DE1764015A1

DE1764015A1 - Hochdruckentladungslampe mit grosser Leistung und ausgezeichneter Farbwiedergabe

Info

Publication number: DE1764015A1
Application number: DE19681764015
Authority: DE
Inventors: Tadatoshi Higashi; Leo Mori; Satoshi Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1967-03-23
Filing date: 1968-03-22
Publication date: 1971-04-08
Also published as: GB1189614A; FR1556885A; NL6803988A; US3536947A

Description

PATENTINGENIEURE F. W. H E M M ER . C H . OiIDMDlLiR. D.GROSSE 21 DDSSELDORF TO - HOMBERGER STRASSE 5

. 18.3.1968

bh.bi

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO.Y LTD.. KAWASAKI-SHI/JAPAN

Titel: Hochdruckentladungslampe mit großer Leistung und ausgezeichneter Farbwiedergabe

Die hier vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Hochdruckentladungslampe. Sie befaßt sich insbesondere aber mit einer Entladungslampe, welche wegen eines über den gesamten Bereich der sichtbaren Strahlen reichenden kontinuierlichen Spektrums eine große Leistung und eine ausgezeichnete Farbwiedergabe aufweist und als Lichtquelle für allgemeine Zwecke geeignet ist.

Eine gewöhnliche Hochdruckentladungslampe besteht aus einer luftleer gemachten Umhüllung und einer aus Quarzglas hergestellten Leuchtstoffröhre» welche bei einem Druck von einigen Zentimetern Quecksilbersäule mit einem ionisierbaren Edelgas, beispielsweise mit Argon, gefüllt ist, weiterhin auch mit einigen Milligramm Quecksilber je Kubikzentimeter Rauminhalt, desgleichen mit Haliden, beispielsweise mit Bromiden oder Jodiden von Natrium, Lithium, Thaillium, Indium, Scandium, Thorium und dergleichen. Die Leuchtröhre ist in die luftleer gemachte oder evakuierte Umhüllung eingesetzt. Es sind bereits Entladungslampen bekannt, bei denen die nachstehend aufgeführten Halide verwendet werden: (A) Halide von Thaillium oder Halide von Natrium oder deren Mischungen; (B) Mischungen der Jodide von Tahllium, Natrium und Indium, (bei denen auf Wunsch noch Lithium zugesetzt werden können); (C) Mischungen der Jodide von Natrium und Scandium.

Was die Gruppe (A) betrifft, so bringt eine Entladungslampe, welche mit Tahlliumhaliden gefüllt ist, bei einer

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Nennleistung von 400 Watt eine Lichtausbeute von 80 Lumen je Watt auf und strahlt dabei ein Licht mit einer starken Grünkomponente aus. Auf der anderen Seite wird bei einer Befüllung mit einem Natrimhalid eine Lichtausbeute von 65 Lumen je Watt bei Ausstrahlung eines Lichtes mit einer . starken Orangekomponente erreicht. Die Farbwiedergabeeigenschaften solcher Lampen sind schlecht. Die Farbwiedergabe kann durch eine entsprechende Auswahl der Proportionen in der Mischung von Thaillium und Natrium verbessert werden.

α Diese Verbesserung reicht für allgemeine Beleuchtungszwecke aber nicht aus. Was die Gruppen (B) und (C) angeht, so kann bei Verwendung einer 400 Watt-Lampe einweißes Licht bei einer Lichtausbeute von 75 Lumen je Watt' erzeugt werden. Weil aber bei diesen Lampen Natriumjodide verwendet werden, und das Natrium bei Langzeitbetrieb der Leuchtstoffröhren zu einem Ausbrechen durch die Wandung der Leuchtröhren neigt, kommt es schließlich zu einem übermäßigen Jodanteil, welcher in diesen Lampen eine SpannungsSchwankung verursacht. Es ist somit richtig* daß wie im Fall der Gruppe (A) die Jodide von Natrium als deren Halide Verwendung finden. Wenn auch im Hinblick auf die Gruppen (B) und (C) die Lichtausbeute der mit einer Nennleistung von 400 Watt arbeitenden

W Entladungslampen verbessert werden kann, so läßt sich die Lichtausbeute einer 400 Watt-Entladungslampe jedoch niemals auf mehr als 85 Lumen je Watt steigern, so daß für deren praktische Verwendung noch weitere Verbesserungen erforderlich sind.

Die hier vorliegende Erfindung zielt in der Hauptsache deshalb darauf ab, eine Hochdruck-Entladungslampe zu schaffen, welche im gesamten Bereich des sichtbaren Lichtes ein kontinuierliches Spektrum abstrahlt, in der Farbwiedergabe und in der Lichtausbeute verbessert ist und im Langzeitbetrieb in stabiler und sicherer Weise arbeiten kann.

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Im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung läßt sich dieses

Ziel dadurch erreichen, daß in einer Leuchtstoffröhre ein -

Edelgas, Quecksilber und schließlich ein Element der zu den seltenen Erden gehörenden Elemente sowie Thallium und ein Halogen in einer vorgegebenen Menge eingeschlossen werden.

Die hier vorliegende Erfindung sieht ganz besonders eine Entladungslampe vor, zu der eine Leuchtstoffröhre und die dieser Beleuchtungsröhre zugeordneten Entladungselektroden gehören. Die bereits erwähnte Leuchtröhre ist dabei mit £

einem ionisierbaren Edelgas gefüllt, desgleichen mit Quecksilber in einer Menge von 0,5 bis 10 Milligramm je Kubikzentimeter, mit mindestens einem Element»der aus der Gruppe Thulium, Erbium und Holmium ausgewählten seltenen Erden

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in einer Menge von 1,2 χ 10 bis 1,2 χ 10 Grammatom 3e Kubikzentimeter, mit 4 χ 10" Grammatom Thaillium je Kubikzentimeter sowie mit einem Halogen in einer Menge von mti

if,6 χ 10 Grammatom je Kubikzentimeter, wobei diese Menge kleiner ist als die Gesamtsumme eines Drittels des chemischen Äquivalentes von dem bereits genannten Quecksilber, des chemischen Äquivalentes von den bereits erwähnten Elementen der seltenen Erden und des chemischen Äquivalentes vom Thallium. m

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Die weiteren Ziele und Vorteile der hier vorliegenden Erfindung sind besser und klarer zu verstehen, wenn dazu die nachstehend gegebene Beschreibung und die dieser Patentschrift beiliegenden Zeichnungen zu Hilfe genommen werden« Im einzelnen ist:

Figur 1 eine Seitenansicht der in den Rahmen der hier vorliegenden Erfindung fallenden elektrischen Entladungslampe.

gfc Figuren

2 bis 4 Kennlinien, welche die relative Verteilung der Spektralenergie der von einer in den Rahmen der hier vorliegenden Erfindung fallenden elektrischen Entladungslampe ausgesendeten Lichtstrahlen wiedergeben.

Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, besteht eine elektrische Entladungslampe aus einem aus durchsichtigem Glas hergestellten und luftleer gemachten oder evakuierten Glaskolben 1, welcher an einem Ende mit einem Sockel 2 versehen ist.

Innerhalb des Glaskolbens ist ein Rahmen 3 angeordnet, W^: welcher die hermetisch verschlossene Leuchtstoffröhre M-zu halten hat. Die Leuchtröhre ist dabei aus durchsichtigem Quarzglas so hergestellt, daß deren einander gegenüberliegenden Enden zusammengepreßt sind.

In der Leuchtröhre U sind angeordnet eine Hauptelektrode an der einen Seite und eine andere Hauptelektrode 6 sowie eine Hilfselektrode 7 an der anderen Seite. Diese Elektroden werden jeweils von den bandförmigen Zuleitungen 8, 9 und 10, welche in den zusammengepreßten Teilen eingeschmolzen

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sind, gehalten. Die Hauptelektrode 5 ist über den Halterahmen 3 und über eine in den Fuß 12 montierte Drahteinführung 11 elektrische auf den einen Pol des Sockels geschaltet, während die andere Hauptelektrode 6 über die ebenfalls in den Fuß 12 montierte Drahteinführung 13 mit .dem anderen Pol des Sockels elektrisch verbunden ist. Die Hilfselektrode 7 ist über eine Zuführung IH und einen Anlaßwiderstand 15 auf den Halterahmen 3 geschaltet. Es sei darauf hingewiesen, daß erforderlichenfalls die Hilfselektrode 7 fortgelassen werden kann. In der Leuchtröhre hermetisch verschlossen sind ein Edelgas, beispielsweise Argon, welches unter deinem Druck von 10 bis M-O Millimeter Quecksilbersäule steht, Quecksilber in einer Menge von 0,5 bis 10 Milligramm, Thaillium in einer Menge von 1,0 χ 10"⁷ bis H χ 10"⁶ Grammatomen, 1,2 χ 10~⁷ bis 1,2 χ 10 Grammatome von mindestens einem aus der Gruppe Thulium, Erbium und Holmium ausgewählten Element der seltenen Erden und ein Halogen, beispielsweise Jod in einer Menge von mehr

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als H,6 χ 10 Grammatomen, welche jedoch kleiner ist als die Summe eines Drittels des chemischen Äquivalentes vom vorgenannten Quecksilber, des chemischen Äquivalentes des Elementes der seltenen Erden sowie des chemischen Äquivalentes von Thallium. Alle Grammoleküle sind auf einen Kubikzentimeter des Leuchtröhren-Innenraumes bezogen«

Wird einer derart konstruierten elektrischen Entladungslampe von einer herkömmlichen Anlaß- oder Zündvorrichtung aus eine Zündspannung aufgeschaltet, dann kommt es zwischen der Hauptelektrode 6 und der Hilfselektrode 7 zu einer Glimmentladung, welche dann von einer Bogenentladung zwischen den Elektroden 5 und 6 gefolgt wird. Dieyvon dieser Entladung hervorgerufene Hitze erwärmt die hermetisch verschlossene Leuchtröhre k und führt somit auch asu einem

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Ansteigen des Dampfdruckes beim Quecksilber, bei den Haliden der seltenen Erden und bei den Elementen der seltenen Erden, welche in der Leuchtröhre hermetisch eingeschlossen sind. Die verdampften Hailden der Elemente der seltenen Erden strahlen im sichtbaren Bereich ein kontinuierliches Spektrum ab, während gleichzeitig das Thaillium und die Elemente der seltenen Erden Spektrallinien aussenden, welche kontinuierlich in das Spektrum fallen.

Damit wirken die im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung verwendeten Stoffe Thaillium, Elemente der seltenen Erden und deren Halide so, daß das Licht — was vom.Quecksilber nicht gewährleistet wird - im Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums vervollständigt wird; daraus ergibt sich dann eine gleichförmigere Verteilung der Spektralenergie und eine verbesserte Eigenschaft bezüglich der Farbwiedergabe, Die Farbwiedergabe läßt sich dadurch weiter steigern, daß die Innenwandung des Glaskolbens 1 mit einer phosphorisxerenden Schicht versehen wird, welche eine Wellenlänge roter Farbe abstrahlt und den Ultraviolettanteil absorbiert.

Was das in die Leuchtröhre einzufüllenden Mengen an Quecksilber, Elementen der seltenen Erden, Thaillium und Halogenen betrifft, so wurden deren Mengeneinheiten aus den nachstehend erwähnten Gründen bestimmt. Mit einer Quecksilbermenge, welche von den 0,5 bis 10 Milligramm je Kubikzentimeter-Innenraum abweicht, können die gewünschten Leuchtexgenschaften oder elektrischen Eigenschaften nicht erwartet werden, während bei Auswahl von zwei oder mehr Elementen der aus der Gruppe Thulium, Erbium und Holmium ausgewählten seltenen Erden in einer Menge von weniger als 1,2 χ 10 je Kubikmeter Leuchtröhreninnenraum einen nicht genügenden Vorteil aufbringen, Wenn die Menge dieser Elemente 1,2 χ 10" Grammatome über»

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steigt, dann neigen diese Elemente zu einer Ablagerung an der Röhrchenwandung und verringern den Lichtfluß. Die vorerwähnten Stoffe können als Elemente oder in Form von Haliden in das Röhrchen gegeben und eingeschlossen werden. Die Elemente der seltenen Erden sind auf die drei genannten Arten beschränkt, mit anderen Elementen kann das Ziel der hier vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden; es kann mit anderen Elementen auch keine Entladungslampe mit großer Beleuchtungsleistung hergestellt werden. Um ausgezeichnete Eigenschaften im Zusammenwirken mit den Elementen der seltenen Erden, beispielsweise mit Thulium, zu erreichen, sollte auch die Menge des in der Leuchtröhre hermetisch einzuschließenden Thalliums spezifiziert werden. Gemäß der hier vorliegenden Erfindung ist die Thalliummenge auf weniger als 4 χ ΙΟ" Grammatome je Kubikzentimeter festgelegt worden, damit die Probleme eines instabilen Lichtbogens und eine Verringerung der Kurzwellenanteile, welche vom bläulichen Purpur bis blau reichen, wegen einer Reabsorption vermieden werden, und auf mehr als

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1,0 χ 10 Grammatome je Kubikmeter, um eine Hochleistungs-Entladungslampe zu erhalten, welche den gewünschten Lichtfluß abstrahlt. Diese Thalliummenge ist viel kleiner als die bei den herkömmlichen Entladungslampen verwendeten Thalliummenge. Herkömmliche Entladungslampen weisen neben den erforderlichen Quecksilber- und Argonmengen mehr als 6 χ 10" Grammatome an Thailliumjodid auf. Die in die Leuchtröhre einzugebende und einzuschließende Halogenmenge sollte mindestens —7

4,6 χ 10 Grammatome je Kubikzentimeter betragen, damit im Zusammenwirken mit den Metallen die gewünschte Leuchteigenschaft herbeigeführt werden kann. Die Halogenmenge sollte die Summe' des chemischen Äquivalentes der Elemente der seltenen Erden, des chemischen Äquivalentes von Thallium sowie ein Drittel des chemischen Äquivalentes von Quecksilber nicht überschreiten, weil die Entladung dann unstabil wird und

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ausgezeichnete Betriebseigenschaften nicht erwartet werden können» Ein übermäßiger Halogen-Anteil kann darüber hinaus zu einer Korrosion an den Elektroden führen.

Die in den Rahmen der hier vorliegenden Erfindung fallende Entladungslampe ι welche gemäß der vorerwähnten Beschreibung konstruiert ist, strahlt bei einer Nennleistung von beispielsweise 400 Watt sofort weißes Licht mit einer hohen Leuchtleistung von 80 Lumen bis 90 Lumen je Watt ab, wenn von einer bekannten Zündvorrichtung aus einer Spannung von 300 Volt bis UOO Volt aufgeschaltet wird. Weil das weiße Licht über den sichtbaren Bereich als ein kontinuierliches Spektrum ausgestrahlt wird, besitzt die Entladungslampe einen hohen praktischen Wert als Lichtquelle für allgemeine Zwecke. Bei der Entladungslampe mit Haliden-Zusatz werden die Quecksilber-Spektrallinien sofort nach der Aufschaltung der Zündspannung zwischen den Zündelektroden aufkommenden Zündentladung abgestrahlt, was zu einer Temperaturerhöhung bei der Wandung der Leuchtröhre führt. Diese Temperaturerhöhung verursacht eine Verdampfung des Thalliumhaiides, beispielsweise des Thalliumjodids. Nun herrscht die Resonanzlinie des Thallium, welche eine Wellenlänge von 5.3 50 Angström hat, vor. Wenn die Wandungstemperatür der Leuchtröhre nun weiter ansteigt bis zu einem stetigen Bereich von 680⁰C bis 800⁰C (zu diesem Zeitpunkt ist die Belastung der Röhrenwandung gleich einem Wert von mindestens 12 Watt je Kubikzentimeter), dann wird durch die Haliden der bereits erwähnten Elemente der seltenen Erden ein kontinuierliches Spektrum abgestrahlt, mit dem Resultat, daß die Resonanzlinie des Thaillium relativ schwach, und dabei ein weißes Licht mit einer insgesamt hohen Beleuchtungsleistung ausgestrahlt wird. Die Lumineszens des weißen Lichtes ist bei derartig hohen Leuchtleistungen in sehr unterschiedlicher Weise abhängig von der Art der ver-

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wendeten Elemente der seltenen Erden, Die Leuchtleistung ist am höchsten bei Thulium, sie kann bei einer Nennleistung von ifOO Watt bis zu mehr als 90 Lumen je Watt betragen. Es handelt sich hierbei um ein kühles von blauweiß nach weiß spielendes Licht. Bei Verwendung von Holmium oder Erbium wird bei einer Nennleistung von ¹IOO Watt eine Lichtausbeute von bis zu -85 Lumen je Watt erreicht, die Farbwiedergabe aber der Lampe ist besser als'bei der Verwendung von Thulium* Daraus kann entommen werden, daß bei einer geeigneten Kombination dieser Elemente der seltenen Erden es möglich ist, Entladungslampen herzustellen, welche unterschiedliche Leuchtleistungen und verschiedenartige Farbwiedergabeeigenschaften aufweisen.

Es ist schon zuvor erwähnt worden, daß die Lampe weißes Licht ausstrahlt, welches über den gesamten sichtbaren Bereich ein kontinuierliches Spektrum aufweist. Diese Lampe, welche das Licht mit einer hohen Leuchtleistung von 80 bis 90 Lumen je Watt abstrahlt, ist für die allgemeine Beleuchtung geeignet. Damit wird klar, daß die Entladungslampe einen höheren praktischen Wert aufweist im Vergleich mit einer Entladungslampe, welche Elemente der seltenen Erden, Quecksilber und Argon, nicht aber Thulium, enthalten und bei einer Nennleistung von 400 Watt eine Lichtleistung von höchstens 65 Lumen je Watt abstrahlen kann, weil eine derartige Lampe viele Wellenlängen ausstrahlt, welche relativ kurz sind und von blau nach bläulichem Purpur reichen. Desweiteren im Vergleich mit einer Entladungslampe, welche mit Thalliumjodid und Quecksilber gefüllt ist, nicht aber mit Elementen der seltenen Erden; einer Lampe also, welche eine relativ hohe Lichtausbeute von 75 bis 80 Lumen je Watt aufbringt und dennoch wegen ihres grünlichen Lichtes für gewöhnliche Beleuchtungszwecke ungeeignet ist.

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Die nachstehenden Beispiele werden der Erläuterung halber gegeben und sind in keiner Weise als eine Einschränkung des Umfanges der hier vorliegenden Erfindung und ihres Geistes anzusehen»

Beispiel 1:

Eine Entladungslampe samt der aus Quarzglas bestehenden und einen Innendurchmesser von 16 mm aufweisenden Leuchtröhre, einer Lichtbogenlänge von 50 mm sowie einem Innenraummaß von 12 Kubikzentimeter wurde in die Leuchtröhre eingegeben

— 5 und eingeschlossen 30 Milligramm Quecksilber, 1,5 χ 10

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Grammatome Thalliumjodid, 2 χ 10 Grammatome Thuliumjodid und Argongas bei einem Druck von 20 mm Quecksilbersäule bei Raumtemperatur» Nach Zünden bei einer Eingangsleistung von ^00 Watt strahlte die Entladungslampe bei einer Färbtemperatur von 6.000⁰K (Kelvin, absolute Temperatur) ein weißes Licht mit einem Lichtfluß von insgesamt 36.400 Lumen ab» Unmittelbar nach dem einleitenden Entladen strahlte die Lampe sofort im wesentlichen die Spektrallinien des Quecksilbers aus. Mit dem Anstieg der an der Röhrenwandung vorhandenen Temperatur wurde die Resonanzlinie des Thallium, welche eine Wellenlänge von 5,353 Angström hat, vorherrschend. Nachdem dann die Temperatur der Röhrenwandung weiter auf einen stetigen Zustand angestiegen war, wurde wegen des Thulium ein kontinuierliches Spektrum abgestrahlt, so daß die Resonanz· linie des Thallium relativ schwach wurde. Die Verteilung der in diesem Zustand bestehenden Spektralenergie wird mit Figur 2 wiedergegeben.

Wird bei diesem Beispiel das Thuliumjodid durch 2 χ 10" Grammatome Holmiumjodid ersetzt, dann strahlt die Lampe nach Zünden mit einer Eingangsleistung von WO Watt ein weißes Licht guter Qualität bei einem Lichtfluß von 3H.000 Lumen ab.

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Die Verteilung der Spektralenergie für diese Lampe wird mit Figur 3 wiedergegeben. Bei diesem abgeänderten Beispiel wurden auch dann die gleichen Vorteile notiert, als das Holmiumjodid durch Erbium ersetzt wurde,

Beispiel 2:

Eine Entladungslampe samt der aus Quarzglas bestehenden und einen Innendurchmesser von 16 mm aufweisenden Leuchtröhre, einer Lichtbogenlänge von 50 mm sowie einem Innenraummaß von 12 Kubikzentimetern. Die Innenseite des äußeren Glaskolbens versehen mit einer ein Element der seltenen Erden enthaltenden fluoreszierenden Schicht. In die Leuchtröhre eingefüllt und eingeschlossen 30 Milligramm Quecksilber, 1,0 χ 10 Grammatome Thalliumjodid, 1,0 χ 10 Grammatome Thuliumjodid, 1,0 χ 1O~ Grammatome Holmiumjodid und Argongas bei einem Druck von 20 mm Quecksilbersäule bei Raumtemperatur. Nach Zünden mit einer Eingangsleistung von 1+00 Watt strahlte die Lampe einen Lichtfluß von insgesamt 35,000 Lumen ab, und zwar mit einer ausgezeichneten Farbwiedergabe.

Bei der vorerwähnten Entladungslampe wurde das Thuliumjodid von einer Mischung aus Holmiumjodid und Thuliumjodid ersetzt. Die Spektralenergieverteilung des nach dem Zünden mit einer Eingangsleistung von UOO Watt abgestrahlten Lichtes wurde gemessen und in Figur 4 wiedergegeben. Der Lichtfluß betrug insgesamt 36.200 Lumen je Watt.

Damit wurde herausgefunden, daß das Auftragen der fluoreszierenden Schicht einen Einfluß auf die Farbwiedergabe hatte, und dies, ohne daß der gesamte Lichtfluß spürbar kleiner wurde.

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Claims

TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO.« LTD.. KAWASAKI-SHI/JAPAN Patentansprüche

1) Eine Hochdruck-Entladungslampe, bestehend aus einer Leuchtröhre mit den Entladungseiektroden. Die vorgenannte Leuchtröhre mit einem Edelgas gefüllt, des-weiteren mit 0,5 bis 10 Milligramm Quecksilber je Kubikzenti-

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meter, 1,2 χ 10 bis 1,2 χ 10 Grammatomen von zumindest einem Element der seltenen Erden, und zwar aus der Gruppe Thulium, Erbium und Holmium - je Kubikzentimeter, Thallium und einem Halogen in der Größen-Ordnung von 4,6 χ 10 Grammatomen je Kubikzentimeter, jedoch in der Menge kleiner als die Gesamtsumme eines Drittels des chemischen Äquivalentes von Quecksilber, das chemische Äquivalent des bereits genannten Elementes der seltenen Erden und das chemische Äquivalent von Thallium.

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