专利名称：具有单层合成磷光粉层的荧光灯的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种荧光灯，更具体地说是涉及一种具有改进合成磷光粉层的荧光灯。
荧光照明工业采取双涂层技术来生产中间性能的灯管，其中包括卤代磷光粉和稀土磷光粉。这里使用的“中间性能”是指处于低廉的卤代磷光粉和昂贵的稀土磷光粉性能中间的性能(按照彩重现特性和流明)。双涂层技术涉及将卤代磷光粉和稀土磷光粉用作分立的涂层，较昂贵的三磷光粉层被放在完全使用的第二层，接近弧光放电。使用这种双涂层技术生产的中间性能的荧光灯已经变得非常普遍，占了全世界荧光灯销售量的70％-90％。
虽然这种双涂层技术使用非常普遍，但是荧光粉按分立层使用却给制造带来很大的问题。首先是昂贵的三磷光粉层非常薄，常常小于单粒子层，使得在应用加工过程中三磷光粉厚度和均匀性上起伏很大。这样的起伏导致与三磷光粉层厚度紧密相关的显色性指数(CRI)和灯光亮度的变化加大。
其它制造方面的困难包括可接受涂层添加剂(如分散剂和表面活性剂)范围选择范围较窄。还有，提高了涂覆和生产成本。每一个涂覆步骤增加了生产损耗，并且要求使用较多的设备和劳动力。
除了两层分立磷光粉层之外，现有技术中的荧光灯还要求第三层分立的氧化铝粒子边界层，直接涂覆在磷光粉层下的玻璃管上。这第三层氧化铝通过将未变换的UV辐射反射回灯管内部，并随后由磷光粉转换为可见光，防止UV从荧光灯中辐射。氧化铝层还减少了由于和玻璃管的反应而损耗的汞。加入第三个涂层还增加了由于设备和劳动力的使用引起的生产消耗。
现有技术中需要一种灯管，将卤代磷光粉、稀土磷光粉或三磷光粉和氧化铝粒子结合起来，形成单一混合的合成涂层，可以作为单层用在生产中间性能的荧光灯中的单一步骤中。
图2表示涂覆在荧光灯玻璃管内表面上的本发明合成磷光粉层的横截面。
图3表示依据本发明的，作为涂层重量和卤代百分比(相对稀土三磷光粉的卤代磷光粉的重量百分比)的函数时，荧光灯初始流明特性的实验结果曲线。
图4表示依据本发明，作为涂层重量和卤代百分比的函数时，荧光灯CRI实验结果的曲线。
优选实施例详细说明在下面的说明中，当给定优选范围，如5到25(或5-25)时，意味着最好是至少为5，且单独地和独立地，最好不超过25。对于合成混合物的单个成分，当按照重量百分比(重量％)给定一个范围时，意味着该单个成分按照相对于合成混合物所有成分的总重量的所述比例存在于合成混合物中。
图1表示一个典型的低压汞蒸气放电荧光灯10，这在本领域中一般是熟知的。荧光灯10具有圆形截面的发光玻璃管或灯泡12。依据本发明，玻璃灯泡的内表面有一个单层合成含磷层14。
灯管由基座20在两端密封，一对隔离开的电极结构18(提供放电的装置)分别安装在基座20上。汞和惰性气体组成的放电维持填充物22被封在玻璃管内。惰性气体典型地是低压的氩气或氩气和其它稀有气体的混合气，该惰性气体与少量的汞一起，提供低气压方式的操作。
本发明的合成含磷层14最好用在低压汞蒸气放电灯中，但是也可以用在高压汞蒸气放电灯中。它可以用于如本领域中所熟知的有电极的荧光灯中，以及用于本领域中熟知的无电极荧光灯中，其中，提供放电的装置是一种提供高频电磁能或辐射的结构。
再参考图2，本发明含磷层14包括卤代磷光粉32、稀土磷光粉34和胶状氧化铝粒子36，全部混合在充分均匀混合的非均匀混合物中，如图2所示。优选地，象本领域所熟知的那样，稀土磷光粉34包括混合的三磷光粉系统，如在美国专利No.5,045,752、No.4,088,923、No.4,335,330、No.4,847,533、No.4,806,824、No.3,937,998和No.4,431,941中所说明的，包括发射红、兰、绿颜色的稀土磷光粉的混合物。次优选地，可以使用包含其它编号的稀土磷光粉的稀土磷光粉混合物，如系统4或5号的稀土磷光粉。
在含磷层14中的卤代磷光粉粒子32可以包括如利用锑和锰活化的卤代磷酸钙混合物。锰占卤代磷光粉混合物的摩尔百分比优选为0-0.5，更优选为1-4，更优选为1.5-3.5，更优选为2-3，更优选为2.2。锑占卤代磷光粉混合物的摩尔百分比优选为0.2-5，更优选为0.5-4，更优选为0.8-3，更优选为1-2.5，更优选为1-2，更优选为1.6。可选择地，也可以使用本领域中熟知的其它卤代磷光粉粒子。磷光粉粒子具有狭小的粒径分布基本一致的形状，没有从磷光粉粒子反射紫外(UV)线的复杂结构特性。虽然可以使用任何合适的分类技术，但是，狭小的粒径分布和尽量减小复杂结构特性最好通过如现有技术中通常熟知的空气或湿法粒径(air-or wet-size)分类技术实现。卤代磷光粉粒子32的直径优选为约10，次优选为9-11，再次优选为8-12，更次优选为7-13微米，并且细粒子(直径在约5或以下的粒子)的最少数量，按照细粒子百分比，优选不超过5，更优选为4，更优选为3，更优选为2，更优选为1，更优选为0.5。
通过粒径分类技术，稀土磷光粉粒子34(最好是本领域中熟知的三磷光粉混合物)同样具有狭小粒径分布和一致的形状，具有趋向从磷光粉粒子中反射UV辐射的最小复合结构特性。按直径微米计算，稀土磷光粉粒子被提供的粒径分布优选为3-5，次优选为3-6，再次优选为2-6，再次优选为1-6。
含磷层14含氧化铝重量的百分比优选为0.05-40，再优选为0.1-30，更优选为0.2-20，更优选为0.3-20，更优选为0.4-15，更优选为0.5-10，更优选为1-10，更优选为2-8。在含磷层14中的氧化铝粒子在是粒径范围内，以纳米算，直径优选为10-1000，再优选为12-800，更优选为14-600，更优选为16-600，更优选为18-300，更优选为20-200，更优选为30-150，更优选为50-100。并且在整个含磷层14中粒径分布均匀。氧化铝粒子有益地向磷光粉粒子反射UV辐射，在磷光粉粒子中可以利用氧化铝粒子，从而提高了磷光粉的利用，并且更有效地产生可见光。采用这种方式，氧化铝粒子36使得从荧光灯10发射的UV最少，而最大程度上利用了稀土三磷光粉34，用较低比率的昂贵稀土磷光粉34，达到了最大的灯管效率。
含磷层14的三种主要成分(上述的卤代磷光粉粒子、稀土磷光粉粒子和胶状氧化铝粒子)，优选根据三种不同类型粒子的粒径特性的三种模式，压缩为基本嵌套结构的最大容积密度。特别地，具有胶状粒径或尺度的小氧化铝粒子，填充在稀土磷光粉粒子之间的空隙中(孔、缝和洞中)，稀土磷光粉粒子的尺度或直径比氧化铝粒子大几个数量级。稀土三磷光粉粒子又紧紧压缩在较大的卤代磷光粉粒子上，以实现最大地填充较大卤代磷光粉粒子之间空隙的目的，因此，在含磷层14中达到最大密度。得到的合成混合物优选具有均匀的容积密度、粒子成份和粒径分布。
本发明的灯管没有本领域中熟知的分立或单独的氧化铝粒子边界层，也没有第二磷光粉涂层或第二含磷层。与现有技术中的三涂层设计相比较，除了大大降低了劳动力和设备成本外，本发明的单层合成含磷层14还大大降低了工作特性上的变化。做了这样的实验，将现有技术中具有分立卤代磷光粉和稀土三磷光层的F40T12 SP35荧光灯，与依据本发明的具有单层合成含磷层14的相似灯管作了比较，在100个小时之后，对两种灯管的显色性和流明进行测量。结果如下表所示灯管CRI流明，100个小时均值标准偏差均值标准偏差SP35双涂层71.3 2.42750 50SP35单涂层74.0 0.22750 25由上可见，相对于双涂层灯管，单涂层灯管表现出可比的平均特性。但是，在单涂层设计中，CRI和流明的变化都明显减少了。对比CRI，双涂层灯管的标准偏差为3.37％，单涂层灯管仅表现出0.27％的标准偏差，大约相当于CRI的变化降低了12倍。进一步，单涂层灯管在100个小时后的流明变化降低了一半。CRI变化以及流明变化这样显著的降低，是令人吃惊和未曾料到的。CRI和流明变化均减少，是使用户满意和涂层成本控制的关键。
在含磷层14中，卤代磷光粉对稀土磷光粉的相对比例是由相对于一个具体应用的成本、流明、色彩和CRI约束而决定的。例如，卤代磷光粉相对成份的重量百分比(保持稀土磷光粉和胶状氧化铝含量平衡)的可用范围有50-99，50-95，50-90，50-85，50-80，50-57，50-70，50-65或50-60。卤代磷光粉重量百分比在50-70之间，胶状氧化铝重量百分比在5-10之间，这样的相对组成成分对于实现通用电气的F40T12 SP35和SP41荧光灯的中间性能已经足够了。含磷层14含稀土磷光粉的重量百分比优选为5-50，再优选为10-50，更优选为20-40，更优选为30-40，更优选为35-40。
合成含磷层14的涂层重量，以mg/cm2为单位，优选为2-10，再优选为3-8，更优选为4-6，更优选为3.40-7.00。可以使用上述范围之外的涂层重量来增强灯管的具体应用性能。本发明的主要优点是对于一个具体的应用，可以调节包含单层合成含磷层14的灯管来达到希望的CRI。在现有技术的双涂层设计中，涂层重量是CRI的重要因素，使得在不折衷流明时，调节灯管到希望的CRI极其困难。但是，在单涂层设计中，可以调节涂层重量和卤代磷光粉与稀土三磷光粉的比例，以提供具有特定的CRI和流明性能的灯管。
本发明的灯管最好具有至少62的CRI，优选为65，优选为68，优选为70，优选为72，优选为73。以流明/瓦为单位，本发明的灯管最好具有至少77.5的流明输出，优选为78，优选为78.5，优选为79，优选为79.5，优选为80。例如，对于依据本发明的40瓦灯管，流明输出最好至少为3100流明，优选为3120，优选为3140，优选为3160，优选为3180，优选为3200。本发明的含磷层14最好使用在中间性能的SP型灯管上，例如，SP30、3P35、3P41、SP50或SP65型荧光灯。可选地，本发明磷光粉层可以用于本领域中熟知的其它中间性能的灯管和高性能灯管，如通用电气的SPX型灯管。
参考图3和图4，使用特意准备的具有按下表所示的的涂层重量和卤代磷光粉比例(卤代比例)的F40T12汞蒸汽放电荧光灯。对所有的灯管，在合成涂层中的胶状氧化铝含量固定为5％的重量百分比。所有的涂层重量按mg/cm2计算，且稀土三磷光粉弥补涂层的平衡。
灯管涂层重量％卤代磷光粉1 3.40 852 5.20 853 7.00 854 3.40 705 5.20 706 7.00 707 3.40 558 5.20 559 7.00 55图3表示从每个9F40T12灯管产生的流明，以及通过计算机仿真，在整个测试的卤代百分比范围内插值的流明特性。从图上可以看出，通过改变卤代百分比或者涂层重量，本发明可以轻松地进行流明的设计。
图4同图3产生的方式相似，显示了在实验范围内，CRI作为卤代百分比和涂层重量的函数。如图表示的，在本发明的单涂层含磷层14中，CRI实际上是独立于涂层重量的。这种涂层重量的独立性比现有技术中的双涂层磷光粉层具有很大的进步，在现有技术中，CRI对涂层重量具有很强的依赖性。涂层的独立性使得流明输出可以通过改变涂层重量得到非常精细的调节，而不牺牲CRI。因此，使用根据本发明的单层磷光粉层的灯管具有准确调节特定应用而不牺牲其它未调节工作特性的优点。
上述的合成含磷层14不象现有技术要求的那样，它不需要涂覆在玻璃灯泡12上的单独的氧化铝栅层。在本发明中，含磷层14涂覆在玻璃灯泡12的内表面上，直接与其接触。另外，通过将卤代磷光粉和稀土三磷光粉混入成份基本均匀的单一非均匀混合物中，现有技术中的双涂层技术由一种单层磷光粉涂层代替，该种磷光粉涂层可以有效提供荧光灯的类似中间性能，而生产和设备成本却大大降低。本发明的合成含磷层14将要求三个分立涂层应用的三步处理工艺有效地融合到应用于单步的一次涂覆中。
合成含磷层14做成在含有上述胶状氧化铝的水溶剂中的卤代磷光粉和稀土三磷光粉的联合色散体系。在生产和应用处理工艺中，要按下述方式控制这种涂层配方的流变学特性。提供的胶状氧化铝粒子的粒径范围是如上所述的20-200纳米，有益地引起不同粒径的卤代磷光粉和稀土三磷光粒子适度的静电稳定性，从而禁止了会导致在做成的灯管产品中变色的按粒径排序。按这种方式使用胶状氧化铝最好是使用可以引起粒子按粒径排列的聚合电解质分散剂。另外，涂层配方保持轻微的酸性，其PH值理想为5-7，以确保胶状氧化铝表现出足够的表面电荷，从而在磷光粉分散中，起到有效的适度分散剂的作用。
尽管可以使用任何合适的酸性的试剂，但最好使用盐酸或硝酸来保持适当的涂层配方的PH值。在配方中使用最好是在溶液中不分解为离子的稠化剂，最好是分子量在200,000到1,000,000gm/mol的聚乙烯氧化物，作为粘质控制添加剂。表面活性添加剂最好也在溶液中不分解成离子，并且被添加进去，以控制涂层的水平，并改进玻璃管10的湿度。虽然可以使用任何合适的在溶液中不分解成离子的表面活性剂，但表面活性剂最好从壬基苯基乙氧基化物类中选择。避免使用在现有技术中通常使用的丙乙烯为基的稠化剂和分散剂，从而在与氨中和丙乙酸相关的制造环境中，消除了氨挥发这种熟知的问题。
虽然参考优选实施例对本发明作了说明，但是，本领城的普通专业人员将会理解，不脱离本法发明的范围，可以做各种变化，以及其中的元素可以用其等价物代替。另外，可以做很多修改以使具体的条件或材料适应本发明的教导，而不脱离实质的范围。因而，希望不将本发明限制在为了完成本发明而思考出的最好模式的所述的具体实施例中，本发明将包括在附加权例要求书范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种汞蒸汽放电灯(10)，包括具有内表面的灯泡(12)、提供放电的装置(18)、由封装在灯泡(12)内的汞和惰性气体组成的维持放电填充物(22)、以及涂覆在所述灯泡(12)内部的单层合成层(14)，所述的合成层包括非均匀混合物中的至少一种卤代磷光粉(32)、至少三种稀土磷光粉(34)、以及胶状氧化铝粒子(36)。
2.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的非均匀混合物是均匀合成的。
3.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的提供放电的装置(18)包括电极。
4.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的提供放电的装置(18)包括提供高频电磁能量的结构。
5.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的合成层(14)是含0.05到40重量百分比的胶状氧化铝粒子(36)。
6.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的合成层(14)含50到99重量百分比的卤代族磷光粉(32)。
7.如权利要求1的灯管(10)，其中所述的合成层(14)含5到50重量百分比的稀土磷光粉(34)。
8.如权利要求1的灯管(10)，其中在所述合成层(14)上的所述胶状氧化铝粒子(36)的平均直径范围为10-100nm。
9.如权利要求1的灯管(10)，其中在所述合成层(14)上的所述卤代磷光粉粒子(32)的平均直径范围为7-13μm。
10.如权利要求9的灯管(10)，其中所述卤代磷光粉粒子(32)包括不超过5％的平均直径为5μm或更小的细粒子。
11.如权利要求9的灯管(10)，其中所述卤代磷光粉粒子(32)包括由锑和锰活化的卤代磷酸钙。
12.如权利要求1的灯管(10)，其中所述合成层(14)被压缩为嵌套的粒子结构，其中，所述的胶状氧化铝粒子(36)充分填充在所述稀土磷光粉(34)之间的空隙中，所述稀土磷光粉(34)充分填充在邻近的磷光粉之间的空隙中。
13.如权利要求1的灯管(10)，其中在所述合成层(14)中出现的所述稀土磷光粉(34)是具有平均直径范围1-6μm的基本一致的表面结构。
14.如权利要求12的灯管(10)，其中所述稀土磷光粉(34)包括含有发射红、兰和绿色光的磷光粉的混合三磷光粉系统。
15.如权利要求1的灯管(10)，其中所述合成层(14)按照涂层配方构成，涂层配方包括在水溶剂中的卤代磷光粉(32)、稀土磷光粉(34)和胶状氧化铝粒子(36)的色散体系，还包括在溶液中不分解成离子的稠化剂和在溶液中不分解成离子的表面活化剂。
16.如权利要求1的灯管(10)，其中所述灯管(10)的CRI至少为62。
17.如权利要求1的灯管(10)，其中所述灯管(10)的流明输出至少是77.5流明/瓦。
全文摘要
一种具有单层合成磷光粉层(14)的汞蒸汽放电荧光灯(10)。合成层(14)包括卤代磷光粉(32)、稀土三磷光粉(34)和胶状氧化铝粒子(36)的非均匀混合物。涂层重量和卤代磷光粉(32)与稀土三磷光粉(34)的相对比例均是可以调节的，以获得具有特定性能特点、适于具体应用的灯管。包含在合成层(14)中的氧化铝粒子(36)消除了现有技术中通常需要单独作用的氧化铝层的做法。
文档编号H01J61/44GK1394354SQ01803284
公开日2003年1月29日 申请日期2001年9月21日 优先权日2000年10月23日
发明者J·B·詹斯马 申请人:通用电气公司