荧光灯 【技术领域】
本发明涉及一种荧光灯。更特别的是，本发明涉及一种其中降低或消除了汞穿透进入玻璃封壳中的荧光灯。
背景技术
汞蒸气放电荧光灯用在大约90％的商业和办公场所的照明上。荧光灯典型地包含涂敷有磷光体层的玻璃封壳，以便将在灯中产生的紫外线(UV)转化成可见光。
钠钙玻璃是用于荧光灯的最普通形的玻璃。优选地使用钠钙玻璃，是因为在玻璃中钠原子(或离子)有助于防止不能转化的紫外线(UV)通过玻璃封壳逃逸出来。
然而，使用钠钙玻璃的问题是在玻璃中的钠原子吸引灯中汞蒸气的汞原子。这是由于汞和钠形成了保留在玻璃封壳中的稳定汞齐，从而使灯封壳变黑。该变黑可以发生在沿荧光灯的整个长度上，但是经常最容易看到在灯封壳端部地变黑，使得通常观察到在荧光灯中的端部变色或端部变黑。
当玻璃封壳变黑时，荧光灯的流明保持性将减小，这是由于只能发出较少的可见光。此外，被吸收到玻璃封壳中形成和钠形成汞齐的汞原子从灯内的气态汞中除去。结果是灯中汞蒸气的压力随着灯的使用时间而降低，并且必须在荧光灯中加入额外的液态汞，以补充汞蒸气被吸收到玻璃封壳中的差值。
在本领域中荧光灯有这样的需求：基本上减少或防止汞蒸气被吸收到灯的玻璃封壳中。优选地是，这样的灯比现有的荧光灯将提高流明保持性，并减少了玻璃封壳的变色。
【发明内容】
本发明提供了一种汞蒸气放电荧光灯，其包含：具有内表面的透光的玻璃封壳；邻近玻璃封壳的内表面设置的磷光体层；密封在封壳内的汞蒸气和惰性气体的放电保持填充气体；以及汞阻挡层。汞阻挡层有效地抑制汞原子被吸收到玻璃封壳中并抑制汞原子与其中的钠原子形成汞齐。汞阻挡层是基本上不吸收汞的。
【附图说明】
图1是一侧视图，以局部剖视的形式示出了按照本发明的第一个优选实施例的所发明的荧光灯。
图2是图1中的灯的玻璃封壳沿图1中2-2线的一剖视图。
图3是一侧视图，以局部剖视的形式示出了按照本发明的第二个优选实施例的所发明的荧光灯。
图4是一侧视图，以局部剖视的形式示出了按照本发明的第三个优选实施例的所发明的荧光灯。
【具体实施方式】
如这里所使用的，当给定范围为例如5到25(或5-25)时，其含义是优选地至少为5，并且分离地和独立地，优选地不大于25。同时如这里所使用的，涉及荧光灯端部变黑或端部变色程度的变色度按从0到100的线性比例进行测量。变色的零度表示完全的透明或清洁的玻璃封壳；即没有端部变色的玻璃封壳。变色的一百度表示完全地变黑或不透明的封壳端部。显然，较高的变色度表示较高的端部变黑或变色程度，并且反之亦然。同时如这里所使用的，“T8荧光灯”是一种本领域中公知的荧光灯，优选地为具有圆形截面的直线形状，优选的标称长度为48英寸，并且具有1英寸(八倍的1/8英寸，这是其中“T8”中“8”的由来)的标称外径。次优选地，T8荧光灯的标称长度可以是2、3、5或8英尺，次优选其它长度。可选择地，T8荧光灯可以是非直线形的，例如环形的或其它曲线的形状。同时如这里所使用的以及在权利要求中的，当涉及在玻璃封壳中的钠原子时，术语“钠原子”包含在玻璃封壳中的钠原子和钠离子两者。同样，当涉及在玻璃封壳中的钾原子时(即如本文下所述的离子与钠原子交换之后)，术语“钾原子”包含在玻璃封壳中的钾原子和钾离子两者。
图1示出了按照本发明的一种低压汞蒸气放电的荧光灯10。荧光灯10具有圆形截面形状的能透光的玻璃封壳或管12。虽然玻璃封壳可以具有不同的内径和长度，但玻璃封壳12优选地具有2.37cm的内径和118cm的长度。磷光体层14设置在邻接玻璃封壳12的内表面4的位置，优选地设置在内表面4上。磷光体层14优选地是稀土磷光体层，例如在本领域中公知的或常规使用的稀土三磷光体层。次优选地，磷光体层14可以是本领域公知的磷酸盐的磷光体层。
灯由装接在两端的灯头20密封，而一对间隔电极结构18(用于提供放电的装置)分别安装在灯头20上。可选择地，灯10可以是本领域中公知的无电极的荧光灯。保持放电的汞蒸气的填充气体22和惰性气体密封在玻璃封壳的内部。惰性气体优选地是氩、氪、氖、或者它们的混合物。惰性气体和少量的汞提供了低蒸气压力的工作方式。填充气体22在25℃时优选地具有1-5托(真空压力单位)的总压力，更优选地为2-4.5托，最优选地为2.5-4托。
参照附图2，玻璃封壳12具有带有总体厚度5的内表面4和外表面6。优选地，封壳12的厚度5在封壳12的圆周上是均匀的或基本上均匀的。玻璃封壳12优选地由钙玻璃制成，更优选地为钠钙玻璃(在玻璃中具有钠原子和钠离子)，更优选地为本领域中公知的具有17-20重量百分比钠的GE008钠钙玻璃，次优选为其它适合的玻璃材料。优选地，玻璃封壳12由上述材料以常规的方式制成的。
本发明的灯10具有汞阻挡层，以防止或抑制灯10中的汞原子被吸收到玻璃封壳12中，以及防止其中的钠原子与汞形成汞齐。优选地，汞阻挡层本身是不吸收汞的或基本上不吸收汞的，这意味着无论当灯是打开还是关闭时，在灯10中的汞基本上不被吸收到本发明的汞阻挡层中。由于基本上没有汞被吸收，就意味着在灯10中汞蒸气的汞原子在本发明的汞阻挡层中不被显著范围地吸收；即本发明的汞阻挡层优选地不吸收汞原子，汞阻挡层次优选地吸收少于0.5重量百分比的汞，次优选地为1％，次优选地为1.5％，次优选地为2％，次优选地为2.5％，次优选地为3％。
按照本发明的第一个优选实施例，汞阻挡层是玻璃封壳12的汞阻隔部13。优选地，汞阻隔部13是如图2所示的封壳12邻接内表面4的环形部。特别是，当沿其纵向轴线15看时，封壳12具有总体厚度5，其中汞阻隔部13优选地为封壳12径向向外延伸的环形部，并且包含内表面4。优选地，汞阻隔部13从封壳12的内表面4径向向外延伸到至少10μm的径向深度，优选地至少为15，优选地至少为20，优选地至少为25，优选地在25-100之间，优选地在26-90之间，优选地在28-80之间，优选地在30-70之间，优选地在32-60之间，优选地在34-50之间，优选地在35-40μm之间。
汞阻隔部13优选地是密集填充物质的压缩部，优选地为金属离子或原子，优选地为钾，次优选地为钙。次优选地，密集填充物质是半金属性的原子或离子，次优选地为任何适合的离子或原子、其他密集填充物质或其混合物，以提供基本上可透过可见光的压缩汞阻隔部13，并且基本上不与存在于灯10中的汞蒸气形成复合物、起反应或与形成汞齐。通过压缩，这就意味着涉及上述的物质(例如钾离子)是以足够密度地充满在汞阻隔部13中，以防止(或基本上防止或抑制)汞原子被吸收或迁移，从而不在阻隔部13中使灯封壳12中的钠原子与汞形成汞齐。优选地，在阻隔部13中的物质是足够密集的以防止汞的吸收，但是不是极端密集的以使阻隔部13变为导电的。优选地，汞阻隔部13是基本上不导电的。基本上不导电的意思是汞阻隔部13在25℃时具有至少1012-cm的体积电阻系数或阻抗，优选地为1014，优选地为1016。如上所规定的，汞阻隔层13优选地是密集钾原子或离子的压缩部，优选地具有从封壳12的内表面4径向向外测量的25-100μm的深度。当钾用在阻隔部13中时，阻隔部13优选地是通过钠原子的离子交换而形成的，这是通过将钠钙玻璃封壳12浸渍在如下面的钾熔体中而实现的。封壳12浸渍在熔化的钾盐中(例如熔化的氯化钾、硝酸钾、硼酸钾等)，优选地在500-2000摄氏度的温度、优选地在600-1500摄氏度的温度、优选地在700-1100摄氏度的温度，保持0.01-72小时、优选地为0.05-60小时、优选地为0.1-48小时、优选地为1-36小时、优选地为4-32小时、优选地为8-30小时、优选地为12-28小时、优选地为16-26小时、优选地为18-25小时、优选地大约为24小时。在这种方式中，在钠含量丰富的玻璃封壳12中的钠离子和钾熔体中的钾离子以公知的方式进行交换，因此钾离子通过内表面4沉积到玻璃封壳12上，并且排除其中的钠原子。钾离子在玻璃封壳12中提供了压缩的汞阻隔部13。
沉积到玻璃封壳12中的钾离子比它们所代替的钠原子大，使得其中充满有密集的离子，并且有效地减少、优选地防止或基本上防止或抑制汞原子从其中迁移。钾离子也将不与存在于荧光灯10中的汞原子强烈形成汞齐或起反应。因此，沉积的钾原子形成玻璃封壳12邻接内表面4的汞阻隔部13。阻隔部13的深度是由超过内表面4的深度确定的，钾原子在上述浸渍期间与玻璃封壳12中的钠原子交换而形成在该内表面中。深度可以通过例如将封壳12浸渍在钾熔体中的时间长短以及其温度来控制。优选的阻隔部13具有35-40μm的深度，浸渍时间在700-1100℃下优选地大约为24小时。
具有如上所述钾原子的汞阻隔部13的玻璃封壳12比常规没有离子交换的钠钙玻璃封壳的荧光灯具有许多优越性。本发明的灯10比常规荧光灯优选地具有提高了的破碎强度。高强度被认为是由于汞阻隔部13的高密度造成的。此外，本发明的灯10具有提高地流明保持性，并且显著地减少了端部变黑，这是由于基本上消除了变黑的钠-汞汞齐的形成。在给定时间t时的流明保持性是当时间为t时的流明与操作100小时后的流明的比率。优选地，本发明的灯10在操作2000小时、优选地在周期性操作2000小时、优选地在操作3000小时、优选地在周期性操作3000小时后(周期性操作意思是灯周期性地或循环地关闭和打开)，展示了至少0.88的流明保持性，优选地为0.9、优选地为0.92、优选地为0.94、优选地为0.96、优选地为0.98。
在另一个实施例中，本发明的汞阻挡层(汞阻隔部13)可以用在本领域中公知的高瓦数的荧光灯中。高瓦数的荧光灯比标准荧光灯亮(发出较高的流明)，并且具有相对较高的放电负荷。使用按照本发明的汞阻挡层(例如汞阻隔部13)的高瓦数灯，优选地在连续操作或周期性操作2000小时、更优选地在连续操作或周期性操作3000小时后，具有至少0.6的流明保持性、更优选地为0.7。
本发明的灯10比常规的灯可以提供有更少量的液体汞，这是由于要有少量的或没有液体汞来代替用在玻璃封壳12中的离开汽相的汞。例如，按照本发明的T8灯优选地包含大约5mg的汞、次优选地为4.5-5.5mg、次优选地为4-6mg、次优选地为4-7mg、次优选地为4-8mg的汞。然而常规T8灯典型地包含大于mg的汞。
具有钾原子的汞阻隔部13的本发明的灯10还显著地或基本上消除了阻挡覆盖层(例如本领域公知的铝阻挡层)的需求。虽然铝阻挡层也减少汞被吸收进玻璃封壳12中，但是当灯关闭时，汞将由在阻挡层本身中的铝吸收，这是公知的。缺少铝阻挡层将导致更短的升温时间，这是由于在灯开启时不需要从铝层中驱逐汞。
图3中示出了本发明的第二个优选实施例，其中汞阻挡层是涂敷到磷光体层14上的独立的汞阻挡层16。次优选地，汞阻挡层16可以设置在磷光体层14和玻璃封壳12之间。在本实施例中，优选地为钾盐的汞阻隔物质的较薄覆盖层涂敷到如图3所示的磷光体层14上。优选地，钾盐可以以气溶胶或静电涂层的形式涂敷到磷光体层14上。优选地，汞阻隔层16是包含钾的层，优选地包含至少0.5重量百分比的钾、优选地为0.8％、优选地为1％，并且优选地具有大约10-100nm厚、优选地为20-90nm、优选地为30-80nm、优选地为35-70nm、优选地为40-60nm、优选地为45-55nm、优选地大约为50nm。
图4示出了本发明的第三个优选实施例，其中汞阻挡层是覆盖或设置在玻璃封壳12的内表面4上的氧化锡阻挡层26。次优选地，氧化锡阻挡层26可以设置在磷光体层14相对玻璃封壳12的一侧上。在本实施例中，氧化锡层26是不活泼的且基本上不导电的氧化锡的密集压缩层。优选地，氧化锡层26为5-200纳米厚，优选地为7.5-150纳米、优选地为10-100纳米、优选地为20-90纳米、优选地为25-80纳米、优选地为30-70纳米、优选地为40-60纳米、优选地为45-55纳米、优选地大约为50纳米。氧化锡层26优选地通过常规热解喷射的方法涂敷在封壳12的内表面4上。
在另一个优选实施例中，汞阻挡层直接提供在磷光体层14中。在该实施例中，在玻璃封壳12的内表面4上或邻近处涂敷磷光体层14之前，将金属离子物质加到磷光体涂敷浆中，优选地为钾或钙物质、优选地为钾物质、优选地为例如氯化钾、硝酸钾、硼酸钾的钾盐或其混合物。包含准备和涂敷它们方法的磷光体涂敷浆都是本领域中公知的或常规的。当钾盐加到磷光体涂敷浆中时，钾盐优选地为磷光体涂敷浆折干计算后的0.01-10的重量百分比，优选地为0.05-5％、优选地为0.08-2％、优选地为0.1-1％。次优选地，在玻璃封壳12的内表面4上或邻近处涂敷之前，将粉碎的、磨碎的或微粒状钾含量丰富的玻璃加到磷光体涂敷浆中，而优选地加到在少量上述的钾盐中。一旦涂敷到邻近的内表面4上，结果使得磷光体层14成为钾含量增加的磷光体层/阻挡层基体，有效地减少或基本上防止了灯10内部容积的汞迁移到玻璃封壳12上。
如上所述相同的方法还可以应用到提供钾含量增加的铝阻挡层上，例如由本领域中公知的General Electric公司制造的StarcoatTM荧光灯。在这种情况中，钾盐添加到类似于上述有关磷光体层涂敷浆的铝阻挡层涂敷浆中。
按照本发明具有汞阻挡层的本发明的灯优选地显示出在操作2000小时，优选地在下述周期性操作2000小时、更优选地在操作或周期性操作3000小时后，具有少于30的变色度，优选地为25、优选地为20、优选地为15、优选地为12、优选地为10、优选地为9、优选地为8、优选地为7、优选地为6、优选地为5、优选地为4的变色度。按照本发明具有汞阻挡层的本发明的灯还展示出较高的发光效率。优选地，本发明的灯在操作2000小时，优选地在周期性操作2000小时，具有至少54流明/瓦的发光效率，优选地为56流明/瓦、优选地为58流明/瓦、优选地为60流明/瓦、优选地为62流明/瓦、优选地为64流明/瓦的发光效率。
结合下面所提供的示意性和非限定性的实例，将更好地理解本发明。
实例1
进行试验以比较本发明的荧光灯与常规荧光灯的性能。
准备三组T8荧光灯，每一组包含两个荧光灯。每一组中的第一个灯具有没有汞阻隔部的标准玻璃封壳，而每一组中的第二个灯具有带有按照本发明的含钾的汞阻隔部13的玻璃封壳。本发明中的玻璃封壳灯是通过如上的浸渍而制备的。三组T8灯如下设置：a)没有磷光体层只有玻璃封壳12的T8荧光灯(空壳灯)；b)设置在邻接玻璃封壳12的内表面4处具有常规三磷光体层的标准T8荧光灯(标准灯)；c)设置在邻接玻璃封壳12的内表面4处具有三磷光体层和铝阻挡层两者的、由本领域中公知的General Electric公司制造的StarcoatTMT8荧光灯(Starcoat灯)。除了本发明汞阻隔部13的存在和不存在之外，在每一组中的灯在其他相关方面基本上是相同的。
对于三组的每一组中的本发明的灯，玻璃封壳12的汞阻隔部13是密集钾离子的压缩部，从内表面4大约有50nm的深度。所有六个灯(上述三组中每组两个)最初填充有5mg的汞，并且在并排比较试验中周期性操作3000小时。在这种情况下循环时间为3小时打开和20分钟关闭。可以理解的是，这3小时打开/20分钟关闭是模仿荧光灯在市场的实际打开/关闭条件。然而具有不同打开/关闭时间的循环，例如可以是在典型的商业或办公室安装条件下，这里所述的虽然没有相同的循环时间，但是将期望产生相同或类似的结果，正如下面分别在2000小时和3000小时所获得的和所记录的。
在下面的表1中提供了对比所有六个灯在2000小时后的性能数据。在表1中，符号“无K”表示具有没有汞阻隔部的玻璃封壳的常规荧光灯，而“有K”表示具有带有所述的钾的汞阻隔部1 3的玻璃封壳的本发明荧光灯。
表1：本发明与常规荧光灯的2000-小时对比数据灯组流明流明/瓦变色度流明保持性 无K 有K 无K 有K 无K 有K 无K 有K空壳灯 84 97 4.8 5.5 15 8.7 0.87 0.942标准T8 936 1094 52.6 60.8 27.4 1.6 0.869 0.966Starcoat T8 1187 1197 66.5 67 45.6 3.8 0.975 0.975
在表1中可以看出，在所有三组灯中本发明的灯体现出比常规的灯好。最显著地，本发明的标准T8灯(即没有铝阻挡层的)展示出在操作2000小时后只有1.6的变色度，与相应常规灯的27.4的变色度相对照。这表现出在操作2000小时后变色度的94％的减少，这是极其令人惊讶和意想不到的结果。此外，本发明的标准灯在2000小时后的发光效率为60.8流明/瓦，与相应常规灯的52.6流明/瓦相对比，大约有15％的提高。这也是极其令人惊讶和意想不到的结果。
还值得注意的是，本发明灯的流明保持性在空壳灯封壳和标准灯两组中显著地高于相应常规灯的流明保持性；(例如本发明标准灯展示了0.966的流明保持性，与常规标准灯的0.869相对比，有11％的提高)。
实例2
下面表2中提供了上述实例1中六个灯在3000小时后的性能数据。符号“无K”和“有K”表示和上述相同的意思。
表2：本发明与常规荧光灯的3000-小时对比数据灯组流明 流明/瓦变色度流明保持性 无K 有K 无K 有K 无K 有K 无K 有K空壳灯 81 95 4.6 5.4 20 9 0.84 0.923标准T8 897 1074 50.7 59.7 30 2 0.832 0.948 Starcoat T8 1167 1182 65.8 65.6 52.6 4.2 0.97 0.97
在表2中可以看出，在3000小时后本发明的灯体现出比常规的灯好。最显著地，本发明的标准T8灯(即没有铝阻挡层的)展示出在操作2000小时后只有2的变色度，与相应常规灯的30的变色度相对照。非常令人惊奇和意想不到的是，本发明的标准T8灯在周期性操作2000小时和3000小时之间，展示的变色度仅有0.4的增加(从1.6到2)。与在3000小时后的常规标准T8灯对比，本发明标准T8灯在变色度上展示了93％的减少，也是极其令人惊讶和意想不到的结果。
已经参照优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员将可以做出各种变化以及等同形式可以由没有超出本发明范围的元件来代替，这是可以理解的。此外，按照本发明的教导，在没有超出其实质范围的情况下，可以做出许多修改以适应特殊的情况或材料。因此意味着，本发明不仅限于作为最佳模式来实现本发明所公开的特定实施例，而且本发明将包含落入后附的权利要求范围内的所有实施例。
附图标记部件表：
4玻璃封壳的内表面
5玻璃封壳的厚度
6玻璃封壳的外表面
12玻璃封壳
13玻璃封壳的汞阻隔部
14磷光体层
16汞阻挡层
18电极结构
20灯头
22填充气体
26氧化锡阻挡层