DE3306375A1 - Leuchtstoff-bogenentladungslampe - Google Patents

Description

Beschreibung

Leuchtstoff-Bogenentladungslampe

Die Erfindung bezieht sich auf Leuchtstofflampen und insbesondere auf solche Leuchtstofflampen, die ein inneres Bogenentladungsrohr enthalten. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Kombination von Leuchtstoff- und Bogenentladungslampe, bei der die Lichtabgabe, insbesondere hinsichtlich der Farbe zwischen dem vom Bogen abgegebenen und dem vom Leuchtstoff erzeugten Licht variiert werden kann.

Derzeit wird ein großer Teil der erforderlichen Beleuchtung von Glühlampen mit relativ geringem Wirkungsgrad geliefert. Obwohl diese Lampen relativ billig sind und in großen Mengen hergestellt werden, haben die steigenden Kosten für elektrische Energie in den letzten Jahren die wirtschaftliche Situation verändert. Insbesondere wenn man die Betriebkosten von Glühlampen zusammen mit ihrer relativ kurzen Lebensdauer in Betracht zieht, können Glühlampen in gewissen Situationen unwirtschaftlich sein, insbesondere wenn man sie mit Lampen langer Lebensdauer und hohem Wirkungsgrad vergleicht. Mit einer Anzahl unterschiedlicher Lampengeometrien und Strukturen wurde versucht, diesen Bedarf nach langlebigen Lampen mit hohem Wirkungsgrad zu erfüllen.

Übliche Lampen, bei denen die sichtbare Strahlung von einem Leuchtstoffüberzug auf dem inneren eines teilweise evakuierten Entladungsrohres erzeugt wird, sind wirksam und haben eine lange Lebensdauer, weisen jedoch nicht die Geometrie auf, die erforderlich ist, um sie in Standardleuchten und -halterungen zu benutzen.

Eine andere potentielle Ersatzlampe ist die Lampe mit quellen-

freiem elektrischen Feld (im Englischen"solenoidal electric field lamp"genannt), die beim Betrieb ähnlich einer Leuchtstofflampe ist, in der jedoch ein elektronisches Vorschaltgerät einen Ferritkern betreibt, der in einem Bogenentladungsmedium angeordnet ist, um UV-Strahlung zu erzeugen, die auf einen Leuchtstoff trifft, mit dem die Wandung des Lampenrohres überzogen ist, um die gewünschte Strahlung zu produzieren. Die se Lampen sind klein, kompakt und, mit einem geeigneten elektronischen Vorschaltgerät, leicht in der Lage, die konventionellen Glühlampen in den meisten Halterungen zu ersetzen. Es sind jedoch keine Bogenentladungslampen, in denen die primäre Lichtquelle die Bogenentladung ist, vielmehr sind es Leuchtstofflampen, in denen die primäre Lichtquelle die von einem Leuchtstoffmaterial ausgehende Strahlung ist.

Ein anderer bedeutender Kandidat für eine Lampe, mit der die Glühlampe zu ersetzen ist, ist die von der vorliegenden Anmeldorin entwickelte Halarc-Lampe, wobei Halarc ein Warenzeichen der General Electric Company, Cleveland;Ohio ist. In dieser Halarc-Lampe wird die Lichtabgabe nur von der sichtbaren elektromagnetischen Strahlung des Bogenentladungsrohres selbst geliefert, daß von einem äußeren Kolben umgeben ist, der das Entladungsrohr schützt und thermisch isoliert. In der Halarc-Lampe ist das abgegebene Farbspektrum ausschließlich eine Funktion der im Entladungsrohr enthaltenen Ingredienzen und der in diesem Entladungsrohr herrschenden Betriebsbedingungen.

Und schließlich schließt ein weiterer möglicher Ersatz für die Glühlampe solche Lampen wie die gefaltete bzw. umgelegte bzw. gebogene Entladungslampe ein, für die eine übliche Leuchtstofflampe mit einem langen Entladungspfad gefaltet bzw. umgelegt wird oder man das Entladungsrohr in anderer Weise rekon figuriert.

Weiter ist es bekannt, das der Quecksilber/Thalliumjodid-Bogen eine grünliche Farbe von etwa 535 nm zeigt. Eine solche Lampe wäre als Ersatz für eine Glühlampe nicht akzeptabel. Der Queck-

.s.

silber/Thalliumjodid-Bogen ist daher für sich nicht geeignet für Lampen für allgemeine Anwendung.

In einem Artikel von Reiling, der im Band 54, Seite 532 des "Journal of the Optical Society of America"(1964) veröffentlicht ist, wurde berichtet, daß man von einem Quecksilber/Thallium j odid-Bogen einen Wirkungsgrad von bis zu etwa 95 Lumen/Watt erhalten kann. Im wesentlichen die gesamte Lichtabgabe einer solchen Entladung findet bei etwa 535 nm statt, wie durch die Zustandsänderungen im Thalliumatom bestimmt ist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Strahlungsabgabe des Quecksilber/Thalliumjodid-Bogens bei und 378 nm sowie der anderer UV-Linien der grünlichen Lichtabgabe bei 535 nm gleicht oder sie sogar noch übersteigt. Die vorliegende Erfindung nutzt diese anderen Strahlungsabgaben des Thalliums, um ein oder mehrere Leuchtstoffe, die als überzug auf dem Außenkolben, der das die Thalliumstrahlung liefernde Entladungsrohr umgibt, aufgebracht sind. Eine solche Lampe ist einzigartig, da vergleichbare Mengen der Lichtabgabe ihren Ursprung im Bogen und im Leuchtstoff haben, im Gegensatz zu üblichen Leuchtstofflampen oder bisher verwendeten farbkorrierten Quecksilberdampflampen.

Die Lichtquellen mit dem höchsten Wirkungsgrad, die derzeit erhältlich sind, sind die Natriumdampf-Niederdruckentladungslampen, die monochromatische Lichtquellen sind und bei Wirkungsgraden von etwa 175 Lumen/Watt arbeiten. Die Natriumdampf-Hochdruckentladungslampen haben demgegenüber eine relativ schlechte Farbwiedergabe und arbeiten bei einem Wirkungsgrad von etwa 125 Lumen/Watt.

Die Metallhalogenid/Quecksilberdampf-Entladungslampen weisen eine gute Farbwiedergabe auf und sie haben Wirkungsgrade von bis zu etwa 110 Lumen/Watt.

Trotz der steigenden Kosten für elektrische Energie und der

. 6·

Entspannung hinsichtlich der Farbanforderungen in Lampen ist eine Lampe mit einer langen Gebrauchsdauer und einem hohen Wirkungsgrad in hohem Maße erwünscht, insbesondere wenn sie eine gute Farbwiedergabe aufweisen.

Tests und Berechnungen zeigen für die erfindungsgemäße Lampe einen Wirkungsgrad von bis zu 135 oder 140 Lumen/Watt mit der Möglichkeit, daß die weitere Optimierung von Temperatur, Mengen und Anteilen der Materialien diesen Wirkungsgrad wahrschein lich bis zu etwa 150 Lumen/Watt steigen läßt. Und obwohl das Entladungsrohr der Lampe nach der vorliegenden Erfindung ein oder mehrere Metallhalogenide enthält, reagieren diese mit den Komponenten des Entladungsrohres nicht chemisch, so daß eine lange Lebensdauer ein deutlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lampe ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand in der Schaffung von Leuchtstoff/Bogenentladungslampen mit verbesserter Farbwiedergabe und verbessertem Wirkungsgrad, wobei diese Lampen besonders geeignet sein sollten als Ersatz für die üblichen Glühlampen und sie zu diesem Zweck auch eine längere Lebensdauer haben sollten. Schließlich sollte die erfindungsgemäße Lampe eine leicht verfügbare Alternative zwischen dem Wirkungsgrad und der Farbwiedergabe der Lampe ermöglichen.

Durch die vorliegende Erfindung wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Leuchtstoff/Bogenentladungslampe geschaffen, die ein gasdichtes Entladungsrohr mit an den gegenüberliegenden Enden angeordneten Elektroden umfaßt, wobei das Entladungsrohr durchlässig ist für ultraviolettes und sichtbares Licht. Weiter umfaßt die Lampe einen äußeren Kolben, der das Entladungsrohr umgibt und der für sichtbares Licht durchlässig ist. Dieser Kolben trägt einen LeuchtstoffÜberzug und weist durchgehende Zuleitungen zur Verbindung mit den Elektroden des Entladungsrohres auf. Schließlich enthält das Entladungsrohr ein verdampfbares Entladungsmedium, das eine Mischung aus Quecksilber und einem Thalliumhalogenid umfaßt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Thalliumhalogenid Thalliumjodid. Weiter kann ein erhöhter Lampenwirkungsgrad dadurch erhalten werden, daß man zusätzlich Natriumjodid als Teil des Entladungsmediums verwendet. Und schließlich kann man zur Verbesserung der Farbwiedergabe der vom Entladungsrohr abgegebenen Strahlung dem Entladungsmedium ein Indiumhalogenid, wie Indiumjodid hinzufügen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen partiellen Seitenansichtsquerschnitt einer erfindungsgemäßen Lampe und

Figur 2 einen vergrößerten partiellen Seitenansichtsquerschnitt des Entladungsrohres der Lampe nach Figur 1.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der Lampe 10 nach der vorliegenden Erfindung, bei der der Außenkolben 12 und das Entladungsrohr 20 allgemein wie bei der oben beschriebenen Halarc-Lampe ausgebildet sind. Die Lampe nach der vorliegenden Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Größen und Formen ausgebildet werden.

Der Außenkolben 12 weist einen auf seiner Innenwand aufgebrachten Leuchtstoffüberzug 14 auf. Weiter ist der Außenkolben 12 vorzugsweise gasdicht ausgebildet und er ist durchlässig für Licht der sichtbaren Wellenlängen. Der Außenkolben 12 kann unter Anwendung der üblichen Glasabdichtungsverfahren mit dem Sockel 17 verbunden werden.

Der Außenkolben 12 umgibt das Entladungsrohr 20, das mehr im Detail im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben werden wird. Das Entladungsrohr 20 ist eine Quelle für Strahlung spezifischer Wellenlängen, die allgemein Licht mit Wellenlängen zwischen 350 und 660 nm einschließen. Das Entladungsrohr 20 besteht entweder aus hartem oder aus relativ weichem Glas je nach der Betriebstemperatur der Lampe. Das Entladungsrohr 20 ist

"•5"

innerhalb des Außenkolbens 12 durch die steifen Elektrodenzuleitungen 18 und 19 gehalten. Diese Zuleitungen 18 und 19 sind auch mit Zuleitungen 16 elektrisch und mechanisch verbunden, die durch den Sockel 17 hindurch führen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampe schließt der Außenkolben 12 einen relativ dicken Glassockel 17 ein, durch den die Elektrodenzuleitungen 16 verlaufen, wobei dieser Glassockel 17 auch als stabile Plattform zum festen Montieren des Entladungsrohres 20 innerhalb des Außenkolbens 12 dient.

Wie üblich bestehen die Elektroden 16 aus einer Metallzusammensetzung oder sie sind mit einer solchen überzogen, an denen das Glas des Sockels 17 besonders gut haftet. Auf diese Weise ist die Gasdichtheit des Außenkolbens 12 sichergestellt.

Wie ebenfalls bekannt, sind die Elektroden 16 in üblicher Weise mit einem geeigneten elektronischen Vorschaltgerät verbunden, daß die Zünd- und Betriebsspannung für die Lampe liefert.

In Figur 2 ist mehr im Detail das Entladungsrohr 20 gezeigt, das ebenfalls gasdicht ausgebildet und lichtdurchlässig ist, wobei dieses Entladungsrohr einen kugelförmigen Kolben 22 aufweist, in dessen gegenüberliegende Enden Elektroden 24 eingeschmolzen sind. Dieses Entladungsrohr ist vorzugsweise durchlässig für Strahlung bei Wellenlängen zwischen etwa 350 und 660 nm. Die aktiven Spitzen der Elektroden 24 können Vergrößerungen der Schäfte der Elektroden umfassen oder sie können andere Strukturen aufweisen, wie kurze Spiralwicklungen, die die Schaftenden umgeben, wie dies in Entladungslampen hoher Intensität üblich ist. Um eine gasdichte Abdichtung zu schaffen, ist ein Teil der Zuleitungen 18 und 19 als Metallfolie 21 ausgebildet, die dafür ausgewählt ist, eine gasdichte haftende Bindung sowohl zu dem Metall der Elektrodenzuleitungen als auch den Glas des Entladungsrohres zu bilden. Typi-

scherweise besteht die Folie 21 aus Molybdän.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das besondere verdampfbare Entladungsmedium innerhalb des Entladungs rohres. Die erfindungsgemäße Lampe enthält ein solches Medium aus Quecksilber und einem Thalliumhalogenid, insbesondere Thalliumjodid. Dieses Medium kann als Pellet 30 aus Thalliumjodid zusammen mit einem Kügelchen 26 aus Quecksilber in das Entladungsrohr 20 eingeführt werden. Die besondere Spektralabgabe dieses Mediums ist dadurch charakterisiert, daß sie -*·, eine starke Spektrallinie bei 535 nm (grünes Licht) umfaßt. Es ist in der vorliegenden Erfindung festgestellt worden, daß dieses Entladungsmedium auch starke Strahlungsabgaben bei 352 und 378 nm plus andere Spektralabgaben im UV umfaßt, die der Spektralabgabe bei 535 nm gleichen oder diese sogar übersteigen. Die erfindungsgemäße Lampe weist daher den Leuchtstoff überzug 14 auf dem Außenkolben 14 auf, um ein dem weißen Licht ähnliches Licht zu erzeugen. Da es keine einzelne Wellen länge des Lichtes gibt, die der Wellenlänge des Lichtes bei 535 nm komplementär ist, um dieses weiße Licht zu erzeugen, sind Leuchtstoffe, die im blauen Bereich bei etwa 450 nm und im roten Bereich bei 610 nm emittieren bevorzugt, wenn eine gute Farbwiedergabe erwünscht ist.

Zusätzlich oder alternativ kann eine geringe Menge Indiumjodid in das Entladungsrohr eingebracht werden, um das Entladungsrohr selbst eine blaue Strahlung abgeben zu lassen. Wenn anstelle der Farbwiedergabe der Wirkungsgrad bzw. die Wirksamkeit der Lampe optimiert werden soll, dann ist es bevorzugt, daß der benutzte Leuchtstoff zwischen etwa 560 und 610 nm emittiert und/oder das Natriumjodid im Entladungsmedium des Entladungsrohres vorhanden ist.

Das Entladungsrohr 20 enthält auch eine geringe Menge Quecksilber, wie das Tröpfchen 26 zeigt. Die gewählte Menge reicht im allgemeinen aus, einen Quecksilberdampf-Partialdruck von etwa 0,1 bis 20 Atmosphären bei den Betriebsbedingungen zu

schaffen- Außerdem wird Thalliumhalogenid zu dem Entladungsmedium der erfindungsgemäßen Lampe in einer Menge hinzugegeben, die je nach dem Volumen des Entladungsrohres ausreicht, einen Partialdampfdruck von etwa 1 bis etwa 100 Torr zu schaffen, entsprechend den Betriebstemperaturen des Reservoirs im Bereich von etwa 500 bis etwa 900°C. Die dafür erforderliche Thalliuitthalogenidmenge liegt im Bereich von 0,05 mg bis 2 mg/cm des Entladungsrohrvolumens.

Dem Entladungsrohr wird weiter eine geringe Menge an Argon oder eines anderen Edelgases hinzugefügt, um das Zünden der Lampe zu erleichtern. Es können solche Edelgase auch für andere Zwecke in Mengen hinzugefügt werden, die je nach der erwünschten Funktion variieren. So kann Argon wie üblich mit einem Dampf druck von etwa 2 bis etwa 100 Torr vorhanden sein, um das Zünden der Lampe zu verbessern.

Da der Bogen der erfindungsgemäßen Lampe eine Grünstrahlung abgibt, ist es zum Erzielen einer guten Farbwiedergabe erwünscht, Leuchtstoffüberzüge auf den Außenkolben aufzubringen, die blaue Strahlung bei Wellenlängen von etwa 460 niti und rote Strahlung bei Wellenlängen von etwa 610 nm emittieren. Es werden daher Systeme aus zwei Leuchtstoffen bevorzugt, insbesondere in dem Fall, in dem das Entladungsmedium kein Indiumjodid enthält, das eine blaue Strahlung abgibt.

Im einzelnen ist Europium-dotiertes Yttriumvanadat (YVO,:Eu), das bei 610 nm emittiert, als Leuchtstoff für die erfindungsgemäße Lampe brauchbar. Dieser Leuchtstoff wird auch für farbkorrigierte Quecksilberlampen benutzt. Sein Anregungsspektrum stellt jedoch keine ideale Anpassung an das vom Thalliumhalogenid ausgesandte UV dar. Aus diesem Grund sind auch andere Eu -aktivierte Leuchtstoffe in der erfindungsgemäßen Lampe brauchbar, wie Diborate, Aluminate, Silikate und Phosphate. Weiter brauchbar sind Dysprosium-aktivierte Leuchtstoffe, die Strahlung im roten und blauen Spektralbereich emittieren.

-4 -

Es ist jedoch zu bemerken, daß die vom Thallium emittierte UV-Strahlung bei einer beträchtlich längeren Wellenlänge liegt als die Quecksilberresonanzstrahlung bei 254 und 185 ran. Aus diesem Grund ist der Quantenverlust bei der Umwandlung von UV in sichtbare Strahlung unter Verwendung von Leuchtstoffen beträchtlich geringer als im Falle des Quecksilbers, so daß die ungewöhnlich hohen Wirkungsgrade von bis zu 150 Lumen/Watt oder mehr möglich werden.

In einem Test der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wurde ein verdampfbares Medium aus Quecksilber und Thalliumjodid benutzt. Das Entladungsrohr bei diesem Test zeigte einen Wirkungsgrad von 110 Lumen/Watt im grünen Spektralbereich. Berechnungen haben außerdem gezeigt, daß der Einsatz von Europium-dotiertem Yttriumvanadat als Leuchtstoff zusammen mit dem Entladungsrohr weitere 25 Lumen/Watt erzeugt, als Ergebnis der Umwandlung der UV-Strahlung des Entladungsrohres bei 352 und 378 nm in Leuchtstoffstrahlung von 610 nm. Diese kombinierten Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Lampe mit der dargestellten Konfiguration einen Wirkungsgrad von 135 Lumen/ Watt aufweist und eine Farbe zeigt, die nur etwas vom weißen Licht abweicht. Es wird daher erwartet, daß die Optimalisierung von Entladungsrohrvolumen, Betriebstemperatur und Zusammensetzung des Entladungsmediums zu einem Wirkungsgrad von etwa 150 Lumen/Watt führt.

Bei anderen Tests der erfindungsgemäßen Konzepte wurde ein Entladungsrohr konstruiert, dessen verdampfbares Entladungsmedium Quecksilber, Thalliumjodid und Natriumjodid umfaßte. Dieses Entladungsrohr hatte einen Wirkungsgrad von 63 Lumen/ Watt als Ergebnis der Thalliumstrahlung bei 535 nm zusammen mit einem Wirkungsgrad von 56 Lumen/Watt für die Natriumstrahlung bei 590 nm. Weitere Strahlungsbestandteile zwischen 390 und 510 nm trugen weitere drei Lumen/Watt bei. Die Gesamtwirkung dieser drei Strahlungsbestandteile führte zu einer Gesamtwirksamkeit von 121 Lumen/Watt, die durch Messung bestätigt wurde. Somit hat diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen

■+ w *■ κ„ι α

- vi -

• Μ-

ohne die Berücksichtigung der möglichen Beiträge der UV-Bereiche bereits eine Wirksamkeit von 120 Lumen/Watt.

Für die richtige Farbwiedergabe ist es jedoch allgemein erwünscht, ein oder mehrere Leuchtstoffe zu benutzen, die für die UV-Strahlung des Thalliums zwischen 350 und 390 nm empfindlich sind und diese Leuchtstoffe zur Emission einer sichtbaren Strahlung in der Nähe von 610 nm zu veranlassen, so daß eine ausgleichende Rotfärbung erzeugt wird. Berechnungen zeigen, daß unter diesen Bedingungen ein Leuchtstoff weitere 20 Lumen/ Watt beitragen könnte, so daß ein Gesamtwirkungsgrad der Lampe von 140 Lumen/Watt mit guter Farbwiedergabe und der weiteren Möglichkeit^diesen Wirkungsgrad durch Optimalisierung auf 150 Lumen/Watt zu erhöhen, erhalten wird.

Leerseite

Claims (7)

1. Ansprüche

   Leuchtstoff-Bogenentladungslampe mit einem gasdichten Entladungsrohr, das UV- und sichtbares Licht durchläßt und in dessen gegenüberliegenden Enden Elektroden angeordnet sind, einem äußeren Kolben, der das Entladungsrohr einschließt und der sichtbares Licht durchläßt, wobei auf dem Kolben mindestens ein UV-empfindlicher Leuchtstoff angeordnet ist und durch den Kolben elektrische Zuleitungen verlaufen, die mit den Elektroden des Entladungsrohres verbunden sind und einem verdampfbaren Entladungsmedium innerhalb des Entladungsrohres, das eine Mischung aus Quecksilber und einem Thalliumhalogenid umfaßt.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet

   daß das

   - 2 Halogenid Thalliumjodid ist.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsmedium außerdem Natriumjodid enthält.
4. 4. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff Europium-dotiertes Yttriumvanadat umfaßt.
5. 5. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff ausgewählt ist aus Europium-aktiviertem Borat, Aluminat, Silikat und Phosphat.
6. 6. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtstoff einen Dysprosium-aktivierten Leuchtstoff einschließt.
7. 7. Lampe nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsmedium außerdem Indiumjodid einschließt.