sc2O3来替代，并且式中，1≤x≤2，5≤y≤8，0.01≤p≤0.50，这些铝酸盐是高效的，其发射带的最大值大约在450nm，半值宽度大约为50nm。所说的由二价铕激活的氯磷酸锶(下面称为SCAP)是公知的发光材料(例如，参见USP4038204)，它具有矿质磷灰石的晶体结构，并具有基本晶格的混合物，它通常稍不同于化学通式M10(PO4)6X2(M是一种碱土金属，主要是Sr；x是一种卤素，主要是氯)。SCAP具有高效的发射带(最大值大约在450nm，半值宽度大约为85nm)。
适合作第四发光材料的物质是由三价铽激活的铝酸镁铈以及由三价铈和由三价铽激活的五硼酸镁铈。所说的由三价铽激活的铝酸镁铈(下面称为CAT)本身已经由NL-A-7214862公开了，它具有一个与磁铅石的结构有关的六方晶体结构。所说的铝酸盐CAT的化学通式为(Ce(1-p-qLapTbq)2O3.XMgO.yAl2O3，其中，最多25％(摩尔)的Al2O3可以由Ga2O3和/或Sc2O3来替代，并且式中，2≤x≤4，10≤y≤16，0≤p≤0.50，0.01≤q≤0.60，p+q≤0.90。所说的由三价铈和三价铽激活的五硼酸镁铈(下面称为CBT)已经由前面提到的文献NL-A-7905680和NL-A-8100346公开了，它可以用化学通式(Y，La，Gd)(1-X-Y)CexTby(Mg，Zn，Cd)B5O10来表示，其中，最多20％(摩尔)的B可以由Al和/或Ga来替代，并且式中，0.01≤x≤1-y，0.01≤y≤0.75。这里五硼酸盐最好含有Gb和Mg。发光材料CAT和CBT具有一个非常高效的线发射性能(lineemission)，且主要在520-565nm的范围内。
第四发光材料也可以由上述的由三价铈和由二价锰激活的五硼酸盐组成，由于第二发光材料中的这种五硼酸盐也能够被三价的铽激活，从而第二发光材料成了第四发光材料的至少一部分。当第四发光材料的功能完全由第二发光材料实现时，这将是有利的，因为在这种情况下，发光层只含有一种发光成份，简化了灯的制作过程。由三价铈以及由二价锰和由三价铽激活的五硼酸盐(下面称为CBTM)已经由前面提到的文献NL-A-7905680和NL-A-8100346公开了，并可以由化学通式(Y，La，Gd)(1-X-Y)CexTby(Mg，Zn，Cd)(1-p)MnpB5O10来表示，其中，最多20％(摩尔)的B可以由Al和/或Ga来替代，并且式中，0.01≤x≤1-y，0.01≤y≤0.75，0.01≤p≤0.30。五硼酸盐仍然是最好包含Gd和Mg。
适合作第五发光材料的物质是由三价铕激活的氧化钇。这种本身公知的发光氧化物(下面称为YOX)由化学通式Y(2-p)EupO3表示，式中，0.01≤p≤0.20，满足这个通式的发光氧化物具有一个非常高效的线发射性能，且主要在590-630nm的范围内。
如果要求低压汞放电灯所发出的光具有较低的色温，那么，在发光层中含有发光的由三价铈激活的钇铝石榴石就能达到这种要求。这种铝酸盐(下面称为YAG)的化学通式为Y3-xCexAl5O12，式中，0.01≤x≤0.15。这里可以用其它稀土金属例如Gd、La和Lu来替代Y，还可以用例如Ga和/或Sc来替代部分Al。这些发光的石榴石(例如，参见Appl.phys.Letters，11.53，1967)不仅吸收短波长的紫外线，而且还吸收可见的深蓝色光，并且发射带很宽，其半值宽度大约为110nm，其最大值大约在560nm。
下面参照四个表对本发明作更详细的说明。表I、II和III所示的所有结果都是关于管状低压汞放电灯的，管长≈120cm，管径≈2.5cm，所充气体为氪和氩气，灯型为TLD型，功率为36W。表I就五种不同组成的本发明的灯的发光层，分别列出了灯光的色温Tc、现色性指数Ra以及工作一百小时以后的光效η100(1m/w)。在表I、II和III中，第一到第五发光材料用罗马数字I到V表示。所用的第一发光材料是由二价铕激活的铝酸锶(SAE)。所用的第二并且也是第四发光材料是含有钆和镁的、由三价铈、三价铽和二价锰激活的五硼酸盐(CBTM)。第三发光材料是由二价铕激活的铝酸镁钡(BAM)。第五发光材料是由三价铕激活的氧化钇(YOX)。五种组成中的两种含有由三价铈激活的钇铝石榴石(YAG)。这些组成成分按重量百分比给出。对于每一种发光层的组成，在CBTM的重量百分比下面还给出了在36W的TLD型低压汞放电灯中相应的CBTM的色点坐标。改变铽和锰在CBTM中的百分比，就可以在一个较宽的范围内调整这个色点。很明显，本发明的现色性很好(Ra≥90)的低压汞放电灯在制造时可以在很宽的范围内选定该低压汞放电灯所发光的色温，并且本发明的这种低压汞放电灯具有较高的发光效率。
表II与表I一样，就五种不同组成的本发明的灯的发光层，分别列出了该放电灯所发光的色温Tc、现色性指数Ra和光效η100(单位：lm/w)。然而在表II所示的组成成分中，所用的第一发光材料是由二价铕激活的铝酸钡(BAE)。很明显，发光效率η100以及与色温Tc相关的现色性指数都与表I中所列的各光层组合物的性能指标很吻合。
表III列出了各种发光层组成成分在两个色温值Tc的情况下，本发明的低压汞放电灯的现色性指数Ra和光效η100，这里的发光层组成成分不同于表I中所示的组成成分，其中一种发光材料由另一种发光材料来替代。在表III的第一行和第二行中，作为第一发光材料的SAE被由二价铕激活的硼磷酸锶(SBP)所替代，在第三和第四行中，CBTM中作为第四发光材料的部分被由三价铽激活的铝酸镁铈(CAT)所替代。这意味着，在发光层中作第二发光材料的五硼酸盐不是被铽激活的，而仅仅是被锰和铈激活的(CBM)。因此，CBTM是被CAT和CBM的混合物所替代的。在第五和第六行中，作为第三发光材料的BAM被由二价铕激活的氯磷酸锶(SCAP)所替代。表III说明，本发明的低压汞放电灯的发光层可以由许多不同的发光材料制成。
表IV列出了两种低压汞放电灯的色温Tc、工作一百小时以后的光效η100、现色性指数Ra和在灯的寿命期间内发光层的衰变(degradation)情况，衰变情况用比值η2000/η100表示，η2000是灯在工作2000小时后的光效，η100是灯在工作100小时后的光效。这些灯中的一部分是TLD型的管状低压汞放电灯，管长≈120cm，管径≈2.5cm，所充稀有气体为氪和氩气，功率为36W。灯在工作时的壁负载大约为380w/m2，即，灯的壁负载较小。另外，使用了PL-L型灯，它也是低压汞放电灯，具有同样的功率并充有氩气。PL-L型灯具有一个由两个平行的管状部件构成的放电管(Yessel)，这两个管状部件通过一个桥实现内连接。管状部件的内径大约为1.5cm，在灯工作时放电柱(column)的总长度大约为106cm。在工作时的壁负载大约为720w/m2。通常把壁负载大于500w/m2的灯称为高负载的灯，因此，这里所用的PL-L型灯是高负载灯的一个例子。表IV中的第一行是关于本发明的一种TLD型灯，其发光层如此地构成以致于使灯光的色温大约为4000K。表中的第二行也是关于本发明的一种TLD型灯。但这种灯的发光层如此地组成，以致于使灯光的色温大约为5200K。表的第三和第四行也是关于TLD型灯，但不是本发明的灯，因为这些灯的发光层含有卤代磷酸钙。第三和第四种灯的发光层的组成成分如此地选择，以致于使灯光的色温分别为4000K和5200K。表中其余的四行是关于PL-L型灯。第五和第六行的灯是本发明的灯。但第七和第八行的灯的发光层含有卤代磷酸钙。表中的第五和第七行的灯所发出的光的色温大约为4000K。表中第六和第八行的灯所发出的光的色温大约为5200K。可以看出，本发明的两种类型的灯都比其发光层含有卤代磷酸钙的相应灯具有更高的光效。而且很明显，尤其是对于(高负载的)PL-L型灯，本发明的灯的发光层衰变比其发光层含有卤代磷酸钙的灯更小。其发光层含有卤代磷酸钙的PL-L型灯的光效非常低。综合考虑到很低的光效和发光层的快速衰变，因此，如果不是不可能的话，那么制造现色性好的、但负载高并且其发光层含有卤代磷酸钙的灯将是非常没有吸引力的。然而，从表IV所列的数据中可以看出，本发明的高负载的灯光效高并且衰变较小。
表I
                        I         II+IV    III      VTc      R(a，8)  η100      SAE       CBTM     BAM      YOX      YAG(K)              (lm/W)   ％(重量)  ％(重量)  ％(重量) ％(重量) ％(重量2700    90       64.6       1.9       41.1     9.8      30.2     17
                                  (455，407)3000    90       63.2       1.0       50.1     8.6      24.3     16
                                  (451/440)3800    90.8     82.1       12.5      43.8     5.1      38.6     -
                                  (386/475)5000    92       82.7       19.3      33.4     9.1      38.2     -
                                  (373/488)6500    92.7     79.1       9.8       34.0     17.4     38.8     -
                                  (346/514)
表II
                     I        II+IV    III      VTc     R(a，8)  η100    BAE      CBTM     BAM      YOX       YAG(K)             (lm/W) ％(重量) ％(重量) ％(重量) ％(重量)  ％(重量2700   90       66.1     3.9       37.4    7.4      35.3      16
                               (451/410)3000   90       64.8     2.9       40.5    10.2     31.4      15
                               (443/418)3800   90       81.1     7.3       44.8    1.8      46.1      -
                               (381/480)5000   92.2     82.4     13.9      38.4    3.9      43.8      -
                               (358/503)6500   93.2     80.7     16.8      33.2    9.4      40.6      -
                               (342/518)
表III
                       I        II+IV    III      VTc(K)   R(a，8)  η100     SBP      CBTM     BAM      YOX
             (1m/W)  ％(重量)  ％(重量) ％(重量) ％(重量)5000    92.9     81.1      17.4     37.6     6.8      38.2
                                (373/487)6500    93.9     79.6      14.8     36.5     10.7      38.0
                                (358/502)
                        I        II       III      IV       VTc(K)   R(a，8)  η100      SAE      CBM      BAM      CAT      YOX
              (lm/W) ％(重量)  ％(重量) ％(重量) ％(重量) ％(重量)5000    90.6      80.1      10.9     3.0      12.8     18.2     55.16500    91.5      77.5      12.1     1.8      19.8     16.4     49.9
                       I        II+IV    III      VTc(K)   R(a，8)   η100    SAE      CBTM     SCAP     YOX
              (lm/W) ％(重量) ％(重量) ％(重量) ％(重量)5000    92.0      76.6     5.6      34.2     7.8      52.4
                                (362/499)6500    93.0      72.3     7.1      26.3     12.8     53.8
                                (354/506)
表IV灯的类型    Tc     η100   R(a，8)  η2000/η100
        (K)    (lm/W)TLD-36W     4000   82      91        90TLD-36W     5200   82      92        90TLD-36W*   4000   66      93        90TLD-36W*   5200   63      95        90PL-L-36W    4000   69      91        90PL-L-36W    5200   69      92        90PL-L-36W*  4000   51      93        80PL-L-36W*  5200   53      95        80
*：不是本发明的，是用来比较的。

Claims (8)

1.一种低压汞放电灯，具有至少为90的平均现色性指数；并且有一个色点(XL，YL)位于蒲朗克曲线上或者接近蒲朗克曲线，这种灯的壳体是气密的和透辐射的，壳体内含有汞和稀有气体，这种灯的发光层包含：
一种由二价铕激活的第一发光材料，它具有一个发射带，其最大值在470nm到500nm之间，其半值宽度至多为90nm；
一种由二价锰激活的第二发光材料，它至少有一个发射带主要在可见光谱的红色区域内；
其特征在于，所述发光层还包含：
一种第三发光材料，其发射带的最大值在430nm到490nm之间；
一种第四发光材料，其发射主要在520nm到565nm之间；以及
一种第五发光材料，其发射主要在590nm到630nm之间。
2.根据权利要求1所述的低压汞放电灯，其特征在于，第一发光材料包含至少一种下列物质：由二价铕激活的铝酸锶、由二价铕激活的铝酸钡和由二价铕激活的硼磷酸锶。
3.根据权利要求1或2所述的低压汞放电灯，其特征在于，第二发光材料包含由三价铈和由二价锰激活的五硼酸盐，该五硼酸盐有一种红色的Mn2+发射光。
4.根据权利要求1或2所述的低压汞放电灯，其特征在于，第三发光材料包含至少一种下列物质：由二价铕激活的铝酸镁钡和由二价铕激活的氯磷酸锶。
5.根据权利要求1或2所述的低压汞放电灯，其特征在于，第四发光材料包含至少一种下列物质：由三价铽激活的铝酸镁铈以及由三价铈和由三价铽激活的五硼酸盐。
6.根据权利要求1或2所述的低压汞放电灯，其特征在于，第五发光材料包含由三价铕激活的氧化钇。
7.根据权利要求3所述的低压汞放电灯，其特征在于，五硼酸盐还被三价铽激活，并成为第四发光材料的至少一部分。
8.根据权利要求1或2所述的低压汞放电灯，其特征在于，发光层还包含三价铈激活的钇铝石榴石。
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