JPH09510048A - 発光層の光出力を高めるアンダーコートを有する電気ランプ - Google Patents

発光層の光出力を高めるアンダーコートを有する電気ランプ

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JPH09510048A JP8520815A JP52081596A JPH09510048A JP H09510048 A JPH09510048 A JP H09510048A JP 8520815 A JP8520815 A JP 8520815A JP 52081596 A JP52081596 A JP 52081596A JP H09510048 A JPH09510048 A JP H09510048A
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Abstract

(57)【要約】 電気ランプ内で発生される紫外線が照射されると可視光を生じる発光層(17)をランプ容器(3)上に有する電気ランプ。発光層(17)に対するアンダーコートがランプの発光効率を高める。このアンダーコートは、約0.05μm よりも小さな微結晶一次粒子粒径を有するガンマアルミナから主として成る凝集粒子状物質を有する。このアンダーコートはある種の蛍光ランプの発光効率を高めるのに有効である為、これら蛍光ランプは1992年のエネルギー政策条令の最小効率条件を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】 発光層の光出力を高めるアンダーコートを有する電気ランプ 本発明は、 a.内面を有するランプ容器と、 b.このランプ容器内にあり、紫外線を発生する手段と、 c.ランプ容器の内面に隣接し、前記紫外線が照射されると可視光を発生する発 光材料層と、 d.ランプ容器の内面と発光材料層との間にあり、発光材料層を通過する紫外線 をこの発光材料層に戻すように反射させて発光材料層の可視光出力を増大させる UV反射層と を具える電気ランプに関するものである。 一般に蛍光ランプとして知られている低圧水銀蒸気ランプは水銀充填剤と希ガ スとが入れられたランプ容器を有し、このランプ容器内でランプ点灯中ガス放電 が保たれる。ガス放電により放出される放射は殆どスペクトルの紫外線領域内に あり、可視スペクトル範囲内にはほんのわずかの部分しか存在しない。ランプ容 器の内面は、しばしば蛍光体の混合物より成る発光層を有し、この発光層が紫外 線により照射された際に可視光を放出する。 米国においては、年間使用される電気の約20〜25%が照明に消費される。 商店や、オフィスや、倉庫の場合、照明は電気消費量の50%に及ぶおそれがあ る。照明は1992年の米国エネルギー政策条令(EPACT)の主たる課題で あり、その目的は国のエネルギー消費量を徹底的に減少させることにある。この 条令は種々の型のランプに対するエネルギー効率標準規格をランプ効率及び演色 評価数の点で指定している。発光効率は、ランプへのエネルギー入力に対する有 効な光出力の目安であり、ルーメン/Wで表わされる。蛍光ランプに対するEP ACT標準規格を以下の表に示す。 1994年より前に市販された多くの蛍光ランプはこれらの指定された最小効率 条件を満足しない。このようなランプにはF96T12及びF40T12CW( 冷白色)や、F96T12及びF40T12昼光色や、F96T12及びF40 T12暖白色がある。ここに、表示Fp Td はpWの公称出力及びd/8インチ (=3.2dmm)の内径を有する蛍光ランプを表わす。このようなランプの効 率はEPACT標準規格まで高める必要があるか、或いはこれらはもはや製造す ることが許されない。 発光効率は、ガス放電からの紫外線を可視光に変換する効率や、電極損失(特 に陰極降下)、熱損失及びカラムガス放電中の損失に依存する。ランプ電極は特 定の分野に対するランプ工業によって既に最適化されている。カラム放電中の損 失は主としてランプの幾何学的形状の関数である。従って、所定の長さ、直径及 び寿命の蛍光ランプの場合、電極における損失や放電中の損失を更に減少させる のは極めて困難である。 発光層は蛍光ランプの発光効率を決定するのに寄与する1つの最も重要な要因 である。しかし、新たな又は改善した蛍光体を開発することにより、ランプ効率 を高めるには極めて時間を浪費するとともに費用が嵩むであろう。蛍光体の研究 及び開発は主として多数の実験により達成される。その理由は、結果を理論的に 殆ど予測できない為である。既知の高性能蛍光体を他の性能の低い蛍光体に代え て用いるのもしばしば実行できない場合がある。いわゆる狭帯域で希土類の蛍光 体のようなある種の蛍光体は高級品市場に対するランプで発光効率を高めるとと もに演色性を優れたものにするが、これらは、現在比較的低価格のハロリン酸塩 蛍光体を採用している標準の又は低価格分野のランプに用いるにはあまりにも高 価すぎるであろう。更に、各種の蛍光体の厚さ又は塗布重量は光出力を最大にす るよう既に最適化されている。一般に、発光層が薄肉すぎる場合には、放電によ り生じるUV放射のいくらかが可視光に変換されずにこの発光層を通過する。し かし、発光層が厚肉すぎる場合には、放電付近の発光層の領域で発生する可視光 の一部を蛍光体自体が吸収及び/又は反射する。 他の種類のランプもこれらの測光パラメータを与える又は改善する発光層を有 している。これらのランプには、少なくとも部分的にUV放射を放出するアーク 管を有する高圧水銀蒸気ランプ及びある種の金属ハロゲン化物ランプのような高 圧放電ランプがある。 本発明の目的は、発光層を有するランプの発光効率を高める、価格上有効な機 構を提供せんとするにある。 本発明の他の目的は、EPACT標準規格を満足するようにある種の低圧水銀 蒸気蛍光ランプの発光効率を高めることにある。 一般的に言えば、本発明による電気ランプは、内面を有するランプ容器と、こ のランプ容器内の紫外線発生手段とを具える。紫外線が照射されると可視光を発 生する発光材料層がランプ容器の内面に隣接している。このランプは、発光材料 層を通過した紫外線を発光材料層中に戻るように反射させて発光材料層の可視光 出力を高めるようにするUV反射層をランプ容器の内面と発光材料層との間に有 する。本発明によれば、UV反射層が約0.05μm よりも小さな微結晶一次粒子粒 径を有するガンマアルミナから主として成る凝集粒子状物質を有する。 一例では、UV反射層を、ランプ容器の内面上に直接配置された基層或いはア ンダーコートとする。 好適例では、微結晶一次粒子粒径を市販のものから得られる約0.01μm とした 。この粒径の場合、UV反射層は、冷白色蛍光体を有する発光材料層を具えるラ ンプの場合約0.15mg/cm2と約0.3mg/cm2との間の塗布重量を有するようにす るのが好ましい。0.3 mg/cm2よりも上では、蛍光体の光出力の更なる増大はな く、従ってUV反射層の重量/厚さを更に増大させることは追加の利益を生じる ことなく単にランプの価格を増大させるだけである。約0.15mg/cm2よりも下で は、標準の冷白色蛍光体に対するEPACT標準規格を満足させる設計上の余裕 度が不充分となる。 ランプ容器の内面と発光材料層との間の非発光のアルミナ含有量は種々の目的 の工業で用いられている。これらの目的には、例えば、(i)蛍光ランプに用いら れているソーダ石灰ガラスと蛍光体層との間に化学反応を低減させる層を設け、 発光保守率を改善すること、(ii)紫外線反射層を設け、紫外線を、こ紫外線が既 に通過した蛍光体層に戻るように反射させることが含まれている。 米国特許第5,008,789 号(Arai 氏等)には比較的高価な希土類蛍光体を採用し た蛍光ランプが開示されている。ランプの価格を低減させるために、このような ランプはしばしばより廉価な追加のハロリン酸塩層を用いて希土類蛍光体の量を 少なくするようにしている。しかし、発光効率を保持するも、ハロリン酸塩層は その可視光放出特性が悪い為に希土類蛍光体と関連する演色性を害するというこ とが確かめられている。Arai氏等の米国特許はハロリン酸塩の代りに非発光層を 採用しており、この非発光層はUV放射を希土類蛍光体層に戻るように反射させ る効果を有する。この非発光層は希土類蛍光体により得られる比較的高い演色性 に悪影響を及ぼすことなく発光効率を保持することが確かめられている。Arai氏 等の米国特許の非発光層は、その一例で、平均粒径が約0.05μm 及び2μm 間に あるα(アルファ)アルミナから実質的に成っている。Arai氏等の米国特許では 、そのUV反射層は希土類蛍光体層の厚さの減少による光出力の損失を阻止する のに有効であり、ランプの全光出力を高めるのには有効でないということを教示 している。UV反射層の厚さ及びUV反射を高めると光の減衰も高まる為、ラン プの輝度が僅かに減少するということも開示されている。更に、Arai氏等の特許 には特に、(i)0.05μm よりも小さい粒径を有するαアルミナは、この粒径が紫 外線の波長よりも短い為に紫外線を反射させるのに有効でなく、(ii)αアルミナ の代りにγ(ガンマ)アルミナを用いた場合大きな光束を得ることができない、 ということが開示されている。 これに対し、驚いたことに、本発明によるアンダーコート(下塗)によれば、 同一の蛍光体層を有するもアンダーコートを有しないランプに比べて、ランプの ルーメンを増大させたことを確かめた。これは特に、(i)本発明の基層が、Arai 氏等の特許で光出力を増大させるのに効果がないとしているガンマアルミナより 成っているとともに、(ii)本発明による粒径が、Arai氏等の特許が有効であると 教示している粒径よりも小さいという事実の点で驚きであった。 米国特許第4,079,288 号(Maloney氏等)には、個々の粒径が約400Å〜50 00Å(0.04 μm 〜0.5 μm)の範囲にあり、平均粒径が0.135 μm である蒸着球 状アルミナ粒子より成る他のアルミナアンダーコートを有する蛍光体ランプが開 示されている。このアルミナ層は隣接の蛍光体層からこのアルミナ層に入射され る可視光の少なくとも99%を散乱させる光拡散特性を有している。又、このア ルミナ層は紫外線を蛍光体層に戻すように散乱させて蛍光体の重量を低減せしめ うるようにする機能も有する。このアンダーコートは、急速燃焼により固体のア ルミニウムイソプロキシドのペレットを気化させることにより塗布される。この 技術はMaloney 氏の米国特許第3,842,306 号に開示されているように一般に球状 の白熱ランプ容器をつや消しするのに役立つものであるが、極めて高速の製造環 境で蛍光ランプの細長管容器の内面上に均一な層を得るのはその幾何学的形状が 細長である為に困難である。本発明者の知ることろでは、このような蒸着による アンダーコートは市販の蛍光ランプに用いられていない。これと比較するに、本 発明によるアンダーコートは、ランプ容器の内面上に蛍光体層を塗布するのに一 般に用いられている技術によって懸濁液を以って塗布しうる。 更に、Maloney 氏の米国特許第3,842,306 号には、予め形成した微結晶アルミ ナ物質、特にAlon C(商品名)粉末をアルミニウムイソプロキシドの燃焼処理に 導入することが開示されていることに注意すべきである。その結果、Alon Cの凝 集体が大きくなることによりこの凝集体が球状アルミナの母体中に散在するよう になり、フィラメントを隠す作用をする。Maloney 氏の米国特許第3,842,306 号 には、米国特許第4,079,288 号の蛍光ランプに用いるためのこの微結晶物質が開 示されていない。 本発明の上述した及びその他の特徴及び利点を以下に図面、詳細な説明及び請 求の範囲を参照して更に説明する。 図1は、本発明によるアンダーコートを有する蛍光ランプを、一部を断面とし 、一部を切欠して示す斜視図である。 図2は、低圧放電ランプ中の本発明によるUV反射層の塗布(被覆)重量mg/ cm2を種々に異ならせた場合の、光出力Lm対発光層の塗布重量mg/cm2を示すグラ フである。 図3は、本発明による同じUV反射層を有する高圧水銀蒸気ランプを部分的に 断面として示す斜視図である。 図1は細長ランプ容器3を有する低圧水銀蒸気蛍光ランプ1を示す。この蛍光 ランプはその各端部に通常の放電電極5を有し、この放電電極は、マウントステ ム10中でのガラス圧着封止部11を貫通する内部リード線7及び9で支持され たフィラメント6を有する。これらリード線7,9はランプの両端に固着される それぞれのベース(口金)12のピン状接点13に接続されている。ランプの点 灯中アーク放電を維持するために、容器中のイオン化材料の充填剤として、アル ゴン又はアルゴンと他のガスとの混合体のような不活性ガスが少量の水銀と組合 せて低圧で入れられている。外側容器3の内面15には、微結晶の一次粒子の粒 径が約0.05μm よりも小さなγ(ガンマ)アルミナより成るUV反射層16が設 けられている。このアンダーコート16上には発光層17が設けられている。こ れらの双方の層16,17は容器3の内面全周に亘り且つこの容器の全長に亘り 延在している。 上述したアンダーコートを有する蛍光ランプに対し得られる光出力特性の改善 を良好に表わすために、長さが1.2mで内径が38mmの放電容器を有する多 数のランプを製造した。微結晶の一次粒子の粒径が約0.01μm の上述したUV反 射層としては種々の重量のものを用いた。出力40Wのこれらランプに対する初 期(100時間)のルーメン出力を以下の表Iに示す。 この表において、m1は使用する標準の冷白色ハロリン酸塩蛍光体の塗布重量m g/cm2を表わし、φは光出力1mを表わす。冷白色蛍光体はCa5(F,Cl)(PO4)3:Sb: Ma とした。各列の最上部は、上述した0.01μm γ(ガンマ)アルミナアンダー コートの、ランプ当りの塗布重量mg/cm2を示す。 表Iのデータは図2にグラフで示してある。塗布重量を0.22mg/cm2としたU V反射層の光出力が最大となった。長さを1.20m 、内径(η)を38mmとした40 Wランプの場合、(破線で示す)3000lmの光出力が75lm/Wの効率に相当し 、これが、EPACT標準規格によりこの型の蛍光ランプに対し規定している最 小値である。図2から明らかなように、この効率は0.22mg/cm2及び0.15mg/cm2 のアンダーコートの塗布重量に対し満足され、アンダーコートがない場合に得ら れる72.5lm/Wよりも可成り高くなる。75lm/Wを達成するための発光層の最小塗布 重量はアンダーコートの重量が高くなると低くなる(0.22 mg/cm2のアンダーコ ートの場合約4.6 mg/cm2、0.15mg/cm2のアンダーコートの場合約5.0 mg/cm2) が、現在標準の冷白色ハロリン酸塩蛍光体がアルミニウム酸化物C材料よりも著 しく廉価である為、ランプの価格はアンダーコートの重量を充分な最低の値にし た場合に最低となる。 本発明によるアンダーコートを用いた光出力の増大を証明するために、型番F 40T12のランプを試験手段として用いたことに注意すべきである。効率は充 分に上昇したが、特定の冷白色蛍光体を有するランプF40T12はEPACT 標準規格によって特定されたこの型のランプに対する最小演色性(CRI>69 )を満足しない。しかし、ランプ毎のアンダーコートの重量を重量/単位面積に 換算すれば、効果を他のランプに当てはめることができる。図2から、約0.15mg /cm2の最小有効塗布重量が光出力の必要なパーセント分の増大を達成すること が分った。図2には示してないが、約0.3 mg/cm2よりも高い値では、光出力の 更なる増大が見られず、従ってUV反射ランプの更なる塗布重量の増大は光出力 の更なる改善を伴うことなくランプの価格を単に高めるだけであるということを 確かめた。この範囲内の塗布重量を有するアンダーコートを、長さが2.40m の放 電容器を有するF96T12CWランプに採用したところ、このアンダーコート はその発光効率を77〜78lm/Wから80lm/Wの最小EPACT標準規格以上に高める のに有効であった。このランプに対するEPACTの最小CRIは45にすぎない 為、冷白色蛍光体及び本発明によるUV反射層を有するこのランプは双方のEP ACT条件を満足する。この型のランプの内面の面積は約2800cm2である。 表Iにおけるデータは式 θ=A−Be-CW−DW により表わされる曲線に適合した。ここにθは光出力(1m)を表わし、Wは冷白色 蛍光体の重量(mg/cm2)を表わし、A,B,C及びDは定数である。 定数A,B,C及びDは以下の表IIに示す。 アンダーコートの製法/塗布法 前述したアンダーコートをDegussa 社からアルミニウム酸化物Cとして市販さ れているコロイドアルミナの分散系から調製した。この材料はいわゆるエーロゾ ル処理により製造する。その結果の凝集粒状物質は0.01μm である微結晶の一次 粒子の粒径を有し、一般にはガンマアルミナである。この物質中には少量の塩化 物イオン及び水分をも存在する。 分散系は、アンダーコートの利点を殆ど変えることなく種々の成分を添加する こともできる水を用いて調整するのが最も好都合である。これらの添加剤には、 種々の非イオン及び/又は陽イオンの表面活性剤、及び/又はアルミニウム或い は他の金属或いは陽イオンの有機及び無機の塩類のような分散剤、及び/又は水 性蛍光体懸濁液系に一般に用いられているような結合剤を含めることができる。 粘性を高めるためには、ポリビニルアルコールが特に有効であり且つ低濃度の採 用で焼なまし中容易に除去されるということを確かめた。上述したこと以外に注 意すべきことは、アルミナ分散系は一般に陰イオン表面活性剤、分散剤及び結合 剤に対しコロイド的に不相溶性であるということである。所望の重量のアルミナ 層をキャスティングするのに調製した水性分散系の濃度及び粘性は、採用するの に好都合であることを確かめた結合剤の量や乾燥速度の関数となる。 アルミナ層は、適切な量の剪断応力を加えた場合に有機溶剤を基とする分散系 からキャスティングすることもできる。この場合に有効な表面活性剤は理想的に はイオン分散剤として機能するようにする必要がある。その理由は、適切な条件 下で水中でアルミナが受ける強力な反発力が有機溶剤中で殆ど存在しない為であ る。結合剤が望ましい場合には、有機媒質で一般に用いられているいかなる結合 剤をも用いることができる。 分散系は当業者にとって既知の方法で、清浄な蛍光管の内面に塗布する。塗布 した分散系を乾燥させる方法は本発明の有効性に影響を及ぼさない。しかし、得 られるアルミナ層の重量は(前述したように)ランプ出力に直接影響を及ぼし、 採用する分散系の乾燥速度とこの分散系の濃度及び粘性との双方の関数となる。 このUV反射層は発光層を塗布する前に焼なましすることができる。しかし、 この工程から欠点が生じなかったが、利点も見い出されなかった。 水性分散系に、表面安定剤と、分散剤と、結合剤との代表的な任意の組合せを 含める場合に、或いはアンダーコート層を焼なましする場合又はしない場合のい すれかの場合に、反射層16のアルミナ粒子は発光層の塗布中に除去されないと いうことを実験により確かめた。有機結合剤からキャスティングした層は焼なま しするのが望ましい。その理由は、これらは、蛍光体の水性又は非水の懸濁系を 続いて塗布することにより除去又は溶解されやすい為である。 発光層は、焼なましした又は焼なまししないアルミナアンダーコート上に既知 の方法で直接塗布する。蛍光体懸濁系のトラクション率はアンダーコートの存在 によって低減される。発光層中に含まれる蛍光体の重量はアンダーコートの重量 に比例する関係を有することを確かめた。 次に、上述したように塗布されたランプ容器を焼なましし、既知の方法でラン プに仕上げる。アルミナアンダーコートの存在は、上述したように単位面積当り の重量を制限した場合には、他のいかなるランプ処理にも悪影響を及ぼさないこ とを確かめた。他のランプ 本発明によるアルミナアンダーコートは、蛍光体が塗布され、UV発光光源を も有する他のランプに対しても有効である。図3を参照するに、ねじ付ベース2 4が設けられた外側ガラス容器23内に封入された放電容器21を有する高圧水 銀蒸気ランプ20が示されている。ランプ容器21はホウケイ酸塩ガラスのよう な通常の硬質ガラスとするのが好ましい。放電容器21は、両端に主電極25及 び26が設けられている石英アーク管22を有し、主電極25に隣接して補助電 極27が設けられている。アーク管22中の充填剤は点灯中完全に気化する測定 量の水銀をアルゴンのような不活性始動ガスと組合せて有する。これらはすべて このようなランプにおいては通常のものである。アーク管はサイドロッド28、 金属ストラップ29及び抵抗ブリッジアセンブリ30を有するフレームにより外 側容器内で支持されている。下側のサイドロッド28は電極25とベースの外被 との間の導体として作用する。始動電極27は抵抗アセンブリ30によりアーク 管の反対側端部の主電極26に接続されている。内面35におけるガンマアルミ ナアンダーコート34上に通常の発光層32が塗布されている。高圧水銀蒸気ア ーク管の代りに、金属ハロゲン化物アーク管を用いることができ、この後者のア ーク管は水銀及び不活性始動ガスに加えて、ナトリウム、タリウム及びスカンジ ウムのような気化可能な金属ハロゲン化物を含む。 本願発明者は、ある従来の教えと相違し、主としてγ(ガンマ)アルミナ粒子 より成るアンダーコートは発光層の光出力を高めるのに有効であることを確かめ たものである。光出力の増大は、従来可能と考えられているものよりも著しく小 さい粒径の場合に生じる。効果は、約0.01μm である一次粒子の粒径を有する市 販のアルミニウム酸化物Cを用いるF40T12冷白色ランプで確認した。この 確認は、請求の範囲に記載した粒径範囲のガンマアルミナのうち既知の市販のも ののみに対するものであり、従って0.01μm より大きい及び小さい一次粒子の粒 径に対する追加の試験は行なわなかったことに注意すべきである。しかし、0.01 μm の結果に基づいて0.05μm よりも小さい粒径範囲において同様の改善が期待 される。EPACTの効率の標準規格を満足する他の蛍光ランプに対し用いるの に適したアンダーコート重量は本願発明者の教えに基づいて実験により容易に決 定しうる。 αアルミナとγアルミナとの差は酸化物母体中のアルミニウム及び酸素の分布 にある。αアルミナでは、酸素に対するアルミニウムの分布が極めて正確であり 、γアルミナでは、分布誤差が著しい。ガンマアルミナ及び/又はより径が小さ いものにより光出力を増大させる機構は現時点では分かっていないが、上述した 試験で効果は証明される。 上述したところにより本発明の好適例を図示し説明したが、種々の他の例及び 変形例は当業者にとって明らかであり、従って上述したことは例示にすぎず、本 発明はこれに限定されるものではない。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.a.内面(15:35)を有するランプ容器(3;23)と、 b.このランプ容器(3;23)内にあり、紫外線を発生する手段と、 c.ランプ容器(3;23)の内面(15;35)に隣接し、前記紫外線が照 射されると可視光を発生する発光材料層(17;32)と、 d.ランプ容器(3;23)の内面(15;35)と発光材料層(17;32 )との間にあり、発光材料層を通過する紫外線をこの発光材料層に戻すように反 射させて発光材料層の可視光出力を増大させるUV反射層(16;34)と を具える電気ランプにおいて、 前記UV反射層が、約0.05μm よりも小さな微結晶一次粒子粒径を有するガ ンマアルミナから主として成る凝集粒状物質を有していることを特徴とする電気 ランプ。 2. 請求の範囲1に記載の電気ランプにおいて、前記UV反射層(16;34) が、ランプ容器の内面(15;35)上に直接配置された基層であることを特徴 とする電気ランプ。 3. 請求の範囲2に記載の電気ランプにおいて、前記UV反射層の材料が約0.01 μm の微結晶一次粒子粒径を有していることを特徴とする電気ランプ。 4. 請求の範囲3に記載の電気ランプにおいて、前記UV反射層の材料が約0.15 mg/cm2と約0.30mg/cm2との間の塗布重量を有していることを特徴とする電気ラ ンプ。 5. 請求の範囲1又は2又は4に記載の電気ランプにおいて、前記発光材料層( 17;32)がハロリン酸塩蛍光体を有していることを特徴とする電気ランプ。 6. 請求の範囲1〜5のいずれか一項に記載の電気ランプにおいて、紫外線を発 生する前記手段がランプ容器(23)内に配置されたアーク管(21)を以って 構成され、このアーク管(21)はイオン化可能な物質の充填剤と希ガスと、一 対の放電電極(25,26)とを有し、これら放電電極間でランプ点灯中放電が 行われるようになっていることを特徴とする電気ランプ。 7. 請求の範囲1〜5のいずれか一項に記載の電気ランプにおいて、紫外線を発 生する前記手段がイオン化可能な物質の充填剤と希ガスとを前記ランプ容器内に 有するとともに、一対の放電電極(5)を有し、各放電電極が前記ランプ容器( 3)のそれぞれの封止端に隣接していることを特徴とする電気ランプ。
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