一种具有改进的荧光粉配置的无电极荧光灯及其制造方法

专利名称：一种具有改进的荧光粉配置的无电极荧光灯及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种无电极荧光灯，它具有改进的荧光粉涂层/配置。更具体地说，本发明涉及这样一种灯及涂层/配置，它可以构成反射型的灯，其荧光粉这样涂布，使灯的光输出量最大。
主要由于小型荧光灯相对于白炽灯能量效率有所改进，并由于其较标准的白炽光类灯产品有较长的概率寿命，故在消费者和商用照明应用中都已发现有较高的认可率。虽然多年来这样的产品都可在市场上买到，但早期的小型荧光灯有一些缺陷，例如总的体积和重量上的缺陷。近来，由于引进更容易装进一般照明夹具的外形较短的灯壳，并由于使用了较轻的更紧凑的电子镇流电路代替常规的磁性镇流器，这些缺陷得以消除。还剩下一个待解决的问题，就是将小型荧光灯的概率寿命和能量效率的增加结合到反射型的灯，这类灯广泛用于例如隐藏式照明(recessed lighting)和显示照明。目前的小型荧光灯与反射外壳结合在一起，以获取高效的反射灯产品，但其总体积很大，以致这种灯不适用于大部分的隐藏式照明。
除了需要改进反射灯的小型荧煤灯类型的体积和性能外，一般还需要进一步改进小型荧光灯的概率寿命，曾经提出过设置一种小型荧光灯的无电极的款式，使其可以应用于反射灯类型的灯。从灯壳里除去电极，并用RF(射频)信号激发其中的放电，因为消除了电极周围的玻璃对金属的密封，并因为可以消除与电极有关的离子发射，就可以显著地增加概率寿命。一例具有A线构造的无电极荧光灯见于美国专利4,010,400，其中公开了可将可电离的媒体置放于灯壳中，并通过在紧靠着该媒体处引进RF信号，以便在使用适宜的荧光粉时，可由这种放电产生可见光。为了产生这种RF信号，可在灯座中安置一镇流电路装置，这种镇流电路装置包括谐振槽电路，它利用伸入灯壳的线圈构体，将RF信号电感性地耦合到可电离的媒体。
在任一常规荧光灯的情况下，无电极放电灯在灯壳的内表面涂敷了一层荧光粉，它能有效地使放电从可电离的媒体转变为可见光。至于荧光粉材料，它在荧光灯的制造中实际上使用较廉的卤化磷酸盐，又因其效率高，成本低，彩色合格的范围很宽，故被广泛使用。虽然卤化磷酸盐材料适用于较大的荧光灯，例如常规的2和4英尺类型的荧光灯，而在小型的荧光灯的应用中，则需要采用较贵得多的稀土荧光粉。由于这一事实，为了在价格上能有效代替采用无电极荧光技术的常规白炽类型的反光灯，如果能够开发出一种按其所涂敷的厚度使用最小量的昂贵的稀土磷酸盐涂层配置的话，是有好处的。
除了需要开发出能以有效的价格采用稀土荧光粉的荧光粉涂层配置外，就无电极小型荧光灯的反射类型灯而言，还要求反射涂层的沉积结果使通过灯壳的正面区的光输出达到最大。这种无电极荧光反射灯还出现一个难题，即如何与荧光粉涂层一起沉积反射涂层。已知仔细分离的二氧化钛可以用作反射材料，并可将其涂敷到形状基本上和常规反射灯一样的灯壳的底部。这种涂层的可见光的反射率应尽可能地接近1，这要求在反射材料的50-500粉粒层之间有一相当厚的涂层。
荧光粉材料的涂层厚度的分布不能直观地确定下来，例如，大部分的如使用在照相复制设备中的孔径荧光灯在窗口上都没有荧光粉除层；这种窗口对应于反射灯的正面区。其缺点是，由放电所发射的UV辐射被玻璃吸收而不能转换为可见光。
另一种做法可将荧光粉涂层涂敷到灯的整个内表面，以保证转化后可见光的量达到最大。使用常规技术时，可用含荧光粉的悬浮液填充灯壳，然后将悬浮液流入或充入灯壳。由于重力引起的排放特性，各方法都会使荧光粉涂层的重量分布在灯壳的正面较厚而在底部较薄。一般的情况是，当所用的悬浮液厚度足以产生良好的吸收UV的荧光粉涂层时，正面上的涂层厚到实际上反射可见光。通过反射灯的正面区反射可见光，有大量的光被陷进灯里，并将经受会使损耗的多次反射。此外，由于汞的沉积、杂质的吸收和通过灯的反射部分的透射，会有大量的被陷的光受到损失，因此，要是能够开发出的荧光粉涂层的重量分布允许有效地将UV转变为光的输出，又不致于厚到将大量的光在灯壳的正面区反射回来，是会有好处的。
对于常规的有电极的小型荧光灯的应用来说，给出的是灯壳的典型几何结构下，要开发一种厚度变化的涂层配置是不实际的。一般说来，这种限制一般在无电极荧光灯，具体的在反射型灯中不是主要原因，但为了要容纳凹腔，灯壳的直径尺寸会有变化。因此，有可能采用一组厚度变化的稀土荧光粉，以便制得的反射灯体积最小，又能提供最大量的光输出。
要在灯壳不同地方提供厚度变化的荧光粉涂层配置的一个问题，是在涂敷法的实施中出现的，这种方法可用到高速自动化的制造系统中，在这场合下，需要提供物理性能均一的高质量的产品，以便投产成百万计的销售数量。此外，还需要使这种制造方法能以尽可能简单和能行的价格制造出成品，又无需就现今使用的荧光灯制造技术添加花钱的设备修改。因此，如果开发出的制造方法，能在采用无电极荧光灯作为光源下，允许对反射类型灯实施厚度变化的荧光粉涂层，是有益处的。
本发明提供一种其荧光粉分布配置经改进的无电极荧光灯，它可以从反射灯的正面取得最大的光输出，这是通过可行的代价取得上述荧光材料的分布配置的。因此，本发明分开一种方法，以可行的价格和有效的生产方式实施这种荧光粉的分布配置。我们通过实验发现，当正面区上有一定的荧光粉厚度同时灯壳的反射区上有较厚的荧光粉厚度时，光输出有最佳数值。这种实验包括了在单位面积上将UV变为灯内可见光的多次(无限次)反射的荧光粉涂敷重量的效率的计算。我们发现，与无荧光粉涂层时相比，正面区上有薄的荧光粉涂层时光输出增加了20％，而在该正面区上有厚的涂层时(和反射区上的厚度一致)，光输出将减少30％。至于在反射区上的荧光粉涂层的厚度，光输出随着荧光粉涂层重量的增加而增加，但只应该增加到这样的程度，即相对于花更多钱来使用较大量的稀土荧光粉使光输出增加在成本上是可行的。
根据本发明的方法，可以提供一种具有灯罩和灯座结构的反射灯，灯座上装上一种具有空腔在其中的灯壳。镇流电路装置可放在灯罩和灯座结构里，并有效地接收线路功率，并将这线路功率转变为RF信号。包含在灯壳里的可电离填充物通过在其紧靠的地方引进RF信号而被激活到放电状态。灯壳的形状做成具有装在该灯座和灯罩结构的锥形底部，一弯曲的上平面部分从锥形底部延伸，锥形底部和弯曲的上平面部分合起来形成反射状的灯壳。一反射性涂层，例如仔细分离的二氧化钛涂于锥形底部的内表面上。具有第一厚度的第一荧光粉涂层位于变锥形底部，至于第二荧光粉涂层则位于灯壳弯曲上平面部分的内表面。荧光粉涂层的第一厚度在尺寸上较荧光粉涂层的第二厚度实际上大得多。一内凹腔(re-entrant cavity)在灯壳中形成，并在与锥形底部的部分有关的区域里约以中心的位置延伸，该凹腔上置有荧光粉涂层，其厚度实际上和锥形底部部分的第一荧光粉涂层的厚度相同。
为了要实践本发明，可涂敷灯壳的整个内表面，然后在排放时，平面区上的涂层被插放在灯上的喷咀吹过的潮湿空气减薄，从而有效地将平面上的悬浮液吹走，并将悬浮液吹到反射区上。另一种配置涉及先将灯壳的整个内表面涂敷的第一涂层干燥，然后将第二悬浮液上冲到平面区和反射区之间的交会处。第二悬浮液一旦排走，荧光粉较厚涂层的重量就将保存在反射区上。
下面的详尽叙述，请参看附图，其中

图1是根据本发明构成的无电极荧光反射灯的切面剖视图。
图2包括本发明的荧光粉涂层配置的图1灯壳部分的切面剖视图。
图3为在各种反射涂层重量下流明输出对平面涂层重量的曲线图。
图4(A)和4(B)是灯的切面剖视图，说明取得本发明的荧光粉涂层配置的两种方法。
如图1所示，采用无电极荧光光源技术的反射灯10包括在装在灯座和罩件17的灯壳12，凹腔15形成在灯壳12中，并从灯壳12的底端向中延伸，在凹腔15里也从中延伸的是一根抽气管，它可伸入灯座和罩件17。汞和稀有气体的填充料在荧光灯工艺中是公知的，它被包含在灯壳12里，适当激发时(将在下面讨论)，就受激至放电状态，成为环形放电23。如将在图2进一步讨论的那样，荧光粉涂层配置20和反射涂层也涂敷到灯壳12的内表面，以便放电23能转化成可见光，并将这种可见光以反射灯光束图案外向地指向反射灯10。
为向包含在灯壳12的填充料提供激发能量，将电子镇流电路装置24置放在灯座和罩件17里。为了详细理解如图1所示的小型荧光灯的电子镇流电路装置，这里参考了Nerone等人于1993年2月18日提交的美国专利申请序号08/020,275(并作为本发明转让给相同的受让人)，该申请在这里通过参考结合在说明书中，诚然，可以理解本发明的高效荧光粉涂层配置也可用在灯和镇流电路装置分开置放的场合。电子镇流电路装置24的线圈铁芯部分16环绕抽气管14置放，抽气管向中地伸进凹腔15里。包括线圈铁芯部分16在内的电子镇流电路装置24能用以产生RF信号，当将该RF信号紧靠着灯壳12里所包含的填充料引进时，就可激发这填充料而形成环形放电23。电子镇流电路装置从常规的功率线路输入通过典型的螺纹灯座19接收到其功率。
为了应用于反射灯类型，涂层配置的涂敷方式必需保证从灯壳12的正面部分的总输出量最大。为此，图1的无电极荧光灯10首先涂以掺有氟的氧化锡的导电透明膜26，然后涂敷存细分离的氧化铝的薄涂层。导电透明膜是为EM1抑制而采用的，详细情况可见USP4,645,967。为了保护目的，也将仔细分离的氧化铝涂到凹腔15的表面。仔细分离的二氧化钛则涂在灯壳12的底部上和凹腔15上。
如图2所示，灯壳12由水平点划线I-I分为两个主要部分上弯曲面部分12a和下锥体部分12b，仔细分离的用作反射涂层的二氧化钛只涂到下锥体部分12b和凹腔15。在本发明中，整个灯壳12的里面涂以含有荧光粉的浆液，以将汞的UV辐射转化为可见光。在常规的荧光粉涂层实践中，荧光粉浆液或是均匀地涂到灯壳12的内面，或在涂敷后，从平面或上弯曲部分例如12将其除去，从而造成如荧光孔径灯的清晰窗口。
与在灯的整个表面上制备相同的荧光粉涂层配置或从灯的平面部分整个将荧光粉涂层除去的实践对比，本发明只在灯壳12的一定部分提供荧光粉涂层重量分布的配置，因而导致出从图1的反射灯10产生较高的光输出。具体地说，本发明提供的反射灯和上述常规方法之一的相似的涂荧光粉灯比较具有高得多的可见光输出。如图2所示，这个高得多的光输出是通过使用一层较薄和一层较厚的荧光粉材料涂层取得的，其中较薄荧光粉材料涂层指定为涂层厚度A，涂敷到灯壳12的上面弯曲部分12a，而较厚荧光粉材料涂层指定涂层厚度B，涂敷到灯壳12的下锥体部分12b。虽然以上是用分离的涂层厚度来说明，但就理解下面部分可以通过使用在整个内表面的第一涂层然后只在底部的第二涂层获得。因此，较厚的涂层实际上是第一薄涂层和第二涂层组合。
按照本发明的教导，确定了涂敷到上面弯曲部分12a的荧光粉涂层A的可见光反射率性能应在25和63％之间，应该明白，这个反射比数值代表分别是灯壳上、下部分表面上的反射比平均值。使用这一范围中的数值，由环形放电23所发射的UV辐射可以由荧光粉涂层A转化为可见光，同时仍然保证了由涂敷到反射部分或灯壳12的下锥体部分12b的荧光粉涂层B所产生的光可以避开弯曲的上面部分12a。对于颗粒尺寸约为5微米、密度约5克/cm2的荧光粉来说，这相应于涂敷到灯壳12的上面弯曲部分12a的0.8-2.8mg/cm2的涂层重量密度。
至于位于灯壳12的下锥体部分12b上的荧光粉涂层B，经已确定，该涂层的可见光反射率性能应超过约70％，并应具有至少为4.0mg/cm2相应的涂层重量。下面将以图3为基准来讨论，最好能在灯壳12的下锥体部分上提供5和7.5mg/cm2之间的涂层重量，这数值范围将确保撞击反射表面28的所有UV辐射都变成可见光，而且大部分的可见光将由反射涂层本身反射。
如图3所示，图中画出位于下锥体部分12b的荧光粉涂层B的各种涂层重量数值的光输出对位于灯壳12的上面弯曲部分12a的荧光粉涂层A的涂层重量的曲线图。从图中可以看到对于超过1200流明的区中的最高光输出量而言，上面弯曲部分12a上需要小于2.5mg/cm2的荧光粉涂层重量，在灯壳12的下锥体部分12b上需要大于约5.0mg/cm2的荧光粉涂层重量。实际上，就上面弯曲部分12a荧光粉涂层重量A在1.0和2.0mg/cm2和下锥体部分12b荧光粉涂层重量B为7.5mg/cm2的灯壳而言，测得超过1310流明的光输出，与之相比，当荧光粉涂层重量A为3.5mg/cm2和荧光粉涂层重量B为3.5和4.5mg/cm2之间时，测得小于1100流明的数值。应该理解，图3的曲线图以所用的荧光粉材料的量来说明经济上的折衷方案，以便借助于所画的曲线取得所需的流明输出。例如，在7.5mg/cm2的反射涂层重量和1250流明时，这种输出可在面涂层重量约为0.75mg/cm2(流明峰值左边)和在约为2.75mg/cm2(流明峰值右边)时取得。可以设想，在不涉及经济上的折衷方案时，这些值都落在本发明的范围内。
应理解的是，此处所用的术语“厚度”是相对性的术语，它只是想用来说明荧光粉材料的反射性能。因此，由于不同的荧光粉材料具有不同的密度和颗粒尺寸，如用较小尺寸的颗粒结构代替，虽然较用较较大颗粒结构的荧光粉材料的荧光粉涂层的实际尺度薄，但结果仍然与用较大的颗粒结构的荧光粉材料有相同的反射比性能。事实上，可以使用小颗粒尺寸的荧光粉和较大颗粒尺寸的荧光粉的组合，以便灯壳12的上、下部分具有“厚度”可相对比较的涂层材料。控制特性涉及与这种荧光粉材料有关的反射比数值。通过使用混合的二-荧光粉或三-荧光粉材料(常用于有电极的小型荧光灯)可以取得荧光粉材料的涂层重量。此外，使用更廉价的卤化磷酸盐材料，有可能满足上平面涂层区或下锥体区的反光比参数。不论使用的材料如何，下锥体部分的涂层重量应取由下规定的关系式W(mg/cm2)＞3.5×(1/15)×密度(mg/cm3)×直径(微米) (1)应该理解，主体颗粒平均密度的测量是近似的。因此，颗粒尺寸的测量根据定义和所用的测量器件而定。这里使用的平均颗粒尺寸(直径)意味着由颗粒的平均横截面积确定。就灯10平面区上所用的荧光粉材料涂层重量而言，可用下列关系式0.7×(1/15)×密度(mg/cm3)×直径(微米)
＜W(mg/cm2)＜2.4×(1/15)×密度×直径 (2)一种测量涂敷在灯的弯曲表面上的荧光粉的反射比的方法是在离反射表面2mm的固定距离处装进一个小的光纤束。为了校准，测量了新刻的、无限厚的硫酸钡板的反射比。利用强度受控的卤素灯通过光纤器件照亮以测量该表面。来自卤素灯的光经滤光只让400-700nm、峰值在550nm的辐射通过。束中的其他光纤将漫射反射的光回射到硅光电控测器。
操作时，为在涂层重量A和B之间取得荧光粉涂层重量的分布，有两种方法已利用以实践本发明，如图4(A)和4(B)所示。一种如图4(A)所示的制造方法是在涂敷了灯壳之后但在浆液有机会干燥之前要将荧光粉浆液从上面弯曲部分12a移走。使用一注潮湿空气流可以完成这项工作，潮湿空气是通过置放在灯壳12里的管30流出来的。这样做，可将上面弯曲部分12a的某些荧光粉涂层轻轻地推走，然后排下到灯壳下锥体部分12b。图4(B)所示的另一种方法涉及用较薄的荧光粉涂层作为灯壳12整个内表面的第一涂层，将此第一涂层弄干燥，然后只在其上涂敷反射涂层28的灯壳12的下锥体部分12b上冲以荧光粉材料的第二涂层。使用位于灯壳12的开颈处的并由塞子36固定填料管32和排气管34可以完成这种上冲工序。
虽然本发明上文所叙述的实施例组成了最佳实施例，但应理解在不偏离所附权利要求书提出的本发明的保护范围时可对其作修改。例如，可以增加每一种荧光粉涂层重量的反射比数值。只需要使灯壳的下区比涂到平面区的涂层的反射比数值高就可以了。
权利要求
1.一种反射灯，包括一灯罩和灯座结构；一灯壳，连接到所述灯罩和灯座结构，所述灯壳具有在其中形成的腔体；在所述灯壳腔里的填充物，将激励信号引入所述填充物时，所述填充物可被激发成放电状态；将所述灯壳做成上、下部，下部毗邻所述灯座和灯罩结构，而上部平面部分从所述下部分延伸；其中所述下部具有反射性涂层涂敷于其上；以及其中荧光粉涂层的第一厚度位于所述下部，第二涂层涂敷到所述灯壳的上部，所述荧光粉涂层的第一厚度实际上大于所述第二厚度。
2.根据权利要求1所提出的反射灯，其中所述灯壳在所述下部还具有约对中地形成的凹腔部分，所述内腔体部分中具有铁芯体，所述激励信号从该铁芯件产生出来。
3.根据权利要求2所提出的反射灯，其中所述凹腔部分所涂敷的荧光粉厚度实质上和所述灯壳的下部的一样。
4.根据权利要求1所提出的反射灯，其中所述荧光粉涂层的第一厚度大于约3.5倍的颗粒厚度，且其中所述荧光粉涂层的第二厚度约在0.7和2.4倍之间的颗粒厚度。
5.根据权利要求1所提出的反射灯，其中所述荧光粉涂层的第一厚度是用不同荧光粉材料的混合体取得的，所述荧光粉材料混合体中颗粒的平均直径约为4-5微米，密度约为4-5mg/cm3，结果使所述荧光粉涂层的第一厚度每单位面积的涂层重量大于约4mg/cm2，而所说荧光粉涂层的第二厚度是用混合的荧光粉材料取得的，其中所述混合的荧光粉材料至少有一种的颗粒平均直径约为4-5微米，密度约为4-5mg/cm3，结果使所述荧光粉涂层的第二厚度具有的每单位涂层重量是在约0.8-2.8mg/cm2的范围。
6.根据权利要求1所提出的反射灯，其中所述荧光粉涂层的第一厚度使用的荧光粉材料的每单位表面积的涂层重量由下列关系式规定W(mg/cm2)＞3.5×1/15×密度(mg/cm3)×直径(微米)，而所述荧光粉涂层的第二厚度使用的荧光粉材料的每单位表面积的涂层重量由下列关系式规定0.7×(1/15)×密度(mg/cm3)×直径(微米)＜W(mg/cm2)＜2.4×(1/15)×密度(mg/cm3)×直径(微米)。
7.根据权利要求1所提出的反射灯，其中所述荧光粉涂层的第一厚度具有与其有关的大于约70％的可见光反射率特性，而所述荧光粉涂层的第二厚度具有与其有关的范围在25和63％之间的可见光反射率特性。
8.一种无电极荧光反射灯的灯壳部分的涂层方法，该反射灯具有灯罩和灯座装置，其中有镇流电路，灯壳安装在灯罩和灯座装置上且其中含有汞和稀有气体的填充物，所述涂层方法包括下列步骤在灯壳的下部涂敷反射性材料涂层将荧光粉的第一涂层涂到灯壳的下部，荧光粉材料的第一涂层具有其第一厚度；以及将荧光粉材料的第二涂层涂到灯壳的上平面部分，荧光粉材料的第二涂层具有其第二厚度，荧光粉材料的第一厚度实际上大于荧光粉材料的第二厚度。
9.根据权利要求8的涂层方法，其中荧光粉材料的第一涂层和第二涂层同时以单一厚度涂到灯壳的整个内表面上，而荧光粉的这种第一厚度和这种第二厚度之间的厚度差，是在这种荧光粉材料干燥前将均匀厚度的荧光粉材料从上平面部分除去而取得的。
10.根据权利要求8的涂层方法，其中荧光粉材料的这种第一厚度和第二厚度之间的这种厚度差之取得，是通过首先在灯壳的整个内表面上涂敷一薄层的荧光粉材料而构成荧光粉材料的这种第二厚度，之后，只在灯壳的下部涂敷另一层荧光粉材料，以使荧光粉材料的第二厚度涂到整个内面，而另一层荧光粉材料包括涂敷到下部的荧光粉材料的第一厚度。
11.根据权利要求8的涂层方法，其中还在灯壳里形成的凹腔涂以荧光粉涂层，其厚度基本上等于涂到下部的荧光粉材料的第一厚度。
全文摘要
一种无电极荧光反射灯包括螺纹灯座以接收线路功率的灯罩装置，和装在灯罩装置上的灯壳。镇流电路置放在灯罩装置里并有效地用以将线路功率转换为RF信号以激发装在灯壳里的填充料至放电状态，结果产生可见光。灯壳造成具有上弯曲平部分和部分伸进灯罩里的下锥体部分。反射性涂层涂到灯壳的下锥体部分。荧光粉材料位于下锥体部分的第一厚度基本上较涂到灯壳的上弯曲面部分第二厚度厚，从而改进了反射灯的光输出特性。
文档编号H01J61/02GK1118516SQ9510335
公开日1996年3月13日 申请日期1995年4月18日 优先权日1994年4月18日
发明者T·F·苏利斯, J·施齐格蒂, G·沙佐, P·K·韦特曼, L·巴拉斯 申请人:通用电气公司, 通斯兰姆有限公司