DE1764747A1 - Elektrische Lampen mit einem Roehrenkolben aus fotoresistentem Natronkalk-Silikatglas (Soda-Kalk-Silikatglas) - Google Patents

Elektrische Lampen mit einem Roehrenkolben aus fotoresistentem Natronkalk-Silikatglas (Soda-Kalk-Silikatglas)

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Description

Elektrische Lampen mit einem Röhrenkolben aus fotoresistentem Natronkalk-Silikatglas (Soda-Kalk-Silikatglas)
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Lampen, insbesondere auf verbesserte Fluoreszenzlampen, Glühlampen und Quecksilberdampflampen, sowie auf die Kolben und deren Einfluß auf eine Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Lampen.
Zu den Faktoren, die die Lichtausbeute und den Wirkungsgrad einer elektrischen Lampe bestimmen, sind auch die optischen Merkmale und die Fotosensivität zu beachten. Bei einer Fluoreszenzlampe ist der Röhrenkolben aus gewöhnlichem Natronkalk-Silikatglas (Soda-Kalk-Silikatglas) hergestellt,um die Kosten zu reduzieren. Man hat festgestellt,daß ein typisches Glas,das für solche Fluoreszenzglasröhren verwendet wird,einen Anfangsabsorptionskoeffizienten von etwa 0,05 cm" im sichtbaren Bereich aufweist
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und daß dieser Wert progressiv bis auf einen Wert von über 0,5 cm" ansteigt, wenn die Lampe gezündet wird und der Röhrenkolben mit ultravioletter Strahlung, die bei der Entladung entsteht, durchstrahlt wird. Diese graduellen Verluste der Übertragungsfähigkeit haben ihre Ursache in dem sog. Solarisationseffekt beim Auftreffen ultravioletter Strahlung, die eine Verfärbung oder Verdunkelung des Röhrenkolbens mit sich bringt. Soweit es die optischen Eigenschaften des Lampenkolbens betrifft, sind die beiden Hauptparameter der Absorptionskoeffizient des Glases einmal vor und das andere Mal nach der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.
Im Falle einer Fluoreszenzlampe kann die Verfärbung von einer chemischen Reaktion zwischen Ionen in der Gasentladung und dem Glas kommen. Chemische Eigenschaften und Stabilität des Glaskolbens sind ebenfalls Faktoren, die die Durchlaßfähigkeit und daher die Lichtausbeute der Lampe beeinflussen könnten.
Die Lichtverluste infolge Absorption sind beträchtlich. In einer Fluoreszenzlampe beispielsweise wird praktisch das gesamte Licht durch den Phosphor erzeugt, der an der Innenfläche des röhrenförmigen Glaskolbens vorhanden ist. Wenn Licht innerhalb einer transparenten zylindrischen Röhre erzeugt wird, wird es gewöhnlich nicht total an der Außenwand der Röhre reflektiert, da bei einer solchen
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Geometrie das Licht nicht auf die Außenfläche unter einem Winkel auftreffen kann, der größer ist als der Minimalwinkel für eine interne Totalreflektion. Dieser Winkel ist etwa 41° für ein Material, das einen Brechungsindex von 1,52 hat. Für Winkel mit weniger als 33° wird nur 4 # des Lichtes reflektiert; das meiste Licht passiert die Innenwand in der Röhre und geht so nicht vollständig verloren.
Da jedoch an der Innenfläche eines Röhrenkolbens einer Fluoreszenzlampe eine Phosphorschicht angelagert ist und viele Phosphorpartikel optisch in Kontakt mit dem Glas kommen, kann Licht in die Wand des Röhrenkolbens unter einem Winkel von mehr als 41° eintreten. Ein Teil dieses Lichtes wird in der Röhrenkolbenwand zurückgehalten und geht durch Absorption verloren. Zu diesen Verlusten an zurückgehaltenem total reflektiertem Licht komnen noch Verluste infolge der Dämpfung (attenuation)von Lichtstrahlen,, welche direkt durch den Glaskolben treten, ohne zurückgehalten zu werden. Wenn das Glas solarisiert und sein Absorptionköeffizient steigt, steigen die Lichtverluste selbstverständlich auch.
Die beiden zuvor erwähnten Verluste können berechnet werden. Verwendet i.ian normale Y/erte für den Betrag des optischen Kontaktes zwischen den Phosphorpartikeln und dem Glaskolben und legt man die zuvor erwähnten Werte für die
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Absorptionskoeffizienten zugrunde» so variieren die berechneten Werte für die Gesamtverluste infolge Lichtabsorption zwischen 1,5 # bei einer neuen Lampe bis 7 % bei einer Lampe, die nahe dem Ende ihrer gewöhnlichen Lebensdauer ist, d.h. mehr als 10 000 Stunden gebrannt hat. Es sind Versuche mit Fluoreszenzlampen gemacht worden, die Röhrenkolben aus einem besonderen ultraviolette Strahlung durchlässigen Glas (Corning 9821) hatten. Dieses Glas ist durch einen sehr geringen Eisengehalt gekennzeichnet (etwa 0,01 <fo) und hat außerdem einen sehr geringen Anfangsabsorptionskoeffizienten für sichtbares Licht. Die Versuche haben gezeigt, daß 2 f> des Lichtes bei 0 Stunden absorbiert waren und daß sich die Absorption graduell auf 3,5 % nach nur 3000 Stunden Brenndauer erhöhte.
Speziell hergestellte Natronkalk-Glassorten, die niedrige Absorptionskoeffizienten für sichtbares Licht und andere Strahlung aufweisen, und nicht zur Solarisation neigen, sind bekannt. Sie erfordern jedoch die Entfernung des Eisens und anderer Verunreinigungen aus dem Materialgemenge und sind deshalb zu teuer für die Verwendung in der Lampenindustrie. Außerdem müssen Zusätze verwendet werden, wie Sb2O,, welche teuer sind und eine weitreichende Verwendung des Glases in Lampenkolben ökonomisch unpraktisch erscheinen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lampe herzustellen.
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die sowohl sichtbares Licht als auch ultraviolette Strahlung erzeugt und eine verbesserte Strahlungsstabilität und Lichtausbeute während seiner Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß ein Lampenkolben aus Natronkalk-Silikatglas verwendet ist, das Fe2O., in einer solchen geringen Menge enthält, wie sie normalerweise auch in glasbildenden Sandarten vorhanden ist. Das Natronkalk-Silikatglas enthält ferner ein ultraviolette Strahlung absorbierendes Material, das aus TiOp, MoO^ oder aus Mischungen dieser beiden Bestandteile besteht und in einer Menge vorliegt, die ausreicht, um eine Verfärbung des Glases durch auftreffende ultraviolette Strahlung zu verhindern und den Absorptionskoeffizienten des Glases im sichtbaren Bereich unter etwa 0,4 cm" während der Hauptzeit der normalen Lebensdauer der Lampe zu halten.
Die Menge an Fe2O, wird durch Steuerung der Rohmaterialien in den vorgeschriebenen Grenzen gehalten, die die. gewünschte Konzentration der verschiedenen Oxyde in dem endgültig fertiggestellten Glas garantieren. Es gibt Sandarten, deren Eisengehalt den Anforderungen entspricht. Diese Sandarten werden industriell verwendet und können deshalb auch zur Herstellung des Glases verwendet werden. Sie brauchen in keiner Weise vorbehandelt oder gereinigt werden. Das damit hergestellte Glas ist in seinen Kosten mit konventio-
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nellen Natronkalk-Silikatglasarten vergleichbar, die zur Zeit für Fluoreszenzlampenröhren verwendet werden.
Vom Kostenstandpunkt ist TiO2 als ultraviolette Strahlung absorbierendes Material vorzuziehen, da es in großer Menge in der Farbenindustrie verwendet wird und daher nicht so teuer ist wie MoO,. Der Absorptionskoeffizient des modifizierten Glases sowohl vor als auch nach einer verlängerten intensiven ultravioletten Bestrahlung ist geringer als der bei konventionellem Natronkalk-Silikatglas und erlaubt daher eine Verbesserung der Lichtausbeute der Fluoreszenzlampe. Dadurch, daß dieses Glas eine geringe Solarisation zeigt, kann es zu Glühlampenröhrenkolben und für äußere Schutzröhrenkoiben ,bei Hochdruckquecksilberdampflampen verwendet werden.
Nachfolgend wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer verbesserten Fluoreszenzlampe mit einem Röhrenkolben, der aus fotoresistentem Natronkalk-Silikatglas gemäß der Erfindung besteht?
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Lichtabsorptions-
Charakteristiken verschiedener Glassorten und eines TiOp enthaltenden Glases gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer ultravioletten Bestrahlung;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Reduktion der Lichtabsorptionscharakteristik eines Natronkalk-Silikatgla-
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ses, das durch Zusatz von ausgewählten Mengen an TiO2 gemäß der vorliegenden Erfindung modifiziert ist; und
Fig. 4 und 5 die Seitenansicht einer Hochdruckquecksilberdampflampe und einer Glühlampe, die Röhrenkolben aus gemäß der Erfindung verbessertem Glas aufweisen.
In Fig. 1 iet eine Fluoreszenzlampe 5 gezeigt, die einen röhrenförmigen Glaskolben 6 aufweist, der an jedem Ende durch einen Glasfuß 7 abgedichtet ist und innen mit einer Schicht aus geeignetem Phosphor bedeckt ist, das auf ultraviolette Strahlungen (UV) anspricht. Die abgedichteten Enden des Kolbens sind mit Basisteilen 9 versehen, die gewöhnliche Stiftkontakte 10 aufweisen, welche mit zwei Leitern 11 und 12 verbunden sind. Die Leiter 11 und 12 sind durch die Füße 7 geführt und abgedichtet. Die inneren Enden der Leiterdrähte führen zu Elektroden 13» welche Elektronen emittieren und die Bogenentladung aufrechterhalten, wenn die Lampe unter Strom gesetzt ist. Der Röhrenkolben 6 ist mit einer vorbestimmten Menge von Quecksilber und einem geeigneten Start- £as gefüllt, das Neon oder eine Mischung aus Neon und Argon bei einem Fülldruck von etwa 2 mm Quecksilbersäule sein kann, wie es in der Standardlampen-Herstellungspraxis üblich ist.
Der Höhrenkolben 6 ist gemäß der Erfindung aus Natronkalk-Silikatglas hergestellt, das nicht mehr als 0,07 Gew,-§6 Fe3O5
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und kritische Mengen eines UV-absorbierenden Materialee enthält, das aus TiOg oder MoO, oder aue Mischungen dieser beiden Bestandteile besteht« Vorzugsweise ist das Natronkalk-Silikatglas von der gleichen Art, wie es gegenwärtig für Fluoreszenzlampenröhren verwendet wird,- nur daß es gemäß der Erfindung durch Auswahl des Sandes und anderer Rohmaterialien sowie durch Zusätze des zuvor erwähnten ΌΥ-absorbierenden Materialee während des Sohmelzprozesses modifiziert ist, damit es die gewünschte Zusammensetzung und solarisationsverhindemde Eigenschaften hat· Neben den Grundbestandteilen (SiO2, Na2O, CaO) des Natronkalk-Silikatglases enthält das Glas auoh geringe Mengen an gewöhnlichen zusätzlichen Bestandteilen, wie MgO, K2O, As2O, und Al2O,. Die Zusammensetzung eines solchen modifizierten Glases und diejenige eines konventionellen Natronkalk-Glases ist in Tabelle I beschrieben. Die zulässigen Bereiche und vorzuziehenden Mengen der verschiedenen Oxyde in den modifizierten Glasarten sind in Gew.-^-Anteilen angegeben, die für die Gesamtmischung berechnet sind.
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TABELIE I
Bestand G e w i c I 1 t s - Pro 71.3 ζ e η t e
teil Anteilsbereich Vorzuziehen 15.5
SiO2 60-75 72.5 5.3
Na2O 5-18 15.5
CaO 5.3 3.7
4-13 1.85
MgO 3.7 0.23
Al2O5 0.5-3.4 1.98 2.0
κ2ο 0.1-2 0.23
TiO2 — —
0.5-10 0.05
MoO,
3		 0.75 0.07
Pe2O5 <0,07 0.05
As2O5 '* 0.01-2 0.07
konventionell
72.5
16.5
5.3
3.7
1.7
0.18
—
0.05
0.07
Anstelle von As3O5 kann, wenn gewünscht, Sb2O5 als Schlußbestandteil verwendet werden.
Die Menge des ultraviolettes Licht absorbierenden Materials (oder der Materialien) ist sehr kritisch, wie man aus den Änderungen der Absorptionskoeffizienten bei den in Tabelle II angeführten Glasarten und den grafischen Darstellungen in
Pig. 2 und 3 erkennt.
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TABELLE II
Absorptions-Koeffizienten von Standard-Natronkalk-Silikatglas und modifizierten Glasarten vor und nach der Bestrahlung und ungefiltertem ultraviolettem Licht
Bezeichnung und Glastype
(S) Standard mit 0.05 %
(A) Modifiziert mit 0.05
Il Il
Il
11
Il Il
Modifiziert mit
Il Il
Standard
M Il
Il Il
Il Il Il Il
mit No Pe,
• I Il Il *
,O3 ,TiO,
• J Il '
Il •I Il Il
0.5
0.6 %
0.8 %
1.0 %
1.5 %
0.5
0.75
1.0
Il Il
MoO
oder MoO,
Il Il S
Ae2O3
oder Vorher 1 5800
Nachher
0.072
Pe9O, und 0.25 i TiO5 0.044
0.147
0.057
0.107
0.012
0.054
0.058
0.047 0.055
0.026
0.150 0.066 0.115
0.019 0.029
4800 1 5800 X 1
0.808 0.437 O
I
0.202
0.198
0.115 ,
0.093
0.078
0.080 		Q. 100
0.125
0.063
Ό.048
Q). 052
0.060
0.264
0.185
Q.187		 0.166
0.114
0.101
3.16 :;
4*18 		1.77
2.78
Zu niedrig für Messung
- Nicht zu messen.
-u-
Die Glasarten wurden durch Schmelzen der Rohmischungsbestandteile in PlatinacfcaelBtiegeln bei 15000C während einer Zeitdauer von 2 bis 3 Stunden präpariert. Darauf wurde das geschmolzene Glas auf Graphitplatten gegossen. Darauf folgte ein Entspannungsprozeß, indem das Glas von einer Temperatur von 55O°C langsam abgekühlt wurde. Die so erhaltenen Glasplatten wurden dann geschliffen und poliert, bis sie eine Dicke von etwa 0,912 mm (0,036 Zoll) hatten (das ist etwa die Dicke eines Fluoreszenzlampenkolbens). Dann wurde die sichtbare Absorption (4000 bis 7000 X) mit einem registrierenden Spektrometer vom Typ Modell 14 Cary gemessen, während die Proben in ein öl eingetaucht wurden, das in einer Pyrexabsorptionezelle enthalten war, die eine länge von 1 om hatte. Das öl, das einen Brechungsindex hatte, der nahezu gleich dem des Glases war, wurde verwendet, um die Reflekti ons Verluste auf ein Minimum herabzudrücken oder zu eliminieren. Nach den anfänglichen Messungen wurden die Platten mit intensiver UV-Strahlung durchstrahlt, indem sie Seite an Seite 14,5 cm (6 Zoll) von einer Hochdruckquecksilberdampf-Bogenröhre angeordnet wurden, welche mit einem Reflektor versehen war. Die Platten wurden der Bogenröhre 16 Stunden lang ausgesetzt, und dann wurde die sichtbare Absorptionsmessung noch einmal vorgenommen.
Zur Eontrolle wurde eine Probe aus einem Glas hergestellt, das die gleiche Zusammensetzung wie das bei konventionellen
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Fluoreszenzlampenröhren verwendete Glas hat und 0,05 % t«20. enthält» Diese Kontrollprobe ist in der Tabelle II alt Glas S bezeichnet. Die anderen Glaaarten A bis K hatten die gleiche Grundzueamensetsong» abgesehen von den angegebenen Änderungen.
Wie «an aus den Baten in Tabelle II erkennt* haben die TiO2-modifizierten Natronkalk-Silikatglasarten (Glasarten A bis F) einen niedrigeren Absörptionskoeffizienten vor und nach der UV-Einstrahlung als das unmodiflzierte Glas S9 wobei die optimale Reduktion bei den Glasarten D bis F auf» tritt, die 0,8 bis 1,5 % TiO2 enthalten. Biese Glasarten haben daher ausgezeichnete optische Eigenschaften und eine gute Fqtoresistenz.
Obwohl die HoO, enthaltenden Glaaarten (Glasarten G bis I) nicht ganz so gut sind wie die TiO2 enthaltenden Glasarten, sind sie dem Standardglas S überlegen, wie man aus der markierten Reduktion der Absorptionskoeffizienten nach der UV-Bestrahlung erkennt.
Obgleich die ΜοΟ,-modifizierten Glasarten zu einer Erhöhung des Anfangsabsorptionskoeffizienten im Vergleich mit dem Standardglas S tendieren, zeigten sie eine markierte Reduktion der Absorption nach einer UV-Einetrahlung, wodurch sie eine weniger starke Verfärbung aufweisen und daher zur Vermeidung von Lichtverlusten infolge der Solarisation des
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Lampenkolbens geeignet erscheinen.
Überraschenderweise hat man gefunden, daß Glasarten, die "frei von Pe2O, waren, eine stärkere Verdunkelung bei UV-Bestrahlung zeigten, als Glasarten, die kontrollierte Mengen von Fe2O, und einem ausgewählten UV-absorbierenden Material enthielten.Das ist für die Glasarten J und K in Tabelle II illustriert. Wie man bemerkt, ist das Glas J identisch mit dem Standardglas, mit der Ausnahme, daß es kein Fe2O-, enthält? und obwohl es einen niedrigeren Anfangsabsorptionskoeffizienten hatte, war sein Koeffizient nach der UV-Bestrahlung sehr viel höher als der von dem Glas S. Das Glas K, welches ebenfalls auf der gleichen Grundzusammensetzung beruht wie das Standardglas S, nur daß es kein Fe2O, und ASgCL· enthält, hatte sogar einen höheren Absorptionskoeffizienten vor und nach der UV-Bestrahlung. Daraus erkennt man, daß gerade geringe Mengen eines UV-Absorbers, wie As2O,, vorteilhaft sind und der Erhöhung der Potoresistenz des Glases dienen. 0,01 bis 2 Gew.-# an As2O5 sind-daher vorzugsweise bei einer Verwendung als UV-Absorber enthalten, wobei der gesamte Anteil eines solchen Materiales zwischen etwa 0,6 und 12 G'ew.-# gehalten wird. Der Pe20,-Anteil wird auch vorzugsweise so niedrig wie möglich gehalten, soweit es sich mit der ökonomischen Notwendigkeit der Verwendung von billigem Sand verträgt.
Die Wichtigkeit der Begrenzung des Eisenanteils und der
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Begrenzung des TiO2-Anteils innerhalb gewisser Grenzen let ebenfalls den grafischen Darstellungen in Fig. 2 und 3 zu entnehmen. Wie die Kurve 14 von Fig. 2 zeigt, hat ein konventionelles Natronkalk-Silikatglas, das bis auf fehlendes Fe2O, dem in derzeit üblichen Fluoreszenzlampenröhren ver wendeten Glas entspricht, einen Absorptionskoeffizienten nach einer UV-Bestrahlung, der sich stark erhöht, wenn die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes verringert wird (von etwa 6400 I bis 4000 A). Der Absorptionskoeffizient für dieses spezielle Glas, der von etwa 1,8 cm im Gelb-Rot-Bereich auf etwa 4,5 cm im Blau-Grün^-Bereich angestiegen ist, zeigt, daß das Glas sehr stark durch UV-Bestrahlung verfärbt wurde.
Ein damit identisches Glas, das 0,06 "jo Fe2O, enthält, (das ist der Wert, den Glas für derzeit übliche Fluoreszenzlampenröhren enthält,) zeigte bessere Eigenschaften in bezug auf die Verfärbung, wie die Kurve 15 zeigt. Man erkennt, daß der Absorptionskoeffizient etwa 0,25 cm" bei 6400 A war und graduell auf einen Wert von etwa 0,8 cm" bei 4400 A anstieg.
Das gleiche Glas mit 0,07 # Fe3O5 war noch resistenter gegen UV-Verfärbung, wie die Kurve 16 zeigt.
Das gleiche Glas zeigt jedoch mit 0,07 $ Fe3O5 und 1 # TiO2
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ausgezeichnete lOtoresiatenz, wie die Kurve 17 zeigt. Man erkennt, daß der Absorptionskoeffizient bei 6400 Ä auf weniger als 0vl c« gefallen ist und dann graduell auf etwa 0,15 om bei 4000 A angestiegen ist. Ein Zusatz von 1 5t TiOp "desensibilisiert11 daher das Glas gegenüber dem Yerfärbungseffekt von UV-Bestrahlung und verwandelt das Glas in ein Material, das seine Lichtdurchlässigkeit in hohem Grade beibehält·
Die UV-Lichtquelle, die zur Durchstrahlung des Glases benutzt wurde, war eine 200 Watt Hochdruokqueoksilberdampf-Bogenröhre, die 1,1 Watt einer Strahlung mit der Wellenlänge von 2537 A, gemessen an der Wand der Bogenröhre, erzeugte· Auf der Grundlage der physikalischen Abmessungen der Bogenröhre und des Abstandes zwischen dieser und den
Glasplatten ergab sich die gesamte UV-Dosis, die den Plat-
2 ten zugeführt wurde, zu etwa 0,96 Milliwatt pro cm mit
einer Wellenlänge von 2537 1. Bei einer klaren 1,22 m (4 ft.) langen, 40 Watt-Fluoreszenzlampe treffen etwa 15 Milliwatt
ο
pro cm der gleichen Strahlung auf die Innenwände des Kolbens auf. Bei einer Fluoreszenzlampe jedoch, die mit Phosphor bedeckt ist, bewirkt der Phosphor, daß nur etwa 3 % der erzeugten UV-Strahlung den Glaskolben erreicht· Dadurch beträgt der Strahlungsfluß mit der Wellenlänge von 2537 A, der den Lampenkolben erreicht, etwa nur noch 3 f> von 15 Milliwatt pro cm2, also etwa 0,45 Milliwatt pro cm . Die in der Tabelle II
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176*747
aufgeführten und in Fig. 2 dargestellten Glasarten empfangen daher einen doppelt so großen Wert an 2537 Α-Strahlung ale das Glas In einem Fluoreszenzlampenkolben. Dazu wurden vergleichende Tests in bezug auf die Solarisation oder Verdunkelung, die durch ultraviolette Duronstrahlung erzeugt wird, durchgeführt·
Die Menge an TiO2, die dem modifizierten Glas zugeführt werden kann, kann innerhalb weiter Grenzen variieren, wie man aus der grafischen Darstellung in Fig. 3 erkennt. Die Daten, die in der grafischen Darstellung von Fig. 3 angeführt sind, wurden durch Zusetzen vom. 0,1 bis 10 Gew.-$ TiO2 zu einem konventionellem Natronkalk-Silikatglas erreicht, das 0,07 $ Fe2O, enthält und für Fluoreszenzlämpenröhren verwendet wird. Die Proben wurden 30 Minuten lang mit UV-Strahlung durchstrahlt, die von einem Quarz teil einer Niederdruokquecksilberdampflampe stammte, welche mit einem Bogenstrom und einer Umgebungstemperatur arbeitete, die denen einer gewöhnlichen Fluoreszenzlampe entsprachen. Die Glasproben erhielten daher etwa den gleichen Grad an UV-Durchstrahlung wie der Kolben einer Fluoreszenzlampe, die eine gleiche Zeitlang betrieben wird.
Wie man aus Kurve 18 in Fig. 3 erkennt, vermindert sich der Absorptionskoeffizient dieses TiO2-modifizierten Glases im 4-800 Α-Bereich stark, wenn der TiOg-Gehalt von 0,1 bis 0,8 Gew.
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erhöht wird. Er erreicht ein Minimum von etwa 0,06 cm bei 2 $o TiOp und vergrößert sich dann graduell auf 0,1 cm , wenn der TiOg-Gehalt 10 Grew.-# erreicht.
Die Kurve 19, die dem Absorptionskoeffizienten im 5800 !-Bereich entspricht, verläuft ähnlich, aber sie erreicht ein Minimum von 0,02 cm bei 3 # TiOg-Gehalt und steigt auf 0,04 cm"" , wenn 10 # TiO2 dem Glas zugesetzt werden.
Überraschenderweise kristallisierten die Glasarten, die solche relativ großen Mengen an TiO2 enthielten, nicht und ihre Sehmelzviskosität schien etwa gleich derjenigen von ähnlichen Glasarten ohne Titan zu sein. Ihre Betriebseigenschaften waren ebenfalls sehr ähnlich, wie man aus der nachfolgenden Tabelle III erkennt.
TABELLE III
Physikalische Eigenschaften von konventionellen und Ti02-modifizierten Natronkalk-Silikatglasröhren
Eigen
schaft		 Vis
kosi
tät		 Konven
tionelle
Röhren		 TiOg-modifizierte Röhren 356 TiO2 5S& TiO2 10% TiO2
Erwei-
chungs-
temp.
Glüh
punkt
Form-
ände-
rungs-
punkt
(Strain
Point)		 log vise
= 7.65
log vise
= 13.0
log vise
= 14.5		 6930C
5150G
4690C		 1% TiO2 7050C
5310C
4910C		 7080C
54O0C
5O3°C		 7200C
5670C
5320C
697°C
5200C
4750C
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Wie man bemerkt, hat der TiO^-Zusatz einen geringen auf die Betriebseigenschaften des Glases, insbesondere bei Mengen bis zu 3 Gew.-^. Die höheren Temperaturen, die für die 5 # und IO # TiOg-Anteile erforderlich waren, konnten durch Nachregelung der Abdichtungsflamme usw. erreicht werden. Deshalb können Fluoreszenzlampen, deren Kolben aus TiO2- modifizierten Natronkalk-Silikatglasarten nach der vorliegenden Erfindung bestehen, in der gleichen kurzen Fertigungszeit hergestellt werden, wie es für derzeit übliche Geräte möglich ist.
Der zulässige Bereich (Ri in Fig. 3) für den TiO2-Gehalt liegt zwischen mehr als 0,8 und nicht mehr als 10 Gew.-#. Die größte Reduktion des Absorptionskoeffizienten wird jedoch in einem Bereich von mehr als 0,8 bis nicht mehr als 3 Gew. TiOp erreichtJ deshalb ist dieser Bereich (R2) vorzuziehen. Dieser Bereich ist auch deshalb vorzuziehen, weil er den maximalen Grad an Verbesserung bei kleinsten Kosten ergibt. Spezifische TiO2-Gehalte von 1 bis 2 Gew.-# sind aus diesem Grunde ebenfalls wünschenswert.
Obwohl es keine Versuchsdaten über die Betriebseigenschaften von Glasarten gibt, die MoO, als Zusatz in den Mengen aufweisen, die in Tabelle II eingetragen sind, kann angenommen werden, daß solche Eigenschaften ganz ähnlich denen des konventionellen Natronkalk-Glases sind. Der vorzuziehende Bereich
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im Falle des Zusatzes von MoO, liegt daher zwischen 0,5 1 Gew.-Jt; und etwa 0,75 Gew.^ erscheinen als optimal.
Mischungen der zwei Zusätze können ebenfalls verwendet werden, wenn es gewünscht ist. So kann bis zu 1 Gew.-$> des TiOo durch MoO, ersetzt werden.
Obwohl die modifizierten Natronkalk-Silikatglasarten nach der vorliegenden Erfindung besonders für die Verwendung in Verbindung Bit Fluoreszenzlampen geeignet sind, können sie auch vorteilhaft für Hochdruckquecksilberdampf-Entladungslampen verwendet werden, insbesondere wo die Kosten eine Rolle spielen und die Verfärbung der äußeren Umhüllung ein Problem ist. In Fig. 4 ist eine Lampe 20 dieses Typs gezeigt, welche einen äußeren Glaskolben 22 aufweist, der innen mit einer Schicht 25 von farbkorrigierenden UV-empfindlichen Phosphor, wie beispielsweise Magnesiumfluorgermanat, bedeokt ist, welches zu der normalen Blau-Grün-Strahlung, die von der eingeschlossenen Bogenröhre 24 erzeugt wird, rotes Licht hinzufügt. Die Bogenröhre 24 wird in sich axial erstreckender Lage innerhalb des Röhrenkolbens 22 durch einen Stift 25 gehalten, der aus einem einzigen Stück steifen Drahtes bestehen kann. Die Bogenröhrenelektroden sind elektrisch mit einem Paar steifer Leiterdrähte 26 und 27 und einem geeigneten Startwiderstand über Hilfsleiter verbunden. Die Leiterdrähte sind in dem Glasfuß 28 abgedichtet und mit
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Kontakten einer Schraubfassung 29 in gewöhnlioher Weise -verbunden·
Das verbesserte Glas gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch für den Kolben einer Glühlampe verwendet werden, da ein Teil der durch die Heizung verbrauchten Leistung in ultraviolette und infrarote Strahlung umgewandelt wird, die mit der sichtbaren Strahlung abgestrahlt wird. Der Röhrenkolben ist daher sowohl der ultravioletten Strahlung als auch dem sichtbaren Licht ausgesetzt und tendiert daher zur Verfärbung insbesondere bei Hochleiatungslampen mit langer Lebensdauer. Solch eine Glühlampe 30 ist in Fig. gezeigt und besteht aus einem gewöhnlichen Glaskolben 32, der einen GlasfUß 34 und einen gewendelt·» Heisfaden 36 enthält, welcher durch ein Paar Leiterdrähte 37t 38 gehalten wird. Die Leiterdrähte 37 und 38 sind in dem Fuß abgedichtet» Die abgedichteten Enden des Kolbens 32 sind in gewBhnlioher Weise mit einem Sockelteil 39 versehen.
Aus den vorher gemachten Ausfuhrungen geht hervor, daß die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben erfüllt worden sind. Lampen, insbesondere Fluoreszenzlampen, die einen Kolben aus dem erfindungsgemäßen Glas verwenden, zeigen eine geringere UV-Verfärbung als Lampen, welohe Kolben aus konventionellem Silikatglas haben. Die Lampen mit dem erfindungsgemäßen Glas können auch einen niedrigeren Azifangs-
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absorptionskoeffizienten haben. Die Verbesserung ist durch. Modifizierung der Basiszusammensetzung des Natronkalk-Silikatglases erreicht worden, indem man Fe2G,-Gehalt so dosiert hat, daß er 0,07 & Gew.-# nicht übersteigt. Ferner sind UV-absorbierende Zusätze in Form von 0,8 bis 10 Gew.-^ TiO2 oder 0,5 bis 1 Gew.-^ MoO, verwendet worden. Obwohl es nicht bekannt ist, in welcher Weise das dosierte Eisen und die ultraviolette Strahlung absorbierenden Zusätze zu den verbesserten Resultaten führen, kann angenommen werden, daß es eine Folge der Elimination oder Reduktion der Farbzentren ist, die entweder durch Einfangen von Elektronen in sauerstoffarmen Bereichen des Glases oder durch Einfangen von Löchern an Stellen nicht überbrückter Sauerstoffionen gebildet werden. Im Falle eines Phosphors, beispielsweise eines Halophosphatphosphors ( ein Kalzium-Halophosphatphosphor, der beispielsweise mit Antimon und Mangan aktiviert ist), erfolgt dieser Effekt umgekehrt durch Natrium oder Natriumionen; die Verwendung von TiO2 oder MoO, kann also dazu dienen, zu verhindern, daß Natrium oder Natriumionen in die innere Oberfläche des Kolbens eindringen und den Phosphor vergiften oder chemisch mit Quecksilber oder anderen Ionen in der Entladung reagieren und eine Ablagerung bilden, die die Innenfläche des Kolbens verfärben. Es ist außerdem bekannt, daß alle Glasarten mehr oder
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weniger der Einwirkung von Wasser ausgesetzt sind, wobei der durch diesen Angriff am meisten verletzliche Punkt die Sauerstoffatome sind, die nicht zwei Siliziumstome verbinden, also die nichtüberbrückenden Sauerstoffatome. Jedoch können -Si-o-Si-Verbindungen auch hydrolisiert werden.
-I I ι I I
o-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O + 3 HOH
Il III
HO-Si-O-Si-OH + HoSi-O-Si-O-Si-OH + 2 OH Ii ill
Wenn Metalloxyde, deren Kationen eine größere Ladung als 1 haben, in die Verbindung eingeführt werden, wird das Glas gegen den Angriff durch Wasser mehr resietent. Das hat seine Ursache darin, daß das Kation des hinzugefügten Oxydes mit dem Sauerstoff des Glases koordiniert, wodurch das Glas gegen den Angriff von Wasser oder seinen Komponent-Ionen gesohützt wird. Je größer die positive Ladung des hinzugefügten Kationes ist, desto geringer ist seine Größe und je größer seine Koordinationszahl ist, desto wirksamer ist es in Bezug auf die Vergrößerung der Widerstandsfähigkeit des Glases gegen Wasser. Eine genauere Beschreibung dieses Phänomens ist zu finden in "The Constitution of Glass", Band II: Teil zwei (Seiten 1103 ff) von W.A.Weyl und E.C. Marboe (Interscience Publishers, 1967).
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Da Ti+* und Mo+ eine große Ladung und eine geringe Größe (hohe Feldstärke), sowie hohe Koordinationezahlen haben, trägt ihre Anwesenheit in dem verbesserten Glas gemäß der Erfindung dazu bei, daß das Glas weniger anfällig gegen Wasser ist und deshalb mit geringerer Wahrscheinlichkeit Elemente des Wassers enthält, die durch das Ionenbombardement der Queokailberentladung in der Lampe verdrängt werden könnten und die Lampe vergiften. Wasser kann außerdem bei Anwesenheit von Quecksilberionen Quecksilberoxyd erzeugen, welches den Phosphor abdunkeln und die Lichtausbeute der Lampe reduzieren könnte.
Wie auch immer der Mechanismus sein mag, vergleichende 40 Watt T12 "kalt-weiße" Fluoreszenzlampenversuche haben gezeigt, daß nach 100 Stunden Brenndauer ein Gewinn von 26 Lumen durch die Verwendung eines Kolbens erreicht wurde, der 0,06 j Fe2O, und 1,18 ^ TiO enthält und daß sich nach 500 Stunden Brenndauer der Gewinn auf 31 Lumen erhöhte (1 % Gewinn). Andere Lampen zeigten einen Gewinn von etwa 50 Lumen nach mehreren 100 Stunden Brenndauer.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche t
    1,) Elektrische lampe mit Mitteln zur Erzeugung von ultravioletter und sichtbarer Strahlung, wenn die Lampe eingeschaltet ist, mit einem Natronkai Ic-Silikatglaskolben, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas eine geringe, normalerweise in zur Glasherstellung verwendeten Sandarten vorhandene Menge Fe2O, und ein ultraviolette Strahlung absorbierendes Material enthält, das aus TiO2, MoO, oder einer Mischung aus TiO2 und MoO, besteht und in einer Menge vorliegt, die ausreicht, um eine Verfärbung des Glases infolge auftreffender ultravioletter Strahlung zu verhindern, und daß die Mengen ferner so gewählt sind, daß der Absorptionskoeffizient des Glases im sichtbaren Bereich unter etwa 0,4 cm während des größten Teiles der normalen Lebensdauer der Lampe (5, 20, 30) bleibt.
    2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ultraviolette Strahlung absorbierende Material einen Mengenanteil an TiO2 aufweist, der größer als 0,8 Gew.-^, aber nicht größer als 10 Gew.-^ ist.
    3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ultraviolette Strahlung absorbierende Material einen Mengenanteil an MoO, aufweist, der zwischen etwa 0,5 und etwa 1 Gew.-Ji liegt»
    4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ultraviolette Strahlung absorbierende Material einen Mengenanteil
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    an TiOp aufweist, der zwischen 0,8 und etwa 5 Gew.~# liegt und daß die Mengen von Fe2O., und TiOp so korreliert sind, daß der Anfangsabsorptionakoeffizient des Glases im sichtbaren Bereich geringer als etwa 0,05 cm~ ist.
    5· lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas Pe2O, mit einem Mengenanteil von etwa 0,05 Gew.-# und TiOp mit einem Mengenanteil von etwa 1,5 Gew.-# enthält.
    6. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas folgende Zusammensetzung hat:
    Bestandteile Gewichtsprozente
    SiO2 60-75
    Na2O 5-18 CaO
    4-13 MgO
    Al2O5 0.5-3.4
    K2O 0.1-2
    TiO2 0.8-10
    Pe2O3 £0.07
    As2O5 0.01-2
    7· Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas folgende Zusammensetzung hat:
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    Bestandteile Gewichtsprozente SiO2 71.3 Na2O 15.5 CaO 5.3 MgO 3.7 Al2O3 1.85 κ2ο 0.23 TiO2 2.0 Pe2O3 0.05 As2O 0.07
    8. lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Fluoreszenzlampe (5) ist und daß der Kolben eine Röhrenform hat und innen mit einem Phosphor bedeckt ist, der auf ultraviolette Strahlung anspricht.
    9. Lampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Hochdruckquecksilberdampf-Entladungslampe (20) iat und daß die ultraviolette Strahlung und sichtbare Strahlung erzeugenden Mittel eine Bogenröhre (24) aufweisen, die innerhalb des Röhrenkolbens (22) angeordnet ist.
    10. Lampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine Glühlampe (30) ist·
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    11. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phosphor Tom Halophoephattyp ist.
    12. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phosphor ein Kalziua-Halophosphatphosphor ist, der durch Antimon und Mangan aktiviert ist.
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    Leerseite
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