CN102187428A - 包括一氧化物辐射发射材料的放电灯 - Google Patents

包括一氧化物辐射发射材料的放电灯 Download PDF

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CN102187428A CN2009801409709A CN200980140970A CN102187428A CN 102187428 A CN102187428 A CN 102187428A CN 2009801409709 A CN2009801409709 A CN 2009801409709A CN 200980140970 A CN200980140970 A CN 200980140970A CN 102187428 A CN102187428 A CN 102187428A
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R.希尔比希
A.G.R.科尔贝尔
S.施万
M.胡珀茨
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Abstract

本发明涉及一种包括IIIB族或稀土一氧化物辐射发射材料的放电灯，由于该一氧化物化合物的出色发光性能的原因，其允许大幅改进灯的特征。

Description

包括一氧化物辐射发射材料的放电灯
技术领域
本发明涉及用于发光装置的新颖材料，特别是涉及用于放电灯的新颖材料的领域。
背景技术
放电灯是最突出、广泛使用和普遍的照明形式之一。然而，相当多的放电灯具有这样的缺点：它们的发射光谱的绿色和红色贡献不足，即蓝色（和UV）含量太突出。这限制了这种放电容器的可达到的发光功效。
发明内容
本发明的目的是提供一种照明系统，该照明系统能够至少部分克服上述缺点并且特别地对于大范围应用而言允许构建一种具有改进的照明特征的放电灯。
此目的是通过根据本发明的权利要求1的照明系统实现的。因此，提供一种照明系统，特别是放电灯，包括气态一氧化物辐射发射材料XO，其中X选自下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物。
已经发现对于在本发明中的大范围应用而言，这种照明系统具有至少一个下述优点：
-  这种照明系统的使用使得对于在本发明中的大范围应用而言能够以容易且有效的方式大幅提高光技术性能；
-  与纯IIIB族金属卤化物或稀土卤化物放电相比，发光功效得到提高；
-  色坐标x、y朝普朗克轨迹偏移（即，放电变得“更白”）；
-  显色性能提高；
-  所使用的材料没有毒性且因此对于在本发明中的大范围应用而言是可用的。
根据本发明的优选实施例，生成光的放电是在封闭灯容器内工作。
根据本发明的优选实施例，该一氧化物辐射发射材料XO接着可以按再生化学循环连续地形成和破坏，使得工作系统的光技术性能在超过一个小时的时间段上保持不变。
根据本发明的优选实施例，该一氧化物辐射发射材料在工作的放电灯的气体中由至少一种前驱体形成，优选地由两种前驱体形成。
对于本发明中的许多应用已经有利地表明了，由于此特征，照明系统的性能、特别是作为放电灯的系统的寿命可以大幅提高。
根据本发明的优选实施例，该一氧化物辐射发射材料XO是通过至少一种第一金属化合物和至少一种第二过渡金属化合物的反应生成的，该第一金属化合物中的金属选自包括下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物。
本发明进一步涉及一种照明系统，特别是放电灯，该照明系统包括
-  至少一种第一金属化合物，其中该金属选自包括下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物，以及
-  至少一种含氧的和/或给予氧的第二化合物。
术语“第二含氧的化合物”特别是指和/或包括：此化合物（在本申请的上下文中为了更好地阅读而简称为“第二化合物”）包括氧以及除氧之外的至少一种另外的非金属元素。
术语“第二给予氧的化合物”特别是指和/或包括：此化合物将与灯中存在的其它物质（即含氧的杂质）反应以形成含氧的化合物。
已经发现，对于在本发明中的大范围应用而言，这种照明系统具有至少一个下述优点：
-  这种照明系统的使用使得对于在本发明中的大范围应用而言能够以容易且有效的方式大幅提高光技术性能；
-  与纯IIIB族金属卤化物或稀土卤化物放电相比，发光功效得到提高；
-  色坐标x、y朝普朗克轨迹偏移（即，放电变得“更白”）；
-  显色性能提高；
-  所使用的材料没有毒性且因此对于在本发明中的大范围应用而言是可用的。
不受任何理论约束，发明人相信通过使用这种第一和第二化合物，对于大范围应用而言是有可能的：特别地在一定程度上生成一氧化物辐射发射材料，使得它影响照明系统的照明性能。
这被认为可归因于化合物在放电的热的中心区域中的扩散，该化合物在那里被分离为原子。接着所述原子复合成期望的一氧化物，所述一氧化物最终发射所期望的分子辐射。
令人惊奇地发现，对于在本发明中的大范围应用而言，第二化合物不需要是氧化物卤化物化合物（oxide halide compound）。认为这些实施例中氧的来源是来自在制造过程期间引入的含氧的杂质或者来自过渡金属卤化物填充物与放电容器材料（例如SiO2）的反应。在这些实施例中，认为第二化合物首先与这些杂质和/或SiO2反应以形成中间氧化物卤化物化合物，该中间氧化物卤化物化合物接着进一步反应。因此这种第二化合物被认为是在本发明的意义上的“给予氧的材料”。
优选地，这些第一和/或第二化合物的至少一种具有在900K时≥0.01Pa的蒸气压。
如果一种化合物的蒸气压在900K时是未知的，则其可以通过公知的热力学方法来估计，例如通过使用克劳修斯-克拉珀龙方程将蒸气压曲线外推到文献数据已知的温度范围以外的温度。
根据本发明的优选实施例，这些第一和/或第二化合物的至少一种在900K时具有≥0.025Pa，优选地≥0.05Pa以及最优选地≥0.10Pa的蒸气压。
根据本发明的优选实施例，该第一化合物选自包括下述的群组：氟化物、氯化物、溴化物、碘化物或其混合物。
根据本发明的优选实施例，该第二化合物包括过渡金属化合物。过渡金属化合物在本发明的意义上特别地包括金属卤化物、金属氧化物和/或金属氧化物卤化物。
根据本发明的优选实施例，该第二化合物选自包括下述的群组：VB族元素、VB族元素卤化物、VB族元素氧化物卤化物、VIB族元素、VIB族元素卤化物、VIB族元素氧化物卤化物或其混合物。
根据本发明的优选实施例，该至少一种第二化合物包括金属、金属卤化物、金属氧化物和/或金属氧化物卤化物化合物，该金属选自包括下述的群组：V、Nb、Ta、Cr、Mo、W或其混合物。
根据本发明另一优选实施例，该第二化合物包括选自包括下述的群组的至少一种元素：B、C、P、As、Sb、Ge、S、Se、Te、F、Cl、Br、I，所述元素优选地处于高氧化态。
术语“高氧化态”特别是指通常在包括此元素的化学化合物中发现的最高和/或次最高氧化态。在此实施例的上下文中，特别地下述元素的下述氧化态是优选的：
表I：
元素 优选的（多个）氧化态
C +4，+3
P +5，+4
As +5，+3
Sb +5，+3
Ge +4
S +6，+4
Se +6，+4
Te +4
Cl +7，+5
Br +5
I +7，+5
根据本发明的优选实施例，该第二化合物选自包括下述的群组：P4O10、SeO2、TeO2、甲酸盐、高氯酸盐、氯酸盐、溴酸盐、高碘酸盐、碘酸盐或其混合物。
根据本发明的优选实施例，第一化合物与第二化合物的比例（按mol:mol计）为≥0.01:1且≤1000:1，优选地≥0.1:1且≤100:1以及最优选地≥0.5:1且≤20:1
根据本发明的优选实施例，该照明系统包括放电容器，该放电容器优选地由无定形或（多晶）结晶氧化物或其混合物制成，特别是由在放电灯技术中使用的那些无定形或（多晶）结晶氧化物或其混合物制成。优选地，容器材料为SiO2（石英）或Al2O3（多晶氧化铝或蓝宝石）。可替换地，如果用合适的（氧化物）涂层保护以耐受灯填充物的侵蚀，则可以使用例如软玻璃的其它容器材料。
根据本发明的优选实施例，该气体容器内部该第一化合物和/或该第二化合物的含量为≥10-12mol/cm3且≤10-4mol/cm3，优选地≥10-11mol/cm3且≤10-5mol/cm3。
根据本发明的优选实施例，该放电灯为HID灯、电介质阻挡放电（DBD）灯、TL、CFL和/或QL低压放电灯，这些放电灯或者无电极地（电容性或电感性地）在RF或微波频率范围中工作和/或具有内部电极而在低频或直流工作（在后一种情形，特别优选的是电极材料包括钨）。
对于照明系统包括或者为HID或DBD灯的情形，特别优选的是，该气体容器内部第一化合物和/或第二化合物的含量为≥10-8mol/cm3且≤10-4mol/cm3，优选地≥10-7mol/cm3且≤10-5mol/cm3。
对于照明系统包括或者为TL、CFL和/或QL低压放电灯的情形，特别优选的是，该气体容器内部第一化合物和/或第二化合物的含量为≥10-11mol/cm3且≤10-6mol/cm3，优选地≥10-10mol/cm3且≤10-7mol/cm3。
根据本发明的优选实施例，该照明系统包括气体填充物，其中该气体填充物包括惰性缓冲气体。缓冲气体可以是惰性气体、氮或汞。更优选地，缓冲气体选自由下述组成的群组：氦、氖、氩、氪和氙或其混合物。
根据本发明的优选实施例，该照明系统包括至少一种第三低稳定性含氧的化合物（在下面称为“第三化合物”）。
术语“第三低稳定性含氧的化合物”特别是指和/或包括：此化合物（在本申请的上下文中为了更好地阅读而简称为“第三化合物”）或者在加热到高于100℃时分解和/或对于第三化合物中存在的每个氧原子，此化合物负生成焓为≤100kJ/mol，根据一个实施例为≤70kJ/mol。
根据本发明的优选实施例，该第三化合物包括和/或为稀有金属氧化物或卤氧化物。
由于这些化合物在升高的温度时通常具有高的分解趋势，已经发现它们在本发明中很有用处。
优选地，第三化合物选自包括下述的群组：Au2O3、Pt3O4、Rh2O、RuO4、Ag2O、Ag2O2和Ag2O3或其混合物。
根据本发明的某些“第三化合物”的某些性能以纯粹说明性且非限制性方式示于表II：
表II
化合物 生成焓[kJ/mol] 每个氧原子负生成焓[kJ/mol]
Au2O3 -3.43 1.14
Pt3O4 -166.22 41.56
Ag2O -30.54 30.54
Ag2O2 -24.27 12.13
Ag2O3 33.89 -11.30
RuO4 -239.32 59.83
Rh2O -94.98 94.98
根据本发明的照明系统可以在许多系统和/或应用中使用，所述系统和/或应用为下述中的一种或多种：
-  办公室照明系统，
-  家庭应用系统，
-  商店照明系统，
-  家居照明系统，
-  重点照明系统，
-  聚光照明系统，
-  剧院照明系统，
-  光纤应用系统，
-  投影系统，
-  自点亮显示系统，
-  像素化显示系统，
-  分段显示系统，
-  警告标志系统，
-  医疗照明应用系统，
-  指示标志系统，以及
-  装饰照明系统，
-  便携系统，
-  车辆应用，
-  温室照明系统。
前面提到的部件、以及要求保护的部件和根据本发明在所描述实施例中使用的部件，就它们的尺寸、形状、材料选择和技术构思而言不存在任何特殊例外，使得相关领域中已知的选择标准可以不受限制地被应用。
附图说明
在从属权利要求、附图和对各附图及实例的以下描述中披露了本发明目的的附加细节、特征、特性和优势，其中各附图及实例以示例性方式示出根据本发明的照明系统的若干实施例和实例。
图1示出根据本发明实例I的放电灯的测量和模拟的发射光谱。
图2示出根据本发明实例II的放电灯的测量和模拟的发射光谱。
图3示出根据本发明实例III的放电灯的测量和模拟的发射光谱。
图4示出根据本发明实例IV的放电灯的测量的发射光谱。
图5示出根据本发明实例V的放电灯的测量的发射光谱。
图6示出根据本发明实例VI的放电灯的测量的发射光谱。
图7示出根据本发明实例VII的放电灯的测量的发射光谱。
图8示出根据本发明实例VIII的放电灯的测量的发射光谱。
图9示出根据本发明实例IX的放电灯的测量的发射光谱。
具体实施方式
实例I：
图1涉及实例I，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有0.57mg HoCl3、0.39mg MoCl3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为HoMoH1）在800W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图1所示波长范围为400nm–800nm的光谱。还给出了以相同缓冲气体压力填充但是仅填充有0.48mg MoCl3（灯MoCH1，图1中的虚线）或者仅填充有0.58mg HoCl3（灯HoClH1，点线）的这些灯的光谱发射性能。
灯HoMoH1的发射光谱与纯填充物的发射光谱迥异。它不是这两个光谱的组合，而是表现出完全不同的发射行为。光谱偏移到绿色/蓝色且比灯MoCH1和HoClH1的光谱窄得多。主发射出现在500nm和600nm之间！
假设这种光谱性能的显著变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）钬一氧化物HoO分子。
实例II：
图2涉及实例II，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有1.8mg TbJ3、1.0mg WO2Br2和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为TbWH1）在850W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图2所示光谱。还给出了纯铽卤化物灯（图2中的点线）或纯钨卤氧化物放电（虚线）的光谱发射性能。
如实例I中所讨论，由于假设的形成TbO的原因，该混合物发射的辐射显著不同于纯填充物的辐射或者纯光谱的组合的辐射。在绿色、黄色和接近红色光谱范围中生成强辐射。
实例III：
图3涉及实例III，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有0.56mg DyCl3、0.3mg MoCl3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为DyMoH1）在700W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图3（实线）所示光谱。还给出了纯镝卤化物灯（图3中的虚线）的光谱发射性能。
灯DyMoH1的发射光谱与纯填充物的发射光谱不同。该光谱略微向绿色/蓝色偏移并且略少地在波长范围600nm–700nm中发射光。光谱宽度相对于纯填充物变窄。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）DyO。
实例IV：
图4涉及实例IV，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有1.3mg ScI3、0.97mg WO2Br3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为ScWH1）在500W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图4（实线）所示光谱。还给出了纯钪碘化物灯（图4中的虚线）的光谱发射性能。
灯ScWH1的发射光谱与纯填充物的发射光谱不同。该光谱在λ＝610nm附近的红色达到强峰！此峰的光谱宽度仅约为20nm。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）ScO。
实例V：
图5涉及实例V，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有1.39mg YBr3、0.21mg P2O5和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为YPH1）在700W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图5（粗实线）所示光谱。还给出了两个YO波段系统（图5中的细线）的模拟的光谱发射性能以及由含有剂量为0.70mg的YBr3但是不含有P2O5的灯YBrH1（图5中的黑点线）发射的光谱。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）YO。
实例VI：
图6涉及实例VI，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有0.78mg LaBr3、1.06mg WO2Br3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为LaWH1）在850W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图6（实线）所示光谱。还给出了在750W功率下工作的纯镧溴化物灯（图6中的虚线）的光谱发射性能。
灯LaWH1的发射光谱与纯填充物的发射光谱不同。首先，发射更加强烈。该光谱在λ＝750nm和800nm附近的红色达到强峰。这些峰的光谱宽度仅约为20nm。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）LaO。
实例VII：
图7涉及实例VII，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有0.65mg GdCl3、0.42mg MoCl3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为GdMoH1）在750W下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图7（实线）所示光谱。还给出了同样在750W功率下工作的纯钆氯化物灯（图7中的虚线）的光谱发射性能。
灯GdMoH1的发射光谱与纯填充物的发射光谱不同。首先，该发射在黄色/红色光谱区域（λ＝570nm–630nm）中更加强烈。还存在在λ＝450nm和500nm之间发射的一些额外的光。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）GdO。
实例VIII：
图8涉及实例VIII，该实例如下设置：
内径为32.5mm，即体积为18ccm的球形石英容器填充有0.54mg LuCl3、0.39mg MoCl3和100mbar（=在室温下的填充压力）Ar。此灯（称为LuMoH1）在800下在2.45GHz微波谐振器中工作且发射图8（实线）所示光谱。还给出了同样在800W功率下工作的纯镥氯化物灯（图8中的虚线）的光谱发射性能。
纯填充物（LuCl3，红色虚曲线）已经在蓝色光谱范围（λ＝450nm–500nm）中以及在红外范围（λ＝670nm–750nm）中表现出强烈的辐射。灯LuMoH1的发射光谱显著不同于纯填充物的发射光谱；蓝色范围中的发射更呈峰状，在λ＝520nm处存在附加的窄发射；IR发射减小。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）GdO。
实例IX：
图9涉及实例IX，该实例如下设置：
内径为23mm且长度为37mm，即体积为15ccm的管状石英管填充有0.75mg ScI4、0.33mg WO2Cl2和40mbar Xe（在室温下的压力）。借助燃烧器上的外部空气线圈（平行的两条1mm银线，6个绕组），将14MHz频率的约165W的RF功率感应耦合到灯中。该燃烧器在用空气填充的过覆层（硬玻璃管，外径为50mm，长度为50mm）中工作。在灯以P＝170W运行500s之后测得图9的发射光谱（实线）。还给出了在P＝160W下工作仅仅t＝100s的相同的灯（即较低最冷点温度；图9中的虚线）的光谱发射性能。
与当灯工作仅100s时（红色虚曲线）的发射光谱相比，使灯在较高最冷点温度工作（即t＝500s，图9中的实线）显著地改变发射光谱。蓝色发射光谱改变，在λ＝530nm、570nm以及介于600nm和630nm之间存在附加发射线。
假设光谱性能的变化是由于在辐射等离子体区域中形成稳定（双原子的）ScO。
在上文详述实施例中的要素和特征的特定组合仅为示例性的；这些教导与本申请和以引用方式结合于此的专利/申请中的其它教导的互换和替代也被清楚地考虑到。如本领域技术人员将理解，本领域普通技术人员可以想到此处所描述内容的变型、修改和其它实施方式，而不背离所要求保护的本发明的精神和范围。因此，前述描述仅仅是通过实例的方式，而非意图是限制性的。本发明的范围在下述权利要求及其等效表述中限定。此外，说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。

Claims (10)

1. 一种照明系统，特别是放电灯，包括一氧化物辐射发射材料XO，其中X选自包括下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物。
2. 根据权利要求1的照明系统，其中生成光的放电是在封闭灯容器内工作。
3. 根据权利要求1或2的照明系统，其中该一氧化物辐射发射材料XO是通过至少一种第一金属化合物和至少一种第二过渡金属化合物的反应生成的，该第一金属化合物中的金属选自包括下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物。
4. 一种照明系统，特别是放电灯，包括
-   至少一种第一金属化合物，其中该金属选自包括下述的群组：IIIB（＝Sc、La、Y）、稀土金属或其混合物，以及
-   至少一种含氧的和/或给予氧的第二化合物。
5. 根据权利要求4的照明系统，其中该气体容器内部该第一化合物和/或该第二化合物的含量为≥10-12mol/cm3且≤10-4mol/cm3。
6. 根据权利要求2至6中任意一项的照明系统，其中该第一化合物选自包括下述的群组：氟化物、氯化物、溴化物、碘化物或其混合物。
7. 根据权利要求4至6中任意一项的照明系统，其中该第二化合物选自包括下述的群组：VB族元素、VB族元素卤化物、VB族元素氧化物卤化物、VIB族元素、VIB族元素卤化物、VIB族元素氧化物卤化物或其混合物。
8. 根据权利要求4至7中任意一项的照明系统，其中该第二化合物包括选自包括下述的群组的至少一种元素：B、C、P、As、Sb、Ge、S、Se、Te、F、Cl、Br、I，所述元素优选地处于高氧化态。
9. 根据权利要求1至8中任意一项的照明系统，其中该放电灯为HID灯、电介质阻挡放电（DBD）灯、TL、CFL和/或QL低压放电灯，所述放电灯或者无电极地（电容性或电感性地）在RF或微波频率范围中工作和/或具有内部电极而在低频或直流工作。
10. 一种包括根据权利要求1至9中任意一项的照明系统的系统，该系统在一种或多种下述应用中使用：
-   办公室照明系统，
-   家庭应用系统，
-   商店照明系统，
-   家居照明系统，
-   重点照明系统，
-   聚光照明系统，
-   剧院照明系统，
-   光纤应用系统，
-   投影系统，
-   自点亮显示系统，
-   像素化显示系统，
-   分段显示系统，
-   警告标志系统，
-   医疗照明应用系统，
-   指示标志系统，以及
-   装饰照明系统，
-   便携系统，
-   车辆应用，
-   温室照明系统。
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