专利名称：减少汞消耗的荧光灯的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及荧光灯，更具体来说，涉及减少了汞消耗的荧光灯。
相关技术描述在市场上，汞蒸汽放电荧光灯是众所周知的。它们依靠放电激发汞蒸汽原子来发光，并且当被激发的原子回到它们的基态时，释放出共振能量。因此，每个灯都含有一定量的汞，这些汞足够维持在密封的灯里面的理想的汞蒸汽压强(典型值为4-6μm Hg)。只要灯里面的汞蒸汽保持理想的压强，该灯就能持续正常工作，产生最大流明。
遗憾的是，在灯的寿命中，汞蒸汽通过各种已知的机理而被消耗汽。这些机理包括与荧光涂层中的荧光粉颗粒或荧光添加剂的化学反应以及与玻璃罩本身的化学反应。虽然与玻璃罩的化学反应是消耗汞蒸汽的最重要的原因，但是，两种化学反应都通过在化学反应中消耗原子汞来消耗汞蒸汽。
在玻璃罩的内表面上提供一个氧化铝粉末或二氧化硅屏蔽层，以便预防汞损蚀已经是解决这个问题的一个措施。虽然氧化铝粉末和二氧化硅在减少汞-玻璃化学反应上已经在某种程度上获得了成功，但是对这个目的来说，已经知道氧化钇比氧化铝粉末或二氧化硅更有效。由于钇的成本很高，使得氧化钇屏蔽层在经济上是行不通的，因此，没有使用氧化钇屏蔽层。
第二个措施(通常除了氧化铝粉末或者二氧化硅屏蔽层以外还使用的)是用超液态汞配制荧光灯。结果是随着汞蒸汽的消耗，更多的液态汞汽化，以便维持汞蒸汽压强的动态平衡。但是，对环境危害的增加以及州和联邦关于汞的法规要求灯制造厂商制造少汞而不是多汞荧光灯，因此超液态汞很快就成了禁选方案。
在技术上需要在荧光灯中防止或尽量减少汞消耗的方法。这种方法最好应该避免需要用实质的超液态汞配制荧光灯。此外，这种方法最好应该提供不必使用氧化钇屏蔽层的关于氧化钇的益处。
发明概述提供了一种汞蒸汽放电灯，该灯具有具有内表面的透光玻璃罩；用于放电的装置；挨着玻璃罩内表面涂抹的屏蔽层；挨着屏蔽层内表面涂抹的荧光层；以及密封在罩里面的，由汞和惰性气体构成的填充气体。屏蔽层包括屏蔽层基底颗粒和0.1-10wt.％的氧化钇。屏蔽层还具有完全均匀散布的结晶氧化钇颗粒。
还提供了一种汞蒸汽放电灯，该灯具有具有内表面的透光玻璃罩；用于放电的装置；挨着玻璃罩内表面涂抹的荧光层；以及密封在罩里面的，由汞和惰性气体构成的填充气体。荧光层包括荧光颗粒和0.1-10wt.％的氧化钇。荧光层还具有完全均匀散布的结晶氧化钇颗粒。
还提供了一种在荧光灯中提供涂层的方法。该方法包括如下步骤a)提供在去除电离的水的悬浮介质中的1-10wt.％的涂层基底颗粒的悬浮液；b)在悬浮液中溶解钇盐；c)在悬浮液中加入盐酸，使悬浮液的pH值达到3-6；d)将该悬浮液施加到荧光灯的玻璃罩的内表面；e)对涂在玻璃罩内表面上的悬浮液进行烘干，从而提供部分干燥的涂层，在涂层中，至少使部分被溶解的钇盐重新结晶；以及f)烘烤涂层，使涂层干燥，并且使重新结晶的钇盐氧化为氧化钇。氧化钇被散布到整个涂层中。
图1示出了按照本发明的汞蒸汽放电荧光灯的第一个优选实施例；图2示出了按照本发明的汞蒸汽放电荧光灯的第二个优选实施例。
优选实施例详述在以下的描述中，当给出优选范围时，如给出5到25(或5-25)，这分别地并且独立地表示最好至少为5，并且最好不超过25。
如这里所使用的，“荧光灯”为如本领域已知的任何汞蒸汽放电荧光灯，包括含有电极的荧光灯和没有电极的荧光灯，在没有电极的荧光灯中，用于放电的装置包括适合于通过发射电磁信号来激发汞蒸汽原子的无线电发射器。
也如这里所使用的，“T8型灯”为如本领域已知的荧光灯，最好是直线形的，最好标称长度为48英寸，并且具有1英寸的标称外径(1/8英寸的8倍，“T8”中的“8”来源于此)。退一步说，T8型荧光灯的标称长度可以是2、3、6或8英尺，再退一步说，可以是一些其它长度。
图1示出了按照本发明的第一个优选实施例的汞蒸汽放电荧光灯10。虽然图1中的灯是直线的，但是本发明并不局限于直线灯，并且可以应用于任何形状的荧光灯。荧光灯10具有圆截面的透光玻璃管或罩12。
该灯由附加在两端的基座20牢牢地密封起来，在灯中具有电极(如图1)，在基座20上分别安装了一对被隔开的电极装置18。由汞以及惰性气体构成的放电维持填充气体22被密封在玻璃管里面。最好，惰性气体最好是氩气或是氩气与氪气的混合气体，稍差的是某种其它惰性气体或气体混合物。惰性气体和少量的汞为低蒸汽压力的启动方法创造了条件。最好，汞蒸汽具有4-6μm Hg的压强，近似为在25℃时的汞的蒸汽压强。
在第一个优选实施例中，荧光灯10具有屏蔽层14和荧光层16。屏蔽层14包括构成屏蔽层主要成分的基底颗粒。在本实施例中，屏蔽层14挨着，最好直接涂在玻璃罩12的内表面上。荧光层16挨着，最好直接涂在屏蔽层14的内表面上。屏蔽层14最好是氧化铝粉末屏蔽层，其中，屏蔽层基底颗粒为氧化铝粉末颗粒。最好屏蔽层14包括由比例基本相等的，用作基底颗粒的α和γ氧化铝粉末颗粒构成的混合物。稍差的或者另一个方法是，屏蔽层可以是二氧化硅、二氧化铪、氧化锆、钒酸盐或铌酸盐屏蔽层，再稍差的是它们的某些化合物或混合物。
优选的氧化铝粉末屏蔽层具有涂层重量是0.5-3mg/cm2的涂层重量，最好大约为0.12-0.15mg/cm2。氧化铝粉末颗粒最好具有15-800nm的平均的颗粒尺寸，最好是20-600nm，最好是20-400nm，最好是22-300nm，最好是25-200nm，最好是30-100nm。屏蔽层14还包括一定量的在氧化铝粉末颗粒中均匀散布的结晶氧化钇。最佳的是，在屏蔽层14中的氧化铝粉末颗粒和玻璃罩12的内表面也有一层充分均匀附着的或者涂抹在它们各自表面上的结晶氧化钇薄膜。屏蔽层14包括均衡的氧化铝粉末和最好是0.1-10，最好是0.4-8，最好是0.6-6，最好是1-4，最好是1.5-3，最好大约为2wt.％的氧化钇。
荧光层16最好是稀土荧光层，如本领域已知的稀土三荧光层。稍差，荧光层16可以是如本领域已知的卤代磷酸盐荧光层。荧光层16最好具有1-5mg/cm2的涂层重量。
由于在屏蔽层14中存在氧化钇，因此，按照第一个优选实施例的灯显示出显著地减少了与玻璃罩12的化学反应所导致的汞消耗。均匀附着的氧化钇薄膜已经显示出在减少由玻璃罩引起的汞消耗上非常有效，不需要完全由氧化钇组成的屏蔽层。此外，在氧化铝粉末涂抹悬浮液中存在钇离子有助于阻止在后续涂抹荧光层的步骤中被洗掉。
图2示出了按照本发明的第二个优选实施例的灯，这里的荧光灯10具有荧光层16，但是没有屏蔽层14。在本实施例中，荧光层16挨着，最好直接涂在玻璃罩12的内表面上。荧光层16最好是稀土荧光层，如本领域已知的稀土三荧光层。稍差，荧光层16可以是如本领域已知的卤代磷酸盐荧光层。荧光层16最好具有1-5mg/cm2的涂层重量。
荧光层16还包括一定量的在荧光颗粒中均匀散布的氧化钇结晶。最佳的是，在荧光层16中的荧光颗粒和玻璃罩12的内表面有一层充分均匀附着的或者涂抹在它们各自表面上的结晶氧化钇薄膜。荧光层16最好具有0.001-10，最好是0.01-5wt.％的氧化钇。均衡的荧光层包括卤代磷酸盐或者稀土荧光物，其中，如本领域已知的，按照适当的比例将各种荧光物(例如，红、蓝、绿散射稀土荧光物)进行组合，从而得到具有理想色温和CRI特性的荧光灯。氧化钇颗粒的存在基本不影响提供理想的灯所需要的各种荧光物的比例。此外，按照以下描述的方法所配制的，按照本发明的荧光层在各种荧光物的表面上产生一个氧化钇薄膜，这个薄膜非常薄，足以避免或充分避免不良的光学效果。
由于在荧光层16中存在氧化钇，因此，按照本实施例的灯显示出显著地减少了通过与玻璃罩12的化学反应所导致的汞消耗。除此之外，由与荧光颗粒和荧光添加剂的化学反应所引起的汞消耗也显著地减少了。包括0.001-10wt.％的氧化钇并且按照这里的描述构成的荧光层不引起流明输出减少，或者引起的流明输出减少可以忽略。由此，本发明的荧光层有效地防止了或显著地减少了在荧光灯中的汞消耗，这样，提供了成本不高的或者与主要结构的氧化钇层有关的流明损失不多的关于氧化钇的益处。
可选择地，荧光层16包含0.5-4，最好0.6-3，最好0.7-2，最好0.8-1.5，最好大约1wt.％的胶状氧化铝粉末颗粒，以有助于凝聚荧光层并且附着在玻璃罩上。按照本实施例的荧光层在减少没有单独的屏蔽层情况下的汞消耗(通过与玻璃罩或荧光颗粒的化学反应)方面是非常有效的。由此省去了与涂抹屏蔽层的步骤有关的附加材料、时间和成本。
上述按照第一或者第二优选实施例的灯需要配用非常少量的液态汞，以便在灯的寿命期间维持理想的4-6μm Hg的蒸汽压强。对于典型的现有T8型灯，汞用量可以在7mg直到40mg的初始汞含量之间变化。目前，最低汞用量的T8型灯含有7到9mg的汞。可与之比较的，具有相似性能和寿命的本发明的灯配用的汞少于5mg，最好少于4.5、4或3.5mg，最好在3-3.5mg之间。这表示在不减少流明和寿命的情况下，减少了50％的汞。
以下将描述按照第一个优选实施例的，用于提供氧化铝粉末屏蔽涂层的优选方法。对于与用于配制按照第二个优选实施例的荧光涂层的方法的区别将顺便说明。
开始，将屏蔽层准备成含水的悬浮液或稀浆，然后利用已知的涂抹方法将稀浆涂在玻璃罩12的内表面上。按照以下描述准备悬浮液。提供消除电离的水作为悬浮液介质。将氧化铝粉末(或荧光)颗粒加入悬浮液介质，构成全部悬浮液的大约1-10，最好1-5，wt.％。接着，按照通常的量将剩下的不溶解的成分加入悬浮液介质，并且搅拌或使之均匀，以便形成稳定的含水悬浮液。不溶解的成分包括增稠剂、分散剂和其它调节悬浮液物理特性的添加剂。优选的增稠剂是非离子的、水溶的聚合增稠剂，如POLYOX(聚环氧乙烷)。适用的分散剂为非离子的，包括Pluronic F108和Igepal CO-530。Pluronic F108是由可以从BASF得到的聚氧化乙烯和聚氧化丙烯构成的块状共聚物表面活性剂混合物。Igepal CO-530是壬基酚乙氧基化物，可以从Rhodia得到。
接着，将氧化钇盐加入悬浮液，使钇盐与氧化铝粉末(或荧光粉)颗粒之间的比例等于上述对屏蔽(或荧光)层的说明。其它悬浮液成分，如水和分散剂，不被当做计算钇盐重量百分数时的因子。虽然任何水溶性的钇有机盐或钇无机盐都可以使用；(例如，适用的钇有机盐包括醋酸钇和碳酸钇)，但是优选的钇盐是盐酸钇和硝酸钇。一旦钇盐已经溶解在水性悬浮液中，并且将成分搅拌均匀，就加入水性盐酸，使悬浮液的pH值达到3-6，以避免形成不溶解的氢氧化钇。最好，盐酸溶液为大约3.5wt.％的盐酸或者是1.2M的HCl(aq)。
然后，利用已知的涂抹方法将悬浮液施加到玻璃罩12的内表面。一旦涂抹完了，则通过强迫空气对流使涂层部分干燥，然后在较高的温度，例如至少400℃、500℃或600℃，烘烤大约0.5-10分钟。随着水从悬浮液中蒸发，溶解的钇盐的浓度接近饱和。钇盐在水中充分溶解。因此，随着水的蒸发，整个涂层的钇盐浓度均匀提高，所以一旦达到饱和，则盐开始结晶，形成高度均匀散布的钇盐结晶，以及覆盖全部可用表面的，很薄的钇盐薄膜。这个薄膜覆盖了玻璃罩12和各个氧化铝粉末(或荧光粉)颗粒的表面。在烘烤的条件下，将钇盐氧化成氧化钇(或氧化钇)，由此形成了本发明的氧化钇分散和氧化钇薄膜。应当注意的是，钇盐的结晶与形成氧化钇的氧化可能(并且很可能)同时发生，或者至少是重叠发生的。这并不意味着结晶和氧化必须发生在两个独立的步骤中。
重要的是氧化钇的纯度要足够高，最好至少为95，最好为96，最好为97，最好为98，最好为99wt.％，以便尽量减小光吸收或者是形成吸收颜色中心的光。遗憾的是，大部分市场上可买到的钇盐不是很纯。得到高纯度钇盐的优选的方法是在HCl(aq)或HNO3(aq)中将市场上买到的高纯度氧化钇溶解，然后再中和到7.0pH值。HCl将产生可溶的盐酸钇，而HNO3将产生可溶的硝酸钇。然后，将这种中性的钇盐溶液加入悬浮液，以达到如上述的适当的氧化钇重量百分数。
结合以下例子，将进一步理解本发明。
例1制造了三个荧光灯。第一个灯(Lamp1)具有涂在玻璃罩内表面上的氧化铝粉末屏蔽层，以及涂在屏蔽层内表面上的稀土三荧光层。两层都不含有氧化钇。第二个灯(Lamp2)具有涂在玻璃罩内表面上的稀土三荧光层，即没有屏蔽层。三荧光层不含有氧化钇。第三个灯(Lamp3)也只有稀土三荧光层，但将1wt.％的氧化钇加入三荧光层。将三个灯全部启动并且使之点着100个小时。测量三个灯中的汞消耗量，得到如下结果Lamp1100小时之后，汞的重量损失了3％。
Lamp2100小时之后，汞的重量损失了18％。
Lamp3100小时之后，汞的重量损失了5％。
由此可见，Lamp3包含散布了氧化钇的荧光层，并且没有屏蔽层，Lamp3近似与包含屏蔽层的Lamp1一样好地防止汞消耗。应该理解的是，借助于省略了对减小汞消耗的屏蔽层的需要，在灯的制造过程中省略了涂抹的步骤。
尽管已经参照优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种修改并且用同等物对其要素进行替换。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改，以使本发明适合特定的情况或材料。因此，希望本发明不局限于按照企图实施本发明的最佳方式所披露的特定实施例，而本发明将包括所有在所附权力要求书范围以内的实施例。
权利要求
1.一种汞蒸汽放电荧光灯(10)，该灯包括一个具有内表面的透光玻璃罩(12)；用于放电的装置(18)；一个由挨着所述玻璃罩(12)的所述内表面涂抹的屏蔽层(14)；一个挨着所述屏蔽层(14)的内表面涂抹的荧光层(16)；被密封在所述罩(12)里面，由汞和惰性气体构成的填充气体(22)，所述屏蔽层(14)包括屏蔽层基底颗粒以及0.1-10wt.％的氧化钇，所述屏蔽层(14)具有散布在整个所述屏蔽层(14)的结晶氧化钇颗粒。
2.如权利要求1所述的灯(10)，其中，所述屏蔽层(14)是氧化铝粉末屏蔽层。
3.如权利要求1所述的灯(10)，所述屏蔽层(14)还包括覆盖所述屏蔽层基底颗粒表面和所述玻璃罩(12)的所述内表面涂抹的氧化钇薄膜。
4.如权利要求2所述的灯(10)，所述氧化铝粉末屏蔽层(14)包括平均颗粒尺寸为15-800nm的α和γ氧化铝粉末颗粒的混合物。
5.如权利要求2所述的灯(10)，所述氧化铝粉末屏蔽层(14)具有0.05-3mg/cm2的涂层重量。
6.如权利要求1所述的灯(10)，所述屏蔽层(14)是从由二氧化硅、二氧化铪、氧化锆、钒酸盐和铌酸盐屏蔽层构成的组，以及它们的混合物中选出的。
7.如权利要求1所述的灯(10)，所述灯(10)是初始汞含量少于5mg的T8型灯。
8.一种汞蒸汽放电灯(10)，该灯包括一个具有内表面的透光玻璃罩(12)；用于放电的装置(18)；一个挨着所述玻璃罩(12)的内表面涂抹的荧光层(16)；以及由汞蒸汽和惰性气体构成的，被密封在所述罩(12)里面的填充气体(22)，所述荧光层(16)包括荧光粉颗粒以及0.001-10wt.％的氧化钇，所述荧光层(16)具有散布在整个所述荧光层(16)的结晶氧化钇颗粒。
9.如权利要求8所述的灯(10)，其中，所述荧光层(16)是稀土三荧光层。
10.如权利要求8所述的灯(10)，所述荧光层(16)还包括覆盖在所述荧光粉颗粒表面和所述玻璃罩(12)的所述内表面涂抹的氧化钇薄膜。
11.如权利要求8所述的灯(10)，其中，所述荧光层(16)具有1-5mg/cm2的涂层重量。
12.如权利要求8所述的灯(10)，其中，所述荧光层(16)为卤代磷酸盐层。
13.如权利要求8所述的灯(10)，所述灯(10)是初始汞含量少于5mg的T8型灯。
14.一种在荧光灯(10)的玻璃罩(12)上提供涂层的方法，该方法包括如下步骤(a)提供在去离子水的悬浮液介质中有1-10wt.％涂层基底颗粒的悬浮液；(b)在所述悬浮液中溶解钇盐；(c)对所述悬浮液进行酸化，使该悬浮液的pH值达到3-6；(d)将所述悬浮液施加到所述荧光灯(10)的玻璃罩(12)的内表面上；(e)使在所述玻璃罩的所述内表面上的所述悬浮液干燥，以提供至少部分干燥的涂层，所述溶解的钇盐至少部分重新结晶；以及(f)烘烤所述涂层，使所述涂层干燥，并且使所述重新结晶的钇盐氧化为氧化钇，所述氧化钇散布在整个涂层上。
15.如权利要求14所述的方法，其中，步骤(e)还包括提供覆盖在所述涂层基底颗粒表面和所述玻璃罩的所述内表面的结晶钇盐薄膜。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂层是氧化铝粉末屏蔽层(14)，所述涂层基底颗粒是氧化铝粉末颗粒。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述氧化铝粉末颗粒是α和γ氧化铝粉末颗粒的混合物。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述屏蔽层是从由二氧化硅、二氧化铪、氧化锆、钒酸盐和铌酸盐屏蔽层构成的组或其混合物中选出的。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述钇盐只是相对于所述悬浮液中的所述氧化铝粉末颗粒的重量的百分之0.1-10。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂层是荧光层(16)，所述涂层的基底颗粒是荧光粉颗粒
21.如权利要求20所述的方法，所述荧光层(16)的稀土荧光层，所述荧光粉颗粒是稀土荧光粉混合物。
22.如权利要求20所述的方法，所述荧光层(16)是卤代磷酸盐荧光层，所述荧光粉颗粒是卤代荧光粉。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述钇盐只是相对于所述悬浮液中的所述荧光粉颗粒的重量的百分之0.001-10。
24.如权利要求14所述的方法，其中，在步骤(b)中，按照含水的钇盐溶液提供溶解的钇盐，所述含水的溶液是通过将氧化钇溶解在含水的无机酸中并且随后将pH值中和到7而得到的。
25.如权利要求14所述的方法，其中，通过在所述悬浮液中加入盐酸，从而实现对所述悬浮液的所述酸化。
全文摘要
提供了一种汞蒸汽放电荧光灯(10)，该灯或者具有散布了氧化钇的氧化铝粉末屏蔽层(14)，或者没有屏蔽层，而只有散布了氧化钇的荧光层(16)。散布了氧化钇的层最好直接涂在荧光灯的玻璃罩(12)的内表面上，并且它显著地减少了通过与玻璃罩(12)的化学反应引起的汞消耗。最好，散布了氧化钇的层还具有覆盖涂层颗粒表面以及玻璃罩(12)的内表面沉积的细致的氧化钇涂层。还提供了一种配制涂层的方法，该涂层具有这样的氧化钇涂层和在其中均匀散布的氧化钇颗粒。
文档编号H01J61/48GK1396623SQ0214113
公开日2003年2月12日 申请日期2002年7月5日 优先权日2001年7月5日
发明者J·B·杨斯马 申请人:通用电气公司