CN1659682A - 低压汞蒸气放电灯 - Google Patents

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J·W·A·M·奇伦
A·J·H·P·范德波尔
J·T·C·范科梅纳德
H·莫恩奇
W·M·赫勒布雷克斯
R·E·德曼
J·L·V·亨德里西
J·W·F·多尔莱恩
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Abstract

一种低压汞蒸气放电灯，其具有透光放电管(1)，该放电管围起了一个其中设有惰性气体混合物和汞的放电空间。放电管的第一部分(11)设有第一电极(12)和发光层(16)，其可处于第一电磁波谱范围内的光。放电管的第二部分(21)设有第二电极(22)，其可发出处于第二电磁波谱范围内的光，所述第二范围不同于第一范围。根据本发明，低压汞蒸气放电灯包括用于接受直流电的供电导体(12A，12B；22A，22B)，放电空间仅包含两个电极(12，22)。放电灯具有可变的色温。放电灯优选能够影响人体中的褪黑激素循环。流明输出水平优选与温度无关。

Description

低压汞蒸气放电灯
本发明涉及一种低压汞蒸气放电灯，其包括透光放电管，放电管以气密方式围起了一个放电空间，在该空间中设有惰性气体混合物和汞，
放电管的第一部分设有处于放电空间内的第一电极以及发光层，其中第一部分可在操作中发出处于从100到1000毫微米的第一电磁波谱范围内的光，
放电管的第二部分设有处于放电空间内的第二电极，
其中第二部分可在操作中发出处于从100到1000毫微米的第二电磁波谱范围内的光，其中所述第二范围不同于第一范围。
本发明还涉及一种紧凑型荧光灯。
在汞蒸气放电灯中，汞构成了用于(有效地)产生紫外(UV)光的主要成分。在放电管(的一部分)的内壁上可设置含有发光材料(如荧光粉)的发光层，以便将UV转换成其它的波长，例如出于将皮肤晒成褐色的目的而转换成UV-B和UV-A光(日光面板灯)，或者出于普通照明的目的而转换成可见光。因此，这种放电灯也称为荧光灯。低压汞蒸气放电灯的放电管通常是圆形的，并包括有细长型的和紧凑型的实施例。通常来说，紧凑型荧光灯的管状放电管包括具有较小直径的一组较短的直部，这些直部通过桥接部分或弯曲部分而相连。紧凑型荧光灯通常设有(整体式的)灯头。
在本发明的说明书和权利要求书中，用语“额定工作”用来指汞蒸气压力使得灯的辐射输出至少为额定工作下最大光输出的80％的工作状况，即汞蒸气压力为最优的工作状况。另外，在本说明书和权利要求书中，用语“初始辐射输出”定义为在放电灯接通1秒后的辐射输出，而用语“启动时间”定义为放电灯的辐射输出达到最佳工作期间的80％所需的时间。
已经知道，低压汞蒸气放电灯含有汞齐。这种放电灯在室温下具有相对较低的汞蒸气压力。结果，含汞齐的放电灯具有这样的缺点，即在使用普通电源来使所述灯工作时，初始辐射输出也比较低。另外，由于汞蒸气压力在放电灯接通后仅缓慢地增加，因此启动时间比较长。
除了含汞齐的放电灯之外，还已知低压汞蒸气放电灯可含有(主)汞齐和所谓的辅助汞齐。如果辅助汞齐含有足够的汞，那么灯便具有相对较短的启动时间。紧接于放电灯接通之后，即在电极的预热期间，辅助汞齐被电极加热，使其比较快地散发出它所含有的大部分汞。关于这一点，希望在接通之前灯已经处于闲置状态达一段足够长的时间，以允许辅助汞齐吸收足够多的汞。如果灯处于闲置状态仅达一段相对较短的时间，那么启动时间的缩短是很小的。另外，在这种情况下，初始辐射输出(甚至)低于仅含有主汞齐的灯中的辐射输出，其原因是辅助汞齐在放电空间中调节出了相对较低的汞蒸气压力。较长的灯所遇到的另一问题是，辅助汞齐所释放出的汞需要比较长的时间才能扩展到整个放电管中，因此在接通这种灯之后，灯在辅助汞齐的附近呈现出相对较亮的区域，而在离辅助汞齐较远距离处呈现出相对较暗的区域，这些区域在几分钟后消失。另一种类型的低压汞蒸气放电灯是所谓的“冷点”汞放电灯，其中汞的压力由位于放电管中某一位置处的所谓的冷点温度来控制。
另外，还已知低压汞蒸气放电灯可以没有汞齐而仅含有自由汞。这些灯也称为汞放电灯，其优点是与含汞齐的放电灯以及含有(主)汞齐和辅助汞齐的放电灯相比，室温下的汞蒸气压力以及初始辐射输出比较高。另外，启动时间相对较短。在接通后，这类较长的灯还显示出在基本上整个长度具有基本上恒定的亮度，其原因是在接通这些放电灯时，(室温下的)蒸气压力足够高。
对于本领域中已知的低压汞蒸气放电灯来说，需要有比较大量的汞来实现足够长的使用寿命。这些放电灯的一项缺点是，它们对环境不利。如果放电灯在使用寿命结束时处理不当的话，那么情况尤其如此。另外，低压汞蒸气放电灯的流明输出取决于温度。
近十年来，人类光生物学的知识急剧地增加，已经清楚，除视觉外，通过眼睛施加给人体的光辐射在控制各种生物节律中是十分重要的。因此，光辐射不仅影响许多人体机能，而且影响精神行动和心情。研究显示，褪黑激素的抑制对通过眼睛而施加的光辐射十分敏感，褪黑激素抑制取决于光辐射的剂量和光谱组成。褪黑激素是表示日循环的激素，它被认为是生物节律状态的指标。相对较低的褪黑激素水平会刺激警觉性；而相对较高的褪黑激素水平会增加困倦。抑制褪黑激素可产生于自然日循环中的“黑暗”小时中。该水平在日间相对较低，在夜晚增加，在午夜达到最大值，并在醒来的过程中逐渐下降到日间的水平。在24小时制的社会中，许多人必须在夜间工作和驾驶，他们必须保持警觉以便良好且安全地工作，并且要在非正常的时间睡得好。在这些条件下，许多人都冒着增加的犯错危险，例如会造成车祸，和/或可能因无规律的睡觉行为而痛苦。
如开篇段落所述类型的低压汞蒸气放电灯可从EP-A0658921中了解到。这种已知的低压汞蒸气放电灯包括两个相连的灯管，第一部分设有第一电极和第一发光层，而第二部分设有第二电极和第二发光层。采用第三电极和提供极性变化的高频电流来使色点可调。在该已知的放电灯中，高频电流在第一时间段内经由第一电极和第三电极流经放电灯的第一部分，在第二时间段内经由第二电极和第三电极流经放电灯的第二部分。该已知放电灯所发出的光的色点可通过调节第一时间段与第二时间段之比来进行调节。使用这种已知的低压汞蒸气放电灯的缺点是，需要有额外的电极、高频电流以及高级的切换和控制装置来提供可调节的色点。
本发明的一个目的是全部或部分地消除上述缺点。特别是，本发明的一个目的是提供一种结构比较简单的低压汞蒸气放电灯，其能够发出可变电磁波谱范围内的光。根据本发明的措施，用于这一目的的如开篇段落所述类型的低压汞蒸气放电灯的特征在于，低压汞蒸气放电灯包括用于接受直流电(DC)的供电导体，放电空间仅包括两个电极。
根据本发明的具有两个电极并在DC条件下工作的低压汞蒸气放电灯的放电管在放电空间的长度上具有形成梯度的汞密度。由于汞密度存在着这种梯度，例如放电管的第一部分就含有比第二部分更多的汞(离子)。放电管的第一部分的光输出提高，而第二部分的光输出相对较低。在这种情况下，根据本发明的低压汞蒸气放电灯所发出的光主要对应于第一部分所发出的电磁波谱。如果直流电的极性颠倒，则另一电极成为阴极且汞密度的梯度(逐步地)颠倒，这便增强了放电管的第二部分的光输出，同时降低了第一部分的光输出，第一部分的光输出变得较低。在这种情况下，根据本发明的低压汞蒸气放电灯所发出的光主要对应于第二部分所发出的电磁波谱。调节放电管中直流电的电平和/或极性就可以使由根据本发明的低压汞蒸气放电灯所发出的光成为由放电管的第一部分和第二部分所发出的电磁波谱的混合。这样就实现了仅包括两个电极的具有可调发射光谱的低压汞蒸气放电灯。
在本发明的说明书和权利要求书中，用语“在从100到1000毫微米的电磁波谱范围内发出的光”用来指在UV-C、UV-B、UV-A和/或可见范围内发出的光。作为示例，放电管的第一部分在操作中发出第一色温的可见光(例如通过使用发光材料的第一混合物)，而第二部分发出第二色温光(例如通过使用发光材料的第二混合物)。在另一例子中，放电管的第一部分在操作中发出可见光，而第二部分发出UV-C、UV-B和/或UV-A。在另一例子中，放电管的第一部分在操作中发出UV-A，而第二部分发出UV-B。另外，放电管的第一部分在操作中产生可刺激褪黑激素积聚的光谱特性，而放电管的第二部分在操作中产生可抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性。本领域的技术人员可以在本发明的范围内构思出其它的变化。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，在放电管设有汞齐。汞齐(的温度)设定了放电管中的汞压力水平。降低直流电也会降低放电管中的能量，从而降低汞齐的温度，因此也降低汞的密度。较低的汞密度降低了放电管中发出第一电磁波谱范围内的光的部分的光输出，而有利于发出第二电磁波谱范围的光的另一部分的光输出。如果放电管的两个部分均设有不同的发光材料混合物，那么放电管的平均色温将由于直流电的降低而变化到较低的温度。
在降低通过放电管的电能时，该已知的低压汞蒸气放电灯的色温将变化到较高的温度。通常来说，这是低压汞蒸气放电灯所不希望具备的特性。对于白炽灯来说，色温在灯变暗时降低。根据本发明的措施，低压汞蒸气放电灯的色温在放电灯变暗时也会变化到低温。这是根据本发明该实施例的含有汞齐的低压汞蒸气放电灯的一项有利的特性。
汞齐优选设于放电管的第一和第二部分之间的区域中。其优点是放电管的两个部分均可从汞齐的存在中大致均等地受益，而与直流电的极性无关。由于汞齐的这种“中间”位置，汞齐上方的汞压力实际上是恒定的，并且与直流电的极性无关，导致了第一部分和第二部分之间的光谱发射的变化只有很短的时间周期。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，汞齐设置在具有最低色温的放电管部分的电极区域中。根据本发明的低压汞蒸气放电灯的另一优选实施例中，在第一电极的区域中设置了汞齐，而在第二电极的区域中设置了另外的汞齐。该实施例的优点是，在第一或第二电极的附近总有汞齐，而与直流电的极性无关。取决于直流电的极性，汞(离子)朝向用作阴极的电极迁移。无论是第一电极还是第二电极用作阴极，在阴极附近总存在用于调节汞压力的汞齐，从而保证低压汞蒸气放电灯能更可靠地工作。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，在放电管中设置了冷点。冷点优选设置在放电管的第一和第二部分之间的区域中。另外，如果在低压汞蒸气放电灯中设有汞齐，那么汞齐优选设置在冷点的区域中。在后一实施例中，汞齐比较容易设置在放电灯中部的附近。另外，在高负载的应用中，冷点具有比汞齐设于灯头中的已知低压汞蒸气放电灯中更低的温度。这样，可在高负载的低压汞蒸气放电灯中使用“普通”的汞齐。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，放电管第二部分的壁由可透过UV的玻璃制成。可透过UV的玻璃例如可用于消毒的目的，例如用在医院或临床实验室中。上述调节放电管的电磁波谱的原理可用于将放电灯从一种功能(例如在日间普通照明)切换到另一功能(例如在夜间消毒)。一项明显的优点是，需要包括有两个镇流器和夹具的两个放电灯来实现的这两项功能可以结合到包括一个镇流器和一个夹具的一个灯中。这一特点在只能得到有限的空间和/或必须避免额外重量的情况下是非常有利的。例如。根据本发明的这种低压汞蒸气放电灯可成功地用在飞机中：当乘客上机时，放电灯可用于普通照明的目的，而当乘客下机后，放电灯可转换成发出UV光(例如用于清洁目的)。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的另一优选实施例的特征在于，放电管的第二部分设有另一发光层。在操作中，第二部分中的该另一发光层可发出色温与由放电灯第一部分中的发光层所发出的光的色温不同的光。通过适当地选择由第一和第二部分所发出的光的色温，根据本发明的低压汞蒸气放电灯便可包含全部的色温范围。应当注意的是，发光层和另一发光层可在第一和第二部分之间的过渡区域处部分地相互重叠。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例，第一部分的发光层包括可发出UV-A辐射的发光材料，而第二部分的另一发光层包括可发出UV-B辐射或发出UV-A和UV-B辐射的发光材料。根据本发明该实施例的低压汞蒸气放电灯的正常工作导致了放电灯在其长度上具有平衡的UV分布。通过用直流电来操作灯，就可以调节UV-A与UV-B之比。特别是，当第一电极为阴极时，汞趋向于朝向放电灯的第一部分迁移，放电灯主要发出UV-A辐射。另外，当第二电极为阴极时，汞趋向于朝向放电灯的第二部分迁移，放电灯主要发出UV-B辐射或UV-A和UV-B辐射的混合。通过结合交流电和直流电，就可以调节UV-A和UV-B辐射之比。优选采用汞齐来保证相对快速的切换。
为了减少必须在非正常时间工作的人犯错的危险，根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，在操作中，发光层产生可在人体中刺激褪黑激素积聚的光谱特性，或者产生可在人体中抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性。作为生物节律的指标，褪黑激素通常被认为是安眠激素，其可影响人体的警觉性。因此，当褪黑激素循环得到控制时，因丧失警觉性而犯错的危险就会下降。褪黑激素抑制的峰点敏感性在410-430毫微米之间，在560毫微米处其功效下降到约为零。此外，对于完全张开的瞳孔来说，已经知道用于抑制褪黑激素的剂量是波长的函数。
近来的发现与早期的研究有所不同，即褪黑激素抑制的敏感性与微光夜视敏感性类似，微光夜视的最大敏感性是在波长λ约为509毫微米处。可以看到，与微光夜视敏感性相比，褪黑激素抑制的敏感性朝向更短的波长区域偏移。特别是，较短的波长对褪黑激素抑制具有显著的影响，尽管视网膜中的绝大部分可识别光的受体具有500毫微米或更大的激活波长λ。在500毫微米以下，人眼中唯一可识别的受体是蓝视锥，其具有420毫微米的λmax，这些蓝视锥的数量相当于视网膜中任何其它族光受体的数量的1％以下。这种短波长的光能够抑制褪黑激素的产生，这是因为由于其功效提高而需要少得多的光，这是有利的。另外，如果选择了最佳的波长或波长带，那么可以显著地减少实现褪黑激素抑制所需的光的量，从而避免因过度眩光或强烈照明所引起的与视力有关的问题。
褪黑激素由松果腺产生，并且认为适当的传入视神经会对松果腺所产生的褪黑激素有一定影响。特别是，可以证明，直接观看短波长光源的对象在产生褪黑激素的方面存在着急剧的下降。然而有迹象表明，对人体的非视觉部分施加光会影响对象的褪黑激素抑制。因此，优选将本发明的光经由视觉器官来施加，然而可以理解，也可以设想将光施加到人体的其它部位上。除此之外，对于完全张开的瞳孔来说，已经知道用于抑制褪黑激素的剂量是波长的函数。
实验表明，对短波长光的最大敏感性处于刚高于紫外线的区域中。紫外线通常被认为是低于约380毫微米的光辐射。特别是，对420-460毫微米区域内的光具有特别高的敏感性，对更高的波长来说该敏感性下降，在560毫微米处其功效降低到约为零。如上所述，光的波长高于紫外线，然而本发明同样可构思出使用处于包括了紫外线的宽广区域内的波长。然而一般来说应当避免紫外光，以便降低对人体的伤害。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，在操作中另一发光层产生可在人体中刺激褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性，或者产生可在人体中刺激褪黑激素积聚的光谱特性。发光层和另一发光层优选具有相对于褪黑激素循环来说为相反的功能。为此，根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个特别优选的实施例的特征在于，发光层产生可刺激褪黑激素积聚的光谱特性，而另一发光层产生可抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性。根据本发明，由于低压汞蒸气放电灯的光输出可从放电管的第一部分变化到放电管的第二部分，反之亦然，因此同一放电灯一方面可用于抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降，而另一方面可刺激在人体中形成褪黑激素。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的另一优选实施例的特征在于，光谱特性由褪黑激素抑制辐射Rsr的输出部分和光输出Lo来指定，褪黑激素抑制辐射为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦(Melatonin Watt/Watt)，光输出为Lo≤60流明/瓦。在该实施例中，褪黑激素被有效地抑制，而可见光辐射的输出相对较低。这些实施例尤其适用于护理活动。然而，由于眼睛对光的敏感性取决于人的年龄，因此下述实施例是优选的，其中该方法的特征在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≤20流明/瓦。该实施例尤其适用于对光的敏感性较高的比较年轻的人，其中褪黑激素被有效地抑制，而可见光辐射的输出很低。由于可通过仅产生非常少量的可见光/流明的光辐射即深蓝来得到褪黑激素抑制，因此褪黑激素抑制辐射几乎不会影响为观察目的而由光所产生的观察条件。这些实施例可应用于这样的活动，其中需要较暗的可见照明度，但这些活动又要求人们保持警觉和惊醒，例如在飞机场的控制室中。然而，对于在夜间工作的卡车司机来说，对照明度的要求还更高，这些司机必须在其驾驶期间保持警觉，并且必须对路面情况具有良好的视觉。因此，在一个优选实施例中，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≤10流明/瓦。Lo≤10流明/瓦的低光输出便于在卡车驾驶室中比较容易地得到低得足以不会对卡车司机形成干扰的照明度。在这些条件下，作为示例，卡车司机能够保持惊醒，并且能够良好地观察路面情况。
在人们必须保持警觉但视觉条件仅由相对简单的任务来决定的情况下，可以采用褪黑激素抑制辐射以及足量的可见光。这种情况的例子为在船坞中的室外集装箱工作，这种工作仅要求通过物品的形状和/或文字来辨认物品。对于这些情况来说，该方法的一个实施例的特征在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≥60流明/瓦。
在人们必须保持警觉但执行任务需要有良好的色彩视觉条件的情况下，可以采用褪黑激素抑制辐射以及相对较大量的可见光。这种情况的例子为轮班工作、医院急救中心中的工作等。对于这些情况来说，该方法的一个实施例的特征在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≥100流明/瓦，光源优选具有Ra≥65的彩色再现指数。用于褪黑激素抑制照明方法的其它例子是在中学、大学、图书馆、教室、演讲厅和会议室中。该方法的实施例的特征优选在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≥0.6褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≥100流明/瓦，光源优选具有Ra≥65的彩色再现指数，并且色温为Tc≥6500K。该方法适用于无法得到充足的日光、例如在冬天期间的人，或者生理节律不太规则的老年人，或者周一早上赖床的人。色温相对较高对警觉性的的正面生理影响仅次于褪黑激素抑制对警觉性的影响。通过一个光源或多个光源的组合，便可得到具有Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦和Lo≥100流明/瓦的性质的光。放电管的第一部分发出具有相对较高的流明输出的光，例如具有所谓/80发光层的第一部分具有Lo≥200流明/瓦且彩色再现指数为Ra≥80，而放电管的第二部分发出具有相对较高的褪黑激素抑制辐射输出的光，例如具有所谓/03发光层的第二部分具有Rsr≥0.7褪黑激素瓦/瓦。这样得到的照明系统具有可产生适当光辐射的光源，它还具有成本比较低的优点。
在视觉条件要求较高的情况下，例如在夜间需要工作一段时间并且不应降低睡眠质量并因而减少在那天之后犯错的危险的情况下，光应当提供成只能较小程度地影响褪黑激素循环。对于这些应用来说，本发明的低压汞蒸气放电灯的特征在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分为Rsr≤0.2褪黑激素瓦/瓦，光输出为Lo≥100流明/瓦，光源具有Ra≥65的彩色再现指数，褪黑激素抑制辐射的输出部分优选为Rsr≤0.1褪黑激素瓦/瓦。这种应用可适用于在夜间会短暂地醒来或需要在夜间被照顾的人，例如在老年人和具有幼儿的父母的家中，或者在老年公寓、医院和疗养院中。在这些情况下，可在他们的工作/观察室中将用于“睡眠者”的褪黑激素的非抑制性光与用于“看守者”的警觉性光组合起来使用。这类光可以是特殊的夜光，其可选择地集成在床灯单元以及大厅、走道和楼梯的方向光源中。
在一个实施例中，低压汞蒸气放电灯的特征在于，褪黑激素抑制辐射的输出部分可从Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦变化到Rsr≤0.2褪黑激素瓦/瓦或者相反，光输出为Lo≥100流明/瓦，光源具有Ra≥65的彩色再现指数。这样便得到了从褪黑激素抑制辐射到非抑制辐射的受控制的逐步变化，同时还提供了连续的足量的光，使得人们能够正确地工作。后一实施例例如可用在针对快速轮班工作的人的光中，其始于较短周期的抑制光，结束于非抑制光的周期，以便在夜班后实现容易入睡，并且防止生物钟的任何相移。该方法涉及到根据时刻从褪黑激素的非抑制到抑制辐射的变化，它可用于在不同时区之间旅行时重新调整生物钟，即飞行时差反应。
光输出Lo≥100流明/瓦、彩色再现指数Ra≥65以及褪黑激素抑制辐射的输出可从Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦变化到Rsr≤0.2褪黑激素瓦/瓦的照明系统可包括单个光源，然而也可以包括同一光源的第一部分和第二部分，还可以包括第一和第二光源的组合。在包括单个光源的照明系统的实施例中，该单个光源的输出例如可通过改变汞密度的梯度来进行调节。
在根据本发明的低压汞蒸气放电灯的另一优选实施例中，低压汞蒸气放电灯可适于接受交流电。在交流电下工作的灯使得放电灯的第一和第二部分具有最佳的汞密度，从而可发出处于两种电磁波谱范围中的大致相同量的光，并且可优选达到平均色温。通过调节直流电的电平和/或极性，第一部分所发出的光就可以优于放电管第二部分所发出的光。将放电灯的直流和交流工作状况结合起来，就可在调节根据本发明的低压汞蒸气放电灯的发射光谱的方面提供整个范围的可能性。
为了减少低压汞蒸气放电灯所必需的汞的量，根据本发明的低压汞蒸气放电灯的一个优选实施例的特征在于，放电灯包括至少部分是大致圆柱形的放电管，其具有长度Ldv和内径Din，放电管中的汞重量mHg与放电管的内径Din和长度Ldv的乘积之比由下述关系式给出：
m Hg D in &times; L dv = C ,
其中C≤0.01微克/平方毫米。汞重量(单位为微克)与放电管的内径(单位为毫米)和长度(单位为毫米)的乘积之比小于0.01微克/平方毫米的根据本发明该实施例的低压汞蒸气放电灯的放电管含有相对少量的汞。汞含量比在已知低压汞蒸气放电灯中正常设置的量少得多。考虑到常数C≤0.01微克/平方毫米的范围，根据本发明该实施例的低压汞蒸气放电灯可在一定环境温度下作为所谓的“未饱和”汞蒸气放电灯来工作。
上述公式显示了放电灯中的汞量与放电管的内径Din和长度Ldv的乘积成正比。大概来说，放电灯中的汞量与放电管内表面的大小成正比。实验表明，该公式至少适用于放电管直径处于约3.2毫米(1/8英寸)到约38毫米(12/8英寸)范围内的低压汞蒸气放电灯，以及放电管的(相应)长度处于约10毫米(1/3英尺)和约2700毫米(9英尺)范围内的低压汞蒸气放电灯。
在本发明的说明书和权利要求书中，用语“未饱和的”或“未饱和的汞状况”用来指这样的低压汞蒸气放电灯，其中(于制造期间)加入到低压汞蒸气放电灯的放电管中的汞量等于或小于在放电灯的额定工作下达到饱和汞蒸气压力所需的汞量。
在未饱和汞状况下操作汞蒸气放电灯具有许多优点。通常来说，只要汞压力是未饱和的，那么未饱和汞放电灯的性能(光输出、功效、能耗等)就与环境温度无关。这便得到了与放电灯的设置方式(底部朝上或朝下、水平放置或垂直放置等)无关的恒定光输出。实际上，在应用中可以得到光输出较高的未饱和汞蒸气放电灯。在温度较高且汞含量很少的应用中，未饱和灯具有较高的光输出和提高的功效。这便导致了安装比较容易，并且为照明和光源的设计者提供了较大的自由。未饱和汞放电灯可在汞含量相对较低的情况下实现相对较高的系统功效。另外，未饱和灯具有改善的维护性能。由于在即将到来的年代中对进一步小型化和从一个光源中得到更多光输出的趋势将继续，因此可以预期与应用中的温度有关的问题在未来会更频繁地发生。通过未饱和汞蒸气放电灯就可在很大程度上减轻这些问题。未饱和灯可与最少的汞含量相结合，从而在较高的温度下得到提高的每瓦流明性能。本发明的该实施例使得能够制出可在未饱和汞含量的条件下工作的使用寿命较长的低压汞蒸气放电灯。这种未饱和汞放电灯的另一优点是，减轻了对环境所造成的不利影响。
常数C优选处于0.0005≤C≤0.005微克/平方毫米的范围内。在C的这一范围内，可以进一步减少放电灯中汞含量的上限。在本发明的该优选实施例中，根据本发明的低压汞蒸气放电灯作为未饱和汞蒸气放电灯来工作。
作为用存在于放电管中的汞量来表示放电管中的汞含量的替代，汞含量还可表示为低压汞蒸气放电灯的放电管中的汞压力。根据本发明的另一实施例，用于该目的的低压汞蒸气放电灯的特征在于，放电灯包括至少部分是大致圆柱形的放电管，其具有长度Ldv和内径Din，放电管中的汞压力pHg与内径Din的乘积处于0.13≤PHg×Din≤8帕·厘米的范围内。汞压力(单位为帕)和放电管内径(单位为毫米)的乘积处于上述范围内的根据本发明该实施例的低压汞蒸气放电灯的放电管含有相对较低的汞量。汞含量比在已知低压汞蒸气放电灯中正常设置的量少得多。根据本发明的第二措施的低压汞蒸气放电灯作为所谓的“未饱和”汞蒸气放电灯来工作。
放电管中的汞压力pHg与内径Din的乘积优选处于0.13≤pHg×Din≤4帕·厘米的范围内。在pHg×Din的该优选范围内，放电灯中的汞含量进一步降低。在本发明的该优选实施例中，根据本发明的低压汞蒸气放电灯作为未饱和汞蒸气放电灯来工作。
根据本发明的低压汞蒸气放电灯的另一优选实施例的特征在于，放电管含有少于约0.2毫克的汞。在用于规定存在于低压汞蒸气放电灯中的最大汞量的政府条例中有这样的趋势，即如果放电灯含有少于所述规定量的汞，那么可允许使用者不加环境限制地处置该灯。如果汞放电灯含有少于0.2毫克的汞，那么该要求在很大程度上得以满足。放电管优选含有少于或等于约0.05毫克的汞(C≈0.0013)。
根据本发明的上述实施例，在未饱和汞状况下操作低压汞蒸气放电灯并同时实现相对较长的放电灯寿命不是简单的事情。已经知道，可以在低压汞蒸气放电灯中采取措施来降低在放电灯的寿命期间不再能对放电管的放电空间内的反应气体作出贡献的汞量。由于汞和灯中的材料(如玻璃、涂层、电极)的相互作用，因此汞便消耗掉了，使得放电管的一部分内壁变黑。壁变黑不仅导致了较低的光输出，而且尤其是因为变黑以黑斑或黑点的形式不规则地发生，因此灯变得不美观。
参考下述实施例，可以清楚并理解本发明的这些和其它的方面。
在附图中：
图1是根据本发明的包含有低压汞蒸气放电灯的紧凑型荧光灯的一个实施例的剖视图；
图2A显示了作为放电管1中位置的函数的汞密度；
图2B示意性地显示了作为放电管中位置的函数的放电管的相应光输出，和
图3显示了作为相对环境温度的函数的低压汞蒸气放电灯的相对光通量。
附图只是示意性的，并未按比例绘制。尤其是为清晰起见，一些尺寸被明显地放大。图中的相似元件尽可能以相同的标号来表示。
图1显示了包括有低压汞蒸气放电灯的紧凑型荧光灯。所述低压汞蒸气放电灯设有辐射可透过的放电管1，其以气密方式围起了一个容积约为10立方厘米到100立方厘米的放电空间3。放电管1是玻璃管，其具有至少基本上圆形的截面，并且具有长度Ldv和(有效)内径Din。放电管1包括第一部分11和第二部分21。在图1所示示例中，第一部分11和第二部分21均具有长度Ldv/2，并通过通道或桥接部分20相连。在另一实施例中，放电管被折叠起来并例如包括有弯曲部分。放电管1的第一部分11设有处于放电空间3内的第一电极12。在放电管1的第一部分11的内壁上设有发光层16。在操作中，第一部分11发出处于从100到1000毫微米的第一电磁波谱范围内的光。作为示例，第一范围对应于第一色温，第一色温例如为2700K。放电管1的第二部分21设有处于放电空间3内的第二电极22。在图1的示例中，在放电管1的第二部分21的内壁上设有另一发光层26。在操作中，第二部分21发出处于从100到1000毫微米的第二电磁波谱范围内的光。作为示例，第二范围对应于第二色温，第二色温例如为6500K。在另一实施例中省略了所述另一发光层。在这种情况下，放电管的第二部分的壁优选由可透过UV的玻璃制成，所述第二部分例如可发出UV-C。
在另一实施例中，第一部分发出UV-A，而第二部分发出UV-B或发出UV-A和UV-B。根据本发明该实施例的低压汞蒸气放电灯的正常工作导致了放电灯在其长度上具有平衡的UV分布。通过用直流电来操作灯，就可以调节UV-A与UV-B之比。特别是，当第一电极为阴极时，汞趋向于朝向放电灯的第一部分迁移，放电灯主要发出UV-A辐射。另外，当第二电极为阴极时，汞趋向于朝向放电灯的第二部分迁移，放电灯主要发出UV-B辐射或UV-A和UV-B辐射的混合。通过结合交流电和直流电，就可以调节UV-A和UV-B辐射之比。优选采用汞齐来保证相对快速的切换。用于在根据本发明的低压汞蒸气放电灯中发出UV-A辐射的适当发光材料为BaSi2O5:Pb2+(也称为BSP)和SrB4O7:Eu2+(也称为SBE)。用于发出UV-B辐射的适当发光材料为Ce0.45La0.40Tb0.15O4(也称为LAP-Ce)以及SrAl12O19:Ce3+(也称为SAC)。
本领域的技术人员可以在本发明的范围内容易地构思出由低压汞蒸气放电灯的放电管的第一和第二部分所发出的发射光谱的其它变化。
电极对12；22通常是涂覆有可发出电子的物质的钨线圈，该物质在这种情况下为氧化钡、氧化钙和氧化锶的混合物。各电极12；22由放电管1的(较窄)端部支撑。供电导体12A，12B；22A，22B从电极对12；22中穿过放电管1的端部而延伸出来，在这里它们通到外部。供电导体12A，12B；22A，22B与能量源(电源)相连。为了对电极施加直流电，原则上使用供电导体12A和22A或供电导体12B和22B中的任一个即可。如果低压汞蒸气放电灯仅在直流下工作，那么可以省掉一半数量的供电导体。
低压汞蒸气放电灯的放电管10可由透光外罩(图1未示出)所包围，该外罩固定在灯壳70上。透光外罩通常具有无光泽的外观。
在图1的例子中，汞不仅存在于放电空间3中，而且存在于设于放电管1的第一部分11和第二部分21之间的汞齐4中。在另一实施例中，汞齐设置在具有最低色温的放电管部分的电极区域中。在另外一个实施例中，汞齐设置在第一电极的区域中，而在第二电极的区域中设有另外的汞齐。在操作中，汞齐4与放电空间3连通。在另一实施例，放电管还设有所谓的辅助汞齐(图1未示出)。
图2A示意性地显示了作为在放电管1中的位置ldv的函数的汞密度μHg。图2B示意性地显示了作为在放电管中的位置ldv的函数的放电管1的相应光输出。当放电灯在直流电下工作时(通过电子电路)，汞离子将朝向灯的阴极侧移动。这就导致了汞分布存在梯度，相应地导致了光输出存在梯度，如图2A和2B所示。当电极12为阴极时(如图2A中的″12-″所示)，光输出将具有与放电管1的第一部分12相对应的发射光谱如第一色温。当第二电极22为阴极时(如图2A中的″22-″所示)时，光将具有与放电管1的第二部分22相对应的发射光谱如第二色温。通过调节电流的直流电平，就可以调节放电灯的发射光谱如色温。由于汞齐4位于放电管的中间，因此汞齐上方的汞压力是恒定的，与直流的极性无关。这就保证了在颜色的变化之间具有很短的时间。
通过降低直流电的电平，放电管1中的功率下降，因此汞齐4的温度下降，总的汞密度下降。这意味着第一部分11和第二部分21的光输出在光输出与汞密度的曲线上向左移动。这便导致了较高色温部分的光输出下降，而较低色温部分的光输出增加。通过变暗，色温向低温运动，这与在普通白炽灯中的情况一样。在另一实施例中，采用所谓的冷点来代替汞齐。
图2A还显示了在交流条件下工作的低压汞蒸气放电灯的状况。在这种情况下，来自两个部分的光混合到大致处于第一和第二色温之间的色温下。
为了减少必须在非正常时间工作的人犯错的危险，放电管第一部分中的发光层在操作中产生可刺激褪黑激素积聚的光谱特性，而放电管第二部分中的另一发光层在操作中产生可抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性。低压汞蒸气放电灯的光输出可从放电管的第一部分变化到放电管的第二部分，反之亦然，同一放电灯一方面可用于抑制褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降，而另一方面可刺激在人体中形成褪黑激素。
为了与环境温度无关地来实现未饱和汞放电灯的性能(光输出、功效、能耗等)，放电管中的汞重量mHg与放电管的内径Din和长度Ldv的乘积之比由下述关系式给出：
m Hg D in &times; L dv = C ,
其中C≤0.01微克/平方毫米。优选为0.0005≤C≤0.005微克/平方毫米。在这些条件下，低压汞蒸气放电灯可作为所谓的“未饱和”汞蒸气放电灯来工作(取决于环境温度)。
在图3中显示了对于常数C的不同值而言的作为相对环境温度的函数的低压汞蒸气放电灯的相对光通量。光输出或光通量表达为最大光通量max的百分数，而环境温度Tamb相对于最大光通量max下的温度来给出。图3中的曲线(a)表示了针对在放电灯的制造期间在放电管装入相对较高汞量的已知低压汞蒸气放电灯的情况。从曲线(a)中可以看到，光通量与环境温度Tamb相关，即环境温度越高，放电灯的光输出越低。这种温度相关性极大地限制了使低压汞蒸气放电灯、特别是放电管10被透光外罩60包围的紧凑型荧光灯进一步小型化的可能性(见图2)。
图3中的曲线(b)显示了根据本发明的未饱和低压汞蒸气放电灯的情况。在该示例中C≈0.0013。在图3的曲线(b)的情况中，放电灯具有一定的汞量，其使得在环境温度大约等于最大温度Tmax时，放电灯可在未饱和汞的条件下工作。可以看到，对于高于Tmax的环境温度而言，光通量与温度无关。通过在未饱和汞状况下工作的的汞蒸气放电灯，就可以满足市场上朝向进一步小型化和更多光输出的趋势。
图3中的曲线(c)显示了根据本发明的未饱和低压汞蒸气放电灯的情况。在该示例中C≈0.0021。在图3的曲线(c)的情况中，放电灯具有一定的汞量，在灯变成为未饱和时其可导致比最佳状况少5％的光(对应于最佳汞剂量的约21/13倍)。可以看到，对于比Tmax高约10℃的环境温度而言，光通量与温度无关。
图3中的曲线(d)显示了根据本发明的未饱和低压汞蒸气放电灯的情况。在该示例中C≈0.0040。在图3的曲线(d)的情况中，放电灯具有一定的汞量，在灯变成为未饱和时其可导致比最佳状况少10％的光(对应于最佳汞剂量的约40/13倍)。可以看到，对于比Tmax高约15℃的环境温度而言，光通量与温度无关。
图3中的曲线(e)显示了根据本发明的未饱和低压汞蒸气放电灯的情况。在该示例中C≈0.008。在图3的曲线(e)的情况中，放电灯具有一定的汞量，在灯变成为未饱和时其可导致比最佳状况少20％的光(对应于最佳汞剂量的约80/13倍)。可以看到，对于比Tmax高约25℃的环境温度而言，光通量与温度无关。
未饱和汞蒸气放电灯是快速起动的装置，其具有很快的启动时间。作为示例，典型未饱和汞蒸气放电灯的初始辐射输出约为38％，而设有汞齐的已知放电灯的初始辐射输出约为6％。同一未饱和放电灯的“启动时间”约为75秒，而设有汞齐的已知放电灯的启动时间约为210秒。另外，与设有汞齐的已知放电灯相比，未饱和汞蒸气放电灯具有低25％的点火电压。未饱和汞蒸气放电灯通常含有少于0.1毫克的汞。从实验中可观察到，未饱和汞蒸气放电灯在工作了10000小时后的免维护率在约98％以上。
应当理解，上述实施例是说明而非限制了本发明，本领域的技术人员可在不脱离所附权利要求的范围的前提下设计出许多备选实施例。在权利要求中，置于括号内的任何标号均不应解释为限制了权利要求。动词“包括”及其时态变化的使用不应排除在权利要求中提到的以外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一个”并不排除多个这种元件的存在。本发明可通过包括有若干不同元件的硬件或适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的装置权利要求中，若干这些装置可由同一个硬件来实现。在相互不同的从属权利要求中引用的一些措施并不表示这些措施不能结合起来使用。

Claims (25)

1.一种低压汞蒸气放电灯，包括透光放电管，
所述放电管以气密方式围起了一个放电空间，在所述空间中设有惰性气体混合物和汞，
所述放电管的第一部分设有处于所述放电空间内的第一电极以及发光层，
其中所述第一部分在操作中发出处于从100到1000毫微米的第一电磁波谱范围内的光，
所述放电管的第二部分设有处于所述放电空间内的第二电极，
其中所述第二部分在操作中发出处于从100到1000毫微米的第二电磁波谱范围内的光，其中所述第二范围不同于所述第一范围，其特征在于：
所述低压汞蒸气放电灯包括用于接受直流电的供电导体，和
所述放电空间仅包含两个电极。
2.根据权利要求1所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，在所述放电管(1)内设有汞齐(4)。
3.根据权利要求2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述汞齐(4)设于所述放电管(1)的第一和第二部分(11，21)之间的区域中。
4.根据权利要求2所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述汞齐设于具有最低色温的所述放电管(1)的部分(11)中的电极(12)的区域中。
5.根据权利要求2或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述汞齐设于所述第一电极(12)的区域中，而在所述第二电极(22)的区域中设有另外的汞齐(24)。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，在所述放电管(1)中设有冷点。
7.根据权利要求6所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述冷点设于所述放电管(1)的第一和第二部分(11，21)之间的区域中。
8.根据权利要求6并结合权利要求2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯或根据权利要求7并结合权利要求2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述汞齐设于所述冷点的区域中。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述放电管(1)的第二部分(21)的壁由可透过紫外线的玻璃制成。
10.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，在操作中，所述发光层(16)产生可刺激人体中的褪黑激素积聚的光谱特性，或者产生可抑制人体中的褪黑激素积聚或刺激人体中的褪黑激素下降的光谱特性。
11.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述放电管(1)的第二部分(21)设有另一发光层(26)。
12.根据权利要求11所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，在操作中，所述另一发光层(26)产生可抑制人体中的褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性，或者产生可刺激人体中的褪黑激素积聚的光谱特性。
13.根据权利要求10和12所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，在操作中，所述发光层(16)产生可刺激人体中的褪黑激素积聚的光谱特性，而另一发光层(26)产生可抑制人体中的褪黑激素积聚或刺激褪黑激素下降的光谱特性。
14.根据权利要求10、12或13所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述光谱特性由褪黑激素抑制辐射Rsr的输出部分和光输出Lo来指定，所述褪黑激素抑制辐射为Rsr≥0.45褪黑激素瓦/瓦，而所述光输出为Lo≤60流明/瓦。
15.根据权利要求10、12或13所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述光谱特性由褪黑激素抑制辐射Rsr的输出部分和光输出Lo来指定，所述褪黑激素抑制辐射为Rsr≥0.6褪黑激素瓦/瓦，所述光输出为Lo≥100流明/瓦，而所述放电灯的色温≥6500K。
16.根据权利要求10、12或13所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述光谱特性由褪黑激素抑制辐射Rsr的输出部分和光输出Lo来指定，所述褪黑激素抑制辐射为Rsr≤0.2褪黑激素瓦/瓦，而所述光输出为Lo≥100流明/瓦。
17.根据权利要求11所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述第一部分(11)的发光层(16)包括可发出UV-A辐射的发光材料，所述第二部分(21)的另一发光层(26)包括可发出UV-B辐射或可发出UV-A和UV-B辐射的发光材料。
18.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述低压汞蒸气放电灯适于接受交流电。
19.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，
所述放电灯包括至少部分是大致圆柱形的放电管(1)，其具有长度Ldv和内径Din，和
所述放电管(1)中的汞重量mHg与所述放电管的内径Din和长度Ldv的乘积之比由下述关系式给出：
m Hg D in &times; L dv = C ,
其中C≤0.01微克/平方毫米。
20.根据权利要求19所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，0.0005≤C≤0.005微克/平方毫米。
21.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，
所述放电灯包括至少部分是大致圆柱形的放电管(1)，其具有长度Ldv和内径Din，和
所述放电管(1)中的汞压力pHg与内径Din的乘积处于0.13≤pHg×Din≤8帕·厘米的范围内。
22.根据权利要求21所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述放电管(1)中的汞压力pHg与内径Din的乘积处于0.13≤pHg×Din≤4帕·厘米的范围内。
23.根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯，其特征在于，所述放电管(1)含有少于0.2毫克的汞。
24.一种包括有根据权利要求1、2、3或4所述的低压汞蒸气放电灯的紧凑型荧光灯，其特征在于，在所述低压汞蒸气放电灯的放电管(1)上连接了灯壳(70)，所述灯壳设有灯头。
25.根据权利要求24所述的紧凑型荧光灯，其特征在于，在所述低压汞蒸气放电灯的放电管(1)的周围设有散射式透光外罩，其连接在所述灯壳(70)上。
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